12
BONUS PROMISE DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded antibiotics on soil parameters Authors Elke Bloem

on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

         

 

BONUS PROMISE DELIVERABLE 2.4 

 

Report on effects of graded antibiotics on soil 

parameters 

 

Authors 

Elke Bloem  

 

Page 2: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) 

 

 

DELIVERABLE 2.4 

Report on effects of graded antibiotics on soil 

parameters 

 

AUTHORS: Elke Bloem  

DATE: December, 2016 

 

 

 

BONUS PROMISE project has received funding from BONUS 

(Art 185), funded jointly by the EU and Ministry of Agriculture 

and Forestry, PTJ and VINNOVA 

               

 

Page 3: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

 

 

 

 

Contents 

1.  Summary ......................................................................................................................................... 4 

2.  Introduction .................................................................................................................................... 4 

2.1.  Sorption behavior of antibiotics in the soil ............................................................................. 5 

2.2.  Effect of antibiotics on soil microorganisms ........................................................................... 6 

2.3.  Development of antimicrobial resistance ............................................................................... 7 

2.4.  Evaluation of the risk to change the function and the soil microbial community by manure 

application .......................................................................................................................................... 8 

3. Conclusions ......................................................................................................................................... 9 

References ............................................................................................................................................ 10 

 

 

 

   

Page 4: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

1. SummaryOrganic nutrient sources such as farmyard manure, sewage sludge, animal‐by‐products or digestates 

can be valuable organic fertilizers delivering nutrients and organic matter to the soil but may pose 

the  risk  to contaminate soils by organic xenobiotics such as pharmaceuticals.  In  the present study 

antibiotics were chosen exemplary from the broad range of possible organic contaminants as they 

are  of  high  importance  in  animal  derived manure  samples  and  human  waste  products  such  as 

sewage  sludge.  The  fate of  antibiotics  in  the  soil  is not well understood  and  it  is  the  aim of  the 

current  report  to  collect  data  about  the  effect  of  antibiotics  on  soil  parameter.  Antibiotics  are 

especially designed to unfold an effect on microorganisms with the target to kill cells or stop their 

multiplication. The antimicrobial action  involves the  inhibition or regulation of enzymes  involved  in 

cell wall biosynthesis, nucleic acid metabolism or protein biosynthesis. When antibiotics enter  the 

environment  two  processes  are  of  major  importance  with  regard  to  microorganisms,  the 

development of antibiotic resistance genes in the soil and the direct toxicity to soil microorganisms. 

It  is the effect on  important microbial community  functions  (e.g. nitrification rates, degradation of 

organic matter) which  can  be  changed  by  antibiotics  and which will  change  the  ´transformation 

power´ of soils.  

Soil  characteristics  are  of  major  importance  for  the  extent  of  the  antibiotic  action  such  as 

accumulation and binding  in  the  soil, persistence and  release  into  the  soil  solution. The different 

processes in the soil that affect the antibiotic action are compiled in this report as well as knowledge 

about the effects of antibiotics on soil functioning. 

2. Introduction

The antibiotic consumption worldwide accounts for 100,000 to 200,000 tons per year (Jeong et al., 

2010). From this amount 65,000 tons are used in livestock farming (van Boeckel et al., 2015) causing 

increasing contaminations of animal manures with antibiotics and their metabolites.  

Tetracyclines  (TCs)  represent  the  most  important  pharmaceutical  class  in  veterinary  medicine 

accounting  for more  than 30% of  the antibiotics used  in Germany  (Wallmann et al., 2015) and  for 

about 66% of the antibiotic consumption in Europe (Folett, 2000). Very different consumption rates 

were reported for sulfonamids with values of up to 23% in Germany (Folett, 2000) and 10% in the EU 

in 2012  (EMA, 2014). Nowadays a  shift  from TCs  to  fluoroquinolones  (FCs)  takes place as FCs are 

used in smaller amounts and during shorter time intervals (Wallmann et al., 2015). 

Most antibiotics are excreted in great proportions of up to 90% with urine and feces (Sarmah et al., 

2006) with the potential to end up directly via grazing  livestock or  indirectly via slurry, digestate or 

farmyard manure application on agricultural land and in water bodies. Water‐soluble antibiotics (e.g. 

tetracyclines, sulphonamides and some ß‐lactam antibiotics) are excreted via the urine as the parent 

compound  (e.g.  tetracyclines  and  ß‐lactam  antibiotics)  or  metabolites  (e.g.  sulphonamides  and 

macrolides)  while  less  soluble  compounds  such  as macrolides  and  pleuromutilin  derivatives  are 

excreted with  feces  (Halling‐Sørensen, 2000). A great proportion of 40 – 90% of  the administered 

antibiotics  is excreted without prior metabolization (Thiele‐Bruhn, 2003; Kumar et al., 2005). While 

being  a  valuable  source of nutrients, organic  substrates  such  as manure  and  sewage  sludge may 

Page 5: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

pose a risk for contaminating farm sites with antibiotics and by this contribute to the development 

of antibiotic resistant microorganisms in the soil.  

The  fate  of  antibiotics  that  enter  the  environment  depend  on  different  soil  properties  such  as 

organic matter  content,  soil  texture,  pH,  cation  speciation  (Tolls,  2001;  Zhou  et  al.,  2010),  the 

contact  time  and  sequestration  in  the  soil  (Förster  at  al.,  2009)  as  well  as  the  aboveground 

vegetation (Chen et al., 2013; Migliore et al., 2010). 

If antibiotics that enter the soil can unfold a negative impact on soil properties depend very much on 

their concentration as well as on their bioaccessibility. Only compounds that are dissolved or can be 

desorbed  from  the  solid  phase  can  affect microorganisms  in  that way,  that unwanted  effects on 

microbial  community  functions  (e.g.  nitrification  rates)  or  resistant  gene  formation  are  likely  to 

occur.  

Common antibiotic concentrations  in  the  soil are  in  the  range of  several µg/kg but also very high 

concentrations of up to 1,44 mg/kg are reported  in  literature (Hamscher et al., 2002) which by far 

exceed  the  recommended  trigger  value  of  100  µg/kg  soil  (Guideline  on  environmental  impact 

assessment  for veterinary medicinal products, 2007). When  such high  concentrations are  reached 

negative effects are very  likely especially for compounds that are known to persist  in soils, such as 

tetracyclines, fluoroquinolones, and sulfonamides (Christian et al., 2003; Hamscher et al., 2002).  

 

2.1. SorptionbehaviorofantibioticsinthesoilSorption‐desorption processes  are  regulating  the  concentration  and  thereby  the bioavailability of 

antibiotics in the soil solution (Singh et al., 2008). Antibiotics of different classes behave very diverse 

in the soil according to their sorption characteristics. TCs are building strong complexes with divalent 

metal  cations  and have  a high  affinity  to bind  to  silanol  groups.  They  adsorb  strongly  to  the  soil 

matrix especially to clay minerals and to the organic matter  (Stevens, 2009) and were classified as 

immobile compounds. When they enter the soil they can be only found in the upper soil layers up to 

40 cm soil depths. Moreover TCs are persistent and therefore they can accumulate in the soil profile 

(Winckler and Grafe, 2000; Hamscher et al., 2005).  

Fluoroquinolones are also bound strongly  to  the soil matrix and are rated as very  immobile  in  the 

soil with a low bioavailable fraction (Wetzstein, 2001). 

Sulfonamides  show a distinctly different behavior:  they were  leached down  in  the  soil profile and 

can be detected  in the groundwater  (Hamscher et al., 2005). Sorption of sulfonamids mainly takes 

place  on  the  organic matter  and  a  high  sequestration  of  sulfonamides  is  reported  in  literature 

(Stevens, 2009). Nevertheless sulfonamides are classified as mobile antibiotics  in the soil. The very 

different  sorption  characteristics  of  the  different  classes  of  antibiotics  become  apparent  when 

comparing  their  adsorption  coefficients  (Kd‐values) on  the  soil matix. Kd  values of 420‐1030 mL/g 

were determined for oxytetracyclines, 260 – 5612 mL/g for enrofloxacin but only 0,6‐3,5 mL/g soil 

for sulfadimidin (Gans et al., 2005). 

Generally the soil structure is of major importance for the sorption of antibiotics. Fine‐textured soils 

have a higher sorption capacity and the sorption of antibiotics increase with increasing clay content 

(Scheffer and  Schachtschabel, 2002). Therefore  stronger antibiotic effects  can be  found on  sandy 

soils  in comparison  to  loamy soils as a stronger adsorption  led  to a smaller and delayed antibiotic 

Page 6: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

effect (Thiele‐Bruhn and Beck, 2005). Some antibiotics were found to accumulate in soils when their 

application rate via manure or other sources is higher than their degradation especially the immobile 

antibiotics.  Addition  of  organic  matter  to  the  soil  such  as  manure  application  can  significantly 

influence  the  sorption‐desorption  processes  in  soils  (Thiele‐Bruhn  and Aust,  2004).  Especially  for 

sulfonamid  sorption  also  the  pH  is  of major  relevance:  it was  shown  that  sulfamethazine  (SMZ) 

sorption decreased with increasing pH due to the ionisable character of the molecule (Vittoria Pinna 

et al., 2012). 

 

2.2. EffectofantibioticsonsoilmicroorganismsAcute or subacute toxicity of veterinary antibiotics on the soil macro‐ and mesofauna (earthworms, 

springtails enchytraeids) are not very  likely  to occur because  the concentrations  that are  found  in 

soils are much lower than the effect concentrations for those organisms (Höper et al., 2002; Thiele‐

Bruhn, 2003). This is different for soil microorganisms. Antibiotics are especially designed to have a 

strong  impact  on  microorganisms,  making  environmental  effects  very  likely  to  occur.  The 

accumulation of antibiotics in the soil can affect microbial biomass as well as the functions and the 

structure  of  the  soil microbial  communities  for  example  the  ratio  between  bacterial  and  fungal 

biomass can be  shifted. OTC application  shifted  the  ratio  in  favor of  the bacteria especially gram‐

negative  soil  bacteria  (Chen  et  al.,  2013).  After  sulfamethazine  (SMZ)  application  a  shift  of  the 

culturable microbial  populations  toward  a  lower  bacterial/fungal  ration was  reported  by  Vittoria 

Pinna  et  al.  (2012). A  shift  in  the  structure  of  the  soil microbial  community  also  affects  the  soil 

enzyme activity and therefore the transformation properties of the soil. Antibiotics of all classes can 

unfold a negative impact on soil microorganisms and reduce soil enzymatic activities.  

The  function of  the microbial community  is very often characterized by  the activity of certain  soil 

enzymes. The most important soil enzyme activities, which are involved in C, N, P and S cycling are 

the  dehydrogenase  (DHA),  the  urease  (URE),  the  phosphatases  (acid  and  alkaline)  and  the 

arylsulfatase  which  are  often  determined  to  characterize  the  activity  of  the  microbial  soil 

community. The DHA activity is representative for the oxidative activity of the soil microflora and is 

responsible for the oxidation of organic compounds. The URE is closely related to the N cycle via the 

hydrolysis of urea  to ammonium. Phosphatases catalyse  the hydrolysis of ester–phosphate bonds, 

leading to the release of phosphates and arylsulfatase catalyze the hydrolysis of ester sulfates. All of 

these enzymes play an integral role in the decomposition of complex organic molecules and they are 

important for the cycling of nutrients in the soil 

It was shown by different authors  that  the soil enzymes do not all behave  in  the same manner  in 

relation to antibiotics (Chen et al., 2013).  In Table 1 the changes  in enzyme activities  in relation to 

antibiotic  application  are  summarized  from  literature.  In most  studies  differences  in  relation  to 

antibiotics could only be determined after prior activation of the microbial growth by organic matter 

application  (Liu et al., 2014; Thiele‐Bruhn and Beck, 2005; Vittoria Pinna et al., 2012). Most  tests 

were  conducted  as  incubation  tests  and  the  enzymatic  activity  was  determined  after  different 

incubation times. All of these studies have in common that the effect of organic matter application 

had  a  stronger  effect on  the  enzymatic  activity  than  the  application of  antibiotics. Moreover  the 

negative  effects  of  antibiotics  on  enzyme  activity  disappeared  again with  the  time  of  incubation 

(Chen et al., 2013; Vittoria Pinna et al., 2012).  

Page 7: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

 

Table  1.  Effect  of  graded  antibiotic  application  on  enzyme  activity  after  activation with  organic matter application. 

Antibiotic  Investigated concentrations [mg/kg soil] 

Enzyme Change in enzyme activity Reference

OTC  0 – 1 – 15 – 200   DHA Decrease with increasing OTC  Chen et al., 2013

    ARS Decrease with increasing OTC  

    ALP Stimulated by 1 mg/kg OTC  

    URE Stimulated by 15 mg/kg OTC  

CTC  0 – 10 ‐ 100  DHA Decrease with increasing CTC after  1, 6 and 12 days of incubation 

Highest decrease after 1 day: 49.3% (10, ) + 74% (100) 

Liu et al., 2014

    ACP Concentration dependent decrease with CTC only after 12 days of 

incubation 

 

  

  ALP No clear effect  

    URE Slight decrease at 100 mg CTC/kg after 1 and 45 days of incubation 

 

SMZ  53.6  DHA Clear decrease in activity after 1 day of incubation (17‐41%) which disappeared after 1 week 

Vittoria Pinna et al., 2012 

    URE Short‐term decrease without organic matter application which 

disappeared after 1 week 

 

SA mixture   0 – 0.9 – 9 – 90 ‐ 900  DHA Reduction of the activity but no dose‐response 

Gutierrez et al., 2010 

    URE Dose‐response relationship after 163 h incubation 

 

DHA –dehydrogenase; ARS‐arylsulfatase; ALP‐alkaline phosphatase; ACP‐ acid phosphatase; URE – urease; SA sulfonamide; 

OTC oxytetracycline, CTC chlortetracycline, SMZ sulfamethazine 

In different studies a reduction  in the dehydrogenase (DHA) activity was found with tetracycline or 

sulfonamide application. Urease activity was also reduced by higher antibiotic application, but Chen 

et al.  (2013)  could demonstrate a  stimulation of  the urease activity at  lower oxytetracyclin  (OTC) 

concentrations. For sulfonamides Gutierrez et al.  (2010) could demonstrate  that both the  function 

(enzyme activities) and structural diversity of the soil microbial community have been affected. To 

obtain  a  clear  effect  on microbial  activity  it  was  always  necessary  to  stimulate  the  growth  by 

application of a carbon source. Without activation Thiele‐Bruhn and Beck (2005) found no effect on 

DHA activity and on basal  respiration up  to an OTC or sulfapyridin application  rate of 1000 mg/kg 

soil. 

2.3. DevelopmentofantimicrobialresistanceThe application of antibiotics as feed additives in sub‐therapeutic doses (<100 mg/kg feed) bear the 

risk of the development of multi‐resistant pathogenic organisms which are a serious threat for public 

health (Richter et al., 1996). Moreover factors such as use of broad‐spectrum antibiotics, medication 

of whole herds, prophylactic and metaphylactic antibiotic treatment (see Figure 1) increase the risk 

Page 8: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

for the development of antibiotic resistance in the environment (Stevens, 2009). Antibiotic residues 

can  provoke  resistance  either  directly  or  indirectly  via  the  transfer  of  plasmids  (Wegener  et  al., 

1998). Once  a  resistance  gene  is present on  a plasmid  it  can be  spread  to other bacteria quickly 

(Gräfe,  1992).  Though  antibiotics  used  in  human  therapy were  not  allowed  to  be  used  as  feed 

additives, cross‐resistances can develop  (Wegener et al., 1998). Some strains of human pathogens 

such as Enterococcus  faecalis are meanwhile  resistant  to more  than 100 different drugs  (Schmidt, 

2002). 

These  antibiotic  resistant  bacteria  can  be  spread  into  the  environment when manure  containing 

such resistant bacteria is applied to land or they can be enriched when residual antibiotics in manure 

or  sewage  wastes  generated  from  households  and  hospitals  provide  an  environment  for  the 

selection of antibiotic  resistant bacteria  in  soils  (Chander et al., 2005). As a consequence of  rising 

problems with resistant or multi‐resistant bacteria in hospitals, the environmental risk of veterinary 

medicinal products became a matter of increasing public scrutiny and legal requirements and several 

antibiotics  lost their permission as feed additives  in the EU. Since 2006 antibiotic feed additives for 

growth promotion have been banned in the EU (Hamscher and Mohring, 2012) but official statistics 

for Germany show that the use of antibiotics in livestock production has further increased since then 

because of higher livestock numbers and increasing prescriptions (Bloem and Kratz, 2016). 

 

 

Figure  1.  Factors  that  increase  the  risk  of  the  development  of  antibiotic  resistance  (according  to Stevens, 2009). 

 

2.4. Evaluationoftherisktochangethefunctionandthesoilmicrobialcommunitybymanureapplication

Antibiotics  show  a  high  persistence  in  the  soil  and  100  days  was  estimated  as  the  half  life  of 

tetracyclines  and  fluoroquinolones  while  for  sulfonamids  a  half  life  of  30  days  was  determined 

(Halling‐Sørensen,  2001).  In  most  experiments,  where  effects  of  antibiotics  were  observed  on 

microbial  community  as  well  as  enzyme  activities  quite  high  concentrations  of  antibiotics  were 

tested  (Chen et al., 2013). Antibiotic contaminations which were detected  in soils are often  in  the 

range  of  µg/kg  after  long‐term  use  of  animal  manures  (Song  et  al.,  2010).  Much  higher 

concentrations were reported in the vicinity of feedlots were concentrations as high as 16.77 mg/kg 

soil can be determined (Ji et al., 2012). Zhou et al. (2011) reported 1 mg OTC/kg soil to be a typical 

Page 9: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

          

concentration  in  ordinary  agricultural  operations  in  China  and  concentration  between  119  –  307 

mg/kg had been determined  in  soils  irrigated with domestic waste water.  In Austrian agricultural 

soils CTC  concentrations of  in maximum 810 µg/kg were determined  (Gans et al., 2005). Also  for 

enrofloxacin and  its metabolite ciprofloxacin high concentrations were detected  in soils  (up  to 0.2 

and 0.37 mg/g soil,  respectively)  indicating  to an enrichment of  these persistent antibiotics  in  the 

soils (Gans et al., 2005). Extreme contaminations of 1.435 mg/kg CTC were also found  in a crust of 

slurry  which  developed  after  dry  weather  (Hamscher  et  al.,  2002).  Therefore  under  certain 

circumstances very high antibiotic contaminations can be found which can affect the soil microbial 

community. Especially the persistent tetracyclines and fluoroquiniolones are critical contaminants as 

they can enrich in the soil when regularly contaminated farm fertilizer were applied. 

Soil  test  for  microbial  activity  are  not  standardized.  Therefore  results  are  not  always  easy  to 

compare.  For  tetracyclines  short‐term  dose‐response  relationships  of  toxicity  on microorganisms 

were obtained in a range of expected environmental concentrations (Thiele‐Bruhn, 2005; Schmitt et 

al.,  2006).  Very  diverse  results  were  reported  for  different  soils  because  of  the  differences  in 

sorption, pH, texture and organic matter content. 

One major obstacle of organic matter activated soil tests  is that very often materials for activation 

are used such as manure which contains microorganisms itself. It is not clear from the results if the 

original soil microorganisms were affected by the antibiotic application or the microorganisms that 

are added via the organic amendment. 

The risk for the development of antibiotic resistance in soil microorganisms is high, when antibiotics 

were regularly applied to agricultural soils at low doses. Especially the very persistent antibiotics will 

be available  in  low concentrations when they are regularly applied to  the soil, which establish the 

optimum conditions  for the selection of resistance genes. As there  is the serious danger that such 

resistance is also transferred to humans, this can be assessed as the greatest danger antibiotics pose 

in the environment.  

3.ConclusionsIf negative effects of antibiotics on soil microbial activity can be determined depends very much on 

soil characteristics, mainly the soil texture, organic matter content and soil pH and on characteristics 

of  the  antibiotic  by  self.  Nevertheless  several  studies  underline  that  antibiotics  can  change  the 

structure of the soil microbial community (Thiele‐Bruhn and Beck, 2005; Vittoria Pinna et al., 2012) 

and the microbial activity under certain circumstances. Veterinary antibiotics have the potential to 

influence the soil microbial activity, the bacterial community function and they can cause a shift  in 

the ratio between bacteria and fungi (Liu et al., 2014; Thiele‐Bruhn and Beck, 2005). Moreover the 

development of antibiotic resistance genes is a serious threat to human health. The high persistence 

of several antibiotics is a further reason why it is so important to reduce the contamination of farm‐

derived fertilizers by antibiotics. 

Today it is hardly possible to come up with consistent conclusions as not enough data are available 

about the effects of antibiotics on soil life. The available trials differ in soil characteristics, incubation 

times, activation of the trials and concentration range of the antibiotics and different aspects were 

investigated to characterize the effects. But it can be concluded from the available data that also at 

Page 10: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

10 

          

environmental  relevant antibiotics  concentrations effects on  the  soil microbial  community  can be 

expected at least as a temporary effect. 

 

ReferencesBloem, E., Kratz, S. (2016) Organic Xenobiotics In: Phosphorus in Agriculture: 100 % Zero. Schnug, E. 

and De Kok, L. (Eds.), Springer, Dordrecht, 267‐307. 

Chander, Y., Kumar, K., Goyal, S.M., Gupta, S.C. (2005) Antibacterial activity of soil‐bound antibiotics. 

J. Environ. Qual. 34:1952–1957. 

Chen, W., Liu, W., Pan, N., Jiao, W., Wang, M. (2013) Oxytetracycline on functions and structure of 

soil microbial community. Journal of Soil Science and Plant Nutrition 13:967‐975. 

Christian,  T.,  Schneider,  R.J.,  Färber,  H.A.,  Skutlarek,  D.,  Meyer,  M.T.,  Goldbach,  H.E.  (2003) 

Determination  of  antibiotic  residues  in manure,  soil,  and  surface waters. Acta Hydrochim. 

Hydrobiol. 31:36–44. 

EMA  (2014)  European  Medicines  Agency,  European  Surveillance  of  Veterinary  Antimicrobial 

Consumption, 2014. 'Sales of veterinary antimicrobial agents in 26 EU/EEA countries in 2012'. 

(EMA/333921/2014). 

Förster,  M.,  Laabs,  V.,  Lamshöft,  M.,  Groeneweg,  J.,  Zühlke,  S.,  Spiteller,  M.,  Krauss,  M., 

Kaupenjohann,  M.,  Amelung,  W.  (2009)  Sequestration  of  Manure‐Applied  Sulfadiazine 

Residues in Soils. Environ. Sci. Technol. 43:1824–1830 

Follet, G. (2000) Antibiotic resistance in the EU – Science, Politics, and Policy. AgBioForum 3:148‐155. 

Gans, O., Sattelberger, R., Martinez, E. (2005) Veterinärantibiotika  in Wirtschaftsdünger und Boden 

Umweltbundesamt GmbH, Wien, 2005; ISBN 3‐85457‐775‐3 

Gräfe, U.  (1992) Biochemie der Antibiotika: Struktur – Biosynthese – Wirkmechanismus. Spektrum 

Akademischer Verlag, Heidelberg, Germany. 

Guideline on environmental  impact assessment  for veterinary medicinal products; CVMP: London, 

2007. 

Gutierrez,  I.R.,  Watanabe,  N.,  Harter,  T.,  Glaser,  B.,  Radke,  M.  (2010)  Effect  of  sulfonamide 

antibiotics  on  microbial  diversity  and  activity  in  a  Californian  Mollic  Haploxeralf.  J.  Soil 

Sediments 10:537‐544. 

Halling‐Sørensen,  B.  (2000)  Algal  toxicity  of  antibacterial  agents  used  in  intensive  farming. 

Chemosphere 40:731–739. 

Halling‐Sørensen, B. (2001) Inhibition of aerobic growth and nitrification of bacteria in sewage sludge 

by antibacterial agents. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 40:451‐460. 

Hamscher, G., Mohring, S. (2012) Tierarzneimittel in Boden und in der aquatischen Umwelt. Chemie 

Ingenieur Technik 84:1052–1061. 

Hamscher,  G.,  Sczesny,  S.,  Höper,  H.,  Nau,  H.  (2002)  Determination  of  persistent  tetracycline 

residues in soil fertilized with liquid manure by high‐performance liquid chromatography with 

electrospray ionization tandem mass spectrometry. Anal. Chem. 74, 1509–1518. 

Hamscher, G.,  Pawelzick, H.T., Höper, H., Nau, H.  (2005) Different  Behavior  of  Tetracyclines  and 

Sulfonamides in Sandy Soils after Repeated Fertilization with Liquid Manure; Environ. Toxicol. 

Chem. 24:861‐868. 

Page 11: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

11 

          

Höper,  H.,  Kues,  J.,  Nau,  H.,  Hamscher,  G.  (2002)  Eintrag  und  Verbleib  von  Tierarzneimittel‐

wirkstoffen in Böden. Bodenschutz 4/02, 141‐148. 

Jeong, J., Song, W., Cooper, W.J., Jung, J., Greaves, J. (2010) Degradation of tetracycline antibiotics: 

Mechanisms and kinetic  studies  for advanced oxidation/reduction processes. Chemosphere 

78:533‐540. 

Ji, X., Shen, Q., Liu, F., Ma, J., Xu, G., Wang, Y., Wu, M. (2012) Antibiotic resistance gene abundances 

associated with antibiotics and heavy metals in animal manures and agricultural soils adjacent 

to feetlots in Shanghai; China. Journal of Hazardous Materials 235&236:178‐185. 

Kumar, K., Gupta, S.C., Chander, Y., Singh, A.K. (2005) Antibiotic use in agriculture and its impact on 

the terrestrial environment. Adv. Agron. 87:1‐54. 

Liu, B., Li, Y., Zhang, X., Wang, J., Gao, M. (2014) Combined effects of chlortetracycline and dissolved 

organic  matter  extracted  from  pig  manure  on  the  functional  diversity  of  soil  microbial 

community. Soil Biology & Biochemistry 74:148‐155. 

Migliore, L., Godeas, F., De Filippis, S.P., Mantovi, P., Barchi, D., Testa, C., Rubattu, N., Brambilla, G. 

(2010)  Hormetic  effect(s)  of  tetracyclines  as  environmental  contaminant  on  Zea  mays. 

Environ. Pollut. 158:129‐134. 

Richter, A., Loscher, W., Witte, W. (1996) Leistungsförderer mit antibakterieller Wirkung: Probleme 

aus  pharmakologischer,  toxikologischer  und mikrobiologischer  Sicht.  Prakt.  Tierarzt  7:603–

625. 

Sarmah,  A.K., Meyer, M.T.,  Boxall,  A.B.  (2006)  A  global  perspective  on  the  use,  sales,  exposure 

pathways,  occurrence,  fate  and  effects  of  veterinary  antibiotics  (VAs)  in  the  environment. 

Chemosphere 65:725‐759. 

Scheffer, F., Schachtschabel, P.  (2002) Lehrbuch der Bodenkunde. Spektrum Akademischer Verlag, 

Heidelberg. 

Schmidt,  C.W.  (2002) Antibiotic  resistance  in  livestock: more  a  stake  than  steak.  Environ. Health 

Perspect. 110:A396–A402 

Schmitt,  H.,  Martinali,  B.,  Van  Beelen,  P.,  Seinen,  W.  (2006)  On  the  limits  of  toxicant‐induced 

tolerance testing: Co‐tolerance and response variation of antibiotic effects. Environ. Toxicol. 

Chem. 25:1961‐1968.  

Singh, N.,  Sethunathan, N., Megharaj, M., Naidu,  R.  (2008) Bioavailability  of  sorbed  pesticides  to 

bacteria: an overview. Dev. Soil Sci. 32:73‐82. 

Song, W.L., Ding, Y.J., Chiou, C.T.,  Li, H.  (2010) Selected veterinary pharmaceuticals  in agricultural 

water  and  soil  from  land  application  of  animal manures.  Journal of  Environmental Quality 

39:1211‐1217.  

Stevens, H. (2009) Untersuchungen zum Verhalten von Veterinärpharmaka  im Boden. Dissertation, 

Paderborn. 

Thiele‐Bruhn, S.  (2003) Pharmaceutical antibiotic compounds  in soils – A review.  J. Plant Nutr. Soil 

Sci. 166:145‐167. 

Thiele‐Bruhn, S.  (2005) Microbial  inhibition by pharmaceutical antibiotics  in different  soils – dose‐

response  relations  determined with  the  iron  (III)  reduction  test.  Environmental  Toxicology 

and Chemistry 24:869‐876. 

Thiele‐Bruhn, S., Aust, M.O. (2004) Effects of pig slurry on the sorption of sulfonamide antibiotics in 

soil. Archives of Environmental Contamination and Toxicology 47:31‐39. 

Thiele‐Bruhn, S., Beck, I.C. (2005) Effects of sulfonamide and tetracycline antibiotics on soil microbial 

activity and microbial biomass. Chemosphere 59:457‐465. 

Page 12: on effects of graded antibiotics on soil - MTT's Portal … 2.2. BONUS PROMISE 2 Phosphorus Recycling of Mixed Substances (BONUS PROMISE) DELIVERABLE 2.4 Report on effects of graded

DEL 2.2.    BONUS PROMISE  

12 

          

Tolls,  J.  (2001)  Sorption  of  veterinary  pharmaceuticals  in  soils:  A  review.  Environ.  Sci.  Technol. 

35:3397‐3406. 

Van  Boeckel,  T.P.,  Brower,  C.,  Gilbert, M.,  Grenfell,  B.T.,  Levin,  S.A.,  Robinson,  T.P.,  Teillant,  A., 

Laxminarayan, R. (2015) Global trends in antimicrobial use in food animals. PNAS 112: 5649‐

5654. 

Vittoria  Pinna,  M.,  Castaldi,  P.,  Deiana,  P.,  Pusino,  A.,  Garau,  G.  (2012)  Sorption  behavior  of 

sulfamethazine  on  unamended  and manure‐amended  soils  and  short‐term  impact  on  soil 

microbial community. Ecotoxicology and Environmental Safety 84:234‐242. 

Wallmann,  J.,  Hauck,  R.,  Schwarz,  C.,  Klee,  S.,  Kaspar,  H.,  Heberer,  T.  (2015)  Antibiotika: 

Gesetzgebung und Datenerfassung in Deutschland. Journal of Consumer Protection and Food 

Safety 10: 251‐257. 

Wegener, H.C., Aarestrup,  F.M.,  Jensen,  L.B., Hammerum, A.M.,  Bager,  F.  (1998)  The  association 

between  the  use  of  antimicrobial  growth  promoters  and  development  of  resistance  in 

pathogenic bacteria  toward growth promoting and  therapeutic antimicrobials.  J Anim Feed 

Sci. 7:7–14 

Wetzstein,  H.‐G.  (2001)  Chinolone  in  der  Umwelt:  Biologische  Abbaubarkeit  der  Gyrasehemmer. 

Pharmazie in unserer Zeit. 30. Jahrgang, Nr. 5. 

Winckler,  C.,  Grafe,  A.  (2000)  Charakterisierung  und  Verwertung  von  Abfällen  aus  der 

Massentierhaltung  unter  Berücksichtigung  verschiedener  Böden.  Texte  des 

Umweltbundesamtes 2000; 44/00, ISSN 0722‐186X. 

Zhou, Q.X., Bao, Y.Y., Wan, Y, Yu, Q.A., Xie, X.J. (2010) Effects of soil/solution ratios and cation types 

on adsorption and desorption of tetracycline in soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 74:1553‐1561. 

Zhou, Q.X.,  Xie,  J.,  Lin, D.S., Guo,  J.M.,  Bao,  Y.Y.  (2011)  Toxic  effect  of  tetracycline  exposure  on 

growth, antioxidative and genetic indices of wheat (Triticum aestivum L.). Environ. Sci. Pollut. 

R. 18:566‐575.