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Verhalten von Phenazonderivaten, Carbamazepin und estrogenen Steroiden während verschiedener Verfahren der Wasseraufbereitung
Zühlke, Sebastian
Die Pharmaka Phenazon, Propyphenazon und Dimethylaminophenazon (DMAA) wurden in einigen Wasserwerksbrunnen im Norden Berlins bis in den µg/l-Bereich detektiert. Das Verhalten dieser Arzneimittel bei verschiedenen Wasseraufbereitungsverfahren und insbesondere das Auftreten möglicher Metabolite wurde in der vorliegenden Arbeit intensiv untersucht. Die Identifizierung von Abbauprodukten und die anschließende Entwicklung einer empfindlichen und selektiven analytischen Methode zur Bestimmung der Arzneimittel und deren Metabolite standen hier im Vordergrund. Es wurden insgesamt sechs für die Trinkwasseraufbereitung relevante Metaboliten der Arzneimittel mit Phenazongrundgerüst identifiziert. Während Dimethylpyrazolon (DP) und iso-Propyldimethylpyrazolon (PDP) ausschließlich auf den mikrobiellen Abbau von Phenazon und Propyphenazon zurückzuführen sind, wurden Formylaminoantipyrin (FAA), Acetylaminoantipyrin (AAA), 1-Acetyl-1-methyl-2-dimethyl-oxamoyl-2-phenylhydrazid (AMDOPH) und 1-Acetyl-1-methyl-2-phenylhydrazid (AMPH) als Metabolite des DMAA identifiziert. Die Analysenmethode basiert auf Festphasenextraktion und Flüssigkeitschromatographie-Tandemmassenspektrometrie (LC-MSMS). Der heutige Einsatz der Pyrazolone Phenazon, Propyphenazon und Metamizol in Arzneimittelpräparaten kann zum Auftreten sämtlicher in dieser Methode untersuchten Verbindungen im kommunalen Abwasser, mit Ausnahme des nicht mehr zugelassenen DMAA führen. Diese Gruppe von Substanzen eignet sich deshalb besonders zur Untersuchung des Verhaltens von polaren Arzneimittelrückständen bei verschiedensten Wasserbehandlungsschritten und techniken. Die Sorption dieser Verbindungen an Klärschlamm, Boden oder Filtermaterial der Wasserwerksfilter konnte ausgeschlossen werden. Während Phenazon, Propyphenazon, FAA und AAA durch alle untersuchten Prozesse abgereichert wurden, zeigte sich die Persistenz von AMDOPH und dem ebenfalls untersuchten antiepileptischen Wirkstoff Carbamazepin. Der Vergleich der konventionellen Abwasserbehandlung mit Membranbioreaktoren zeigte, dass beide Techniken eine Abreicherung der meisten Pyrazolone bewirkte, wobei die membrangestützten Bioreaktoren eine geringfügig bessere Entfernung erreichten. Die Oberflächenwasseraufbereitungsanlage (OWA) in Tegel verringert ebenfalls die Konzentrationen der meisten untersuchten Arzneimittelrückstände. Die Uferfiltration und künstliche Grundwasseranreicherung von abwasserbelastetem Oberflächenwasser ist zur effektiven Entfernung von Phenazon, Propyphenazon, FAA und AAA bei den heute auftretenden Konzentrationen von unterhalb 1 µg/l geeignet. Die in einigen Wasserwerksbrunnen aufzufindenden Substanzen Phenazon, Propyphenazon, DMAA, FAA und AAA werden durch die Rohwasserfiltration zur Trinkwasserproduktion bis zu über 90 % abgereichert. Hierbei werden jedoch weitere Metaboliten wie DP und PDP gebildet, welche ihrerseits ebenfalls weiter abgebaut werden. Die vereinzelt im Trinkwasser auftretenden Arzneimittelrückstände liegen laut Gutachten des Umweltbundesamtes unterhalb der im Trinkwasser gesundheitlich lebenslang duldbaren Konzentrationen. Die Entwicklung einer selektiven und besonders sensitiven analytischen Methode zur Bestimmung der natürlichen estrogenen Steroide 17b-Estradiol und Estron sowie des synthetischen 17a-Ethinylestradiol stellte einen weiteren Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Die Bestimmung der toxikologisch besonders relevanten Estrogene ist in Grund-, Trink-, Oberflächen- und Abwasser bis deutlich unter 1 ng/l möglich. Alle drei Steroidhormone konnten im kommunalen Abwasser nachgewiesen werden. Durch die Abwasserbehandlung werden die natürlichen Estrogene zu über 90 % und Ethinylestradiol zu etwa 80 % entfernt. Das im Berliner Oberflächenwasser regelmäßig oberhalb der Bestimmungsgrenze von 0,1 ng/l detektierte Estron wird durch die OWA Tegel zu etwa 80 % abgereichert, die Uferfiltration führt schon nach wenigen Metern Bodenpassage zu einer Entfernung bis unter die Nachweisgrenze.
The presence of pharmaceutical residues in the aquatic environment is caused by their application in human medical care and may also be caused by manufacturing residues. It is supposed that at a former pharmaceutical production plant, located north of Berlin, production residues were released into the soil and into the neighboring Havel river. Thus, the analgesic and antipyretic pharmaceuticals phenazone, propyphenazone and dimethylaminophenazone (DMAA) entered the Berlin area and were, however, detected in a few drinking water supply wells downstream near the Havel river. The behavior of these analgesic compounds and especially the occurrence of metabolites was investigated in this study. At least six relevant metabolites were identified. A simple and rapid analytical method for the trace-level analysis of the polar pharmaceutical residues in various water samples from the aquatic environment was developed. Using this method, the pharmaceuticals and several of their metabolites can be analyzed in drinking, surface and wastewater (treated and untreated sewage) at concentrations down to 0.01 µg/L. Samples are prepared by a simple in situ derivatization enabling the pre-concentration of very polar metabolites by automated solid phase extraction. The analytes were separated by liquid chromatography and detected with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). In the receiving drinking water treatment plant a significant degradation of the three pharmaceuticals was observed. Any sorption of the polar compounds could be ruled out. The observed decrease of the concentration of DMAA during drinking water processing leads to the formation of acetylaminoantipyrine (AAA) and formylaminoantipyrine (FAA) as intermediates. 1-Acetyl-1-methyl-2-dimethyl-oxamoyl-2-phenylhydrazide (AMDOPH) and 1-acetyl-1-methyl-2-phenylhydrazide (AMPH) seem to be subject to an oxidative and photochemical transformation of DMAA. Due to the microbiological activity observed in the filters from the drinking water treatment plant, the degradation of phenazone and propyphenazone leads to the respective dephenylated metabolites. Thus, 1,2-dihydro-1,5-dimethylpyrazol-3-one (DP) and 1,2-dihydro-4-isopropyl-1,5-dimethyl-pyrazol-3-one (PDP) are being formed. All identified metabolites could be detected in raw and treated water of the concerning water works, and were more or less degraded during drinking water processing. A recent study commissioned by the Federal Environmental Protection agency concluded that a lifetime consumption of drinking water, containing the Metabolites DP and AMDOPH in concentrations of the Berlin drinking water, will not cause any adverse human health effects and is tolerable for lifetime consumption. Most of the investigated pharmaceuticals and metabolites were also present in raw and treated sewage. Sewage and surface water treatment causes slight reduction of the concentration of some analytes (e.g. AAA) whereas other compounds (e.g. AMDOPH) were persistent. Thus, some compounds were detected at the low µg/L level in treated sewage and could also be detected at the high ng/L range in surface and ground water samples. In a second part, a very robust and reliable LC-ESI-MS/MS method for the determination of Estron (E1), Estradiol (E2) and the synthetic hormone Ethinylestradiol (EE2) has been developed. The recovery rates of all analytes were around 100 %, and limits of quantification (LOQ) were between 0.1 and 2 ng/L depending on the analyte and the origin of the samples. The concentration of E1, E2 and EE2 in the investigated untreated sewage was determined with about 200, 12 and 10 ng/l, respectively. Both, sewage and surface water treatment affected elimination of the estrogenic steroids. E1, E2 and EE2 were removed of the aqueous phase in a municipal WWTP by more than 93, 92 and 80 %, respectively. E1 was the only compound that could be detected in surface water samples. After surface water treatment it was, however, only detectable in the range of the LOQ (0.1 ng/L). Bank filtration leads to decreasing concentrations of E1 even at short distances between the bank and the observation wells of the investigated transects.
