Risiko der Verbreitung relevanter Schadorganismen der Kartoffel bei landwirtschaftlicher Verwertung von Klärschlamm

Risk of dissemination of relevant phytopathogens of potato with agricultural use of sewage sludge

Für eine Hygienisierung werden vor allem die aerob-thermophile Stabilisierung, die anaerob-thermophile Stabilisierung und die Kombination einer aerob-thermophilen Vorstufe mit einer anaerob mesophilen Stabilisierung genutzt (Klages et al., 2009). Zur Entseuchung des Klärschlammes ist es von großer Bedeutung hohe Temperaturen über einen längeren Zeitraum einzuhalten. Lebscher und Loll (1996) schreiben eine Mindestverweildauer im Batchverfahren von 23 Stunden bei 50°C vor. Höhere Temperaturen sollen die Verweildauer verkürzen (Klages et al., 2009). Zum Überleben von Schadorganismen der Kartoffel während der verschiedenen Stabilisierungsprozesse liegen unterschiedliche Untersuchungen vor. Eine abtötende Wirkung auf Zysten der Kartoffelzystennematoden (Globodera spp.) zeigten die mesophile anaerobe sowie eine thermophile aerobe Stabilisierung (Spaull und McCormack, 1988; Spaull et al., 1989). Ryckeboer et al. (2002) beschreiben die Abtötung von R. solanacearum bei einer anaeroben Behandlung von organischem Hausmüll nach 12 Stunden bei 52°C. Nach Elphinstone (2001) kann bereits eine anaerobe Stabilisierung des Klärschlammes für 48 Stunden bei 35°C zum Absterben von R. solanacearum führen. Auch Termorshuizen et al. (2003) konnte eine vollständige Inaktivierung von R. solanacearum durch eine anaerobe Stabilisierung von Garten- und Gemüseabfällen über sechs Wochen bei Tem­peraturen um 40°C feststellen. Zu C. michiganensis ssp. sepedonicus liegen verschiedene Untersuchungsergebnisse zur Wirkung einer anaeroben Behandlung vor, jedoch ausschließlich im mesophilen Temperaturbereich, der grundsätzlich nicht für eine Hygienisierung empfohlen wird. Nach Turner et al. (1983) kann das Bakterium nach sieben Tagen bei durchschnittlich 35°C durch eine anae­robe Behandlung von Pflanzenmaterial abgetötet werden. Untersuchungen von Wiedemann und Enderlein (2004) ergaben aber keine vollständige Abtötung von C. michiganensis ssp. sepedonicus durch eine Vergärung infizierter Kartoffelpartien bei Temperaturen im mesophilen Bereich. Liebe et al. (2012) bestätigen, dass eine mesophile anaerobe Vergärung für sechs Stunden nicht zur Abtötung des Erregers ausreicht, auch nicht bei anschließender Lagerung der Gärreste für einen bzw. sechs Monate. Nach 24 Stunden Verweilzeit bei mesophilen Prozesstemperaturen konnte jedoch eine vollständige Inaktivierung von C. michiganensis ssp. sepedonicus nachgewiesen werden. Die Dauersori von S. endobioticum konnten bei mesophiler Prozessführung selbst bei Verweilzeiten von 138 Stunden und einer Vorbehandlung durch Silierung des Pflanzenmaterials nicht inaktiviert werden (Schleusner et al., 2012).

Die Kompostierung entwässerter Klärschlämme stellt eine aerobe thermophile Stabilisierung dar. Unter Zugabe von Strukturmaterial kommt es durch die Oxidations­prozesse beim mikrobiellen Abbau des organischen Materials zu einer Reaktionswärme von etwa 15 MJ/kg CBS (Chemische Sauerstoffbedarf) und zum Abbau und Umwandlung der Ausgangsstoffe zu Kompost (Lebscher und Loll, 1996). Untersuchungen ergaben eine vollständige Abtötung der Zysten von G. rostochiensis in organischen Abfällen oder Erde nach acht Tagen bei Temperaturen von mindestens 50°C (Bøen et al., 2006; Steinmöller et al., 2012). Für C. michiganensis ssp. sepedonicus sowie für Dauersori von S. endobioticum konnte nachgewiesen werden, dass sowohl die Bakterien als auch die Dauersori in Erde durch eine Kompostierung über 12 Tage mit maximalen Temperaturen über 60°C bzw. eine Kompostierung über 21 Tage bei Temperaturen über 50°C nicht abgetötet werden (Steinmöller et al., 2012; Steinmöller et al., 2013).

Die Wirkung einer Schlammpasteurisierung ist ebenfalls von der erreichten Temperatur und der Dauer der Einwirkung abhängig. Dabei werden Klärschlämme auf Temperaturen zwischen 65°C bis maximal 100°C erhitzt. Grobe Partikel sollten im Vorfeld zerkleinert werden, um eine gleichmäßige Erwärmung des Klärschlammes zu gewährleisten (Lebscher und Loll, 1996). Die Bioabfallverordnung schreibt zur Hygienisierung organischer Abfälle eine Pasteurisierung bei 70°C für mindestens eine Stunde vor (Anonym, 1998). Klages et al. (2009) beschreiben zum Teil kürzere Behandlungszeiten, wenn die Pasteurisierung als Vorstufe einer anderen Behandlung vorangestellt wird. Auch nach einer Behandlung für 90 Minuten bei 70°C konnten noch vitale Bakterienzellen von C. michiganensis ssp. sepedonicus bzw. vitale Dauersori von S. endobioticum aus Erde isoliert werden. Hingegen war es bereits nach 30 Minuten bei 70°C nicht möglich vitale Zysten von G. rostochiensis aus Erde zu isolieren (Steinmöller et al., 2012; Steinmöller et al., 2013). Die Dauersori von S. endobioticum waren auch durch eine Erwärmung kontaminierter Erdproben auf 90°C über acht Stunden nicht abzutöten (Steinmöller et al., 2012). Zur Wirkung einer Kombination aus Pasteurisierung mit einer daran anschließenden Kompostierung oder Vergärung auf relevante Pflanzenpathogene liegen derzeit noch keine Untersuchungen vor.

Bei einer hochthermischen Konditionierung werden Temperaturen zwischen 180–220°C erreicht, z.T. mit einem Druck von 15–20 bar. Sie dient vor allem der Verbesserung von Entwässerungseigenschaften, ist aber mit hohen Kosten für Betrieb und Instandhaltung verbunden (Lebscher und Loll, 1996). Die thermische Trocknung erfolgt in der Regel über Wärmezugabe und Verdunstung des Wassers. Bei einer Hochtemperaturtrocknung werden Temperaturen von über 100°C bis zu 450°C für wenige Minuten eingesetzt (Klages et al., 2009). Nach Möller (1988) ist der Klärschlamm seuchenhygienisch unbedenklich, wenn bei beiden Verfahren mindestens die gleichen Bedingungen wie bei der Pasteurisierung erfüllt werden. Magnusson et al. (2002) stellte fest, dass bei einer Entwässerung des Klärschlammes über Filterpressen mit einer Erwärmung auf 80°C und anschließender thermischer Trocknung für 100 Minuten bei 80°C Zysten von G. rostochiensis vollständig abgetötet wurden. Untersuchungen zur Wirkung beider Verfahren auf C. michiganensis ssp. sepedonicus oder S. endobioticum liegen derzeit nicht vor.

Eine chemische Stabilisierung erfolgt über die Zugabe von Kalk. Untersuchungen von El-Naim et al. (2004) ergaben, dass bei einer Zugabe von 20% Kalk zu frischem Klärschlamm eine Temperaturerhöhung auf über 80°C erreicht werden konnte. Entwässerte Klärschlämme werden mit Branntkalk (CaO) versetzt, wobei Reaktionstemperaturen zwischen 55°C und 70°C entstehen, bei flüssigen Klärschlämmen wird in der Regel Kalkhydrat (Ca(OH)₂) zugesetzt. Beide Schlammvarianten gelten als hygienisch unbedenklich, wenn der pH-Wert des Schlammes min­destens 12,5 beträgt. Für entwässerten Klärschlamm muss zudem die Temperatur des gesamten Gemisches mindestens 55°C über zwei Stunden betragen, bei flüssigem Klärschlamm ist zusätzlich eine Lagerung von mindestens drei Monaten vorgegeben (ATV, 1988). Elphinstone (2001) stellte fest, dass eine Erhöhung des pH-Wertes über 12 für mehr als 24 Stunden zum Absterben von R. solana­cearum führt. Untersuchungen zur Wirkung einer Kalk­behandlung des Klärschlamms auf C. michiganensis ssp. sepedonicus oder S. endobioticum liegen derzeit nicht vor. Untersuchungen von Doroshkin (1955), der im pH-Wert Bereich von 2,2 und 12,38 nur einen geringen Einfluss auf die Vitalität der Dauersori von S. endobioticum feststellen konnte, machen eine Inaktivierung des Pilzes in kalkbehandelten Klärschlamm unwahrscheinlich.

Für die Vererdung wird der Klärschlamm auf Pflanz­beete aufgebracht, die mit Gras oder Schilf bepflanzt sind. Über die Entwässerung und den Abbau organischer Substanz werden der Feststoffgehalt und der mineralische Anteil des Schlammes erhöht. Bei der Langzeitlagerung werden die Klärschlämme über mehrere Monate in separaten Tanks oder Becken gelagert. Direkte Untersuchungen zum Einfluss dieser Verfahren auf die in der Richt­linie 2000/29/EG gelisteten Schadorganismen der Kartoffel liegen derzeit nicht vor. Aufgrund der Langlebigkeit von G. rostochiensis, C. michiganensis ssp. sepedonicus und S. endobioticum kann jedoch nicht von einer Inaktivierung dieser Schadorganismen ausgegangen werden (Turner, 1996; Stachewicz, 2003; Kämmerer et al., 2007).

In Tab. 2 sind übliche Behandlungsverfahren für Klärschlämme hinsichtlich ihrer Wirkung auf die relevanten Quarantäneschadorganismen der Kartoffel zusammengefasst.

Da demnach ein Eintrag relevanter Schadorganismen der Kartoffel in Klärschlamm nicht ausgeschlossen werden kann, ist eine hygienisierende Behandlung von Klärschlämmen vor einer landwirtschaftlichen Verwertung empfehlenswert, um eine Verbreitung dieser Schadorganismen auszuschließen. Übliche Behandlungsverfahren für Klärschlamm führen jedoch nur bedingt zur Abtötung der gelisteten Schadorganismen der Kartoffel oder sind zum Teil nicht hinsichtlich ihrer Wirkung auf diese Pathogene untersucht worden. Während eine Inaktivierung von G. rostochiensis und R. solanacearum durch verschiedene Methoden möglich ist, konnte für C. michiganensis ssp. sepedonicus ausschließlich eine Inaktivierung durch eine anaerobe Behandlung nachgewiesen werden. Für S. endobioticum ist in der aktuellen Literatur kein Behandlungsverfahren belegt, dass eine vollständige Inaktivierung des Schadorganismus sichert. Verschiedene widerstandsfähige Schadorganismen können übliche Hygienisierungsverfahren überstehen. So beschreiben Fayolle et al. (2006) zwar die Inaktivierung von Plasmodiophora brassicae nach sechs bis sieben Tagen Kompostierung bei Temperaturen zwischen 54 und 73°C, Ylimäki et al. (1983) stellten hingegen das Überleben von P. brassicae nach 175 Tagen bei Durchschnittstemperaturen um 70°C fest. Für den Erreger wird das Vorkommen von sehr temperaturstabilen Stämmen diskutiert; solche Stämme konnten von Idelmann (2005) aber nicht nachgewiesen werden. Andere widerstandsfähige Erreger wie Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici, F. oxysporum f.sp. melongenae oder Macro­phomina phaseolina überlebten ebenfalls eine Kompostierung bei Maximaltemperaturen über 60°C für 21 Tage (Bollen et al., 1989; Christensen et al., 2002; Lodha et al., 2002). Bei Untersuchungen zum Tobacco mosaic virus (TMV) konnten virulente Erreger noch nach 87 Tagen bei maximal 64°C nachgewiesen werden (Hermann et al., 1994). Noble und Roberts (2004) geben eine Übersicht zur Wirkung der Kompostierung auf Phytopathogene und schlussfolgern, dass widerstandsfähige Phytopathogene die Kompostierung überleben können. Auch bei anderen thermischen Verfahren kommt es nicht immer zu einer Abtötung widerstandsfähiger Pflanzenpathogene oder -samen. Bloemhard et al. (1992) stellten fest, dass Samen von Abutilon theophrasti eine Erhitzung über 100°C für 15 Minuten überlebten. Eine deutliche Reduktion der Vitalität der Samen konnte erst bei einer Behandlung mit Dampf von 6 Minuten bei Temperaturen von 104°C in einem Druckkessel bei 1,16 Bar erreicht werden. Nach einer anaeroben-thermophilen Stabilisierung bei konstant 68°C konnten Ryckeboer et al. (2002) nach 12 Tagen noch infektiöses TMV nachweisen. Auch Humanpathogene konnten durch Behandlung im thermophilen Temperaturbereich nicht immer vollständig inaktiviert werden. Schnürer und Schnürer (2005) stellten fest, dass hitzetolerante Pilze wie Thermoascus crustaceus und Thermomyces lanuginosus durch eine anaerobe Behandlung bei 55°C auch nach 30 Tagen nicht vollständig abgetötet wurden. Lloret et al. (2013) konnten nach einer thermophilen anaeroben Behandlung von Klärschlamm zwar eine Reduzierung von Escherichia coli und Salmonella spp. unterhalb der Nachweisgrenze feststellen, Clostridium perfringens Sporen wurden aber nicht aus­reichend reduziert. Erst nach einer Kombination einer mesophilen anaeroben mit einer thermophilen (anaeroben oder aeroben) Stufe wurde eine vollständige Reduktion der C. perfringens Sporen erreicht. Philipp (1988) konnte jedoch auch nach einer Kombination von aerober thermophiler Stabilisierung und mesophiler Vergärung keine vollständig Inaktivierung von Enterobacteriaceae nachweisen (Philipp, 1988).

Basierend auf ihrer Studie zur Wirksamkeit von Abwasser- und Klärschlammbehandlungen auf verschiedene Humanpathogene empfehlen Godfree und Farell (2005) eine dreifache Absicherung, um eine Verbreitung der Pathogene über Klärschlamm auszuschließen. Eine hygienisierende Behandlung des Klärschlammes sollte durch Aufbringungsbeschränkungen auf bestimmte Anbauflächen und festgelegte Zeiträume zwischen Aufbringung und Ernte ergänzt werden. Solche Beschränkungen für die landwirtschaftliche Verwertung von Klärschlamm sind in Deutschland über verschiedene Gesetze und Verordnungen rechtverbindlich geregelt. Vor allem zur Reduzierung seuchenhygienischer Risiken sowie zur Regulierung des Stickstoffeintrages und der Schadstoffbelastung bestehen sowohl zeitliche als auch kulturbezogene Verbote und Beschränkungen zur Ausbringung der Klärschlämme. Diese sind jedoch für G. rostochiensis, C. michiganensis ssp. sepedonicus und S. endobioticum nicht relevant, da diese Schadorganismen lange Zeit im Boden überdauern können (Turner, 1996; Stachewicz, 2003; Kämmerer et al., 2007). Dies gilt auch für die zeitliche Trennung von Klärschlammausbringung und Anbau empfänglicher Pflanzenarten auf den entsprechenden Flächen. Vorschriften zur direkten Einarbeitung der Klärschlämme sind im Gegensatz zu humanpathogenen Organismen für pflanzenschädigende Erreger und Schädlinge nur bedingt zielführend, da die Schadorganismen durch die Einarbeitung direkt an den potentiellen Infektionsort verbracht werden.

Die Bewertung des Risikos der Verbreitung der in der 2000/29/EG gelisteten Schadorganismen der Kartoffel durch landwirtschaftlich verwertete Klärschlamme anhand von Literaturangaben ist schwierig, da viele Parameter die Bewertung eines Hygienisierungsverfahrens beeinflussen, angefangen vom Versuchsdesign bis hin zur statistischen Auswertung. So stellten Christensen et al. (2002) bei ihren Untersuchungen zu Escherichia coli fest, dass eine direkte Prozessprüfung mit in den Prozess eingebrachten Organismen und eine Spot-Test-Analyse während verschiedener Zeitpunkte der Kompostierung zu unterschiedlichen Bewertungen des Hygienestatus des Komposts führen können. In einer Fabrik, die Klärschlamm gemischt mit anderen organischen Substanzen kompostierte, wurde über die Spot-Test-Analyse eine geringe Abtötung von Fäkalkeimen und Escherichia coli während der hygienisierenden Behandlungsphase festgestellt. Die direkte Prozessprüfung mittels Trägern eingebrachter Proben mit Escherichia coli ergab jedoch eine ausrei­chende Dekontamination in dieser Phase.

Grundsätzlich muss davon ausgegangen werden, dass bei Eintrag der in der Richtlinie 2000/29/EG gelisteten Schadorganismen der Kartoffel in Abwasser eine Kontaminierung der Klärschlämme und bei deren landwirtschaftlicher Verwendung auch eine Verbreitung dieser Schadorganismen erfolgen kann. Werden die Klärschlämme vor der landwirtschaftlichen Verwendung einem Hygienisierungsverfahren unterzogen, ist das Ri­siko einer Verbreitung in Abhängigkeit des Verfahrens, zumindest bei einer Kontamination mit G. rostochiensis oder R. solanacearum, nur gering. Bei einer Kontamina­tion mit C. michiganensis ssp. sepedonicus muss von einem hohen Risiko der Verbreitung ausgegangen werden, wenn der Klärschlamm nicht durch eine anaerobe-thermophile Stabilisierung hygienisiert wurde. Für S. endobioticum ist es derzeit nicht möglich Behandlungsempfehlungen für Klärschlamm zu geben, die eine Abtötung der Dauersori des Erregers garantieren, so dass grundsätzlich ein hohes Risiko der Verbreitung besteht, wenn kontaminierter Klärschlamm in der Landwirtschaft verwertet wird. Wie hoch das tatsächliche Risiko eines Eintrags des Schadorganismus in Klärschlamm ist kann derzeit noch nicht mit Daten belegt werden. Eine Kontamination landwirtschaftlicher Flächen mit S. endobioticum hat eine Anbausperre für Kartoffeln auf diesen Flächen für mindestens 20 Jahre zur Folge. Erst nach diesem Zeitraum kann eine Testung der Flächen auf vitale Dauersori des Erregers und eine eventuelle Freigabe der Fläche für den Anbau von Kartoffeln erfolgen. Eine teilweise Freigabe für den Anbau von Speisekartoffelsorten, die Resistenzen gegen den vorkommenden Pathotyp aufweisen, ist erstmalig nach 10 Jahren möglich (EPPO, 1999). Um eine Verbreitung insbesondere von S. endobioticum mit Klärschlamm zu verhindern, sollte auf eine Einleitung risikoreicher Abwässer, wie beispielsweise solcher aus der Kartoffelverarbeitung, in kommunale Kläranlagen bzw. auf eine Verwendung von Klärschlämmen in der Landwirtschaft verzichtet werden, wenn diese aus risikoreichen Abwässern generiert wurden.