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Fate of Psychotropic Drugs in the Aquatic Environment

  • The principle of this thesis was to study the environmental fate of three highly used psychotropic drugs and this achieved through: 1) examining the biodegradability of TMI, DMI and CPTX, 2) studying the behaviour of TMP, DMI and CPTX in photodegradation tests using Xe and UV lamps with studying the effect of different environmental conditions on their UV-photodegradation behaviour, 3) monitoring the primary elimination of TMP, DMI and CPTX during photodegradation and biodegradation tests using HPLC, and measuring their degree of mineralization by means of dissolved organic carbon analyser (DOC), 4) elucidating the structures of the transformation products (TPs) which formed during the degradation of TMI, DMI and CPTX by using LC-MS/MS analysis, 5) analysing the biodegradability of their TPs by laboratory tests and in-silico assessments in order to determine the fate and persistence of these TPs in the aquatic environment, 6) conducting in-silico toxicity predictions for the selected psychotropic drugs and their TPs in human (carcinogenicity, genotoxicity and mutagenicity) and in eco-system (toxicity to microorganisms and toxicity in rainbow trouts). As an overall conclusion, the present work demonstrates that a combination of laboratory simulation tests, LC-MS/MS analysis and in-silico tools result in valuable new information regarding environmental fate of three important psychotropic drugs and their TPs. This dissertation also highlights that different environmental conditions such as temperature, initial drug concentration and pH can differently affect the degradation behaviour of pharmaceuticals even when they are highly structurally related. Therefore, one cannot conclude from one pharmaceutical to another but each one needs to be investigated individually and this present a great challenge for risk assessment kinetics of chemicals in the aquatic environment. The results presented here showed that the investigated pharmaceuticals and their TPs can negatively affect the environment which may be harmful to the ecosystem as they might have been present for decades in the aquatic environment without any knowledge of their environmental fate or connected risk. Therefore, further work needs to be done including analysis of environmental samples (e.g., surface waters), as well as laboratory toxicity tests to further expand knowledge on their exact environmental impact.
  • Das Prinzip dieser Arbeit war, das Umweltschicksal von drei stark genutzten Psychopharmaka zu untersuchen. Dies wurde erreicht durch: 1) die Untersuchung der biologischen Abbaubarkeit von TMP, DMI und CPTX, 2) Untersuchung des Verhaltens von TMP, DMI und CPTX in Photodegradationstests unter Verwendung von Xe- und UV-Lampen mit Untersuchung des Einflusses verschiedener Umgebungsbedingungen auf ihr UV-Photodegradationsverhalten, 3) Überwachung der primären Eliminierung von TMP, DMI und CPTX während der Photodegradations- und Bioabbau-Tests mit HPLC und Messung ihres Mineralisierungsgrades mit Hilfe eines Analysators für gelösten organischen Kohlenstoff (DOC), 4) Aufklärung der Strukturen der TPs, die während des Abbaus von TMP, DMI und CPTX gebildet werden, mittels LC-MS/MS-Analyse, 5) die biologische Abbaubarkeit ihrer TPs durch Labortests und In-silico-Bewertungen zu analysieren, um den Verbleib und die Persistenz dieser TPs in der aquatischen Umwelt zu bestimmen, 6) Durchführung von in-silico-Toxizitätsvorhersagen für die ausgewählten Psychopharmaka und ihre TPs beim Menschen (Karzinogenität, Genotoxizität und Mutagenität) und im Ökosystem (Toxizität gegenüber Mikroorganismen und Toxizität in Regenbogenforellen). Als Gesamtfazit zeigt die vorliegende Arbeit, dass eine Kombination aus Laborsimulationstests, LC-MS/MS-Analyse und In-silico-Tools zu wertvollen neuen Informationen über den Verbleib dreier wichtiger Psychopharmaka und ihrer TPs in der Umwelt führt. Diese Dissertation macht auch deutlich, dass unterschiedliche Umgebungsbedingungen wie Temperatur, anfängliche Wirkstoffkonzentration und pH-Wert das Abbauverhalten von Pharmazeutika unterschiedlich beeinflussen können, selbst wenn sie strukturell stark verwandt sind. Daher kann man nicht von einem Arzneimittel auf ein anderes schließen, sondern jedes muss einzeln untersucht werden, was eine große Herausforderung für die Risikobewertung der Kinetik von Chemikalien in der aquatischen Umwelt darstellt. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigten, dass die untersuchten Pharmazeutika und ihre TPs die Umwelt negativ beeinflussen können, was für das Ökosystem schädlich sein kann, da sie möglicherweise seit Jahrzehnten in der aquatischen Umwelt vorhanden sind, ohne dass ihr Umweltschicksal oder das damit verbundene Risiko bekannt sind. Daher müssen weitere Arbeiten durchgeführt werden, einschließlich der Analyse von Umweltproben (z. B. Oberflächengewässer) sowie Toxizitätstests im Labor, um das Wissen über ihre genauen Umweltauswirkungen zu erweitern.

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Metadaten
Author:Nareman Dahshan Henedaq Khaleel (Dr. rer. nat.)GND
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus4-11395
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1139
Subtitle (English):Assessment of Dead-end Photo-degradation Products Generated Under Varying Conditions by Combination of Experimental and "In-Silico" Methods
Title Additional (German):Abbauverhalten von Psychopharmaka in der aquatischen Umwelt: Bewertung der unter verschiedenen Bedingungen entstehenden Photoabbauprodukte durch Kombination von experimentellen und "in-Silicio"-Methoden
Advisor:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.)
Referee:Klaus Kümmerer (Prof. Dr.)ORCiDGND, Ralf Ebinghaus (Prof. Dr.)ORCiDGND, Carolin Floeter (Prof. Dr.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of Publication (online):2021/05/07
Date of first Publication:2021/06/02
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2021/03/23
Release Date:2021/06/02
Note:
Das Rahmenpapier der kummulativen Dissertation enthält drei Beiträge.
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit
Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Nachhaltige Chemie und Umweltchemie (INUC)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 543 Analytische Chemie
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht