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After being administrated to humans or animals, pharmaceuticals may be metabolized by a variety of mechanisms and pathways within the body. Once these compounds and/or their metabolites are excreted, they may undergo degradation in the aquatic environment. Unfortunately, a rapid and complete mineralization cannot always be guaranteed, whereas relatively stable transformation products (TPs) may be formed. The largest part of older studies focused on investigation of the elimination kinetics of parent compounds without considering the amount and chemical structure of individual TPs. Only recently, there is an increasing trend to deliver such information. Nevertheless, since drugs are defined as significant environmental pollutants, it is not only important to elucidate their TPs, but also necessary to investigate whether these formed compounds preserve the same mode of action as the parent compound or are even more toxic. Thus, two main objectives of this thesis can be formulated. Firstly, to highlight the concern originated by metabolites and transformation products of pharmaceuticals that contaminate the environment. Hereby, the already-published knowledge on TPs within a certain selection of drugs is assessed to exemplify the number and quality of the existing information on their TPs. Secondly, to particularly investigate the fate of the antibiotic ciprofloxacin (CIP). This is done by (a) evaluating the suitability and sustainability of the photolytic decomposition as an advanced water treatment technique, (b) monitoring the course of genotoxicity of the irradiated mixtures using a battery of genotoxicity and cytoxicity in vitro assays, and (c) considering the potential genotoxicity for CIP´s individual TPs by the employment of in silico approaches using quantitative structure activity relationships (QSAR) models. This thesis based on the results and conclusions of five articles, which can be found in the appendix. A systematic literature review was conducted on the current state of knowledge on pharmaceuticals and its derivatives in the environment. Two groups, namely antibiotics and anticancer drugs, were considered more closely with respect to the availability of chemical structures for their TPs. Furthermore, the photodegradation of CIP as well as a preliminary toxicity assessment of its identified TPs were investigated in three research papers. An extensive review with a table at its core shows the existing data on 158 TPs, which already have an assigned registry number in chemical abstracts service (CAS-RN), was presented. In total, 294 TPs, identified with chemical structures in the literature, were found for 15 compounds out of the 21 that were selected as target compounds. Eleven TPs, created from CIP, were identified by high-performance liquid chromatography/high-resolution multiple-stage mass spectrometry. It was detected that the transformation of CIP mainly occurred through substitution of fluorine, defluorination, hydroxylation of the quinolone core and the breakdown of the piperazine ring. Some of the identified TPs of CIP were predicted as genotoxic by QSAR analysis, while the experimental testing for a few genotoxic and cytotoxic endpoints showed that the potential of the resultant mixtures could be primarily dependent on the concentration of residual CIP. In contrast, irradiation mixtures were neither mutagenic in the Ames Test nor genotoxic in the in vitro Micronucleus Test. It is possible that the effect of the TPs was masked by antagonistic mixture interactions and/or they were not formed at effectively concentrations. Nevertheless, all of the identified TPs of CIP still retained the core quinolone moiety, which is responsible for the biological activity. Thus, a more comprehensive assessment, encompassing more genotoxic endpoints, chemical analysis characterization and exposure analyses, needs to be conducted. Information available on TPs demonstrates that already slight changes in treatment conditions and processes result in the formation of different TPs. Nevertheless, most of the transformation products could neither be identified nor fully assessed regarding their toxicity. This, in turn, presents a major challenge for the identification and assessment of TPs. Hence, from a practical and sustainability point of view, limiting the input of pharmaceuticals into effluents as well as improving their (bio)degradability and elimination behavior, instead of only relying on advanced effluent treatments, is urgently needed. Solutions that focus on this
Among all attenuation processes, biodegradation plays one of the most important role and is one of the most desirable processes in the environment. To assess biodegradation, a variety of biodegradation test procedures have been developed by several international organizations. OECD guidelines for ready biodegradability testing represent one of the most prominent group of internationally used screening biodegradation tests (series 301A-F). These tests are usually very simple in their designs and allow for the fast and cheap screening of biodegradability. However, because of their stringency, the test conditions are not close to simulating environmental conditions and may lead to unrealistic results. To overcome these limitations, OECD introduced simulation tests which are designed to investigate the behavior of chemicals in specified environmentally relevant compartments. Despite the fact that simulation tests give more insight into the fate of chemicals in the environment, they are not applied frequently as they are often tedious, time consuming and expensive. Consequently, there is a need to provide a new biodegradation testing method that would combine complex testing environment as in simulation tests, easiness in handling and good data repeatability as in screening biodegradation tests. Another challenge is an adaption of the existing biodegradation testing methods to new types of samples, i.e. mixtures of transformation products (TPs). The research on the presence of pharmaceuticals in the environment gained momentum in the 1990s; since then, it has been growing. Their presence in the environment is a wellestablished fact. A wide range of pharmaceuticals is continuously detected in many environmental compartments such as surface waters, soils, sediments, or ground waters. After pharmaceuticals reach the natural aquatic environment they may undergo a number of processes such as: photolysis (under direct sunlight), hydrolysis, oxidation and reduction reactions, sorption, biodegradation (by bacteria of fungi), and bioaccumulation. These processes, may cause their elimination from aquatic environment, if reaction is complete, or creation of new compounds i.e., transformation products (TPs). What is more, processes, like chlorination and advanced oxidation processes (AOPs), such as H2O2/UV, O3/UV, TiO2/UV, Fenton, and photo-Fenton, or UV treatment which might be applied in water or wastewater treatment, may also lead to the TPs introduction into aquatic environment. The research on the TPs brings many new challenges. From one side, there is a constant need for the the development of a sensitive and reliable analytical separation, detection, and structure elucidation methods. Additionally, there is a need for the preparation of appropriate assays for the investigation of properties of new compounds, especially those answering the question if TPs pose a higher risk to the aquatic ecosystems than their parent compounds. Among numerous groups of pharmaceuticals, two are of great importance: antibiotics since they might promote emergence and maintenance of antimicrobial resistance in the aquatic environment; and cytostatic drugs. Cytostatic drugs can exert carcinogenic, mutagenic and/or teratogenic effects in animals and humans. The challenges of biodegradation testing presented in this thesis, encompasses these different areas of interest and was divided into three objectives: 1) Identification of the knowledge gaps and data distribution of the two groups of pharmaceuticals antibiotics and cytostatic drugs (article I); 2) Increasing the knowledge on biodegradation of cytostatic drugs and their TPs (articles II, III, and IV) and 3) Establishment of a biodegradation test with closer to simulation tests conditions, that could be affordable and to support better understanding on processes in water sediment interface construction - screening water-sediment test. Further validation of the test with an insight into sorption and desorption processes (articles V and VI).
Verbräuche von Arzneistoffen, die auf das menschliche Nervensystem wirken (Neurologika), unterliegen aufgrund der auf dem Markt befindlichen Arzneistoffvielfalt einem ständigen Wandel. Zudem waren die Haupteintragspfade für Neurologika in die aquatische Umwelt bisher nicht eindeutig geklärt. Haushalte (diffuser Eintrag) und Einrichtungen des Gesundheitswesens (punktueller Eintrag), wie psychiatrische Fachkliniken oder Pflegeheime, wurden als maßgebliche Eintragspfade diskutiert. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, Arzneimittelverbräuche und damit verbundene Arzneistoffemissionen durch Haushalte und Einrichtungen des Gesundheitswesens mit Hilfe einer neu entwickelten Methode abzuschätzen. Bei dieser Methode wurde das jeweilige Ausmaß der Emissionen durch die Kalkulation von Abwasserkonzentrationen und den Vergleich von Verbrauchsmengen an Arzneistoffen bestimmt. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass sich Arzneimittelverbrauchsmuster in psychiatrischen Fachkliniken und Pflegeheimen von denen in allgemeinen Krankenhäusern und Haushalten unterscheiden. Außerdem konnte mit dieser Methode deren jeweiliger Beitrag am gesamten Arzneistoffeintrag in das kommunale Abwasser eingeschätzt und in hohen Mengen in das Abwasser eingetragene Arzneistoffe identifiziert werden. Durch Haushalte wurde das hinsichtlich des Umweltverbleibs und -verhaltens wenig untersuchte Antiepileptikum Gabapentin in hohen Mengen in das Abwasser eingetragen. Die Bedeutung von Einrichtungen des Gesundheitswesens am Arzneimitteleintrag in das kommunale Abwasser konnte für alle untersuchten Einrichtungstypen im Vergleich zu Haushalten als gering eingestuft werden. Bestimmte einrichtungstypische Arzneistoffe, insbesondere Neurologika, können bei regionaler Betrachtung jedoch eine größere Rolle spielen. Insbesondere Quetiapin wurde in psychiatrischen Fachkliniken und Pflegeheimen als Substanz mit hohen Verbrauchsmengen und hohem Emissionspotential identifiziert. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurden Gabapentin und Quetiapin tiefergehend hinsichtlich ihres Verbleibs und ihres Verhaltens in der aquatischen Umwelt charakterisiert. Beide Arzneistoffe wurden bei verschiedenen Startkonzentrationen zur Simulation eines technischen Behandlungsverfahrens mit UV-Licht bestrahlt. Im weiteren Verlauf wurden Gabapentin und Quetiapin und die jeweilige Muttersubstanz im Gemisch mit gebildeten Phototransformationsprodukten hinsichtlich biologischer Abbaubarkeit im Closed Bottle Test und im Manometrischen Respirationstest nach OECD-Richtlinien und hinsichtlich toxischer Eigenschaften im Leuchtbakterientest und im Umu-Test beurteilt. Die Strukturaufklärung von Photo- und Biotransformationsprodukten erfolgte mittels hochauflösender Massenspektrometrie. Im Ergebnis konnten weder Gabapentin noch Quetiapin bei hohen Startkonzentrationen durch Photolyse über 128 min mineralisiert oder vollständig eliminiert werden. Identische Phototransformationsprodukte wurden bei unterschiedlichen Startkonzentrationen für die UVBehandlung gebildet. Die Arzneistoffe Gabapentin und Quetiapin waren nach OECD-Richtlinien im Closed Bottle Test nicht leicht biologisch abbaubar. Die photolytischen Gemische von Gabapentin sind nicht besser als Gabapentin selbst abbaubar und die Phototransformationsprodukte wurden im Closed Bottle Test ebenfalls nicht eliminiert. Auch das photolytische Gemisch von Quetiapin im Closed Bottle Test war nicht besser biologisch abbaubar als Quetiapin selbst. Die Phototransformationsprodukte von Quetiapin und Quetiapin selbst unterlagen beim Closed Bottle Test und im Manometrischen Respirationstest verschiedenen biologischen Transformationsprozessen und führten zur Bildung von verschiedenen Biotransformationprodukten. Das in biologischen Abbautests von Quetiapin maßgeblich gebildete Biotransformationprodukt BTP 398 konnte in diversen Flusswasserproben nachgewiesen werden. Dies lässt sich höchstwahrscheinlich damit erklären, dass BTP 398 unter anderem auch beim humanen Metabolismus gebildet wird. Die Langzeit-Leuchthemmung und die Zellvermehrungshemmung im Leuchtbakterientest stiegen im Verlauf der Photolyse von Gabapentin durch Bildung von Phototransformationsprodukten. Dies deutet auf eine erhöhte Toxizität der Phototransformationsprodukte im Vergleich zu Gabapentin hin. Bei Quetiapin war unter Photolyse keine Abnahme der schon vorhandenen Toxizität beim Leuchtbakterientest zu erkennen. Gabapentin, Quetiapin und deren Phototransformationsprodukte wiesen im Umu-Test keine Genotoxizität auf. …
Das ubiquitäre Vorkommen von Arzneimittelrückständen ist eng mit möglichen Risiken für Mensch und Umwelt verbunden. Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Weiterentwicklung methodischer Ansätze für die Identifizierung prioritärer Arzneimittelrückstände vor dem Hintergrund bestehender Wissens- und Regulierungslücken. Unter diesem Gesichtspunkt wurden drei aktuelle Problemfelder aus dem Themenkomplex "Arzneimittel in der Umwelt " ausgewählt und anhand konkreter Fallbeispiele betrachtet. Tierarzneimittel werden häufig mit der Ausbringung von Wirtschaftsdünger in landwirtschaftlich genutzte Böden eingetragen. Gegenstand der ersten Publikation ist die Frage, inwiefern Anwendungsschemata aus der Nutztierhaltung für die retrospektive Identifizierung prioritärer Tierarzneimittelrückstände genutzt werden können. Hierzu wurde eine spezielle Herangehensweise entwickelt und am Beispiel von Antibiotika erprobt. Die durchgeführte Eintragsabschätzung ermöglichte erstmalig eine umfassende Einschätzung der potenziellen Antibiotikabelastung in Wirtschaftsdünger und landwirtschaftlich genutzten Böden im nordwestdeutschen Raum. Die Ergebnisse deuten auf erhebliche Umwelteinträge hin, die eine Neubewertung bestehender Wirkstoffzulassungen notwendig erscheinen lassen. In der zweiten Publikation wurden am Beispiel einer Mischung aus 18 Arzneistoffen verschiedene Bewertungsansätze verfolgt, um das Risiko einer kombinierten antimikrobiellen Wirkung genauer zu charakterisieren und prioritäre Mischungsbestandteile zu identifizieren. Das Risiko einer antimikrobiellen Wirkung wurde sowohl durch eine experimentelle Prüfung der Mischung als auch durch einen komponentenbasierten Berechnungsansatz bestätigt. Der komponentenbasierte Ansatz verdeutlichte zudem die besondere Relevanz der in der Mischung enthaltenen Fluorchinolon-Antibiotika. Die notwendige Grundlage für eine belastbare Abschätzung von Kombinationseffekten sind jedoch harmonisierte Einzelstoffdaten, die bisher nicht im benötigten Umfang zur Verfügung stehen. Deshalb sollte speziell für Antibiotika eine systematische Prüfung der Wirkung auf Umweltmikroorganismen durchgeführt werden. Arzneistoffe können entlang ihres Lebenszyklus verschiedene biotische und abiotische Transformationsprozesse durchlaufen, die oft zur Bildung von unvollständig charakterisierten Transformationsprodukten (TPs) führen. Die Publikationen 3-7 leisten einen allgemeinen Beitrag zur Einschätzung des möglichen Gefahrenpotenzials von pharmazeutischen TPs im Wasserkreislauf und generieren neue methodische Erkenntnisse vor dem Hintergrund einer vorausschauenden Identifizierung von prioritären Abbauprodukten. Die durchgeführten Fallstudien bestätigten, dass photochemische Transformationsprozesse nicht nur zur Abschwächung bereits vorhandener, sondern im Gegenteil auch zur Entstehung gänzlich neuer Gefahrenpotenziale beitragen können. Es ist somit stark in Frage zu stellen, ob die alleinige Fokussierung auf bekannte Aktivitäten der Muttersubstanz für eine sichere Bewertung von TPs ausreicht.