Filtern
Schlagworte
- Arzneimittel (2)
- Sediment (2)
- Antibiotikum (1)
- Biochemie (1)
- Biodegradability (1)
- Biologische Abbaubarkeit (1)
- Biomasse (1)
- Biomassenproduktion (1)
- Biomasseverbrennung (1)
- Holocene (1)
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.
Antibiotika sind aus der Human- und Veterinärmedizin nicht mehr wegzudenken. Ihr hoher Verbrauch führt jedoch zu stetig steigenden Konzentrationen der Wirkstoffe und ihrer Transformationsprodukte in der Umwelt. Antibiotika in der Umwelt haben das Potential Funktionen von Ökosystemen zu stören und tragen zur Entwicklung und Selektion von resistenten Bakterien bei. Um diese negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt zu reduzieren, sind vielseitige Lösungen notwendig. Benign by Design (BbD) ist ein wichtiger Baustein dafür. Daher ist es wichtig zu verstehen, inwiefern das BbD Prinzip auf verschiedene Substanzgruppen anwendbar ist und welche Limitierungen zu berücksichtigen sind.
Mit dieser Arbeit soll ein Beitrag zur Entwicklung von in der Umwelt mineralisierbaren Antibiotika entsprechend des Benign by Design Konzeptes geliefert werden. Dies wurde am Beispiel der Fluorchinolonantibiotika durchgeführt, da diese sehr wichtige, aber auch sehr persistente Wirkstoffe sind. Ziel war es, zu verstehen, welche Veränderungen an der Grundstruktur vorgenommen werden können, um Derivate zu erzeugen, die während der Wirkdauer und Lagerung ausreichend stabil bleiben, aber anschließend in der Umwelt möglichst schnell und vollständig mineralisiert werden können.
Im ersten Teil der Arbeit wurden die BbD Ansätze des targeted und non-targeted Re-Designs und de novo Designs, sowie die Verwendung von in silico Tools zu deren Umsetzung, untersucht. Basierend darauf wurde ein Workflow entwickelt, der eine mögliche Verwendung von computergestützten Methoden innerhalb des BbD Frameworks aufzeigt. In der resultierenden Veröffentlichung wurde dieser Workflow vorgestellt und dessen Chancen und Limitierungen für die Umsetzung des BbD beleuchtet. Die herausgearbeiteten BbD Ansätze bildeten die Grundlage für das folgende targeted und non-targeted Design von Fluorchinolonen.
Der Ansatz des non-targeted Re-Designs wurde für neun verschiedene Substanzen aus der Klasse der Fluorchinolone angewandt. Dafür wurden Transformationsprodukte der Muttersubstanzen mittels Photolyse und Photokatalyse erzeugt. Das resultierende Substanzgemisch wurde hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit und Toxizität untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass durch die Bestrahlung mit UV-Licht eine Vielzahl an neuen Strukturen entstehen und das Gemisch oft eine gesteigerte biologische Abbaubarkeit im Vergleich zur Muttersubstanz aufweist. Die Zuordnung der gemessenen Abbaueffekte zu einzelnen enthaltenen Strukturen gestaltete sich aufgrund fehlender Referenzsubstanzen und anwendbarer in silico Modelle schwierig. Es konnten daher abschließend keine eindeutig abbaubaren Derivate mit diesem Ansatz identifiziert werden. Trotzdem zeigte sich in den Untersuchungen, dass eine Hydroxylierung der Ausgangssubstanzen sehr wahrscheinlich zu einer verbesserten Abbaubarkeit dieser führt.
Das targeted Re-Design wurde am Beispiel von Fluorchinolon-Glucosamin-Derivaten untersucht. Dabei galt es zu verstehen, inwiefern Glucosamin-Substituenten die biologische Abbaubarkeit beeinflusst. Keine der untersuchten Strukturen konnte in den verwendeten OECD Tests als leicht biologisch abbaubar klassifiziert werden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass durch die Verwendung von acetylierten Glucosamin-Substituenten ein partieller Abbau stattfindet. Diese Erkenntnisse können zukünftig in das gezielte, fragment-basierte Design von grüneren Strukturen einfließen.
Im letzten Teil der Arbeit wurden die Struktur-Bioabbau-Beziehungen von N-hetero-zyklischen Verbindungen, welche auch die Basis des Fluorchinolon-Grundgerüstes sind, untersucht und leicht biologisch abbaubare Leitstrukturen identifiziert. Dafür wurden 84 verschiedene N-Heterozyklen nach OECD 301 Richtlinien getestet. Basierend darauf wurde zum einen ein lokales 3D-QSAR Modell, insbesondere zur Visualisierung der Effekte der Substituenten im dreidimensionalen Raum, erstellt, als auch Regeln für das Design von umweltfreundlicheren Chinolonen und verwandten Strukturen abgeleitet. Weiterhin wurden abbaubare Strukturen aus der Gruppe der Chinazoline identifiziert, welche vielversprechende Leitstrukturen für das Design von Topoisomerase-Inhibitoren oder anderer Chemikalien darstellen.
Die Diskussion der verschiedenen Ansätze, die Entwicklung eines in silico Workflows, sowie die Machbarkeitsstudien am Beispiel von Fluorchinolonen haben demonstriert, dass die Umsetzung von BbD im Wirkstoffdesign möglich ist und wie potentielle Vorgehensweisen aussehen können. Dabei konnte gezeigt werden, dass selbst die als besonders persistent geltenden Fluorchinolonantibiotika das Potential bieten, zu besser abbaubaren Derivaten re-designt zu werden. Es wurde jedoch auch deutlich, dass es keine allgemeingültige Herangehensweise gibt und Methoden den entsprechenden Substanzklassen und Anforderungen angepasst werden müssen. Daher ist es wichtig die vorgestellten BbD Ansätze zukünftig weiter hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf weitere Substanzklassen zu untersuchen. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls wichtig, experimentelle Bioabbaudaten von weiteren Strukturen zu generieren, um vorhandene Bioabbau-Modelle hinsichtlich ihrer Anwendungsdomäne zu verbessern und für das Design von grünen Wirkstoffen zu nutzen.
Mikroalgen können bei den internationalen Bemühungen zur Begrenzung der CO2-Emissionen einen wichtigen Beitrag leisten. In der Photosynthese der Mikroalgen wird, wie auch bei Landpflanzen, das CO2 aus der Atmosphäre in Biomasse fixiert. Im Gegensatz zu Landpflanzen können Mikroalgen zudem exponentiell wachsen, haben geringere Anforderungen an die Wasserqualität und konkurrieren nicht mit Agrarflächen, die begrenzt und für die Nahrungsmittelsicherheit der Weltbevölkerung erforderlich sind. Die produzierte Mikroalgenbiomasse kann als regenerative Ressource zu Biokraftstoffen wie Biogas und Biodiesel umgewandelt und somit als Energieträger genutzt werden. Zudem können Mikroalgen auch bei der biotechnologischen Produktion kommerziell relevanter Wertstoffe wie Pigmenten und Omega-3-Fettsäuren für die Nahrungsmittelindustrie Anwendung finden. Mit dem Ziel der Steigerung dieser Wertstoffe stand die Untersuchung des Einflusses der Kultivierungsparameter Licht und Temperatur auf das Wachstum und die Zusammensetzung der Mikroalgenbiomasse im Mittelpunkt dieser Dissertation. Insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Lichtspektren auf das Wachstum und die Wertstoffproduktion in Mikroalgen wird in der Literatur kontrovers diskutiert und wurde daher detailliert untersucht. Zusätzlich wurde überprüft, ob sich die gewonnenen Erkenntnisse auch auf Landpflanzen übertragen lassen.
Im Rahmen dieser Promotion wurde erstmals systematisch der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen und Lichtspektren im zeitlichen Verlauf der Kultivierung auf Mikroalgen untersucht. Hierbei konnten distinkte Spektralbereiche sowie Temperaturen ermittelt werden, die für eine maximale Produktion von Biomasse und Pigmenten sowie einem maximalen Desaturierungsgrad der Fettsäuren erforderlich sind. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Biochemie von photosynthetischen Organismen bei. Dieses Wissen ist bereits in die Entwicklung eines Hybridsystems zur komplementären Nutzung des Sonnenlichts für die Photovoltaik und Biomassenproduktion eingeflossen und könnte künftig bei der gezielten Produktion von Wertstoffen mittels Mikroalgen weitere Anwendungen finden.
In den Untersuchungen wurden Mikroalgen sowie zusätzlich Rapspflanzen (Brassica napus L.) unter verschiedenen Bedingungen kultiviert und die Biomassenkonzentration sowie die Fettsäure- und Pigmentkomposition zu festgelegten Zeitpunkten untersucht. Mit einer modifizierten Folch-Extraktion wurden die Fettsäuren extrahiert, umgeestert und mittels Gaschromatografie mit Elektronenstoßionisation Massenspektrometrie (GC-EI/MS) analysiert. Die Analyse der Photosynthesepigmente erfolgte durch Hochleistungsflüssigkeitschromatografie gekoppelt mit einem UV/VIS Spektrometer (HPLC-UV/VIS).
Zunächst wurde die grüne Mikroalge Acutodesmus obliquus (Turpin) bei unterschiedlichen Temperaturen mit blauem, grünem und rotem Licht unterschiedlicher Photonenflussdichte kultiviert. Die Bestrahlung mit blauem Licht führte unter allen Bedingungen zur geringsten Biomassenproduktion.
Demgegenüber bewirkte die Behandlung mit rotem Licht bei allen Experimenten eine höhere Biomassenproduktion. Die Biomassenproduktion unter grünem Licht war dagegen sehr variabel und abhängig von den Rahmenbedingungen. Entgegen der klassischen Lehrmeinung ließ sich mit diesem Spektralbereich insbesondere bei hohen Photonenflussdichten und hohen Biomassenkonzentrationen ein höheres Wachstum als mit rotem Licht erzielen. In nachfolgenden Untersuchungen wurde zudem festgestellt, dass die Biomassenkonzentration im Vergleich zur Behandlung mit rotem Licht signifikant erhöht ist, wenn das Lichtspektrum neben langwelligeren Anteilen zusätzlich noch kurzwelligere Spektralanteile unter 550 nm enthält. Diese Ergebnisse wurden mehrfach an A. obliquus und bei der nah verwandten Grünalge Monoraphidium braunii (Nägeli) reproduziert.
Bei der Fettsäureanalyse war ein starker Einfluss der Parameter Temperatur und Lichtspektrum auf die Fettsäurekomposition in A. obliquus feststellbar. So bewirkte eine niedrige Kultivierungstemperatur einen erhöhten prozentualen Anteil der mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAs) 16:4, 18:3 und 18:4. Eine starke Erhöhung der prozentualen Anteile dieser PUFAs wurde ebenfalls bei Kultivierung mit grünem und blauem Licht gegenüber rotem Licht festgestellt. Umgekehrt waren die relativen Proportionen der ungesättigten Fettsäuren mit niedrigerem Desaturierungsgrad (16:1, 16:2, 16:3, 18:1 und 18:2) unter rotem Licht gegenüber grünem und blauem Licht erhöht. Weil der Spektralbereich zwischen 450 und 550 nm (blaugrünes Licht) im grünen und blauen Licht, nicht jedoch im roten Licht enthalten ist, wurde geschlossen, dass dieser Spektralanteil für den Einbau von Doppelbindungen in die Kohlenwasserstoffkette der Fettsäuren in A. obliquus relevant ist. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde diese Beobachtung bei A. obliquus reproduziert und durch die Kultivierung mit spezifischen Lichtspektren auf einen Spektralbereich von 470–520 nm eingegrenzt. Zudem wurde auch eine maximale Konzentration aller in A. obliquus identifizierten Pigmente bei Kultivierung mit blaugrünem Licht gemessen. Da sowohl die PUFAs 16:4 und 18:3 als auch die Pigmente vorwiegend in der Thylakoidmembran vorkommen, wurde die Hypothese entwickelt, dass blaugrünes Licht eine physiologische Reaktion bewirkt, die zu einer erhöhten Bildung von Thylakoidmembranen führt.
Im letzten Teil der Arbeit wurde überprüft, ob die an A. obliquus gewonnenen Erkenntnisse auf die phylogenetisch nah verwandte Grünalgenart M. braunii und auf die Landpflanze B. napus übertragen werden können. Bei M. braunii wurde, ähnlich wie bei A. obliquus, ein maximaler Desaturierungsgrad der Fettsäuren und eine maximale Konzentration der Photosynthesepigmente bei Behandlung mit blaugrünem Licht gemessen. Zudem konnten Hinweise dafür gefunden werden, dass blaugrünes Licht ebenfalls relevant für die Desaturierung der Fettsäuren in den Folgeblättern von B. napus ist.
Perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFASs) have been widely used since 1950 in various consumer products as well as in industrial applications owing to their unique properties, e.g. being hydrophobic and lipophobic at the same time. Nowadays, some of these persistent and man-made PFASs can ubiquitously be found in humans, wildlife and various environmental media. One prominent representative of concern, belonging to the subgroup of perfluorocarboxylates (PFCs) and their conjugate acids (PFCAs), is perfluorooctanoat (PFO) and its conjugate acid (PFOA). Because of its adverse effects on human health and its persistency in the environment industry has started to replace PFO(A) and related long chain chemicals (with seven and more fully fluorinated carbon atoms) with so-called short chain PFASs (less than seven fully fluorinated carbon atoms), including precursors of PFC(A)s. Also these short chain PFC(A)s are persistent and can already be found in humans, ground- and drinking water and in remote regions. However, knowledge gaps exist in understanding the partitioning and the resulting mobility of short chain PFC(A)s in the environment. This is due to the fact that partitioning data of PFC(A)s from standardised experiments can easily be biased by various artefacts, e.g. self-aggregation of the molecules. Therefore, the objectives of this thesis are (i) to quantify the partitioning of PFC(A)s into mobile environmental media, (ii) to show how results from non-standard tests can be used to assess substance properties of concern and (iii) to conclude on whether the environmental exposure to short chain PFC(A)s is of concern from a regulatory point of view. In the first part of this thesis, the environmental mobility of short chain C4-7-PFC(A)s was investigated by quantifying their partitioning under non-standardised semi-environmental conditions into mobile environmental media, focusing on water and air, and comparing it to long chain PFC(A)s. Results are: Partitioning between water and particles in the aeration tank, primary and secondary clarifier of a wastewater treatment plant (WWTP) showed no distinct differences for short chain PFC(A)s compared to their long chain homologues (Paper 1). In a water-saturated sandy sediment column short chain PFC(A)s were not retarded, whereas long chain homologues were retarded by sorption to the sediment (Paper 2). Atmospheric particle-gas partitioning showed a lower fraction sorbed to particles for short chain PFC(A)s compared to long chain ones in samples from a WWTP (Paper 3). Air-water concentration ratios based on samples from the tanks of a WWTP were found to be higher for short chain PFC(A)s compared to long chain PFC(A)s (Paper 1). Additionally, in a newly developed experimental set-up the water to air transfer was used to derive that the pKa of C4-11-PFCAs must be <1.6 instead of up to 3.8 as reported in the literature (Paper 4). Overall, in the investigated systems short chain PFC(A)s showed a higher mobility due to a more pronounced partitioning into mobile environmental media compared to long chain PFC(A)s. In the second part of the thesis it was shown how PFO(A) - owing to its persistent, bioaccumulative and toxic (PBT-)properties – was in the context of this thesis successfully assessed as a substance of very high concern according to the criteria of the European REACH Regulation (EC No 1907/2006) by using data from non-standard tests (Paper 5). In conclusion, based on the knowledge of the high environmental mobility of short chain PFC(A)s and taking into account the argumentation of the PBT-concern of PFO(A), environmental exposure to short chain PFC(A)s is of concern and existing knowledge is already sufficient to initiate measures to prevent emissions of short chain PFC(A)s and their precursors into the 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.
As modern society progresses, waste treatment becomes a pressing issue. Not only are global waste amounts increasing, but there is also an unmet demand for sustainable materials (e.g. bioplastics). By identifying and developing processes, which efficiently treat waste while simultaneously generating sustainable materials, potentially both these issues might be alleviated. Following this line of thought, this dissertation focuses on procedures for treatment of the organic fraction of waste. Organic waste is a suitable starting material for microbial fermentation, where carbohydrates are converted to smaller molecules, such as ethanol, acetic acid, and lactic acid. Being the monomer of the thermoplastic poly-lactic acid, lactic acid is of particular interest with regard to bioplastics production and was selected as target compound for this dissertation. Organic waste acted as substrate for non-sterile batch and continuous fermentations. Fermentations were initiated with inoculum of Streptococcus sp. or with indigenous consortium alone. During batch mode, concentration, yield, and productivity reached maximum values of 50 g L−1, 63%, and 2.93 g L−1 h −1. During continuous operation at a dilution rate of 0.44 d−1, concentration and yield were increased to 69 g L−1 and 86%, respectively, while productivity was lowered to 1.27 g L−1 h −1 . To fully exploit the nutrients present in organic waste, phosphate recovery was analyzed using seashells as adsorbent. Furthermore, the pattern of the indigenous consortium was monitored. Evidently, a very efficient Enterococcus strain tended to dominate the indigenous consortium during fermentation. The isolation and cultivation of this consortium gave a very potent inoculum. In comparison to the non-inoculated fermentation of a different organic waste batch, addition of this inoculum lead to an improved fermentation performance. Lactic acid yield, concentration, and molar selectivity could be increased from 38% to 51%, 49 g L−1 to 65 g L−1, and 46% to 86%, respectively. Eventually, fermentation process data was used to perform techno-economic analysis proposing a waste treatment plant with different catchment area sizes ranging from 50,000 to 1,000,000 people. Economically profitable scenarios for both batch and continuous operation could be identified for a community with as few as 100,000 inhabitants. With the experimental data, as well as techno-economic calculations presented in this dissertation, a profound contribution to sustainable waste treatment and material production was made.
Recent studies have confirmed that the aquatic ecosystem is being polluted with an unknown cocktail of pharmaceuticals, their metabolites and/or their transformation products (TPs). Although individual pharmaceuticals are typically present at low concentrations, their continuous input into the aquatic ecosystem and their toxic and persistent presence are the major environmental concerns. Therefore, it is necessary to assess the environmental risk caused by these aquatic pollutants. Data on exposure are required for quantitative risk assessment of parent compounds and their transformation products (TPs) and/or metabolites. Such data are mostly missing, especially for TPs, because of the non-availability of TPs and very often metabolites for experimental testing. Therefore, the application of different in silico tools for qualitative risk assessment can be used. Also, the presence of these micro-pollutants (active pharmaceutical ingredients, APIs) in the aquatic cycle are increasingly seen as a challenge to the sustainable management of water resources worldwide due to ineffective effluent treatment and other measures for their input prevention. Given the poor prognosis for effluent treatment (‘end of the pipe’ approach) for input prevention of APIs in the environment, it is necessary to focus on the ‘beginning of the pipe’ strategy. The very beginning of the pipe is the molecules themselves. Therefore, novel approaches are needed like designing greener pharmaceuticals, i.e. better biodegradable ones in the aquatic environment after their release. Therefore, the present research work focused on two important topics a) assessment of the environmental risk associated with the presence of highly prescribed drugs and their TPs; b) demonstrating the feasibility of the ‘benign by design’ concept for designing biodegradable drug derivatives, which will have the better biodegradability in the environment after their release. The present thesis includes four research articles (1-4) which address these approaches. The first article is about the qualitative environmental risk assessment using the example of transformation products formed during photolysis (photo-TPs) of Diatrizoic acid (DIAT). Photolysis is the chemical reaction in which the compound is broken down by photons and often in combination with hydroxyl radicals. Photolysis is the most common abatement process of micro-pollutants in the environment. The qualitative risk assessment of DIAT and selected photo-TPs was performed by the PBT approach (i.e. Persistence, Bioaccumulation and Toxicity), using chemical analysis, experimental biodegradation test assays, QSAR models with several different toxicological endpoints and in silico read-across approaches. The second article addresses a tiered approach of implementing green and sustainable chemistry principles for theoretically designing better biodegradable and pharmacologically potent pharmaceuticals derivatives. Photodegradation process coupled with LC-MSn analysis, biodegradability testing and in silico tools such as quantitative structure-activity relationships (QSAR) analysis and molecular docking proved to be a very significant approach for the preliminary stages of designing chemical structures that would fit into the ´benign by design´ concept in the direction of green and sustainable pharmacy. Metoprolol (MTL) was used as an example. The third article was also the conceptual framework to get new drug derivatives that are biodegradable in order to tackle the global challenge of micro-pollutants in the aquatic cycle. This study increased the knowledge about the role of the attachment of certain functionalities to the parent drug molecule for its biodegradability whilst conserving drug-likeness. This approach was in the past a totally neglected issue within drug development. Atenolol (ATL), a selective β1 blocker, was selected as an example to incorporate the additional attribute such as biodegradability into its molecular structure while conserving its substructures responsible for β adrenergic receptor blocker activity. In fourth article, the concept of designing green biodegradable pharmaceuticals has been proven through expanded experimental analysis setting out from the experiences collected as described in article two and three. This study could be considered as a more extensive feasibility study of rational design of green drug derivatives. The non-selective β-blocker Propranolol (PPL) was used as an example. The risk assessment study (Article #1) contributes in enhancing the existing knowledge about the life cycle and behavior (fate) of pharmaceuticals with a special focus on photo-TPs which are generally formed during advanced effluent treatment and enter as such into the environment. Based on the obtained results, the application of the in silico tools for qualitative risk assessment analysis increased knowledge space about the environmental fate of TPs in case of their non-availability for experimental testing. The benign by design studies (Article #2-4) were based on the knowledge and experience collected during the work on DIAT. It demonstrated the feasibility of a novel approach of designing comparatively better degradable and pharmacological potent derivatives through the implementation of ´green chemistry´ principles. However, the present approach is in the juvenile stage and further knowledge has to be collected beforehand for the full implementation of this approach into drug development.
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).
Fire plays an important role in the earth system by influencing ecosystems and climate, but climate in turn also influences fire. The system became more complex when humans started using fire as a tool. Understanding the interaction between humans, fire and climate is the major aim of paleofire research. Understanding changes in these three aspects in the past will help predicting future climate, fire and human interactions. The use of lake sediment cores as natural archives for reconstructing past fire activity by counting charcoal particles is well established. This present dissertation is dedicated to the evaluation and application of specific organic molecular markers for biomass burning: levoglucosan, mannosan and galactosan were used as proxies for reconstructing past fire activity in lake sediments thorough the entire Holocene. First, a new analytical method was developed using high-performance anion exchange chromatography combined with mass spectrometry to separate and detect these three monosaccharide anhydrides in lake sediments. The suitability of this analytical method was proven by comparing the levoglucosan, mannosan and galactosan results in selected lake sediment samples from Lake Kirkpatrick, New Zealand and by correlating the results with macroscopic charcoal. Furthermore, the method was successfully applied to a lake sediment core from Lake Petén Itzá, Guatemala to reconstruct regional Holocene fire history. The analyses of levoglucosan were combined with fecal sterols to reconstruct late Holocene human fire interactions at Lake Trasimeno, Italy, demonstrating low fire activity during the Roman period. This combination of studies proves that these molecular markers are valid fire proxies in sediments from multiple locations around the globe. Comparison of levoglucosan, mannosan and galactosan concentrations with macroscopic charcoal trends in Lake Kirkpatrick and Lake Petén Itzá, suggests that the molecular markers represent more regional fire history and low temperature fires in contrast to macroscopic charcoal, which is a local fire proxy. In addition, vegetation changes (Lake Kirkpatrick and Lake Petén Itzá) and charcoal morphotypes (Lake Petén Itzá) were compared to the levoglucosan/mannosan and levoglucosan/(mannosan+galactosan) ratios suggesting that these ratios may be a suitable tool to track burned fuel. Biodegradation tests demonstrate the potential degradation of levoglucosan, mannosan and galactosan if dissolved in water, but findings in ancient sediment samples suggest that particle-bound levoglucosan, mannosan and galactosan can be buried in sediments over millennial time scales. Although uncertainties still exist, the results of this research suggests that organic molecular markers are a suitable regional fire proxy and isomer ratios may help understand changes in burned vegetation.
Siliziumorganische Substanzen sind aus dem Alltag kaum wegzudenken. Sie kommen in vielfältiger Form vor und finden durch ihre Stabilität in vielen Produkten des Haushalts und der Industrie Anwendung. Eine Freisetzung in die Umwelt ist unvermeidbar. Siliziumorganische Substanzen konnten bereits in allen Umweltkompartimenten (Luft, Wasser, Boden) analytisch nachgewiesen werden. Welche Risiken von dieser Stoffgruppe ausgehen, ist noch nicht abschließend geklärt. Dennoch gibt es Hinweise auf negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt. Deshalb sollten Strukturen in siliziumorganischen Substanzen untersucht werden, die einen Abbau in der Umwelt begünstigen, um die Akkumulation dieser Stoffe in der Umwelt zu verringern. Dafür wurden diverse biotische und abiotische Abbautests mit unterschiedlichen siliziumorganischen Substanzen durchgeführt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit lag vor allem in der biologischen Abbaubarkeit der Substanzen. Es wurden die Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD)-konformen Tests Closed-Bottle-Test (CBT, OECD 301D) und Manometrischer Respirationstest (MRT, OECD 301F) durchgeführt. Die Hydrolysierbarkeit wurde mithilfe des Hydrolysetests OECD 111 bei unterschiedlichen pH-Werten untersucht. Bei bestimmten Substanzgruppen ohne biologischen Abbau wurde das Verhalten der Substanzen bei Bestrahlung mit verschiedenen Bestrahlungsquellen untersucht. Die Analyse der Primärelimination der siliziumorganischen Substanzen erfolgte je nach Substanzeigenschaften mithilfe der Hochleistungsflüssigkeitschromatografie gekoppelt mit einem Spektrometer mit ultraviolettem und sichtbarem Licht (HPLC-UV/Vis) oder der Gaschromatografie gekoppelt mit einem Massenspektrometer (GC-MS). Die Transformationsprodukte wurden hingegen mithilfe der Flüssigkeitschromatografie gekoppelt mit einem Mehrfach-Massenspektrometer (LC-MSn) analysiert. Für eine umfassende Bewertung des biologischen Abbaus von siliziumorganischen Substanzen wurden ein Vergleich mit analogen Kohlenstoffverbindungen und eine Aufstockung mit Daten aus der Datenbank der Europäischen Chemikalien Agentur (ECHA) durchgeführt. Die Gruppierung der Substanzen nach ihren Strukturmerkmalen wurde hinzugezogen, um Rückschlüsse auf die Abbaubarkeit zu ziehen. Eine besser biologisch abbaubare Grundstruktur brachte für die Benzenderivate keine Verbesserung der biologischen Abbaubarkeit. Dennoch hatte die Einführung von +M-Gruppen am Aromaten einen positiven Einfluss auf die Geschwindigkeit und den Grad des photolytischen Abbaus. Die Bestrahlungsquelle hatte ebenfalls einen deutlichen Einfluss auf die Eliminierungsrate während des Photolyseexperiments. Mit einer Veränderung der Wellenlängen in den kurzwelligen Bereich und der daraus resultierenden energiereicheren Strahlung konnten die Substanzen schneller und teilweise vollständig primär eliminiert werden. Bei allen Abbaupfaden hatte die Hydrolyse eine entscheidende Rolle und wurde als einer der Hauptabbauprozesse charakterisiert. Bei einer Verbindung wurde im Nachgang an die biotischen und abiotischen Abbautests eine ausführliche Aufklärung der elf gebildeten Transformationsprodukte vorgenommen. Um den Einfluss von Silizium in organischen Substanzen auf die biologische Abbaubarkeit zu untersuchen, wurde der direkte Vergleich von siliziumorganischen Substanzen und deren Kohlenstoffanaloga im CBT durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass drei von fünf Kohlenstoffverbindungen und keine siliziumorganische Verbindung als leicht biologisch abbaubar eingestuft werden konnten. In allen bis auf einen Fall konnten für die Kohlenstoffverbindungen höhere Abbauraten im CBT beobachtet werden. Die Hydrolyse wurde als erforderlicher Schritt vor dem biologischen Abbau von siliziumorganischen Substanzen identifiziert. Das siliziumfreie Produkt der Hydrolyse bestimmte den Grad des biologischen Abbaus. Die gute biologische Abbaubarkeit der einen siliziumorganischen Verbindung resultierte aus der leicht hydrolysierbaren Silizium-Stickstoff-Bindung und der leichten biologischen Abbaubarkeit des siliziumfreien Hydrolyseproduktes. Die siliziumhaltigen Reaktionsprodukte der Hydrolyse waren nicht biologisch abbaubar. Bioabbaudaten aus eigenen Experimenten, aus vorhergehenden in der Arbeitsgruppe durchgeführten analogen Arbeiten und aus der ECHA-Datenbank wurden zusammengetragen, um einen Datensatz zu generieren. Die 182 Substanzen des Datensatzes wurden hinsichtlich ihrer Struktur gruppiert, um allgemeine Erkenntnisse für die biologische Abbaubarkeit von siliziumorganischen Verbindungen abzuleiten. Es gab Gruppen mit Substanzen, die überhaupt nicht biologisch abbaubar waren (z. B. zyklische, lineare und verzweigte Siloxane). Gruppen, die Substanzen mit Ethern, Estern, Oximen, Aminen und Amiden enthielten, waren hydrolyseanfällig, sodass auch leicht biologisch abbaubare Zwischenprodukte gebildet werden konnten. Die siliziumfreien Hydrolyseprodukte waren meist biologisch abbaubar, während die siliziumhaltigen Hydrolyseprodukte persistent waren. Allgemein hat sich gezeigt, dass Modifikationen am Molekül einen positiven Einfluss auf die Abbaubarkeit haben können. Beispielsweise können Heteroatome eine Veränderung der Polarität bzw. der Elektronendichte hervorrufen, was die Photolyse- und Hydrolysefähigkeit und folglich auch den Bioabbau zum Positiven verändern kann. Das Einführen solcher Heteroatome oder funktioneller Gruppen in Polysiloxanketten kann demnach ein vielversprechender Ansatz für leichter abbaubare siliziumorganische Verbindungen sein. Nicht abbaubare Stoffe sollten vermieden werden, wenn sie nach ihrer Verwendung in die Umwelt gelangen.
Achieving the ‘Great Transformation’ demands a closer consideration of the material basis of technologies, whose broad-scale implementation is often associated with efficiency improvements and progress towards a post-fossil society, but which is largely disregarded as of today. At the same time, the discourse on resource-related issues only rarely evolves around achieving an actual fundamental shift towards sustainability in the sense of a ‘material transition’. The notion of this mutual disconnect – a ‘transformation-material gap’ that exists in both research and practice – is the main driver for this dissertation. Metals fulfill crucial functions in areas as diverse as renewable energy, digitization and life style appliances such as smart home concepts, mobility, communication, or medicine. In the context of sustainability, achieving a more sustainable metal use means (i) minimizing the adverse effects associated with metal production and use and (ii) sustaining the availability of metals in a way that benefits present and future generations. Urgent need to act to avoid bottlenecks as well as meeting the challenge of possible conflicts of use among those areas of application calls for appropriate strategy making to intervene in the complex field of metal production and use that involves various, often interlinked operating levels, actors, and spatial and temporal scales. Located within the field of sustainability science, this dissertation focuses on strategies as a means to intervene in a system. It pursues the question, which design features could guide future strategy making to foster sustainability along the whole metal life cycle, and especially, how a better understanding of temporalities – i.e. understanding time in a diverse sense – could improve strategy design and help to bridge the assumed ‘transformation-material gap’. My research converges the results from four research studies. A conceptual part explores the role of temporalities for interventions in complex and interlinked systems, which adds to the conceptual basis, on which the empirical part builds up to explore present and future interventions in metal production and use. The research revealed three essential needs that future strategies must tackle: (i) managing the complex interlinkages of processes and activities on various operational levels and spatial and temporal scales, (ii) providing clear guidance concerning the operationalization of sustainability principles, and (iii) keeping activities within the planet’s carrying capacity and embracing constant change as an inherent system characteristic. In response to these needs, I developed three guidelines with two design features each (one relating to content, and one to the process of formulating and implementing the strategy) to guide future strategy making: 1. Design strategies based on a profound understanding of the system and its interrelations, but bear in mind context-specific characteristics. (Comprehensive, but tailored.) 2. Design strategies to achieve fundamental change in a cooperative and inclusive manner. (Ambitious, but manageable.) 3. Design strategies to strengthen resilience in a constantly changing environment. (Dynamic, but consistent.) My results show that TIME MATTERS in this respect. If considered in close relation to space and diversely understood in the sense of temporalities, it serves to (i) understand the impact (duration and magnitude) of an intervention, (ii) recognize patterns of change that go beyond establishing linear, one-dimensional connections, and (iii) design interventions in a way that considers the resilience of a system. While these findings can contribute to closer considering our understanding of transformation processes towards sustainability in future interventions in metal production and use, more research is needed on approaches that bring the material basis into closer consideration of transformation processes in research and practice.
Pestizide werden als Pflanzenschutzmittel im landwirtschaftlichen Bereich und als Biozide z. B. in der Industrie, in Haushalten und Kommunen eingesetzt. Bereits auf den behandelten Flächen und in den angrenzenden Gewässern können Pestizide Abbauprozessen durch u. a. Photolyse unterliegen. Diese Prozesse führen zur Entstehung von Transformationsprodukten (TP), deren Berücksichtigung bei der Umweltrisikobewertung für ein umfassendes Risikomanagement von großer Bedeutung ist. Doch gibt es über die in der Umwelt vorkommenden Transformationsprozesse und die dabei entstehenden TP immer noch Wissenslücken. Darüber hinaus sind die Eintragswege von TP, vor allem von Biozid-TP, in die angrenzenden Gewässer zum Teil unbekannt. Da eine Vielzahl von TP mit unterschiedlich starken ökotoxikologischen Effekten bewertet werden muss, besteht ein großer Bedarf an schnellen und umfassenden Methoden, um die stetig wachsende Anzahl an Chemikalien auf dem Markt erfassen zu können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, das Verhalten und den Verbleib ausgewählter Pestizid-TP in der aquatischen Umwelt zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Phototransformationsprozesse von Pestiziden sowie der Eintrag aus Fassaden über Regenwasserversickerungsanlagen (RVA) in angrenzenden Gewässern der Stadt Freiburg untersucht. Schlussendlich erfolgte die Identifizierung der ökotoxikologischen Eigenschaften von 45 Pestizid-TP in einem mehrstufigen Ansatz durch die Kombination experimenteller und computerbasierter Methoden. Inwiefern unterschiedliche Phototransformationsprozesse zu unterschiedlichen TP führen, wurde im ersten Teil der Arbeit durch einen Vergleich der Entstehung von TP durch direkte und indirekte Photolyse der Substanzen Penconazol, Terbutryn und Mecoprop untersucht. Weiterhin wurde der Abbau durch die Bestrahlung mit unterschiedlichen Xenonlampen untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Eintrag von Bioziden, die in Fassadenanstrichen Anwendung finden, und deren TP über Regenwasserversickerungsanlagen in das Grundwasser untersucht. Dabei wurden qualitative und quantitative Target-Screening-Methoden zum Nachweis und zur Quantifizierung bekannter und unbekannter TP der Biozide Diuron, Terbutryn und Octhilinon (OIT) in der aquatischen Umwelt mittels Flüssigkeitschromatographie mit gekoppeltem Massenspektrometer (LC-MS) kombiniert. Die ökotoxikologischen Eigenschaften von 45 Pestizid-TP wurden im dritten Teil dieser Arbeit in einem mehrstufigen Ansatz untersucht. Insgesamt zeigte sich, dass die Berücksichtigung von TP im Rahmen von Gewässerüberwachung und Risikobewertung eine genauere Abschätzung der Risiken durch Schadstoffe ermöglicht. Die in dieser Dissertation entwickelte Vorgehensweise, bei der TP zunächst im Labor erzeugt und bewertet und anschließend in aquatischen Systemen gezielt analysiert werden, kann einen wichtigen Beitrag zur Regulatorik des Einsatzes und der Zulassung von Pestiziden leisten.