Adsorption Bevor Biokohle Anfang der 2010er Jahre untersucht und als regulärer Futtermittelzusatz für Tiere verwendet wurde, galten Holzkohle (d. h. Biokohle aus Holz) und Aktivkohle (d. h. aktivierte Biokohle, wenn sie aus Biomasse hergestellt wird; Hagemann et al., 2018) als Tierarzneimittel zur Behandlung von Verdauungsstörungen und Vergiftungen. Holzkohle war seit vielen Jahrhunderten als Notfallbehandlung von Vergiftungen bei Tieren bekannt (Decker & Corby, 1971). Biokohle wurde und wird aufgrund ihrer hohen Adsorptionsfähigkeit für eine Vielzahl verschiedener Toxine wie Mykotoxine, Pflanzentoxine, Pestizide sowie toxische Stoffwechselprodukte oder Krankheitserreger eingesetzt. Die Adsorptionstherapie, bei der aktivierte Biokohle als nicht verdauliches Sorptionsmittel verwendet wird, gilt als eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Verhinderung schädlicher oder tödlicher Auswirkungen oral aufgenommener Toxine (McKenzie, 1991; McLennan & Amos, 1989).
Aus toxikologischer Sicht beruhen die meisten Wirkungen von Biokohle auf einem oder mehreren der folgenden Mechanismen: selektive Adsorption einiger Toxine wie Dioxine, Co-Adsorption toxinhaltiger Futtermittelinhaltsstoffe, Adsorption gefolgt von einer chemischen Reaktion, die das Toxin zerstört, und Desorption früher adsorbierter Substanzen in späteren Phasen der Verdauung (Gerlach & Schmidt, 2012). Allerdings müssen die zeitabhängigen und sich teilweise überschneidenden Prozesse der Adsorption, Biotransformation, Desorption und Ausscheidung der toxischen Substanzen im gesamten Verdauungssystem der Tiere klassifiziert werden.
Schirrmann (1984) beschrieb die Wirkung von Aktivkohle auf Bakterien und deren Toxine im Magen-Darm-Trakt wie folgt:
- Adsorption von Proteinen, Aminen und Aminosäuren.
- Adsorption von Enzymen des Verdauungstraktes sowie Adsorption von bakteriellen Exoenzymen.
- Bindung von mobilen Keimen durch Chemotaxis.
- Die selektive Besiedlung von Biokohle mit gramnegativen Bakterien könnte zu einer geringeren Freisetzung von Endotoxinen führen, da diese Toxine beim Absterben gramnegativer Bakterien direkt von der besiedelten Biokohle adsorbiert werden könnten.
Ein weiterer großer Vorteil der Verwendung von Biokohle ist ihre Eigenschaft der “enteralen Dialyse”, d.h. bereits adsorbierte lipophile und hydrophile Toxine können durch die Biokohle aus dem Blutplasma entfernt werden, da die Adsorptionskraft der großen Oberfläche der Biokohle mit den Permeabilitätseigenschaften des Darms interagiert (Schirrmann, 1984).
Susan Pond (1986) erklärte verschiedene Mechanismen, durch die Biokohle Giftstoffe aus dem Körper ausscheiden kann. Erstens kann Biokohle den so genannten enterohepatischen Kreislauf von Giftstoffen zwischen Darm, Leber und Galle unterbrechen. Sie verhindert, dass Verbindungen wie Östrogene und Gestagene, Digitoxin, organisches Quecksilber, Arsenverbindungen und Indomethacin in die Galle aufgenommen werden. Zweitens können Verbindungen wie Digoxin, die aktiv in den Darm ausgeschieden werden, dort adsorbiert werden. Drittens können Verbindungen wie Pethidine an die Biokohle adsorbiert werden, die passiv in den Darm diffundieren. Viertens kann die Biokohle Verbindungen aufnehmen, die entlang eines Konzentrationsgradienten zwischen dem Blut im Darm und dem Primärharn diffundieren.
Redox-Aktivität von Futtermittelzusatzstoffen auf der Basis von Biokohle Obwohl die Adsorptionskapazität die wichtigste Funktion von Biokohle ist, um ihre positiven Auswirkungen bei der Fütterung von Tieren zu erklären, kann die Adsorption allein nicht alle Phänomene erklären, die bei Fütterungsversuchen mit Biokohle beobachtet werden. Eine weitere zentrale, aber immer noch weithin übersehene Funktion von Biokohle ist ihre Redox-Aktivität. Biokohlen wirken als sogenannte Geobatterien und Geokonduktoren, die Elektronen von und für biochemische Reaktionen aufnehmen, speichern und vermitteln können (Sun et al., 2017). Niedertemperatur-Biokohlen (HTT von 400-450 °C) funktionieren als Geobatterien vor allem aufgrund ihrer Phenol- und Chinon-Oberflächengruppen. Hochtemperatur-Biokohlen (HTT >600°) hingegen sind gute elektrische Leiter (Mochidzuki et al., 2003; Yu et al., 2015). Aufgrund dieser beiden Eigenschaften können sowohl Hoch- als auch Niedertemperatur-Biokohlen in biotischen und abiotischen Redox-Reaktionen als Elektronenvermittler wirken (Van Der Zee & Cervantes, 2009; Husson, 2012; Liu et al, 2012; Kappler et al., 2014; Kluepfel et al., 2014; Joseph et al., 2015a; Yu et al., 2015; Sun et al., 2017). Biokohle kann Elektronen aufnehmen und abgeben, wie z.B. in mikrobiellen Brennstoffzellen, wo aktivierte Biokohle als Anode und als Kathode verwendet werden kann (Gregory, Bond & Lovley, 2004; Nevin et al., 2010; Konsolakis et al., 2015). Die elektrische Leitfähigkeit von Biokohle beruht jedoch nicht auf einem kontinuierlichen Elektronenfluss wie in einem Kupferdraht, sondern auf einem diskontinuierlichen Elektronensprung (Kastening et al., 1997), der für die Funktion von Biokohle als (mikrobieller) Elektronenvermittler oder sogenannter Elektronen-Shuttle von wesentlicher Bedeutung ist und sogar den Elektronentransfer zwischen verschiedenen Spezies ermöglicht (Chen et al., 2015). Aufgrund der vergleichsweise großen Größe von Biokohlepartikeln kann die Elektronenübertragungskapazität der Kohlenstoffmatrix von Biokohle zu einem relativ weitreichenden Elektronenaustausch führen, der einen räumlich weiterreichenden Zugang zu alternativen Elektronenakzeptoren wie Mineralien für die anoxische mikrobielle Atmung bietet (Sun et al., 2017).
Während des mikrobiellen Abbaus organischer Substanzen im Magen-Darm-Trakt und insbesondere im anaeroben Pansen benötigen die Verdauungsmikroben einen terminalen Elektronenakzeptor, um überschüssige Elektronen loszuwerden, die beim Abbau organischer Moleküle anfallen. Da Elektronen unter Umgebungsbedingungen nicht frei vorliegen und von den Zellen nicht in ausreichender Menge gespeichert werden können, sind die Organismen stets darauf angewiesen, dass sowohl ein Elektronendonor (z. B. die verstoffwechselte organische Substanz) als auch ein Akzeptor zur Verfügung stehen, auf den die überschüssigen Elektronen übertragen werden können. Dies geschieht in der Regel in so genannten Redoxreaktionen, bei denen Moleküle oder Atome, die ein Elektron abgeben, durch elektrochemische Reaktionen mit Molekülen oder Atomen gekoppelt werden, die ein Elektron aufnehmen. Um diesen Elektronentransfer zu ermöglichen, müssen diese chemischen oder biochemischen Redox-Reaktionen in der Regel in unmittelbarer (molekularer) Nähe stattfinden.
Die Kopplung von elektronenspendenden und elektronenaufnehmenden Reaktionen kann jedoch durch so genannte Elektronenvermittler oder Elektronen-Shuttles überbrückt werden. Diese Elektronenvermittler können ein Elektron von einem chemisch reagierenden Molekül, einer festen Zwischenphase oder einem Mikroorganismus aufnehmen und es einem anderen Molekül, Atom, einer festen Zwischenphase oder einem Mikroorganismus zur Verfügung stellen. Zu den bekannten und untersuchten elektronenvermittelnden Verbindungen gehören Thionin, Tannine, Methylblau oder Chinon, die vergleichbare Fähigkeiten wie Huminstoffe und Biokohle aufweisen (Van Der Zee et al., 2003; Liu et al., 2012; Bhatta et al., 2012; Kluepfel et al., 2014).
Ein ausgewogenes Futtermittelregime sollte mehrere elektronenvermittelnde Substanzen enthalten. In den hochenergetischen Futtermitteln, die in der Intensivtierhaltung verwendet werden, ist die Versorgung mit elektronenvermittelnden Substanzen jedoch oft unzureichend (Sophal et al., 2013). Wenn inerte oder andere nicht-toxische Elektronenvermittler wie Biokohle oder Huminstoffe dem energiereichen Futter zugesetzt werden, können verschiedene Redoxreaktionen effizienter ablaufen, was wiederum die Effizienz der Futteraufnahme erhöhen könnte (Liu et al., 2012; Leng, Inthapanya & Preston, 2013). Insbesondere Biokohle kann sowohl als alleiniger Elektronenvermittler als auch als synergistischer Elektronenvermittler wirken, der die Effizienz anderer Vermittler erhöht (Kappler et al., 2014).
Im Magen-Darm-Trakt werden fast alle Futtermittel abbauenden Reaktionen von Mikroorganismen (meist Bakterien, Archaeen und Wimpertierchen) unterstützt. Bei diesen Reaktionen können Bakterienzellen Elektronen auf Biofilme oder über Biofilme auf andere terminale Elektronenakzeptoren übertragen (Richter et al., 2009; Kracke, Vassilev & Krömer, 2015). Biofilme sind jedoch eher schlechte elektrische Leiter und die Elektronenaufnahmekapazität ist gering. Daher können mikrobielle Redoxreaktionen durch Elektronen-Shuttles wie Huminsäuren oder aktivierte Biokohle optimiert werden, deren elektrische Leitfähigkeit 100-1.000 Mal höher ist als die von Biofilmen (Aeschbacher et al., 2011; Liu et al., 2012; Saquing, Yu & Chiu, 2016). Obwohl die Leitfähigkeit von nicht aktivierter Biokohle im Vergleich zu aktivierter Biokohle geringer ist, wurde gezeigt, dass sie effizient Elektronen zwischen Bakterienzellen übertragen kann (Chen et al., 2015; Sun et al., 2017). Es wurde gezeigt, dass Bakterien ein Elektron an ein Biokohlepartikel abgeben, während andere Bakterien einer anderen Art ein Elektron an einer anderen Stelle desselben Biokohlepartikels aufnehmen (akzeptieren). Die Biokohle wirkt hier wie eine “Batterie” (oder ein Elektronenpuffer), die je nach Bedarf der biochemischen (mikrobiellen) Reaktionen geladen und entladen werden kann (Liu et al., 2012). Da Biokohle von Mikroben vorübergehend oxidiert oder reduziert werden kann (d. h. Biokohle ist an Elektronen verarmt oder angereichert), kann sie außerdem Situationen mit einem (vorübergehenden) Mangel an Elektronendonatoren oder terminalen Elektronenakzeptoren puffern (Redox-Pufferwirkung) (Saquing, Yu & Chiu, 2016). Ein Hauptziel der Verfütterung von Biokohle an Tiere könnte daher darin bestehen, metabolische Redox-Beschränkungen zu überwinden, indem der Elektronenaustausch zwischen Mikroben sowie zwischen Mikroben und terminalen Elektronenakzeptoren verbessert wird.
Das redoxaktive kohlenstoffhaltige Grundgerüst der Biokohle sowie die darin enthaltenen Mineralien wie Eisen (Fe(II) und/oder Fe(III)) und Mangan (Mn(III) oder Mn(IV)) können das mikrobielle Wachstum auf mindestens vier verschiedene Arten elektrisch unterstützen: (1) als Elektronensenke für die heterotrophe Atmung, (2) als Elektronenquelle für das autotrophe Wachstum, (3) durch Ermöglichung des Elektronentransfers von Zelle zu Zelle und (4) als Elektronenspeicher (Shi et al, 2016). Es kann angenommen werden, dass die Ermöglichung des extrazellulären Elektronentransfers zu einer energieeffizienteren Verdauung beiträgt, was zu einer höheren Futtereffizienz führt, wenn aktivierte oder nicht aktivierte Biokohle verabreicht wird. Darüber hinaus müssen die elektrochemischen Effekte als ein wichtiger Faktor zur Erklärung möglicher Verschiebungen in der funktionellen Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaft im Verdauungssystem betrachtet werden (Prasai et al., 2016). Leng, Inthapanya & Preston (2012) schlugen ebenfalls vor, dass die Elektronenübertragung zwischen Biokohle und Mikroorganismen einer der Gründe sein könnte, warum die Fütterung von Biokohle an Kühe in ihren Studien zu einer Verringerung der Methanemissionen führte (siehe Kapitel 6).
Es ist ferner sehr wahrscheinlich, dass Biokohle die Funktion eines Redoxrades im Verdauungstrakt hat, vergleichbar mit FeIII-FeII-Redoxrädern. Sie könnte sowohl als Elektronenakzeptor als auch als Elektronendonator fungieren und verschiedene biotische und abiotische Redoxreaktionen direkt koppeln, vergleichbar mit gemischtwertigen Eisenmineralien (Davidson, Chorover & Dail, 2003; Li et al., 2012; Joseph et al., 2015a; Quin et al., 2015). Neben ihrem polyaromatischen Grundgerüst enthält Biokohle je nach Herstellungsprozess eine Vielzahl flüchtiger organischer Kohlenstoffe (VOC) (Spokas et al., 2011). Einige der pyrolytischen VOC sind starke Elektronenakzeptoren und können wie ein Redoxrad wirken, ähnlich wie Chinon funktioniert (Van Der Zee et al., 2003). Einige dieser pyrolytischen flüchtigen organischen Verbindungen, die während der Alterung von Biokohle häufig oxidativ verändert werden (Cheng & Lehmann, 2009), sind sogenannte redoxaktive Anteile (RAMs), die nachweislich zum biologischen Abbau bestimmter Schadstoffe beitragen (Yu et al., 2015). Es kann vermutet werden, dass im Verdauungstrakt eine Vielzahl von RAMs, die an den Oberflächen von Biokohlepartikeln adsorbiert sind, als Redox-Räder mit verschiedenen Mikroorganismen wirken können. Es kann weiter angenommen werden, dass Biokohle, wenn sie Elektronen in der Nähe von redoxaktiven Oberflächengruppen puffert, stabile Mikrohabitate mit unterschiedlichen Redox-pH-Milieus für verschiedene Arten von Mikroorganismen bieten kann (Yu et al., 2015). Darüber hinaus adsorbiert Biokohle bestimmte Futter- und Stoffwechselstoffe wie Tannine, Phenole oder Thionin, die ebenfalls Elektronenakzeptoren sind und die Elektronenpufferung der Biokohlepartikel während ihrer Passage durch den Verdauungstrakt weiter erhöhen könnten (Kracke, Vassilev & Krömer, 2015).
Biokohle, Holzessig (d.h. wässrige Lösungen von kondensierten Pyrolysegasen) und Huminstoffe können als Redox-Puffersubstanzen wirken (Husson, 2012; Kluepfel et al, 2014), was erklären könnte, warum die Verfütterung von Biokohle, pyrolytischem Essig und Huminstoffen oft ähnliche Effekte zeigt und warum die Mischung von Biokohle mit Holzessig oder Huminstoffen die Effekte zu verstärken scheint (Watarai, Tana & Koiwa, 2008; Gerlach et al., 2014). Im Gegensatz zu den beiden gelösten organischen Substanzen bietet Biokohle jedoch ein hochporöses Gerüst mit hoher spezifischer Oberfläche, an dem humusähnliche Substanzen oder pyrolytischer Essig adsorbiert werden können und sich dreidimensional als Belag auf den innerporösen aromatischen Kohlenstoffoberflächen der Biokohle entfalten. Aufgrund der Redox-Pufferwirkung von Biokohle, die mit Huminstoffen oder Holzessig vermischt ist, können Schwankungen des Redoxpotentials in der Nähe von Biokohlepartikeln minimiert werden, was diejenigen Arten von Mikroorganismen begünstigen könnte, die ihr Optimum bei diesen Redoxpotentialen finden (Kalachniuk et al., 1978; Cord-Ruwisch, Seitz & Conrad, 1988). Biokohlepartikel können somit selektive Hotspots für mikrobielle Aktivität darstellen. Es ist davon auszugehen, dass die Pufferung des Redoxpotentials sowie der Effekt des Elektronen-Shuttlings zwischen mikrobiellen Spezies eine selektive, mikrobielle Milieubildung bewirken kann, die die Bildung funktioneller mikrobieller Konsortien erleichtert und beschleunigt (Kalachniuk et al., 1978; Khodadad et al., 2011; Sun et al., 2017).
Das mechanistische Verständnis von Biokohle als Futtermittelzusatzstoff, insbesondere im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf mikrobiell vermittelte Redoxreaktionen, steckt eindeutig noch in den Kinderschuhen (Gregory, Bond & Lovley, 2004; Nevin et al., 2010; Konsolakis et al., 2015). Wir stellen jedoch mit einiger Sicherheit die Hypothese auf, dass Biokohle einen direkten elektrochemischen Einfluss auf Verdauungsreaktionen hat und dass dies einer, wenn nicht sogar der Hauptgrund für die extrem unterschiedlichen Auswirkungen verschiedener Biokohlen ist. Die elektrische Leitfähigkeit, das Redoxpotenzial, die Elektronenpufferung (Poising) und die Elektronenübertragungskapazität (Shuttling) einer bestimmten Biokohle hängen stark von der Art des pyrolysierten Ausgangsmaterials, den Pyrolysebedingungen (Kluepfel et al., 2014; Yu et al., 2015) und insbesondere von der Pyrolysetemperatur ab (Sun et al., 2017). Je höher die Temperatur über 600 °C liegt, desto besser sind die Elektronentransferrate und die elektrische Leitfähigkeit (Sun et al., 2017). Je höher jedoch der VOC-Gehalt von z. B. Niedrigtemperatur-Biokohlen und je mehr funktionelle Oberflächengruppen auf Niedrigtemperatur-Biokohlen (400-600 °C) vorhanden sind, desto wichtiger kann der vermittelte Elektronentransfer auf/von der Biokohle werden (Joseph et al., 2015a; Yu et al., 2015; Sun et al., 2017). Darüber hinaus sollte auch der Mineralgehalt von Biokohle berücksichtigt werden, da er nicht nur das elektrochemische Verhalten von Biokohle beeinflusst, sondern auch verschiedene biotische und abiotische Reaktionen katalysieren kann (Kastner et al., 2012; Anca-Couce et al., 2014).
Spezifische Adsorption von Toxinen
Adsorption von Mykotoxinen Die Kontamination von Tierfutter mit Mykotoxinen ist ein weltweites Problem, das bis zu 25 % der weltweiten Futtermittelproduktion betrifft (Mézes, Balogh & Tóth, 2010). Mykotoxine stammen hauptsächlich von Schimmelpilzen, deren Wachstum auf frischem und gelagertem Tierfutter schwer zu verhindern ist, insbesondere in feuchtem Klima. Mit Mykotoxinen kontaminierte Futtermittel können zu schweren Krankheiten bei Nutztieren führen. Zum Schutz der Tiere werden dem Futter in der Regel Adsorptionsmittel zugesetzt, um die Mykotoxine vor der Aufnahme zu binden. Neben den häufig verwendeten Alumosilikaten werden zunehmend auch Aktivkohle und spezielle Polymere eingesetzt (Huwig et al., 2001).
Eines der häufigsten Mykotoxine ist Aflatoxin (Alshannaq & Yu, 2017), das daher in zahlreichen Studien als Modellsubstanz verwendet wurde, um das Adsorptionsverhalten von Biokohle und die Verringerung der Aufnahme des Toxins im Verdauungstrakt und damit im Tierblut und in der Milch zu untersuchen (Galvano et al., 1996a). Galvano et al. (1996b) konnten die extrahierbare Aflatoxinkonzentration im Tierfutter um bis zu 74 % und die Konzentration in der Milch um bis zu 45 % senken, indem sie pelletiertem, mit Aflatoxin versetztem Futter für Milchkühe 2 % aktivierte Biokohle zusetzten. Der nicht systematische Vergleich verschiedener aktivierter Biokohle zeigte jedoch, dass es große Unterschiede in der Adsorptionsleistung zwischen verschiedenen Arten von (aktivierter) Biokohle gibt.
Diaz et al. (2002) zeigten in einer in vitro Sorptions-Chargenstudie, dass vier verschiedene Aktivkohlen 99 % des Aflatoxins B aus einer mit 0,5 % Aflatoxin B versetzten Lösung adsorbierten, wenn 1,11 g Aktivkohle auf 100 ml dosiert wurden. Als Diaz jedoch ein Jahr später 0,25 % Aktivkohle zu mit Aflatoxin B kontaminiertem Futter für Milchkühe verabreichte (Diaz et al., 2004), konnten sie keine signifikante Verringerung des Aflatoxin-B-Gehalts in der Milch nachweisen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass im In-vivo-Test eine unzureichend charakterisierte (aktivierte) Biokohle in einer niedrigen Konzentration von 0,25 % des Futterfrischgewichts verfüttert wurde, während in den In-vitro-Studien die Biokohle in einer Konzentration von 1 % der wässrigen Lösung zugesetzt wurde, d. h. in einer viermal höheren Konzentration und ohne eine Futtermatrix.
Galvano et al. (1996a) untersuchten auch die Adsorptionskapazität von 19 verschiedenen Aktivkohlen für zwei Mykotoxine, Ochratoxin A und Deoxynivalenol, und stellten fest, dass die aktivierte Biokohle je nach Art der aktivierten Biokohle 0,80-99,86 % von Ochratoxin A und bis zu 98,93 % von Deoxynivalenol adsorbierte. Die große Bandbreite der Ergebnisse bestätigt eindeutig, wie wichtig eine systematische Charakterisierung und Klassifizierung der Biokohleeigenschaften ist. Galvano et al. kamen jedoch zu dem Schluss, dass weder die zur Charakterisierung der aktivierten Biokohle verwendete Jodzahl noch die aus den N2-Gasadsorptionsisothermen abgeleitete spezifische Brunauer-Emmet-Teller-Oberfläche eine eindeutige Vorhersage der Adsorptionskapazität für diese Mykotoxine ermöglichen.
Di Natale, Gallo & Nigro (2009) verglichen verschiedene natürliche und synthetische adsorbierende Futterzusätze für Milchkühe, um den Aflatoxingehalt in der Milch zu reduzieren. Aktivierte Biokohle zeigte die höchste Toxinreduktionskapazität (>90% Aflatoxinreduktion in Milch mit 0,5 g Aflatoxin pro kg Futter). Analytische Untersuchungen der Milchqualität zeigten ebenfalls leichte positive Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Milch in Bezug auf organische Säuren, Laktose, Chloride, Proteingehalt und pH-Wert. Die Autoren erklärten die hohe Adsorptionskapazität mit der hohen spezifischen Oberfläche in Kombination mit einer günstigen Mikroporengrößenverteilung der Biokohle und der hohen Affinität von Aflatoxin für die polyaromatische Oberfläche der Biokohle im Allgemeinen (Di Natale, Gallo & Nigro, 2009).
Bueno et al. (2005) untersuchten die Adsorptionsfähigkeit verschiedener Dosierungen von aktivierter Biokohle (0,1 %, 0,25 %, 0,5 %, 1 %) für Zearalenon, einen gefährlichen östrogenen Metaboliten der Pilzart Fusarium, für den bisher keine Behandlungsmittel gefunden wurden. In vitro konnte das gesamte Zearalenon bei jeder der vier Biokohle-Dosen gebunden werden. In vivo jedoch, wo eine Vielzahl von Mykotoxinen und zahlreiche andere organische Moleküle mit den freien Adsorptionsflächen der Biokohle konkurrieren, konnte kaum eine spezifische Adsorption erreicht werden.
In einer Studie mit Holstein-Milchkühen wurde untersucht, inwieweit die negativen Auswirkungen von pilzkontaminierter Futtersilage durch die gleichzeitige Verfütterung von 0, 20 oder 40 g aktivierter Biokohle täglich verringert werden können (Erickson, Whitehouse & Dunn, 2011). Kühe, die den Biokohlezusatz und die kontaminierte Silage erhielten, hatten eine höhere Futteraufnahme und eine verbesserte Verdaulichkeit von neutralen Detergenzienfasern, Hemizellulose und Rohprotein sowie einen höheren Milchfettgehalt im Vergleich zu der Kontrolle ohne Biokohle. Wurden dieselben täglichen Mengen an Biokohle zu nicht kontaminierter Qualitätssilage verabreicht, konnten keine Veränderungen im Verdauungsverhalten, in der Milchqualität oder andere Auswirkungen auf die Milchkühe festgestellt werden. In einem zweiten Versuch zeigten die Autoren jedoch, dass die Kühe, wenn sie die Wahl hatten, Silage von guter Qualität gegenüber kontaminierter Silage mit oder ohne Biokohle eindeutig bevorzugten. Sie kamen zu dem Schluss, dass sich die Landwirte auf die Bereitstellung von hochwertigem Futter konzentrieren sollten, anstatt die negativen Auswirkungen von verunreinigter Silage mit Biokohle abzumildern.
Während Piva et al. (2005) keinen Schutz gegen die schädlichen Auswirkungen von Fumonisin, einem hochtoxischen Mykotoxin, nach einer 1%igen Zugabe von Biokohle zum Futter von Ferkeln feststellten, zeigte Nageswara Rao & Chopra (2001), dass die Zugabe von Biokohle zu mit Aflatoxin B1 kontaminiertem Futter von Ziegen den Übergang des Toxins (100 ppb) in die Milch um 76% reduzierte. In dem letztgenannten Versuch war die Effizienz von aktivierter Biokohle deutlich höher als die von Bentonit (65,2 %). Beide Adsorptionsmittel hatten keinen Einfluss auf die Zusammensetzung der Ziegenmilch oder das durchschnittliche Niveau der Milchproduktion.
In vitro-Studien mit Verdauungsflüssigkeiten von Schweinen zeigten hohe Adsorptionsraten von Fusarium-Toxinen wie Deoxynivalenol (67 %), Zeralenon (100 %) und Nivalenol (21 %) durch aktivierte Biokohle (Avantaggiato, Solfrizzo & Visconti, 2005; Döll et al., 2007). Andererseits fanden Jarczyk, Bancewicz & Jedryczko (2008) keinen signifikanten Effekt, als sie 0,3 % aktivierte Biokohle dem Futter von Schweinen zusetzten. Weder im Blutserum noch in den Nieren, der Leber oder im Muskelgewebe konnten die Ochratoxinkonzentrationen durch diese geringe Menge an Zusatz mit nicht charakterisierter industrieller Biokohle verringert werden (Jarczyk, Bancewicz & Jedryczko, 2008). Es wurde jedoch auch keine nachteilige Wirkung festgestellt.
Mykotoxine verursachen bei Geflügel häufig schwere Leberschäden. Die Verabreichung von Biokohle in einer täglichen Dosierung von 0,02 % des Körpergewichts erhöhte signifikant die Aktivität der wichtigsten Leberenzyme (Ademoyero & Dalvi, 1983; Dalvi & Ademoyero, 1984). Während Aflatoxin (10 ppm) die Futteraufnahme und die Gewichtszunahme von Masthühnern verringerte, kehrte der Zusatz von 0,1 % Biokohle zum Futter (w/w) den negativen Trend um (Dalvi & McGowan, 1984).
Beim Vergleich der Wirkung von aktivierter Biokohle mit einem herkömmlich verwendeten Tonerdeprodukt (hydratisiertes Natrium-Calcium-Aluminiumsilikat) wurde festgestellt, dass das Tonerdeprodukt bei Verabreichung von 0, 40 und 80 μg AFB1 pro kg Futter zu beträchtlichen Aflatoxin-B-Konzentrationen in Leber und Blut führte, nicht jedoch in Kombination mit einer 0,25 %- und 0,5 %-Biokohlebehandlung (Kubena et al, 1990; Denli & Okan, 2007). In einer anderen Studie verringerte aktivierte Biokohle die Konzentration von Aflatoxin B in den Fäkalien von Masthühnern, allerdings nur, wenn die Biokohle getrennt vom Futter verabreicht wurde (Edrington et al., 1996). Kim et al. (2017) zeigten jedoch in einem In-vivo-Fütterungsversuch mit Schweinen, dass die Aflatoxin-Absorptionsfähigkeit bei drei verschiedenen Biokohlen, die zu 0,5 % zum gleichen Grundfutter gegeben wurden, um 100 %, 10 % bzw. 20 % reduziert wurde, was wiederum zeigt, wie wichtig es ist, die spezifischen Eigenschaften der Biokohle zu berücksichtigen. Die Bedeutung der Dosierung wurde in einem anderen kürzlich durchgeführten Geflügelversuch bestätigt, bei dem 0,25 % oder 0,5 % aktivierte Biokohle einem mit Aflatoxin B1 kontaminierten Futter zugesetzt wurde, wodurch die Aflatoxin-B1-Rückstände in der Leber der Vögel je nach Aflatoxin-B1- und Biokohle-Dosierung um 16-72 % verringert wurden (Bhatti et al., 2018).
In ihrem Übersichtsartikel dokumentieren Toth & Dou (2016) weitere widersprüchliche Studien, in denen die Verfütterung von Biokohle die Auswirkungen einer Mykotoxinintoxikation abmildern kann oder nicht. Die Ergebnisse der meisten Studien zur Sorption in wässriger Lösung (in vitro) korrelierten nicht mit den Ergebnissen entsprechender In-vivo-Testergebnisse (Huwig et al., 2001). In-vitro-Studien sind daher mit Vorsicht zu interpretieren, da Matrixeffekte die Mykotoxin-Sorption drastisch beeinflussen können. So fanden beispielsweise Jaynes, Zartman & Hudnall (2007) heraus, dass eine Aktivkohle (Norit®, Boston, MA, USA) bis zu 200 g/kg Aflatoxin sorbieren kann, allerdings nur in klarer Lösung. In einer Maismehlsuspension war die Sorptionskapazität aufgrund von Matrixeffekten 100-mal geringer. Es ist zu erwarten, dass die Matrixeffekte im Verdauungstrakt aufgrund der unterschiedlichen pH- und Redoxbedingungen noch komplexer sind. Dennoch kommen wir auf der Grundlage unserer Überprüfung zu dem Schluss, dass negative Auswirkungen bestimmter Mykotoxine wie Deoxynivalenol (Devreese et al., 2012, 2014; Usman et al, 2015) und Zearalenon (Avantaggiato, Havenaar & Visconti, 2004) können mit relativ niedrigen Dosierungen von aktivierter Biokohle, die dem Futter zugesetzt wird, wirksam unterdrückt werden, während für Aflatoxin kein Nutzen festgestellt wurde. Es kann die Hypothese aufgestellt werden, dass (aktivierte) Biokohle nur in der Lage ist, negative Auswirkungen von Mykotoxinen zu unterdrücken, die eher hydrophob sind (Avantaggiato, Havenaar & Visconti, 2004).
Den meisten dieser Studien ist jedoch gemeinsam, dass nur kommerzielle Aktivkohlen und Biokohlen ohne angemessene Charakterisierung verwendet wurden, d.h. systematische Versuche mit Biokohle unterschiedlicher Ausgangsstoffe (z.B. Holz vs. krautige Ausgangsstoffe) und Produktionsbedingungen (z.B. Temperatur) sind kaum verfügbar. Eine Systematisierung der Ergebnisse bleibt daher schwierig.
Adsorption von bakteriologischen Krankheitserregern und ihren Stoffwechselprodukten Die Verwendung von Aktivkohle und nicht aktivierter Kohle zur Verbesserung der Tiergesundheit wurde von deutschen Tierärzten bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts von deutschen Tierärzten empfohlen und untersucht. 1914 wurde die adsorbierende Wirkung von Holzkohle für verschiedene Toxine im Verdauungstrakt von Skutetzky & Starkenstein (1914) beschrieben. Erste Versuche mit bakteriellen Toxinen von Clostridium tetani und Clostridium botulinum sowie mit Diphtherietoxin wurden bereits 1919 durchgeführt (Jacoby, 1919). Insbesondere Wiechowski wies darauf hin, wie wichtig die Qualität der Holzkohle ist und wie unterschiedlich die Wirkung verschiedener Holzkohlen auf die Toxinadsorption sein kann (Wiechowski, 1914). Ernst Mangold beschrieb 1936 die Wirkung von Holzkohle in der Tierfütterung umfassend und kam zu dem Schluss: “Die prophylaktische und therapeutische Wirkung von Holzkohle bei infektiösen oder fütterungsbedingten Durchfällen ist eindeutig, und auf Grund dieser Beobachtung erscheint die Mitfütterung von Holzkohle an Jungtiere als eine geeignete Vorbeugung” (Mangold, 1936). Etwa zur gleichen Zeit veröffentlichte Albert Volkmann seine Erkenntnisse über die wirksame Verringerung der Oozystenausscheidung bei Kokzidiose und Kokzidieninfektionen durch die Fütterung von Holzkohle an Haustiere (Volkmann, 1935).
Gerlach et al. (2014) wiesen nach, dass die tägliche Gabe von 400 g einer Hochtemperatur-Biokohle auf Holzbasis (d.h. HTT 700 °C) die Konzentration von Antikörpern gegen den Botox-produzierenden Erreger Clostridium botulinum im Blut von Rindern signifikant reduzierte, was auf eine Unterdrückung des Erregers hindeutet. Sie schlossen daraus, dass die Neurotoxinkonzentration im Magen-Darm-Trakt der Tiere durch die Biokohle reduziert wurde. Die Fütterung von nur 200 g Biokohle pro Tag zeigte nicht die gleiche Wirksamkeit. Wurde diese geringere Dosis jedoch mit 500 ml laktobazillenreichem Sauerkrautsaft gemischt, konnte eine ähnlich signifikante Reduzierung der Clostridium botulinum-Antikörper im Blut gemessen werden.
Knutson et al. (2006) fütterten mit Escherichia coli und Salmonella typhimurium infizierte Schafe mit 77 g aktivierter Biokohle pro Tier und Tag. Obwohl Naka et al. (2001) zuvor in In-vitro-Versuchen gezeigt hatten, dass E. coli O157: H7 (EHEC) die Zellzahl von 5.33 × 106 durch fünf mg/ml aktivierte Biokohle auf unter 800 reduziert werden konnte, zeigte der In-vivo-Test von Knutson et al. mit der gleichen aktivierten Biokohle (DARCO-KB; Norit®) keine biokohlebedingte Bindung von E. coli oder S. typhimurium im Magen-Darm-Trakt von Schafen. Die Autoren stellten die Hypothese auf, dass entweder die Biokohle-Bindungsstellen durch konkurrierende Substanzen oder andere Verdauungsbakterien besetzt waren oder dass die Zeit zwischen der Infektion mit dem Erreger und der Verabreichung der Biokohle zu lang war.
Schirrmann (1984) wies darauf hin, dass Biokohle ein besonders starkes Adsorptions- oder Unterdrückungsvermögen für gramnegative Bakterien (z. B. E. coli) mit hoher Stoffwechselaktivität hat (siehe weiter unten im Abschnitt “Verabreichung von Biokohle-Futtermitteln und Qualitätskontrolle von Biokohle”: Nebenwirkungen von Biokohle). Die Anzahl der fäkalen E. coli im Kot nach der Verfütterung von 0,25 % aktivierter Biokohle oder 0,50 % Kokosnussbaum-Biokohle war signifikant niedriger als die der Kontrolle ohne Biokohle in einem 10-tägigen Versuch mit Mastschweinen, während die Anzahl der nützlichen Bakterien Lactobacillus im Kot bei beiden Biokohle-Behandlungen anstieg (Kim et al., 2017).
Flüssige Rindergülle enthält häufig E. coli O157: H7 (EHEC), das Wasser und Boden kontaminieren und in die menschliche Nahrungskette gelangen kann (Diez-Gonzalez et al., 1998). Biokohle kann sowohl E. coli und seine toxischen Stoffwechselprodukte bereits im Verdauungstrakt adsorbieren als auch die Ausbreitung dieser Bakterien in Wasser und Boden verringern, indem sie dem Dung zugesetzt wird. Gurtler et al. (2014) untersuchten die Wirkung verschiedener Biokohlen auf die Inaktivierung von E. coli O157: H7 (EHEC) bei der Ausbringung auf Böden. Alle Biokohlen, die entweder durch schnelle oder langsame Pyrolyse aus Rutenhirse, Pferdemist oder Hartholz hergestellt wurden, verringerten die EHEC-Konzentrationen signifikant, wobei die Schnellpyrolyse von Gerste und Eichenstämmen die besten Ergebnisse in der kontaminierten Bodenmischung lieferte, in der EHEC nach vier Wochen unter Verwendung einer kultivierungsbasierten Bewertung nicht mehr nachweisbar waren (Gurtler et al., 2014).
Abit et al. (2012) untersuchten, wie sich E. coli O157: H7 und Salmonella enterica in wassergesättigten Bodensäulen aus Feinsand oder sandigem Lehm ausbreiten, wenn die Bodensäulen mit 2 % verschiedener Biokohle vermischt wurden. Während die bei 350 °C hergestellte Hühnerkohle die Bindung beider Bakterien nicht verbesserte, verringerte die Zugabe von bei 700 °C hergestellter Biokohle aus Kiefernholz oder Hühnerkot die Ausbreitung beider Bakterien erheblich. In einer späteren Studie zeigten die Autoren signifikante Unterschiede in der Immobilisierung zwischen den beiden Bakterienstämmen und vermuteten, dass die Oberflächeneigenschaften der Bakterien eine wichtige Rolle bei der Bindung dieser Bakterien an die Biokohle spielen (Abit et al., 2014). Letzteres könnte sich als wichtiger Einblick in die Interaktion zwischen Biokohle und Bakterien erweisen und muss systematisch untersucht werden.
Da sich E. coli-Infektionen wahrscheinlich über Wassertröge in Rinderherden verbreiten, könnte der prophylaktische Zusatz von Biokohle zum Trogwasser eine Präventivmaßnahme sein, die weiter untersucht werden sollte.
In der Studie von Watarai & Tana (2005) verringerte die Mischung von Futter mit 1 % bzw. 1,5 % Bambus-Biokohle und Bambusessig den Gehalt an E. coli und Salmonellen in Hühnerexkrementen leicht, aber signifikant. Ein patentiertes Biokohle-Holzessig-Produkt, Nekka-Rich (Besnier, 2014), dessen Zusammensetzung nicht offengelegt wurde, zeigte eine hochsignifikante Reduzierung von Salmonella in Hühnerkot. Ferner wurde festgestellt, dass das Biokohle-Holzessig-Produkt die pathogenen gram-negativen Salmonella enterica-Bakterien im Kot reduzierte, nicht aber die Darmflora der ubiquitären, nicht-toxischen, gram-positiven Enterococcus faecium-Bakterien (Watarai & Tana, 2005).
Ein 0,3 %iger Bambus-Biokohle-Zusatz im Futter (auf DM-Basis) unterdrückte die fäkale Ausscheidung von gram-negativen coliformen Bakterien und gram-negativen Salmonellen bei Schweinen um das 20- bzw. 1.100-fache im Vergleich zu Kontrollen ohne Biokohle (Choi et al., 2009). Die Wirkung von Biokohle auf die Unterdrückung der beiden Bakterienarten lag in der gleichen Größenordnung wie die von Antibiotika. Die Verfütterung von Biokohle führte zu einem 190-fachen Anstieg der Zahl der nützlichen Darmbakterien und zu einem 48-fachen Anstieg der gram-positiven Lactobacillen im Vergleich zur Behandlung mit Antibiotika (Choi et al., 2009).
In-vitro-Studien ergaben, dass Biokohle ebenso wie Ton Rinderrotaviren und Coronaviren mit Raten von 79-99,99 % effizient immobilisieren kann (Clark et al., 1998). Da der Durchmesser der Viruspartikel größer war als die Porendurchmesser des Tons und der meisten Poren der Biokohle, vermuteten die Autoren, dass die Bindung hauptsächlich auf die Bindung der viralen Oberflächenproteine an die Biokohle zurückzuführen ist.
In vitro- und in vivo-Versuche mit Rinderkälbern zeigten, dass Biokohle, insbesondere in Kombination mit Holzessig, in der Lage war, die Infektion mit parasitären Protozoen Cryptosporidium parvum zu kontrollieren und die Diarrhöe der Kälber innerhalb eines Tages zu stoppen. Die Anzahl der Oozysten im Kot ging nach einem einzigen Tag der Verfütterung von Biokohle deutlich zurück; nach 5 Tagen konnten keine Oozysten mehr im Kot der Kälber gefunden werden (Watarai, Tana & Koiwa, 2008). Ähnliche Ergebnisse wurden berichtet, als ein kommerzielles Biokohle-Holzessigsäure-Produkt (Obionekk®, Obione, Charentay, Frankreich) als Futterzusatz bei jungen Ziegen getestet wurde (Paraud et al., 2011). Die zwei- oder dreimal täglich verabreichte Mischung reduzierte die klinischen Anzeichen von Durchfall bereits am ersten Tag, und die Oozystenausscheidung im Kot ging deutlich zurück. Während des Studienzeitraums betrug die Sterblichkeit der jungen Ziegen 20 % in der Kontrollgruppe und nur 6,7 % in der Behandlungsgruppe, die dreimal täglich Obionekk® erhielt. Die Verfütterung von Biokohle an Ziegen kann auch das Auftreten von Parasiten wie Bandwürmern und Kokzidien-Oozysten verringern (Van, Mui & Ledin, 2006).
