Experiments and numerical studies on transport of sulfadiazine in soil columns

Abstract

Veterinary antibiotics like sulfadiazine (SDZ) are used in large amounts worldwide. Excreted as parent compounds or in the form of metabolites they reach agricultural soils mainly via spreading of manure or sewage sludge and may be transported to the groundwater. Recently, antibiotics have been detected in several environmental compartments leading to an increasing concern about their hazardous effects. To asses the leaching potential of SDZ from soils into groundwater, knowledge on its transport processes in soils is necessary. Also the transport of its metabolites as well as possible transformation processes have to be considered.<br /> In this work transport experiments at the column scale were performed. Therefore, SDZ and pig manure were used to analyze the governing processes that affect the transport of SDZ in disturbed and undisturbed soil columns of a loamy sand and a silty loam. For this purpose the Hydrus model has been adapted and applied to the observed BTCs and resident concentrations. <br /> The occurrence of transformation products in the outflow of repacked soil columns of both soils was investigated in experiments with a SDZ-solution. For the prediction of the 14C-distribution in the repacked soil columns, empirical approaches to describe irreversible sorption were tested. Furthermore the influence of flow rate and concentration/applied mass on SDZ transport was investigated and the respective experiments were simultaneously described with a common set of parameters. In transport experiments with pig manure, the effect of pig manure on the transport of SDZ as well as the transport behavior of the main metabolites of SDZ present in pig manure, N-Ac-SDZ and 4-OH-SDZ, were investigated. <br /> Without considering a known photo-degradation product transformation was very low in both investigated soils. In soil columns where most of the 14C was found near the soil surface, the prediction of the 14C-concentration profiles was improved by applying two empirical models other than first-order to predict irreversible sorption. The application of SDZ at a higher flow rate led to higher eluted masses and concentrations compared to experiments conducted at a lower flow rate. The simultaneous fitting process with a three site attachment/detachment model revealed that although the same sorption mechanisms seem to occur in all experiments, their characteristic time scales were different, especially under transient flow conditions. As the main difference between experiments with manure and SDZ-solution an accumulation of 14C in the upper soil layer was found in the experiments with manure. The modeling process revealed a high mobility of both SDZ and its transformation products. While the transformation of N-Ac-SDZ into SDZ was fast and no extended tailing of N-Ac-SDZ was observed, the transport behavior of 4-OH-SDZ was similar to SDZ.

<strong>Experimente und numerische Untersuchungen zum Transport von Sulfadiazin in Bodensäulen</strong><br /> In der Tiermedizin angewandte Antibiotika wie Sulfadiazin (SDZ) werden weltweit in großen Mengen eingesetzt. Nachdem sie als Ausgangssubstanz oder in der Form von Metaboliten ausgeschieden werden, gelangen sie hauptsächlich durch das Ausbringen von Gülle oder Klärschlamm in landwirtschaftliche Böden von wo aus sie ins Grundwasser transportiert werden können. In den letzten Jahren wurden Antibiotika in verschiedenen Umweltmedien nachgewiesen was aufgrund ihrer schädlichen Auswirkungen zu einer steigenden Besorgnis geführt hat. Um das Potential einer möglichen Auswaschung von SDZ ins Grundwasser einschätzen zu können, sind Kenntnisse über die Transportprozesse in Böden entscheidend. Auch der Transport der Metabolite sowie mögliche Transformationsprozesse müssen berücksichtigt werden. <br /> In dieser Dissertation wurden Transportexperimente auf der Skala von Bodensäulen durchgeführt. Anhand von SDZ-Lösungen und SDZ-haltiger Schweinegülle wurden Prozesse untersucht, die den Transport von SDZ in gestörten und ungestörten Bodensäulen eines lehmigen Sandes und eines schluffigen Lehms beeinflussen. Dazu wurde das Model Hydrus verändert und zur Modellierung der gemessenen Durchbruchskurven und Profilkonzentrationen genutzt. Das Auftreten von Transformationsprodukten im Ausfluss gepackter Bodensäulen beider Böden wurde in Experimenten mit einer SDZ-Lösung untersucht. Zur Vorhersage der 14C-Konzentrationen in den Bodenprofilen wurden empirische Ansätze zur Beschreibung der irreversiblen Sorption getestet. Zusätzlich wurde der Einfluss von Fließrate und Konzentration/applizierter Masse auf den Transport von SDZ untersucht. Während der Modellierung wurden die entsprechenden Experimente mit einem gemeinsamen Parametersatz beschrieben. In Experimenten mit Schweinegülle wurden der Einfluss von Schweinegülle auf den Transport von SDZ sowie das Verhalten der in der Schweingülle vorhandenen Hauptmetabolite, N-Ac-SDZ und 4-OH-SDZ, untersucht. Ohne Berücksichtung eines bekannten Phototransformationsproduktes war die Transformation von SDZ in beiden Böden sehr gering. In den Bodensäulen wurde die größte Menge an 14C nahe der Oberfläche gefunden. Die Beschreibung dieses Musters konnte durch zwei empirische Modelle zur Beschreibung der irreversiblen Sorption verbessert werden. Die Applikation von SDZ mit einer höheren Fließrate führte zu höheren eluierten Mengen als bei Experimenten, die mit einer geringeren Fließrate durchgeführt wurden. Die simultane Modellierung mit einem dreiseitigen attachment/detachment Model zeigte, dass die charakteristischen Zeitskalen in den Experimenten verschieden sind, obwohl in allen Experimenten dieselben Sorptionsmechanismen stattzufinden scheinen. Dies gilt insbesondere im Vergleich zwischen Experimenten mit konstanten und transienten Fließbedingungen. Der Hauptunterschied zwischen Experimenten mit SDZ-Lösung und Gülle war eine Anreicherung von 14C in der obersten Schicht der Bodensäulen in den Experimenten mit Gülle. Die Ergebnisse der Modellierung ergaben eine hohe Mobilität für SDZ und die Transformationsprodukte. Während die Transformation von N-Ac-SDZ zu SDZ schnell verlief und die Durchbruchskurven von N-Ac-SDZ kein ausgeprägtes Tailing aufwiesen, war das Transportverhalten von 4-OH-SDZ dem von SDZ ähnlich.