the effects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste...

4
Short communication The eects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste slurry A. Lallai * , G. Mura, N. Onnis Dipartimento di Ingegneria Chimica e Materiali, Universit a di Cagliari, Piazza d'Armi-09123 Cagliari, Italy Received 10 July 2001; received in revised form 6 September 2001; accepted 10 September 2001 Abstract Antibiotics commonly used in the treatment of pigs ± amoxicillin trihydrate, oxytetracycline hydrochloride and thiamphenicol ± were added at dierent concentrations to aliquots of pig waste slurry plus anaerobic sludge in serum bottles. The biogas production and methane concentration in the headspace were monitored to determine the eect of the antibiotics on the anaerobic process. With thiamphenicol signi®cant dierences in methane production were found for concentrations of 80 and 160 mg l 1 slurry. Compared to the control, only minor dierences in methane production were noted in the bottles to which amoxicillin 60 and 120 mg l 1 ) had been added. Methane production was about the same for the bottles with dierent oxytetracycline concentrations 125 and 250 mg l 1 ) and for the control. Ó 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Keywords: Anaerobic digestion; Antibiotics; Biogas; Inhibition; Methane; Pig slurry 1. Introduction Antibiotics are widely used in pig farms as feed ad- ditives, to promote growth and to prevent infection, and at therapeutic level to treat animals that are ill. Certain antibiotics contain carriers that allow them to target speci®c parts of the animal organism the intestine, the respiratory system, etc.) while others act at a general level. Some antibiotics become active when metabolised, whereas others operate in an initial active form. In either case, a fraction of the ingested antibiotics may be ex- creted in an active form Gamel-El-Din, 1986) and is then found in the wastewater from the farm. The overuse of antibiotics is the primary cause of high antibiotic concentrations in the slurry sent to treatment plants. A second factor is the quantity of water and the methods used to clean out pig houses. Since the most frequently used biological process in wastewater treatment plants is the anaerobic digester, it is possible that these antibiotic concentrations could have negative eects on the mixed populations of an- aerobic bacteria: they could determine the selection of cultures or reduce their rate of growth, and therefore might have a signi®cant in¯uence on both the degree of degradation of the organic load of the waste and on the production of biogas. Problems of this nature have often been noted by those working in the ®eld and have sometimes been reported in the literature Hobson and Shaw, 1976; Poels et al., 1984). Unfortunately, there are not many experimental studies on the eects of antibi- otics on the performance of anaerobic digestion. Fur- thermore, several of the antibiotics investigated in scienti®c works have now been banned and replaced by alternatives. Hilpert et al. 1981) studied the sensitivity of 10 strains of methanogens to 28 antibiotics. Runs carried out by the agar diusion test revealed that only some of the antibiotics investigated inhibited methano- gens. The biological activity of the anaerobic digestion of pig slurry was found to be reduced by the presence of lincomycin Fisher et al., 1981) and some other antibi- otics Poels et al., 1984; Varel and Hashimoto, 1982). In studying the anaerobic digestion of cattle manure, Blotevogel and Jannsen 1988) found that carbadox, lasalocid and monesin inhibited biogas production, while avoparcin did not. The potential inhibitory eect of some antibiotics chloramphenicol, chlortetracyclin, tylosin, erythromicin) was studied by Camprubi et al. 1988) in batch and semicontinuous experiments. In the antibiotic concentration range studied, chlortetracyclin, tylosin and erythromycin did not inhibit methanogenic activity, but considerable inhibition by chloramphenicol was found. Bioresource Technology 82 2002) 205±208 * Corresponding author. Tel.: +39-0706755060; fax: +39-0706755067. E-mail address: [email protected] A. Lallai). 0960-8524/02/$ - see front matter Ó 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII:S0960-852401)00162-6

Upload: a-lallai

Post on 05-Jul-2016

214 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: The effects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste slurry

����� ���������

�� � ��� �� � ��� ������� � ����� �������� �� �� ���� �� ��� �� �� ���� ������

�� ����� �� �� ����� �� �

���������� �� � � ���� ������� � ���������� ���������� �� �� ������ ������ ����������� �� ������ ����!

! � " � #$ %��� &$$#' � � " � � "� � ���� ( � �� �� � &$$#' ��� �� � #$ � �� �� � &$$#

��������

������� ������� �� � �� �� ��� � �� ��� ) ���*��� �������� � �*�� ������� ����������� �� ������ ��� )

� � ��� � �� �� � � ��� ������ �� ��+���� �� �� ���� ������ ���� �� ���� ����� � ��� ����� �� �� ����� ��������

�� � ��� ��� ����� �� � ������ � � ����� � �� � � �� �� � �� �� �� ������� � �� �� ���� ���� ��� ,��

������ ��� ��-��� �� � � � � ��� �������� � � ���� ��� ��� ������ �� .$ �� #($ �� ��# ������� /����� ��� �� ������� ��� ��� �� � � � � ��� �������� � � �� � �� ����� � �� ���� ���*��� 0($ �� #&$ �� ��#1 ���� ��� �� � ��� �������� ��� ����� �� ��� ��� �� ����� � ��� �� � � �*�� ������� ��� ������ 0#&2 ��

&2$ �� ��#1 �� ��� �� ������� � &$$& 3�� " � �� � ���� ��� ����� � � �" ��

"�!#���$ �� ���� �� ���' �������' 4����' 5����' � ��� ' 6� ������

� ���� ������

������� �� �� �� �� � �� ����� �� � � ��7��" �� �� ������ ������ �� �� �� " � � ���� ���� �� ��� ��� � " � �� �� �� ����� ���� �� ��� / ���������� ���� ���� �� ���� ����� �� � �� ���� ��� �-� ����� �� �� ���� ������ 0�� � �� � �� � �������� ���� �� ���1 ��� ��� �� ��� �� � � ���� " �� ��� ������� � ��� ���" �� � ������ ���� � �� ��� �� �� ��� � ��� ���" ����� 5 �� ���� � � ������ �� �� � �� � ������� ��� � *7�� � � � ���" ���� 0��� �73�78� #9.(1 �� ��� ���� �� ���� ��� � ���� �� ������� �" ��� �� ������� � �� ������ ���� ��

��� ������ ��� ������ �� ������ � � ���� ��� � ������ � � ��� ������ � �� +����� ����� � �� �� � ����� �� � �� �� � ��� �� ���� ���� �� ���� �� +� ��� �� � �������� ���� �� ���� ��� � �� ��� � ����� � �� �� ���� �� �� �� �� ������ ���� �� � ������ ��� ������ �������" ���" � ��� � �� �* � ��������� �� �7� ���� ���� ��: �� � ����� � � �� �� � � ��� �������� � �� � ��� �� � ��� �� ������� �� �� � ��� ���� ��" � ��-��� ;� � � ���� �� � �� ��

� ������� �� �� ����� ���� �� �� ���� �� � �� �������� �� ������ 6���� �� �� ��� ���� ��" ��� � �� � �� ���� ���<� �� - �� �� ��" ��� �� � � � ���� � �� �� ����� 0=���� ������� #9>(' 6� �� � ���� #9.?1� @������� ��� �� � �� �� ��� *� �� ��� ���� � � �� � ��� �� ���7���� � �� � ������� �� �� ���� �� ���� A��7�� ���� � � " ��� �� �� ������� " ����� � �� �-� ���<� ��" �� � �� � �� � ���� � ����� ���" �� =�� �� � ��� 0#9.#1 ���� � �� � ��"���� #$ ����� �� � ����� � �� &. �������� !������ � ��� �� �� ���� ����� � �� � " �� � ���� ������ �� �� ������� " ����� � ��� � � ����7� �� �� �������� ���"�� �� �� �� ���� �� ����� �� ������ ��� ���� �� � � ��� � �� �� �� � � �������� 0A�� � � ���� #9.#1 �� ��� ��� � ���7���� 06� �� � ���� #9.?' B�� � �� =�������� #9.&1� 5������ �� �� ���� �� ��� �� ����� ���� �4��� "�� � �� %�� 0#9..1 ���� ���� �������*��������� �� �� � ��� � ����� ������������ �"����� �� ��� �� ��� ��� ������ � ���� ��� ������� 0��������� ���� ������ �������������� ��������1 ��� ���� � �� /������ � ���0#9..1 ����� �� � �������� *� �� ��� 5 �� ������ ��� ����� ��� ���� �� ������ ������������� �� ��������� �� �� ��� � ����� ����"��� ��� ���� ���� ���� �� ��������� ������ �����

4�� ����� � ������� .& 0&$$&1 &$2)&$.

�/��� ����� ������� � ��: CD97$>$(>22$($' ��*: CD97$>$(>22$(>�

%����� �������$ �����E�������������� 0�� �����1�

$9($7.2&?F$&FG 7 � ���� ���� � � &$$& 3�� " � �� � ���� ��� ����� � � �" ��

655: �$9($7.2&? 0$# 1$$#(&7(

Page 2: The effects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste slurry

�� ��� �� �� ��� � ������� ���� �� ���7������ ��� ���� �� �� �� �� �� � � �� ����� � ��� ������� �� ���� �� �� � ��� � ��� � ������ ������� ���� ��� �� � �� ������ ��� ��� � *�� � ��� ������� ) ���*��� �������� ��*�� ������� ����������� 0� � ����� � � �� � �� ������� ���*��� �� �*�� ������� � � �� ��" ��1 �������� ��� ) �� ����� �� � ;� � � �� �� ��7�� �� ��� �� �� ���� ������ ���������� ���� � 7������ 0� ��� ����� �1� ��� �������� ��� �� � �� ��� �� ������ �� �� "����� �� �� �� ���� �� �� ����� ��� 5� ������ � ��� � ��� ���� � *� �� ������< ��� �� � ��� � ���� �� �� ����� ��� �� ���" � �� � ������� ��� � ��� � ����� �� �� ����� �������� ���� ��� ���� ������� � ����*�� ������� ����������� 0��� �73�78� #9.(1�

� ����� �

��� *� �� �� � � ���� � ��� �����7�� �������� ���� � �� �� ���� �� � ��� �� ���� �7� �� � �� � ��"�� ���� ��� �� ��� �� ������� �� ������ �� � ��� ���� ��� ���� ��� �� � ��� � ���������� ��� � ���� ���� �� � � 2$7�� ��+��� ������� ��� ���� � �� ��� �� �� #($7�� � ��� ����� ���� ����� � � � ���� � ��� ����� ���� � ����� ������ � ��� � ������ � ��� ��� � � ���� �� � ������ � � � ;��� � ��� ���� ��� �� � ��" ���� � �� �*�� � �� �� � ��� ����� � � � ����� � � ������ ���< � 0>$ ���1 �� D> �/� 4���� ����������� ����� � ��� � � � ���� �� �� �< �� ���"�� ��� �� �� ��� ������ �� � *� #$ �� �� �� �� �� ������� ���� �� � � ��� ������ �� ������� ��� � �����" �� ��� ��� � �� ��� �� �� � ��� ����� �� /�7���� ������ � � � �� ��� � �� ��� ��� �����������"� ������� �� ��� � �� �� ����� : 2$ ���� �� �� � ����� ���� #$ �� �� �� �� ������� 3��� *7� �� � ��� � ����� � ������� ��� �� ������� ����� �� �� �� �� �� ������ � � :

/ 8 #. � ��#� ����� ����� 9�> � ��#� "����� �����(�# � ��# �� �= >�2� �� ���� � ��� ������ �� �� ������� �� *� �� �� � � 0 �� ��#1: ����7�� ��� .$� #($' ���*��� �������� ($� #&$' �*�7� ������� ����������� #&2� &2$� �� ��� �������� ������� ���� ��� ��� ����� � ; �� �� �� ������� ������ �������� � � �� ���� �� �� ������������� �� �� ������� �� ��� � �� ��� ��� ������� ����� �� �� +����� �� ��� � �� � �� �� � ��� ������ � � �� ���� ���� ���� � ���< �� �������4���� �������� ��� ����� � �� �� ���� � ��

������� �� ���� � ����� � �� �� � ��� ����� � ��� ���� � ��� ��� �� ���� 0B�� � � ���� #9.$1�� ��� ��� ����� �� � ������ ��� ��� � 7� �� � �� ��� �������������� ��� � ��� ��� /��7��* #$$$ ���� �� �� � ����� 0?2$ ��� $�D ��1

��� ���<� ��� ��� �� ($).$ � �� �H � � �� ����������"�� � � ���� ��� �� �� �� � � ���� �� �� �� � �� ����� � � � &2$ �� D$$ �/� � �� ��" ���= ��� ��� �� � �� � ���� � ��� �� D$ �� ��#�

� ������� �� ���������

�� � ����� ���� � ��� �� *� �� �� �� ���� A��� #)D� ��� �� � ����� �� � � � �� �� � �� ����� � � � � ������� A�� # � ����� � ��� ���7����� �� *� �� �� � ����� � ��� �� ������� ������ ��� ������ � ��� �� ������ ���" � 5 ����� � ��� ����� � � ��� �������� ��� ��� �" �:�� � ��� � ������� �� �� � ��� �������� ����� ������ ����� � � �� ����� ������ ������ ������� � ���� #$$7� ������ � ���� � ��� ��� 7����� ����� ��� �� ������ � ����� ��� ��� ��� " ������ �� �� ��*��� "��� ��� �" � �� >2I: �� � ���� ����� �� �� � ��� �������� ��� �� ��� ���� ����� �� 4�� �� ����� � ��� ��� � ������ ���

A�� #� 3� �� �� �� ��� ������ ��� ��� ����� � ������7

��� � � ��� �������� ���� ����� � �� ���� #($7�� � ���

����� �� ������� ��� ������ ��� ����� 0 �� ��#1: 0�1 $� ���.$� 0�1 #($�

A�� &� 3� �� �� �� ��� ���*��� ��� ����� � ��������� �

� ��� �������� ���� ����� � �� ���� #($7�� � ��� ���7

�� �� ������� ��� ������ ��� ����� 0 �� ��#1: 0�1 $� ��� ($�0�1 #&$�

&$( �& '����� �� ��& ( )����*��� +���� ! ,� -����. ��/0��,

Page 3: The effects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste slurry

��� ����� �� � ��� ��� � � ��� ��������� �� ����� � ��� ��*��� � �� ��� � ��� ���� �� � ��� � +��� �� >2I� �� ��� � ��� � ��� � ����� D&$ ��D($ � �� ����� � ��� .$ �� #($ �� ��# �� ����7�� ���� � �� ��" ��� �� ������ �� �� ���� �� �� �� ��� ���" � A�� # ���� ��� ���� � ��� ����������� �� � � � �� � �������� � ��� � ����� ��� �� ������� ������ � �� � " ��� � ����� �� �� �������5� � �� ���� �� �������� � ��� � ��� � ��� 7�� ��� ������ ��� ��� ������ ��� � �� �� � ������� �,� ���*��� ��� ��� �� �� ��� � �� � ���

�������� ���� � ����� �� �� ��� ��� �� �� ����� �0A�� &1� �� �� � � � � ��� �������� ��� � ������� � �� �� �� � � � ������ ��� �������� �' ���������� �� �� ���*��� ��� ������� �� �� � ��� �������� � �� �� �� 5 ���� �� ($�� #&$ �� ��# �� ���*��� �� � ��� ��������� �� � � � >2I �� (.I� � �� ��" ��� �� �� ������"��� � �� �� � �� �� &2$7� ������ � ���� /�7-����� �� ��� � � � �� � ���"� � �� ���� 0������1 � �� � ��� � �� ��� �� �����: �� ��� � �� ���*��� ��� ����� �� ����� �� �� ��� � �� � ��� ��� ������, �� ����� ����� ��� ���� ������ ��� ��

���*���� �� �� �� �� ��� ����� �� ��� ������� ���� � � �� �� � ������ � �� � � ����� �� �� ��J�� � ������ ���� ��� ������ ���" � ��� � �� ����� A�� *���� � 6� �� � ��� 0#9.?1��" � ���� � � �� �� �� ���������� �� "����� ����� ���� �� �� � � �� �� ��� �������� ��� �� �������� �� �� ��� ������ �� ������ ��� ��� �� ������� � �� �� ���� �*�� ������� �� �� ������ � �

���� A�� D� � ��� �������� ���" � �" ����� ���� �� ������ � � " ��� � �� �� � � �� ���������� �������� ��� ��� ������� ��� � ��� �� ����������� � 5� � ���� � ���� �� � ��� ��� �����

�� ����� ��� �� ��� ����� � ��� � ���� ���� �� ���� � �� ������ ���� �� ��� �� ��������� ������ ���� �� ���� �� ���7����� ��� ��� 7����� ���� �� � � �� �� � �� �� � �� �� �� � � �� �*�� ������� � ��� �73�78 0#9.(1 ��7�� � ����� � ����� � ��� �� � ��� � �� �� �7��� �� ��� �� ��� ���� �5 ��� �� ����� ����� � �� � � ��� � � ������

�� � �� ������ ����: ������ ��� ��� � ���� ���� ������ � ��� � ���� ���� � �� � � ��� �������� �� ������ � �� �� ������ ������ '���*��� ��� � ��� � ��� ��-��� ������ � ��� �� � ��� �������� � ��� � �� �� ��� ������� �� ������' �*�� ������� � � � �� �� * �� �� � �� � �� � ��� ��������� �� ���" � ������������ ����� � ��-����� �� ���� ��� �� ��" ���� 0=���� �� ����� #9>(' 6� �� � ���� #9.?1� � ������ �� �� � � �� ������� ���� ������ ���� ������� �� �� �� ����� �� �� �� ��� � �� ���� 7��� � �� �� ���� �� ���� �� ����� �� � �� ���7����� �� ����� � ��� � �� �� � ����� ���� � �� ���� ������ ���� ��� � �" ������ � � �� ������ �� �� ��� � ���� �� � �� �� ���� ��� � ��� ��������� ��� �" �� �� � ����� ���� � ��� ��7����� ���� ���� ���� �� �� ����� �� �� ���� ���� ���� �� �� �� ���� ������� 0� ��� 7 �����7������� ���� ��1 � �� �� � �� �������� A����� � ���� ����� � *� �� ���� ��� � ���� � ��� "����� ����� ���� � � ��

�������� �������

�� ������� ���< ��� ��� B��� ��� �� ����7��� ��� =6�/ � ���� � ��� ��� � � ���� ������� � ��� ���� ��� �� -���� �������� ���� ! �� ������� � ��� ���� �� �� �� �� 5���� ��� �� � ��K@" ����� � ��� !� ��� ��7 �-���

����������

4��� "�� �� L�=�� %�� � ��� #9..� �� ;� � �� ����� � �

������� � � ��� � �� ����� 5: ���� � ��� !�HH� ��

03���1� 6��� �7��� ��� A��� 5� ������ �������� � �� ��7

�� 8� ���� ����HH 3���� � 4������ 5����� ��� .&9).D&�

/������� ��� 6���� %���� /����� /�� #9..� 3� ��� �� ���������

�� �� �� � � ����" � � �� � ������� �� ��� �� ����

�� ���� �� ��� �� 5: =���� 3�!�� =����� 6�=� 03���1� ��7

"�� � ,�� � 6������ /������ �� ���� 8� ��� #9..�

6 ����� 6� ��� *����� ��� &D9)&?.�

A�� �� %�!�� 5����� 3���� �" ��� 8���� #9.#� �� ���� �� ��� ��

���� ���� �� � � � "����� � ��� ����� ,��� � D� &$#)&#?�

��� �73�78� =�� #9.(� 4���� �������� ���� ������7�����7

� ��� ���� � 5: 6��� ��� �� �� 5� ������ /�� � �

4���� � �������� ����� � 8����� � �� 8�� #9.?�

3�� " �� ����� @L� ��� ?.$)?.>�

A�� D� 3� �� �� �� ��� �*�� ������� ��� ����� � ������7

��� � � ��� �������� ���� ����� � �� ���� #($7�� � ���

����� �� ������� ��� ������ ��� ����� 0 �� ��#1: 0�1 $� ���#&2� 0�1 &2$�

�& '����� �� ��& ( )����*��� +���� ! ,� -����. ��/0��, &$>

Page 4: The effects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste slurry

=�� ��� !�� ,� �� %�� =��� �� ,�� L��� �� �� #9.#� �� � ��"��

�� ����� ���� �� �� �������� M��� 4�<�� =���� 5 ���� ��� / &�

##)&$�

=����� 6���� ����� 4���� #9>(� 5���� �� � ��� �������� ��

�����1������*� 2����*�� ,�� � ! �� #$� .?9).2&�

6� ��� %�� ����� � 6�� B ����� � � ,�� #9.?� 3� ��� �� ��� ����� ��

������� � �� �� ���� �� ��� �� ��� �� ���� � �����

,��� � 9� &D9)&?>�

B�� �� B�=�� =�������� ����� #9.&� � ��� �������� �� � �7

� � � ������ � ������� � �� ���� ���� ����� � � �� ��

��������� �������� �� �"������ ����� 3"��� �������� ??�

#?#2)#?&$�

B�� �� B�=�� =�������� ����� /� � N�!�� #9.$� 3� �� �� � �� �7

���� �� � � �� �� � � ��� �������� ���� � � �����

���� � ����� 3"��� �������� ?$� &#>)&&&�

&$. �& '����� �� ��& ( )����*��� +���� ! ,� -����. ��/0��,