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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. …
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
Organophosphorus flame retardants and plasticizers (OPEs) have been utilized for decades as plasticizers and, to a lesser extent, as flame retardants in various consumer products to improve their material properties. With the restriction and ban of the widely used brominated diphenyl ethers (PBDEs) by, ultimately, the Stockholm Convention due to their adverse effects on humans and the environment, the use of OPEs as replacements has increased rapidly. However, the potential adverse properties, environmental distribution and fate of OPEs are insufficiently understood. The research presented in this thesis investigated the occurrence, distribution and transport of OPEs with a focus on the coastal and estuarine environment. Due to the wide range of physicochemical properties of OPEs, the environmental fate and behaviour of OPEs was investigated over a range of compartments, starting from the atmospheric occurrence to the aquatic phase and the behaviour in sediments. The aim was to gather information on the OPE contamination situation in the coastal and estuarine environments, to identify specific contamination patterns for source assessment and to investigate the distribution behaviour of OPEs between gas- and particle-phases to evaluate their environmental transport mechanism. To achieve these scientific goals, sensitive and robust chemical analytical methods for the detection and quantification of OPEs in a variety of environmental samples using gas-chromatography coupled with tandem mass spectrometry were developed. Water samples were removed along the Elbe and Rhine Rivers to test the hypothesis of whether specific point sources, such as wastewater treatment plants, are the major input pathways for OPE contamination in rivers. A total of 65 water samples, including an intensive measurement campaign during the flood event in 2013 at the Elbe, was taken and analysed for OPEs. No obvious point sources were identified along either of the rivers analysed. No significant increase or decrease in the OPE concentrations or a change in patterns were observed over a transect of over 300 km at the Elbe, with an increase in water discharge of 2.5. This finding suggested that the OPE input in large rivers is primarily driven by diffuse sources, such as surface runoff, or by minor point sources rather than local point sources. To examine the specific pattern of OPE contamination in individual rivers and estuaries, 37 sediment samples from 8 rivers in Europe and China were analysed. With this analytical data, a fingerprint analysis of the OPE patterns identified could be conducted. All the rivers investigated in Europe displayed a very similar fingerprint, which can be explained by the common European market with consistent legislative regulations. In contrast, the fingerprint from China differed significantly from the one in Europe. For example, in China, the OPE restricted in Europe, Tris(2-chloroethly)phosphate, was found to be one of the major OPE components, while Tris(2-butoxyethyl) phosphate, a major compound in Europe, was negligible in China. The investigation showed that the fingerprinting analysis is a useful tool to identify different regions or characterize specific rivers regarding their OPE contamination. In addition, it could be shown that legislative restriction and processes have an impact on local or even EU-wide contamination patterns. At a coastal site next to the German city of Büsum, 58 air samples were taken over one year. Using the newly developed analytical method, it was possible to analyse the gas, as well as the particle phase, of the samples collected with very low detection limits for OPEs. In contrast to expectations, no annual trend in OPE concentrations, phase distributions or patterns was observed, but the investigation of the phase distribution challenged the previous scientific consensus that OPEs occur as primarily bound to particles in the atmosphere. Several compounds were detected in significant amounts in the gas phase. To validate these novel results, a model analysis based on the chemical properties of OPEs was conducted using three different phase distribution models. The results from the environmental data were strongly supported by the simulations, and the formal knowledge could be refuted. Consequently, the atmospheric transport assumptions and estimations about the long-range transport of OPEs have to be reassessed because compounds in the gas phase undergo other types of transport degradation and elimination mechanisms than particle-boundones. The novel findings presented in this thesis challenged an important aspect regarding the perceived scientific knowledge about the behaviour of OPEs in the environment and call on the scientific community to reassess the environmental behaviour of OPEs. The insights presented on the patterns highlight the impact of environmental policies and regulatory mechanisms to work towards the final goal of a good environmental status and the avoidance of adverse effects of discarded chemicals on humans and the environment.
Einsatz der Planarchromatographie mit wirkungsbezogener Detektion zur Untersuchung von Wässern
(2018)
Unter Wirkungsbezogener Analytik (WBA) wird die Kopplung eines chromatographischen Trennverfahrens mit einem biologischen Testsystem verstanden. Der Vorteil bei dieser Herangehensweise ist, dass die zuvor getrennten Probeninhaltsstoffe anhand ihrer Aktivität mit einem in vitro-Testsystem detektiert werden. Es hat sich gezeigt, dass die Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC) besonders geeignet für die WBA ist [1, 2]. Die Literaturrecherche ergab, dass die WBA mit der HPTLC an unterschiedlichen Proben z. B. Pflanzextrakte oder Wasserproben durchgeführt wurden. Doch bislang konnte nicht gezeigt werden, dass die WBA mit HPTLC auch als routinefähige Methode eingesetzt wurde. In dieser Arbeit erfolgte eine Optimierung der Detektion der Endpunkte Biolumineszenzhemmung (Aliivibrio fischeri), antibiotische Wirkung (Bacillus subtilis), Neurotoxizität (Acetylcholinesterase) von der HPTLC-Platte hinsichtlich Routinefähigkeit. Zusätzlich konnte in ersten Versuchen gezeigt werden, dass es möglich ist, direkt gentoxische Verbindungen mittels des umu-Tests auf der HPTLC-Platte nachzuweisen. Für die einzelnen Biotests sind unterschiedliche Inkubationszeiten, die von Minuten bis Stunden reichen, notwendig. Dies führt aufgrund von Diffusion auf der HPTLC-Platte zu einer Bandenverbreiterung. Es wurden unterschiedliche Methoden und Arbeitsweisen zur Verminderung der Diffusion erprobt und optimiert. Eine Möglichkeit ist die mechanische Eindämmung durch die Einbringung einer Gaze in eine verfestigte Calciumalginatschicht. Optimiert wurde dieses Verfahren am Bacillus subtilis-Hemmtest. Hier konnte gezeigt werden, dass zwar durch das Einbringen der Gaze die Sensitivität sinkt, aber bislang wurde noch kein geeigneteres Material gefunden. Für Enzymtests ist eine vergleichsweise kurze Inkubationszeit notwendig, daher tritt hier eine geringere Bandenverbreiterung auf, womit eine mechanische Einschränkung der Diffusion nicht geeignet ist. Um die auftretende Bandenverbreiterung möglichst gering zu halten, wurde besonders die Aufbringung des Substrats optimiert. Dies geschah am Beispiel des HPTLC-Acetylcholinesterasehemmtests. Durch Aufsprühen des Substrats konnte das Ergebnis im Vergleich zu dem in der Literatur beschriebenen Verfahren wesentlich verbessert werden. Die Ermittlung der unterschiedlichen bandenverbreiternden Einflussfaktoren wie beispielsweise Inkubationszeit, Auftragegeschwindigkeit und Konzentration des Substrats und deren gegenseitige Beeinflussungen (Wechselwirkungen) erfolgte mittels statistisches Versuchsplanung. In absteigender Reihenfolge hatten folgende Faktoren den größten Einfluss auf die Zielgröße Bandenverbreiterung: Substratmenge > Wechselwirkung von Substratmenge und Umsatzzeit des Substrats > Umsatzzeit des Substrates = Enzymaktivität. Anhand dieser Erkenntnis konnte die Methode soweit optimiert werden, dass die bei der Detektion von AChE-Inhibitoren auftretende Bandenverbreiterung sehr gering gehalten werden kann. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Verfahrens lassen sich selbst geringe Spuren von Verunreinigungen in Referenzsubstanzen detektieren. Besonders für den Routineeinsatz der WBA mit der HPTLC ist die Vergleichbarkeit der Ergebnisse erforderlich. Dazu wurde anhand des HPTLC-Leuchtbakterienhemmtests mit Aliivibrio fischeri eine Auswertestrategie erarbeitet. Die Ermittlung der Biolumineszenzhemmung findet analog zum Küvettentest statt und kann ortsaufgelöst als Hemmwert-Chromatogramm dargestellt werden. Die Darstellung der Hemmung in einem Hemmwert-Chromatogramm gleicht die Stauchung der Peaks aufgrund des sigmoiden Verlaufs der Dosis-Wirkungsbeziehung teilweise aus. Durch die nichtlineare Beziehung zwischen Konzentration bzw. Flächenmasse und Wirkung der unbekannten Substanzen ist es für den Vergleich von Proben notwendig, einen Bezugspunkt zu setzen. Bewährt hat sich dafür der EC50-Wert. Da aber in den meisten Fällen die Konzentration unbekannt ist, wird als Bezugspunkt das Auftragevolumen gewählt, welches erforderlich ist um eine Hemmung von 50 % auszulösen. Der Kehrwert des berechneten Auftragevolumens für 50% Hemmung stellt das reziproke Iso-Hemmvolumen (RIHV) dar. Dieser RIHV-Wert hat sich für den Probenvergleich in verschiedenen Anwendungen bewährt. Das Prinzip der Auswertung kann vom HPTLC-Leuchtbakterientest mit Anpassung auf den HPTLC-Bacillus subtilis-Hemmtest übertragen werden. Für den Vergleich der Wirkung auf die Acetylcholinesterase-Hemmung wird in Anlehnung zum RIHV, das reziproke Iso-Aktivitätsvolumen (RIAV) herangezogen. Hier wird das Auftragevolumen, welches notwendig ist, eine Aktivität der AChE von 50% zu erreichen, als Kehrwert angegeben. Zur Ermittlung der Messunsicherheit der Chromatographie und der detektierten Wirkung wurden parallel zu den Proben Referenzverbindungen untersucht. Bei der Überwachung einer gesicherten Deponie über einen Zeitraum von 4,5 Jahren konnte gezeigt werden, dass es sich bei der Hochleistungsdünnschichtchromatographie mittels automatisierter Mehrfachentwicklung (HPTLC/AMD) um ein reproduzierbares Chromatographiesystem handelt. Bei der Anwendung des Leuchtbakterien-, Bacillus subtilis- und des Acetylcholinesterase-Hemmtests auf verschiedene Deponie- und Abwasserproben wurden über einen Zeitraum von 7 Monaten Standardabweichungen von 5-9 % Hemmung für die testspezifischen Referenzsubstanzen ermittelt. Als Ergebnis der Validierung wurden der HPTLC-Aliivibrio fischeri-, der HPTLC-Bacillus subtilis- und der HPTLC-Acetylcholinesterase- Hemmtest am 24.03.2015 von der deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS) akkreditiert (Akkreditierungsurkunde D-PL-18961-01-00). Zur Ermittlung potenziell gentoxischer Substanzen wurde der umu-Test ausgewählt. Da es sich beim umu-Test auch um einen Test mit einer notwendigen langen Inkubationszeit (2 h) handelt, muss hier ebenso die Bandenverbreiterung durch geeignete Maßnahmen minimiert werden. Hierzu wurde die aufwendige Calciumalginatverfestigung in Kombination mit einer medizinischen Gaze nach Baumann et al. [3] vereinfacht. Mit dem umu-Test auf der HPTLC-Platte ist es derzeit möglich, die aus der DIN 38415-3 [4] bekannte direkt wirkende gentoxische Substanz 4-Nitroquinolin-N-oxid (4-NQO) auf der HPTLC-Platte nachzuweisen. Die Nachweisgrenze für 4-NQO liegt bei einer Auftragemenge von 3 ng. Für einen erfolgreichen Nachweis von indirekt wirkenden Substanzen, die erst nach der Aktivierung durch Stoffwechselenzyme gentoxisch wirken, war es nicht möglich, das erforderliche Metabolisierungssystem auf der HPTLC-Platte aufrecht zu erhalten. Zur Durchführung der WBA ist für die meisten Wasserproben (z. B. Oberflächenwasser oder Grundwasser) eine Anreicherung erforderlich. Parallel zu den Arbeiten mit den biologischen Testsystemen erfolgte die Optimierung der Anreicherung von organischen Verbindungen aus Wasserproben. Für die Festphasenextraktion (SPE) wurden verschiedene Materialien bei den pH-Werten 2, 7 und 9 mit Substanzen unterschiedlicher Polarität getestet. Die besten Wiederfindungen über den gesamten Polaritätsbereich erzielte die Phase ´Agilent Plexa´ (Polydivinylbenzol) mit einer angepassten Elutionsabfolge. Bei der Auswahl des Materials und der Anpassung der Elutionsabfolge wurde auch auf einen möglichst geringen Blindwert für den Biolumineszenz-Hemmtest mit Aliivibrio fischeri geachtet. Damit wurde eine für die WBA geeignete Anreicherungsmethode gefunden. Zur Verbesserung der Extraktionsausbeute von polaren Verbindungen mittels Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE) wurde die Mikro-LLE mit dem in allen Verhältnissen mit Wasser mischbaren Extraktionsmittel Acetonitril getestet. Die im Blindwert auftretenden störenden Substanzen konnten durch Ausheizen des zur Phasentrennung erforderlichen Natriumchlorids erheblich reduziert werden. Bei den Untersuchungen zur Wiederholbarkeit mit einer Deponiesickerwasserprobe und der Detektion der Biolumineszenz von Aliivibrio fischeri waren nur geringe Abweichungen der Hemmwerte detektierbar. Aufgrund der zu erwartenden komplexen Zusammensetzung von Proben aus dem Deponiebereich ist eine Gradientenelution für die HPTLC/AMD notwendig. Anhand von Referenzverbindungen und Extrakten aus verschiedenen Deponien wurde die HPTLC/AMD-Trennung für ein Screening optimiert. Mit diesem Screening-Gradient ist es möglich, die wirkenden Probenbestandteile über die gesamte Trennstrecke zu verteilen. Zusätzlich fand noch eine Entwicklung einer isokratischen HPTLC-Trennung für eine schnelle Beurteilung von Proben statt, wobei bei dieser Methode Abstriche bezüglich der Trennleistung gemacht werden mussten. Zudem konnte gezeigt werden, dass der aufwendige Identifizierungsprozess durch spezifische postchromatographische Derivatisierungsreaktionen auf der HPTLC-Platte unterstützt werden kann. Dazu wurde der Bratton-Marshall-Nachweis von primären Aminen optimiert. Durch den Nachweis von austauschbaren Protonen mittels des H/D-Austausches lassen sich die denkbaren Strukturen deutlich einschränken. Für einen nahezu vollständigen H/D-Austausch hat sich die Kopplung von HPTLC und Massenspektrometer (MS) als besonders geeignet gezeigt, da hier nur wenige Milliliter an deuterierten Lösemitteln benötigt werden. Erprobt wurden die optimierten Methoden an verschiedenen Wässern, welche aus Kläranlagen und aus dem Umfeld von Deponien stammen. Durch die Einführung des RIHV- bzw. RIAV-Wertes ist es möglich Wässer von verschiedenen Probennahmestellen, z. B. Deponiesickerwässer, anhand ihrer Wirkung vergleichend zu beurteilen. Auch kann damit die Veränderung des Wirkungsmusters über einen Aufbereitungsprozess beobachtet werden. Die Untersuchungsergebnisse zeigen zudem, dass auch bei der WBA Feldblindproben entscheidend sind, um Proben sicher beurteilen zu können.
