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Soil microbial community responses to antibiotic pharmaceuticals: influence of different soil habitats and moisture regimes

Reaktion der bodenmikrobiellen Gemeinschaft auf antibiotische Pharmazeutika: Einfluss verschiedener Bodenmikrohabitate und Bodenfeuchteentwicklungen

  • Veterinary antibiotics are released to arable agricultural soil together with manure, including nutrients, organic matter, and microorganisms. Previously, the effects of antibiotic-contaminated manure on soil microbial community activity, function, structure, and resistance have been reported under controlled experimental conditions. This thesis further evaluated the antimicrobial effects as influenced by different manure compositions, soil microhabitats and moisture regimes, plants, and different distances to roots. Microbial community responses were determined by phenotypic phospholipid fatty acid (PLFA) and genotypic 16S rRNA gene fragment analyses. (Chapter 3) demonstrates that medication of pigs with difloxacin (DIF) and sulfadiazine (SDZ) alters the molecular-chemical pattern of slurries, confounding the detection of a consistent antibiotic effect in bulk and respective rhizosphere soil. This was evaluated in a 63-day mesocosm experiment considering typical agricultural manure applications to maize planted soil. Fecal bacteria were detected even 14 days after manure amendment. Manure of DIF- and SDZ-medicated pigs clearly affected the microbial community in mesocosm bulk and rhizosphere soil, temporarily matching antibiotic effects reported in previous studies. (Chapter 4) discusses the influences of different soil microhabitats on antibiotic fate and the effects on soil microflora. Total extractable SDZ was more than two-fold larger in earthworm burrows and soil macroaggregate surfaces compared to bulk soil or the interior fraction of aggregates. Furthermore, soil microbial communities were affected by a combination of soil microhabitat and treatment, which was reflected by different structural and functional community responses to SDZ in laboratory and under field conditions. (Chapter 5) evaluates if SDZ effects on microbial communities are more pronounced in soils which undergo periodic changes in soil moisture by drying-rewetting dynamics compared to soils without such moisture fluctuations. This was tested in a 49-day climate chamber soil pot experiment grown with grass. Manure-amended pots without or with SDZ contamination were incubated under a dynamic moisture regime with repeated drying and rewetting changes of more than twenty percent maximum water holding capacity compared to the control moisture regime. The microbial biomass, but less pronouncedly the community structure, showed an increased responsiveness to the combined stress of SDZ and dynamic moisture changes in the laboratory. Similar responses were documented under field conditions. (Chapter 6) indicated adverse effects of SDZ on root geotropism, number of lateral roots, and water uptake by plants in a 40-day greenhouse experiment with willow and maize grown in soil with environmentally relevant and worst-case antibiotic contamination. (Chapter 7) showed that the associated microbial community responded to a combination of plant species, distance to the root, and antibiotic spiking concentration. In highly antibiotic-contaminated soils, the structural and functional responses of the microbial community were dominated by indirect antibiotic effects on plants and roots.
  • Veterinärantibiotika gelangen zusammen mit Gülle in landwirtschaftlich genutzte Böden. Es wurde gezeigt, dass Antibiotika Aktivität, Funktion, Struktur und Resistenzbildung der mikrobiellen Gemeinschaften in Böden beeinflussen. Erstmals wurden hier die Auswirkungen variierender Güllequalität, Mikrohabitate, Bodenfeuchte und Pflanzen auf die Effekte synthetischer Antibiotika durch phänotypische und genotypische Charakterisierung der mikrobiellen Gemeinschaft untersucht. (Kapitel 3) untersucht wie sich eine nach Antibiotikabehandlung von Schweinen geänderte Güllezusammensetzung, in Kombination mit dem Antibiotikum, auf die mikrobielle Gemeinschaft im wurzelfernen und Rhizosphäre-Boden auswirkt. Dazu wurden die Effekte einer typischen Applikation von Schweinegülle ohne und mit Sulfadiazin (SDZ) und Difloxacin über einen Zeitraum von 63 Tagen untersucht. Fäkalbakterien waren auch zwei Wochen nach Applikation der Gülle im Boden nachweisbar. Die Güllequalität veränderte sich nach Antibiotikabehandlung, mit indirekten Auswirkungen auf die mikrobielle Gemeinschaft im wurzelfernen und Rhizosphären-Boden, was den Nachweis direkter Antibiotika-Effekte erschwerte. (Kapitel 4) umfasst Labor- und Feldversuche, die den Einfluss verschiedener Mikrohabitate, z.B. Rhizosphäre, Regenwurmgang, und Makroaggregate, auf die Verteilung und die Effekte von SDZ untersuchten. Im Regenwurmgang und Makroaggregat-Schale waren die extrahierbaren SDZ-Gehalte durchschnittlich doppelt so hoch als im angrenzenden Boden. Die mikrobielle Gemeinschaft im Labor- und Feldversuch war durch das jeweilige Mikrohabitat geprägt und wies in Kombination mit SDZ charakteristische, meist strukturelle Veränderungen auf. (Kapitel 5) hinterfragt den Zusammenhang von SDZ-Effekten und dynamischer Bodenfeuchteänderung. Der mit Gras bepflanzte Boden wurde mit unbehandelter und SDZ-angereicherter Gülle behandelt. In Klimakammern wurden die Töpfe ohne und mit dynamisch wechselnder Bodenfeuchte über 49 Tage inkubiert. Chronologische Analysen der SDZ-Konzentration und Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaft zeigten, dass dynamisch wechselnde Bodenfeuchte die Sequestrierung von SDZ fördert, zeitweise aber auch den extrahierbaren Anteil erhöhen kann. Insbesondere die mikrobielle Biomasse wurde durch eine kombinierte Wirkung von dynamischer Bodenfeuchte und SDZ beeinflusst. Diese wurde im Feldversuch bestätigt. (Kapitel 6) zeigt in einem 40-tägigen Gewächshausversuch mit Mais- und Weidenpflanzen, dass SDZ von Wurzeln absorbiert werden kann und sich in kontaminierten Böden die Wurzelfunktion und -struktur nachteilig verändern kann. (Kapitel 7) ergänzt, dass SDZ-Effekte auf Mikroorganismen durch die Pflanze, den Abstand zur Wurzel und die SDZ-Konzentration bestimmt werden, wobei in stark belasteten Böden indirekte Effekte auf Mikroorganismen durch nachteilige Veränderungen der Wurzel dominieren.

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Metadaten
Author:Rüdiger Reichel
URN:urn:nbn:de:hbz:385-8745
Advisor:Sören Thiele-Bruhn
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2014/07/16
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2014/07/02
Release Date:2014/07/16
Tag:Bodenaggregate; Landwirtschaft; Pharmazeutika; Regenwurmgang; Sulfadiazin
antibiotic; microorganisms; rhizosphere; soil microhabitats; sulfadiazine
GND Keyword:Antibiotikum; Bodenmikrobiologie; Bodenverschmutzung; Rhizosphäre
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik

$Rev: 13581 $