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Tierarzneimittelbelastungen in Umwelt und Lebensmitteln begegnen

Tierarzneimittel – quo vadis?

Arzneimittel werden in der Human- und Veterinärmedizin in großen Mengen eingesetzt und tragen erheblich zum hohen Gesundheitsstandard von Menschen und Tieren sowie zur Versorgung mit tierischen Lebensmitteln bei. Die Umsatzzahlen für Tierarzneimittel in Deutschland lassen sich in folgende Bereiche einteilen: Antiinfektiva/Antibiotika (25%), Antiparasitika (19%), Biologika (26%) und pharmazeutische Spezialitäten (30%). Dabei werden in etwa gleich hohe Umsätze im Nutz- und Heimtierbereich erzielt [1]. Doch wo verbleiben die Substanzen nach ihrer Wirkung im Organismus?

Tierarzneimittelrückstände in Lebensmitteln

Tierarzneimittel unterliegen strengen gesetzlichen Regelungen und müssen gemäß Arzneimittelgesetz zugelassen werden. Nach dem Tierschutzgesetz besteht die Verpflichtung, Tier- ­arzneimittel zur Heilung erkrankter Tiere einzusetzen, wenn andere Maßnahmen keinen Erfolg bringen. Insofern können Wirkstoffe nicht nur in der intensiven Tierhaltung, sondern auch in biologischen Haltungsformen und bei Haustieren Verwendung finden. Die Verbraucher sehen sich durch Tierarzneimittelrückstände zunehmend gefährdet, obwohl durch die deutschen und europäischen Überwachungsbehörden in den vergangenen Jahren eine durchweg sehr niedrige Belastung tierischer Lebensmittel festgestellt worden ist. Hieraus ist – auch bei Höchstgehaltsüberschreitungen – ein gesundheitliches Risiko für den Verbraucher durch den Verzehr tierischer Produkte nicht zu erkennen. Allerdings ist nicht erst seit der Chloramphenicol-Kontamination von Enzympräparaten, die vielfältig im Futter- und Lebensmittelbereich eingesetzt worden sind, bekannt, dass Tierarzneimittel auch außerhalb ihres eigentlichen Einsatzgebietes (wieder)gefunden werden können [2].

Tierarzneimittelrückstände in der Umwelt

Umfangreiche Forschungsarbeiten seit Mitte der 1980er-Jahre haben gezeigt, dass Arzneimittel selbst und/oder ihre Metaboliten und Abbauprodukte aufgrund ihrer Persistenz in verschiedene Umweltkompartimente gelangen können (Abb.1 und [2–4]).


Abb.1 Eintragspfade von Tier- und Humanarzneimitteln in die Umwelt (modifiziert nach [1]). Die höchs­ten Tierarzneimittelkonzentrationen findet man in der Gülle und im Stallstaub (mg/kg-Bereich), ­Spurenkonzentrationen werden in Oberflächen- und Grundwasser detektiert (unterer µg/L-Bereich).

Im Bereich der Tierarzneimittel lag der Fokus der Forschung vor allem auf den ­Antibiotika, die überwiegend im Nutztierbereich eingesetzt werden. Die absolute Verbrauchsmenge für diese Wirkstoffklasse ­lag in Deutschland 2012 bei ca. 1.600 Tonnen (s. Tab. 1 und [5]) und ein deutlicher Rückgang ist in den nächsten Jahren nicht zu erwarten. Verwendung finden insbesondere Tetracycline, ß-Laktame und Sulfonamide.

Während bei Humanarzneimitteln der Eintrag in die Umwelt hauptsächlich über Kläranlagenabflüsse erfolgt, werden Tierarzneimittel über Wirtschaftsdünger (z.B. Schweine- und Rindergülle) in Böden eingebracht und können dann in das Grundwasser oder auch in (Nutz)Pflanzen gelangen [4, 6]. Eine Verlagerung von Tierarzneimittelrückständen über das Grundwasser in das Trinkwasser ist nach derzeitigem Kenntnisstand als äußerst unwahrscheinlich anzusehen, da die weitere Bodenpassage sowie die Wasseraufbereitung im Zuge der Trinkwasserherstellung hohe Barrieren darstellen. Darüber hinaus finden sich Antibiotika aus dem Nutztierbereich auch in Stallstäuben wieder und können so Landwirte und Tierärzte über die eingeatmete Luft direkt exponieren [7]. Als größtes Umweltrisiko von antibiotisch wirksamen Stoffen wird die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen gesehen. Allerdings ist dieses Risiko derzeit nur schwer zu quantifizieren. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die Entstehung von Antibiotikaresistenzen vor allem durch eine unsachgemäße Anwendung der Substanzen in der Humanmedizin und in der Tierhaltung gefördert wird. Nach der Behandlung von Tieren können resistente Bakterien und/oder deren Resistenzgene dann in die Stallumgebung und über die Gülledüngung auch in die terrestrische Umwelt eingebracht werden. Hier kann es zu einem Austausch des genetischen Materials kommen, z.B. mit Bodenbakterien [4]. Finden diese resistent gewordenen Mikroorganismen dann ihren Weg zu Mensch und Tier und besitzen sie darüber hinaus pathogene Eigenschaften, kann dies zu schweren gesundheitlichen Problemen führen, da zur Behandlung etwaiger Infektionen immer weniger wirksame Antibiotika zur Verfügung stehen.

Herausforderungen an die Analytik

Zur Bestimmung von Tierarzneimittelrückständen in Lebensmittel- und Umweltproben sind leistungsstarke analytische Methoden zwingend erforderlich, da die Abschätzung des Gesundheits- oder Umweltrisikos einer Substanz nur bei Kenntnis seiner Konzentration in einer bestimmten Matrix möglich ist. Nach wie vor spielen Screening-Methoden wie der mikrobiologische Hemmstofftest eine wichtige Rolle in der Untersuchung von Lebensmitteln auf Antibiotika. Ohne bzw. durch eine relativ einfache Probenvorbereitung können in Kombination mit einem in der Regel hochspezifischen Nachweisverfahren Aussagen darüber getroffen werden, ob eine Substanz oder eine Gruppe von strukturell ähnlichen Substanzen in einer Probe oberhalb eines Grenzwertes vorliegt oder nicht (Ja/Nein-Entscheidung). So kann im Rahmen der Vor-Ort-Untersuchung z.B. die Kontrolle von Rohmilch auf Hemmstoffe in der Molkerei oder von Fleisch im Schlachthof schnell und mit niedrigen Kosten bei ausreichender Empfindlichkeit durchgeführt werden. Allerdings sind diese Verfahren derzeit nur bedingt geeignet, um auch Umweltproben zu untersuchen. Eine wichtige Anwendung in diesem Bereich ist aber die Untersuchung von Abbauprodukten antibiotischer Wirkstoffe auf ihre mikrobiologische Restak­tivität (s. Abb. 2 und [8]).


Abb.2 Einsatz des mikrobiologischen Hemmstofftests BRT MRL-Suchtest (AIM, München) in der Umwelt­analytik. Der Test basiert auf der Reduktion des dem Agar zugesetzten blau-schwarzen Redoxindikators Brillantschwarz durch Stoffwechselprodukte des Testkeims Bacillus stearothermophillus. Enthält die Probe Hemmstoffe, so wächst der Keim nicht und der Indikator verändert seine Farbe nicht (s. Positivkontrolle Penicillin G in der 1. Spalte). Ist die Probe frei von Hemmstoffen, so wird der Indikator vollständig reduziert, was durch eine Gelbfärbung angezeigt wird (s. Negativkontrolle in der 2. Spalte). Ein nach anaerober Fermentation des Sulfadiazins ­gebildeter hydroxylierter Metabolit zeigt erst bei einer Konzentration von 1500µg/L eine vergleichbare Wirkung wie die Muttersubstanz bei 100µg/L. Hieraus lässt sich eine mikro­biologische Res­taktivität von weniger als 10% errechnen [8].
Foto: © Dr. Siegrun Mohring, Gießen

Der eindeutige Nachweis einer einzelnen Substanz (Identifizierung) und die Bestimmung der exakten Menge (Quantifizierung) sind allerdings nur über die üblicherweise sehr arbeitsaufwändigen und instrumentell anspruchsvollen Bestätigungsverfahren bzw. Referenzverfahren möglich. Im Bereich der quantitativen Spurenanalytik im Lebensmittel- und Umweltbereich werden in den meisten Fällen chromatografische ­Verfahren (Gaschromatografie (GC), Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie (HPLC)) eingesetzt, gekoppelt mit spektrometrischen Methoden (Massenspektrometrie (MS), UV-VIS-Spektroskopie) eingesetzt. In den vergangenen Jahren hat sich HPLC in Kombination mit Tandem-Massenspektrometrie (MS-MS) als Methode der Wahl nicht nur im Bereich der Lebensmittel-, sondern auch der Umweltanalytik erwiesen [2, 4, 6–9]. Neben den üblichen Validierungskriterien einer Methode (u.a. Nachweis- und Bestimmungsgrenze, ­linearer Bereich, Spezifität, Robust­heit) ist bei der Entwicklung von LC-MS-Methoden besonderer Wert auf die Untersuchung von Matrixeffekten zu ­legen, da mitextrahierte Probenbestandteile das Mess­ergebnis signifikant beeinflussen können [10]. In jüngster Zeit ist es auch möglich geworden, ein Wirkstoff-Screening mittels schnell scannender MS-Systeme durchzuführen. Hierbei kann in kurzer Zeit auf hunderte von Substanzen geprüft werden. Allerdings ist in diesem Falle eine Probenvorbereitung unumgänglich. Darüber hinaus erfordern solche Multimethoden auch neue Wege bei der Verwaltung von Standardsubstanzen und der Überprüfung von daraus hergestellten Lösungen im Rahmen der Qualitäts­sicherung im Labor.


Abb. 3 Können in Biogasanlagen Tierarzneimittel effizient abgebaut und so ihr Eintrag in die Umwelt verringert werden? Hierzu sind noch umfangreiche Untersuchungen erforderlich, insbesondere sind Prozessparameter, die einen Abbau begünstigen, noch weitestgehend unbekannt.
Foto: © Dr. Astrid Spielmeyer, Gießen

Ziel: Minimierung des Tierarzneimittel­einsatzes und des Umwelteintrages

Eine deutliche Reduzierung des Antibiotikaeinsatzes in der intensiven Tierhaltung ist auch im Sinne eines vorbeugenden Verbraucher-, Boden- und Grundwasserschutzes zu fordern. Einen wichtigen Beitrag hierzu könnten neben Verbesserungen in der Tierhaltung die „Leitlinien für den sorgfältigen Umgang mit antimikrobiell wirksamen Tierarzneimitteln“, herausgegeben von der Bundestierärztekammer (BTK) in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Tierarzneimittel (AGTAM) der Länderarbeitsgemeinschaft Verbraucherschutz, liefern. Diese Leitlinien beinhalten wichtige Mindestanforderungen zum Einsatz von Antibiotika. Es werden Auswahlkriterien für das richtige Antibiotikum festgelegt und Hinweise für die richtige Dosierung und Therapiedauer gegeben. Darüber ­hinaus beinhalten sie auch allgemeine Empfehlungen, um insbesondere die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen zu vermindern. Die Zunahme antibiotikaresistenter Keime sowohl in der Tier- als auch in der Humanmedizin wird als eines der gravierendsten Gesundheitsprobleme weltweit angesehen. Aber auch die Formulierung eines Arzneimittels kann dazu beitragen, dass weniger aktive Substanzen in die Umwelt gelangen. In einem kürzlich abgeschlossen Verbundprojekt konnte durch Herrn Prof. Kietzmann von der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover gezeigt werden, dass die gängige Praxis, Arzneimittel über das Futter gestreut in Pulverform zu verabreichen, hohe Belastungen der Stallluft bewirken kann. Eine mögliche Lösung für dieses Problem liegt in der Fütterung von Pellets oder Granulaten, die die Arzneistoffe enthalten. Allerdings ist diese Form der Fütterung mit höheren Kosten verbunden [11]. Möglicherweise können auch Biogasan­lagen dazu beitragen, zumindest einzelne Wirkstoffe durch anaerobe Fermentation abzubauen. Gülle, in der Antibiotika aus Behandlungen der Tiere enthalten sein können, wird häufig in Bio­gasanlagen als Substrat eingesetzt. Dieser wichtigen Fragestellung wird derzeit im BMBF-Verbundprojekt „RiskAGuA» (siehe: http://www.riskagua.de/ und [12]) im Labormaßstab nachgegangen. Darüber hinaus wird auch das Verhalten von pathogenen Mikroorganismen sowie deren Resistenzen im Rahmen der Biogaserzeugung untersucht. Die Behandlung von Abwässern aus Kommunen oder der Tierhaltung mit UV-Licht oder durch Ozonierung ist als kritisch anzusehen. Obwohl beispielsweise Sulfonamide prinzipiell gut durch UV-Behandlung abgebaut werden können, ist bislang nur wenig über die dabei entstehenden Transformationsprodukte und ­deren Toxizität bekannt [13]. Im Falle des Sul­fathiazols konnte kürzlich herausgefunden werden, dass die Substanz durch UV-Behandlung in ein in den 1950er-Jahren verwendetes Antituberkulosemittel, das Promizol, umgewandelt wird. Bei gleicher Molekülmasse ist Promizol zwar mikrobiologisch deutlich schwächer wirksam als Sulfathiazol, dafür aber lipophiler und möglicherweise auch stabiler als die Ausgangssubstanz [14].

Ausblick

Die seit vielen Jahren messbare Umweltbelas­tung durch Tierarzneimittel kann letztendlich nur durch ein Bündel von Maßnahmen auf ­unterschiedlichen Ebenen reduziert werden. Hierzu zählt neben den beschriebenen technologischen Möglichkeiten auch ein verantwortungsvoller und sparsamer Einsatz pharmako­logisch wirksamer Substanzen („prudent use“). Eine besondere Herausforderung liegt in der Vermittlung dieses aktuellen Wissens in Verbindung mit praxistauglichen Ansätzen an Tierärzte und Landwirte.

Literatur
[1] Bundesverband für Tiergesundheit, Tierarzneimittelmarkt 2012 in Deutschland, http://www.bft-online.de/fileadmin/bft/pressemitteilungen/Marktzahlen_2012_TAM.jpg; aufgerufen am 10.04.2014
[2] Hamscher, G. et al. (2002) Anal. Chem. 74, 1509–1518
[3] Sarmah, A. K. et al. (2006) Chemosphere, 65(5), 725–759
[4] Hamscher, G. & Mohring, S. A. I. (2012) Chem. Ing. Tech. 84, 1052–1061
[5] Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittel­sicherheit (2013) Zweite Datenerhebung zur Antibio­tikaabgabe in der Tiermedizin, Presseinformation ­(http://www.mailing-power.de/11656/201311/veanop5tiwtts88feq2vgy3.pdf; aufgerufen am 10.04.2014
[6] Grote, M. et al. (2007) Landbauforschung Völkenrode 57(1), 25–32
[7] Hamscher, G. et al. (2003) Environ. Health Persp. 111, 1590–1594
[8] Mohring, S. A.I. et al. (2009) Environ. Sci. Technol. 43, 2569–2574
[9] Farré, M. et al. (2012) J. Chromatogr A 1259, 86–99
[10] Janusch, F. et al. (2013) Bioanalysis 5(17), 2101–2114
[11] Hamscher, G. et al. (2013) Identifizierung und Charakterisierung von umweltfreundlichen Tierarznei­mitteln am Beispiel der Sulfonamide; Abschlussbericht zu Projekt 26852-31; Download unter: http://www.dbu.de/OPAC/fp/DBU-Abschlussbericht-AZ-26852.pdf; aufgerufen am 10.04.2014
[12] Spielmeyer, A. et al. (2014). Anal. Bioanal. Chem. 406(11), 2513–24
[13] Zessel, K., et al. (2014) Chemosphere 100, 167–174
[14] Spielmeyer, A. (2014) Clean – Soil, Air, Water, im Druck: doi 10.1002/clen.201300732

Bild: © Fotolia.com | Anatolii

Stichwörter:
Rückstandsanalytik, Qualitäts­sicherung, Tierarzneimittelrückstände

L&M 4 / 2014

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe L&M 4 / 2014.
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