Institut für Nachhaltige Chemie und Umweltchemie (INUC)
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The presence of pharmaceutical drugs and their by-products as environmental organic contaminants in a variety of eco-systems and their potential environmental impacts is a well-known aspect and has been raised in recent years. Studying the transformation of pharmaceutical drugs in the aquatic system is very important as it can lead to the formation of many new transformation products (TPs) that can have different properties (e.g. more mobile, toxic or present at higher concentrations) and this can enable them to reach the environmental compartments not affected by their parent compounds. Yet, many of the pharmaceutical drugs are not well regulated or controlled and they can cause a lot of adverse ecological and/or human health effects. In addition, impact of the continuous change in the environmental conditions such as pH, temperature and initial concentration on the transformation behaviour of pharmaceuticals is overlooked in many researches although it is of high interest.
Psychotropic drugs are among the pharmaceuticals which their potential hazards including environmental fate and behaviour is still not well understood compared to other drugs such as antibiotics. Psychotropic drugs are highly used, and their worldwide consumption has been increasing nowadays especially in developed countries such as Europe and the United States. Furthermore, they are highly found in different environmental compartments and can cause a lot of toxicological problems. Trimipramine (TMP), Desipramine (DMI) and Chlorprothixene (CPTX) are three psychotropic drugs with closely related chemical structures and they are selected to be studied in this thesis as they are among the worldwide commonly prescribed psychotropic drugs and data available on their environmental fate (e.g., degradation or transformation and fate of the TPs) is lacking in the environmental researches.
To investigate the ecological impact of the pharmaceuticals on water organisms and to study their fate in the aquatic system, laboratory biodegradation and photodegradation tests are recommended. The use of LC-MS/MS analysis with the combination of photolysis and biodegradation tests to identify the formed TPs and to study the biodegradability and the persistence of the TPs is a helpful new insight into the environmental behaviour of contaminants and their TPs. Different environmental conditions can affect the fate of pharmaceuticals in the environment, therefore answering the question how different variables such as temperature, pH and initial concentration could affect the degradation pattern of pharmaceuticals can provide valuable information regarding their environmental fate. Toxicity assessments of contaminants and their TPs using in-silico software based on quantitative structure activity relationship (QSAR) models can be a good choice especially in case of TPs because the TPs are mostly not available commercially and II
are usually only formed in low concentrations within complex matrices so that isolation and purification are very difficult.
Accordingly, 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 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).
TMP, DMI and CPTX were found to be not readily biodegradable in Closed Bottle test (CBT), and in Manometric Respiratory test (MRT). They did not show any significant elimination or mineralization within 128 minutes of irradiation using a xenon Lamp. In UV-photodegradation samples, LC-MS/MS results showed elimination of the three psychotropic drugs with corresponding comparatively lower degrees of mineralization indicating formation of abundant photo-TPs.
From the UV-photolysis tests, which were carried out under different environmental conditions, it can be concluded that the degradation rates of TMP, DMI and CPTX decreased when their initial concentrations increased. pH affected the photodegradation behaviour of TMP, DMI and CPTX with different pattern depending on many factors such as solubility, molar absorption coefficient (ɛ), ionisation form and chemical structure. Temperature elevation showed non-significant effect on the photodegradation performance of DMI and CPTX, while showed an enhanced effect on the photodegradation performance of TMP. This could be because the molecules of DMP and CPTX can reach the sufficient energy required for degradation at low temperature. While TMP`s molecules still require some more energy to undergo degradation and temperature helps them to reach easily these required activation energy.
Elucidating the TPs and studying the degradation pathways for TMP, DMI and CPTX during UV irradiation indicated that hydroxylation is the most abundant pathway followed by oxidation and isomerization. De-chlorination pathway was observed during the UV-transformation of CPTX.
III
Deamination and loss of the aliphatic side chain were observed only during the UV-transformation of TMP, while not observed during DMI and CPTX transformation. This indicates that the bond between the amino- group and the aliphatic side chain in DMI and CPTX can be more resistant to photodegradation compared to the same bond in TMP. This could be due to the presence of extra methyl groups in TMP molecule which can decrease the previously mentioned bond strength.
Biodegradation tests performed for photodegradation mixtures, which contain the psychotropic drugs and their TPs, showed low biodegradation results. Despite that, elimination of some TPs was observed in the LC-MS/MS analysis at the end of these biodegradation tests. This indicates the probability of biodegradation ability for some TPs and this ability was hindered by the predominant effect of other non-biodegradable compounds. In-silico predictions showed that for many endpoints, photo-transformation might lead to an increased toxicity in humans and to water organisms compared with the parent compound.
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.
Um das noch bestehende Reichweitenproblem von Elektrofahrzeugen zu lösen, sind Fahrzeugkonzepte wie Plug-in Hybridfahrzeuge sehr vielversprechend, sofern mit ihm überwiegend im Batteriebetrieb gefahren wird. Sie kombinieren die Vorteile des Verbrennungsmotors und des Elektromotors, sodass das lokale Emissionsproblem in Ballungszentren gelöst werden kann, ohne dass der Kunde dabei auf die Reichweite verzichten muss. Wenn das Fahrzeug allerdings überwiegend für Kurzstrecken genutzt wird, sind alterungsbedingte Veränderungen des Kraftstoffes möglich, da dieser länger im Tank verbleibt als üblich.
In dieser Arbeit wird ein Konzept zur sensorischen Bestimmung der Qualität des Kraftstoffes vorgestellt. Hierzu wurde ein Prototyp entwickelt, in dem mithilfe des Real- und Imaginärteils der Permittivität alternde Kraftstoffe erkannt werden können. Dabei konnte durch das frequenzabhängige Permittivitätssignal des Sensors spezifisch zwischen nieder- und hochmolekularen Oxidationsprodukten in Kraftstoffen unterschieden werden.
Da das Verbrennungs- und Emissionsverhalten des Motors von der Kraftstoffmischung vorgegeben ist, bietet eine zusätzliche sensorische Erfassung der Kraftstoffzusammensetzung weitere Optimierungspotenziale, um Emissionen zu reduzieren: So ist das Motormanagement im Fahrzeug zumeist auf Referenzkraftstoffe mit gleichbleibender Qualität abgestimmt. Variable Kraftstoffzusammensetzungen, die durch die Erdöllagerstätte und den zusätzlichen Konversionsverfahren zur Herstellung von fortschrittlichen Kraftstoffen vorgegeben sind, werden in dieser Anpassungsstrategie bisher nicht berücksichtigt. Als weitere Aufgabe wird in dieser Arbeit daher ein multisensorischer Ansatz verfolgt, wonach zusätzlich zur Kraftstoffalterung noch die Kraftstoffzusammensetzung erkannt werden kann.
Insgesamt bietet die Sensorik das Potenzial zur kontinuierlichen Kraftstoffüberwachung in Plug-in Hybridfahrzeugen, um so einen Beitrag zum sicheren und nachhaltigen Betrieb solcher Fahrzeuge gewährleisten zu können.
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.
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.
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.
Biozide Wirkstoffe sind Chemikalien, die zum Schutz der menschlichen oder tierischen Gesundheit oder zum Schutz von Materialien vor Schädlingen eingesetzt werden. Da diese Stoffe eine beabsichtigte Wirkung auf Organismen haben, besteht das Risiko, dass auch ungewollte Auswirkungen auf Nicht-Zielorganismen auftreten. Monitoringergebnisse lassen vermuten, dass diese Wirkstoffe auch häufig im Innenraum von Haushalten eingesetzt werden und von dort vor allem über Abwasserleitungen und Kläranlagen in die Umwelt gelangen, wenn sie in Kläranlagen nicht eliminiert werden. Die Produkte, aus denen die Wirkstoffe aus Haushalten in das Abwasser gelangen, sind bislang jedoch nicht identifiziert worden. Aus diesem Grund konnten die daraus resultierenden Umweltbelastungen nicht eingeschätzt und keine entsprechenden Emissionsminderungsmaßnahmen umgesetzt werden. In dieser Arbeit wurde deshalb untersucht, in welchen Haushaltsprodukten biozide Wirkstoffe eingesetzt werden und in das Abwasser gelangen. Zudem sollte erforscht werden, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie mit ihnen umgehen. Ziel war es, die Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in Haushalten zu identifizieren, von denen die höchsten Umweltbelastungen zu erwarten sind, und geeignete Emissionsminderungsmaßnahmen abzuleiten. Um die Anwendung biozider Wirkstoffe in Haushalten zu untersuchen, wurde zunächst durch eine Befragung in Haushalten eines dörflichen Wohngebietes ermittelt, was die Haushaltsmitglieder über Biozidprodukte wissen und wie sie die damit verbundenen Risiken im Vergleich zu anderen Haushaltsprodukten einschätzen. Zudem wurde für jeden der teilnehmenden Haushalte ein Inventar der vorhandenen Produkte erstellt. Dabei wurden neben den Biozidprodukten auch Wasch- und Reinigungsmittel und Körperpflegeprodukte untersucht. Ähnliche Erhebungen fanden zusätzlich in Haushalten in urbanen Gebieten statt. Die aufgrund der inventarisierten Produkte zu erwartenden Stoffe wurden im Laufe eines Jahres durch ein speziell abgestimmtes Monitoringprogramm im Abwasser des dörflichen Wohngebietes in Tages- und Stundenmischproben untersucht. Alle Proben wurden nach der Probenahme aufgearbeitet und mittels Flüssigchromatographie gekoppelt mit einem Triple-Quad-Massenspektrometer analysiert. Dabei wurden die Konzentrationen von 14 Wirkstoffen gemessen: 1,2-Benzisothiazol-3(2H)-on (BIT), C12-Benzalkoniumchlorid, Carbendazim, 5-Chlor-2-methyl-2H-isothiazol-3-on (CMIT), Dichloroctylisothiazolinon (DCOIT), N,NDiethyl-meta-toluamid (DEET), Diuron, Icaridin, 2-Octyl-2H-isothiazol-3-on (OIT), Piperonylbutoxid (PBO), Triclosan, Tebuconazol, Terbutryn und Tetramethrin. Vielen Befragten war nicht bewusst, dass sie Biozidprodukte nutzen. Der Begriff ´Biozid´ war oft nicht bekannt und wurde inhaltlich häufig falsch verstanden. Oft brachten die Befragten damit ´ökologische Schädlingsbekämpfung´ in Verbindung oder sie hatten keine Vorstellung, was der Begriff bedeuten könnte. Die Auswertungen der inventarisierten Produkte und der darin enthaltenen bioziden Wirkstoffe zeigten, dass ein Großteil der Wirkstoffe nicht aus Biozidprodukten in das Abwasser gelangt, sondern aus Körperpflegeprodukten und Wasch- und Reinigungsmitteln. Insgesamt 64 % der Anwendungen von bioziden Wirkstoffen in den inventarisierten Produkten wurden nicht unter der Umweltrisikobewertung der Verordnung (EU) 528/2012 über die Bereitstellung auf dem Markt und die Verwendung von Biozidprodukten berücksichtigt, was zu einer erheblichen Unterschätzung der Umweltrisiken führt. Die Ergebnisse der Abwasseruntersuchungen deuten ebenfalls darauf hin, dass biozide Wirkstoffe aus Wasch- und Reinigungsmitteln, Körperpflegeprodukten und Biozidprodukten gleichermaßen in das Abwasser eingetragen werden. Die Messergebnisse können gut mit den Produktinventaren in Verbindung gebracht werden. Einige Wirkstoffe, wie die Repellentien gegen Mücken, DEET und Icaridin, oder das Desinfektionsmittel C12-Benzalkoniumchlorid scheinen maßgeblich durch Biozidprodukte eingetragen zu werden. Auch Konservierungsmittel, wie beispielsweise Isothiazolinone, die vor allem in Wasch- und Reinigungsmitteln eingesetzt werden, wurden regelmäßig nachgewiesen. Für Triclosan hingegen ist gemäß den Inventaren Zahnpasta vermutlich die Produktgruppe, die in dem untersuchten Wohngebiet maßgeblich für den Eintrag ins Abwasser verantwortlich ist. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal, welche Produkte im Haushalt eine wichtige Quelle für biozide Wirkstoffe im Abwasser sind. Sie müssen mit einbezogen werden, wenn Emissionen an der Quelle reduziert werden sollen. Die daraus resultierenden komplexen Eintragspfade und -quellen sind für die Haushaltsmitglieder schwer zu durchschauen. Die Anwendungen in Haushaltsprodukten fallen oft nicht unter die Umweltrisikobewertung der Verordnung (EU) 528/2012 über die Bereitstellung auf dem Markt und die Verwendung von Biozidprodukten. Dies kann zu einer Unterschätzung des Risikos im Rahmen der Umweltrisikobewertung führen. Aus diesem Grund sollten Maßnahmen ergriffen werden, die über die Produktzulassung von Biozidprodukten hinausgehen, um die Emissionen so gering wie möglich zu halten. Diese Maßnahmen sollten sich nicht darauf beschränken, die Bevölkerung über Biozidprodukte aufzuklären und zu sensibilisieren, da dies aufgrund der hier vorgelegten Ergebnisse nicht immer erfolgsversprechend scheint. Stattdessen sollten Maßnahmen früher in der Wertschöpfungskette ansetzen, wie zum Beispiel beim Design der Wirkstoffe oder der Formulierung der Produkte, um so Einträge biozider Wirkstoffe in die Umwelt zu verringern.
The emission of anthropogenic trace substances into the aquatic environment continuously poses challenges to water suppliers. The contamination of raw waters with organic trace substances requires complex water treatment processes to secure drinking water quality. The routine monitoring of these raw waters as well as the behavior and fate of organic trace substances during different treatment processes is of great interest to recognize and counter potential dangers at an early stage. Chromatographic separation techniques coupled to triple quadrupole mass spectrometers are conventionally used for the reliable monitoring of traces of known polar substances. However, such analytical techniques usually fail to recognize unknown compounds. This weakness presents a serious restriction with regard to the monitoring of treatment processes, since transformation products are often not - or not sufficiently - characterized and are thus only detected sporadically. Non-target screening using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS) allows the detection of thousands of compounds within a single run and covers known as well as unknown substances. Compared to the established analytical techniques, this is a decisive advantage for the monitoring of raw and process waters during water treatment. While the analytical technique LC-HRMS has undergone significant developments in recent years, the algorithms for data processing reveal clear weaknesses. This dissertation therefore deals with reliable processing strategies for LC-HRMS data. The first part of this work seeks to highlight the problematics of false positive and false negative findings. Based on repeated measurements, various strategies of data processing were assessed with regard to the repeatability of the results. To ensure that real peaks were barely or not removed by the filtering procedure, samples were spiked with isotope-labeled standards. The results emphasize that the processing of sample triplicates results in sufficient repeatability and that the signal fluctuation across the triplicates emerged as a powerful filtering criteria. The number of false positives and false negatives could be significantly reduced by the developed strategies which consequently improve the validity of the data. The second part of this thesis addresses the development of processing strategies particularly aimed at assessing water treatment processes. The detected signals were tracked across the treatment process and classified based on their fold changes. A more reliable signal classification was achieved by implementing a recursive integration approach. Special integration algorithms allow a reliable signal classification even though the signal to be compared was below the intensity threshold. Different combinations of replicates of process influents and effluents were processed for evaluating the repeatability. The good repeatability was indicated by the results of both the plausibility checks and the ozonation process (ozonation of pretreated river water) and thus points to high reliability. The developed procedure enables the assessment of water treatment processes based on the changes in the pattern of all detected signals and offers a more comprehensive picture of the treatment efficiency. Particularly with regard to transformation products, existing knowledge gaps can be reduced by this approach, albeit the entire variety of chemicals cannot be covered completely. The applicability of the developed strategies to real world applications is demonstrated in the last part of this work. Besides the prioritization of the generated results, the main focus was the identification of recognized compounds. The developed strategies clearly improve the validity of the underlying data. The combination of LC-HRMS analysis with reliable processing strategies opens up multiple possibilities for a more comprehensive monitoring of water resources and for the assessment of water treatment processes. The processing strategies and validation concepts may be easily transferred to other research fields.
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. Die vorgestellte Methodik zur Eintragsabschätzung kann ein effizientes Werkzeug für die Auswahl prioritärer Wirkstoffe im Hinblick auf eine solche Neubewertung darstellen. Das kommunale Abwasser beinhaltet komplexe Mischungen von Arzneistoffen, die mikrobielle Lebensgemeinschaften in Kläranlagen und in der aquatischen Umwelt auf vielfältige Weise beeinträchtigen können. 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. Dieser Lösungsansatz zur Beurteilung von Kombinationseffekten kann mit hoher Wahrscheinlichkeit auch auf andere problematische Wirkstoffgruppen übertragen werden, was generell für eine stärkere Berücksichtigung des pharmakologischen Wirkmechanismus in der ökotoxikologischen Prüfung von Arzneimittelwirkstoffen spricht. 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. Die aktuell größten Herausforderungen auf diesem Gebiet sind das Etablieren einheitlicher Standards und die strategische Ausrichtung zukünftiger Forschungsaktivitäten. Langfristig sollte das gesammelte Wissen in die Weiterentwicklung von geeigneten in silico Methoden einfließen, um die Identifizierung prioritärer TPs vergleichbarer und effizienter zu gestalten.
Among all attenuation processes, biodegradation plays one of the most important role and is one of the most desirable processes in the environment especially since products released during this bio-reactions, can be once again reintroduced into the natural element cycles. 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).
Die Senkung der Abgasemissionen von Dieselmotoren ist ein zentraler Bestandteil der Motoren-Entwicklung. Die positive Beeinflussung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Zum einen werden durch die Optimierung der innermotorischen Verbrennung die Abgasbestandteile gesenkt. Zum anderen kann mit Hilfe von Abgasnachbehandlungs-systemen der Ausstoß von umweltschädlichen und toxikologischen Abgasbestandteilen minimiert werden. Die Rückführung von Abgas in den Frischluft-Massenstrom (Abgasrückführung, AGR) ist eine konstruktive Maßnahme zur Reduktion von Stickstoffoxid-Emissionen bei Dieselmotoren. Bei diesen Abgasrückführungs-Systemen ist das AGR-Ventil ein zentraler Bestandteil und wird häufig mit einem Kühler kombiniert. Je nach Abgaskonzept des Motors werden Hoch- oder Niederdruck-Abgasrückführung - d.h. das Abgas wird vor oder nach dem Abgasturbolader entnommen - oder eine Kombination aus beiden System eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit werden die Wechselwirkungen und Einflüsse von Ablagerungen in Turbo-aufgeladenen Dieselmotoren betrachtet. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wird auf das Teilgebiet dieser Ablagerungen im Hochdruck-AGR-System gelegt, da der zu untersuchende Volkswagen Motor in Fahrzeugen zur Einhaltung der Abgasemissionsstufe Euro 5 mit einer wassergekühlten Hochdruck-AGR und einem Abgasnachbehandlungssystem ausgerüstet ist. Das Abgas der Hochdruck-AGR wird direkt vor dem Abgasturbolader entnommen und wieder der Frischluft-Ansaugstrecke zugeführt. Das entnommene Abgas wird dabei nicht durch Abgasnachbehandlungs-Systeme gereinigt, sondern alle Abgasbestandteile werden über den Kühler und über das Ventil geführt. Dabei kann es zu Verschmutzungen kommen, die potentiell die Kühlleistung, sowie die zurück geführte Abgasmasse und das Brennverfahren beinträchtigen könnten. Im Laufe der Arbeit wird die Arbeitsweise der genannten Abgasrückführung und der verschiedenen Brennverfahren im Dieselmotor eingehend beschrieben. In der vorliegenden Dissertation werden drei Aspekte der genannten Verschmutzungen bzw. Ablagerungen im AGR-System näher untersucht. Erster Aspekt: Zunächst werden die physikalischen und chemischen Ablagerungs-mechanismen aufgezeigt, die zu Verschmutzungen bzw. zu Ablagerungen in AGR-Systemen führen können. Zweiter Aspekt: Die Ablagerungen wurden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung untersucht. Es konnte dabei festgestellt werden, dass die gefundenen Ablagerungen vollständig organisch-chemischer Natur sind und zum größten Teil aus Dieselruß, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, unverbranntem Kraftstoff, sowie diversen polymeren Strukturen bestehen. Letztere werden in situ durch die vorherrschenden Temperaturen und vorliegenden Molekül-Kombinationen dargestellt. Dritter Aspekt: Die Einfluss-Faktoren und der Mechanismus der Ablagerungsbildung werden beschrieben und in Motor-Funktionsprüfstand- und in Labor-Versuchen nachgestellt. Insbesondere der Einfluss von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und der Aufbau von organischen Polymeren auf Basis von Phenol-Aldehyd-Harzen, als auch Netzwerk Bildungsmechanismen mit Biodiesel-Molekülen und Veresterungs-Reaktionen haben sich als signifikante Mechanismen herausgestellt. Darüber hinaus kann ein starker Einfluss der Abgas- und Kühler-Temperaturen nachgewiesen werden. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser-Temperatur und Abgas-Temperatur ist, desto besser werden die chemischen Komponenten auf der Kühler-Oberfläche abgeschieden. Zusätzlich verstärken Abgas-Temperaturen bis zu 800 Grad C die Pyrolyse-Reaktionen und damit die Bildung von Netzwerken aus polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen. In Verbindung mit anschließenden Abkühlphasen werden die kondensierten Abgas-Bestandteile abgekühlt und der Status einer Netzwerk-Bildungs-Reaktion ´eingefroren´. In Zusammenspiel mit Dieselruß-Partikeln wird eine Oberfläche geschaffen, die weitere Abgas-Komponenten aufzunehmen vermag. Die sich daran anschließenden Hoch-Temperatur-Phasen pyrolysieren das organische Material und erzeugen damit eine feste und festhaftende Oberfläche bzw. Isolationsschicht. Die im Abgas enthaltene Wärme kann nicht mehr über den Wärmetauscher abgeführt werden und die Pyrolyse-Reaktionen werden durch steigende Temperaturen an der Oberfläche verstärkt. Die Ablagerungsbildung katalysiert sich selbst.
