Durch die anfängliche Unterdrückung der Stickstoffentfernung und die spätere Anregung der unvollständigen Denitrifikation erhöht SMX die Emissionen von Lachgas (N?O) erheblich – einem Treibhausgas, das fast 300-mal wirksamer ist als Kohlendioxid.
Ästuare und Küstenzonen spielen eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung von überschüssigem reaktivem Stickstoff, der durch Landwirtschaft, Abwasser und städtische Abflüsse eingetragen wird. Diese Beseitigung erfolgt hauptsächlich durch Denitrifikation, einen mikrobiellen Prozess, der Nitrat in harmloses Stickstoffgas umwandelt. Allerdings kann bei der Denitrifikation auch N?O als Zwischenprodukt entstehen, wodurch diese Sedimente sowohl Stickstoffsenken als auch potenzielle Treibhausgasquellen darstellen. Gleichzeitig hat der Antibiotikaeinsatz weltweit stark zugenommen, und Rückstände werden mittlerweile routinemäßig in aquatischen Ökosystemen nachgewiesen, insbesondere in Ästuaren, die durch Schadstoffe aus dem Oberlauf verschmutzt werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass Antibiotika die Denitrifikation und die N?O-Emissionen je nach Dosis und Expositionsdauer entweder hemmen oder fördern können, die zugrunde liegenden mikrobiellen Mechanismen sind jedoch weiterhin unklar. Die Aufklärung dieser Unsicherheiten ist unerlässlich für das Management von Eutrophierung, Klimafolgen und ökologischen Risiken in Küstenökosystemen.
Eine Studie (DOI:10.48130/biocontam-0025-0006), die am 21. November 2025 in Biocontaminant vom Team um Guoyu Yin & Ping Han von der East China Normal University veröffentlicht wurde, deckt einen direkten mikrobiellen Zusammenhang zwischen dem Abbau von Antibiotika und der Denitrifikation auf und zeigt, dass Bakterien, die SMX abbauen können, auch Einfluss darauf haben, wie reaktiver Stickstoff umgewandelt und in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Mithilfe kontrollierter Sedimentsuspensionsinkubationen, Isotopenmarkierung, molekularer Quantifizierung und Multi-Omics-Analysen untersuchte diese Studie systematisch, wie SMX den Antibiotikaabbau, Stickstoffumwandlungsprozesse und die mikrobielle Ökologie beeinflusst. Zunächst wurden der SMX-Abbau und die Stickstoffflüsse durch parallele Inkubationen mit ^12C- und ^13C-markiertem SMX in Kombination mit ^15N-Tracertechniken quantifiziert. Dies ermöglichte die simultane Messung des SMX-Abbaus, der Denitrifikationsraten und der N?O-Emissionen. Die Ergebnisse zeigten einen stetigen Rückgang der SMX-Konzentrationen über die Zeit, mit einem Abbau von ca. 80 % bis Tag 28 und über 94 % bis Tag 30 in beiden Isotopenbehandlungen. Sterile Kontrollen zeigten hingegen nur minimale Verluste, was den mikrobiellen Abbau als dominanten Abbauweg bestätigte. Entsprechend zeigten die Denitrifikationsraten eine deutliche Zeit- und Konzentrationsabhängigkeit: SMX hemmte die Denitrifikation in der frühen Phase (Tag 1–14) signifikant, insbesondere bei therapeutischen Konzentrationen. Später zeigte sich ein U-förmiger Verlauf: Niedrige bis mittlere Konzentrationen wirkten weiterhin hemmend, während die höchste Konzentration (1000 ?g L?¹) die Denitrifikation bis Tag 28 stimulierte. Im Gegensatz dazu wurden die N?O-Emissionen durch SMX-Exposition kontinuierlich erhöht, um bis zu ~180 %, wobei die Emissionen früh in der Inkubation ihren Höhepunkt erreichten. Quantitative PCR-Analysen funktioneller Gene ergaben, dass SMX die Expression wichtiger Denitrifikationsgene ( nirS , nirK , nosZ ) zunächst reduzierte, gefolgt von einer teilweisen Erholung in späteren Phasen. Die Expression von Sulfonamid-Resistenzgenen ( sul1 und sul2 ) hingegen stieg im Verlauf des Experiments signifikant an. Hochdurchsatz-Sequenzierung des 16S-rRNA-Gens zeigte deutliche, durch SMX bedingte Veränderungen in der Zusammensetzung und Diversität mikrobieller Gemeinschaften. Moderate Konzentrationen förderten die Artenvielfalt, während hohe Konzentrationen empfindliche Taxa wie Nitrifizierer und Sulfatreduzierer unterdrückten. DNA-Stabile-Isotopen-Markierung identifizierte zudem aktive SMX-assimilierende Mikroorganismen und hob spezifische Bakteriengruppen hervor, die in ^13C-markierter DNA angereichert waren. Dies offenbarte veränderte mikrobielle Interaktionsnetzwerke mit reduzierter Konnektivität. Funktionelle Vorhersage- und Korrelationsanalysen verknüpften diese Veränderungen auf Gemeinschafts- und Genebene mit gestörten Stickstoffkreislaufwegen. Sie zeigten, dass SMX-Exposition die Denitrifikation von der vollständigen N?O-Reduktion entkoppelt und dadurch Treibhausgasemissionen fördert, während gleichzeitig mikrobielle Resistenz- und Abbaustrategien verändert werden.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Arzneimittelrückstände den Stickstoffkreislauf und die Treibhausgasemissionen in Küstensedimenten verändern. Selbst umweltrelevante Antibiotikakonzentrationen erhöhten die N?O-Freisetzung, was darauf hindeutet, dass eine weitverbreitete Kontamination die Klimawirkung in Ästuaren verstärken kann. Gleichzeitig tragen adaptive Denitrifizierer, die Antibiotika abbauen können, dazu bei, die Stickstoffentfernung trotz chronischer Belastung aufrechtzuerhalten, allerdings mit veränderten Abbauprodukten.
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