Meeting the challenges of quantifying the elimination processes of pharmaceuticals in rivers

Die Verfügbarkeit von Humanarzneimitteln zur Behandlung von Krankheiten aller Art bildet einen integralen Bestandteil der modernen Gesellschaft. Nach ihrer Einnahme werden Pharmaka im Körper meist nur unvollständig metabolisiert, wieder ausgeschieden und ins Abwassersystem eingetragen. Dort werden Pharmaka durch Transformationsprozesse während der biologischen Stufe oder durch Sorption an Überschussschlamm teilweise entfernt, trotzdem wird ein Großteil über die Kläranlagenabläufe in Bäche und Flüsse emittiert. Bisher gibt es dennoch kaum Studien, die Eliminierungsprozesse von Arzneimittelrückständen in Flüssen quantitativ beschrieben haben. Das Ziel dieser Arbeit war es, diese Wissenslücke zu schließen und prozessorientiert Daten über das Verhalten von Arzneimittelrückständen in Fließgewässern zu gewinnen. Als erster Ansatz wurde ein Tracerversuch mit Arzneimittelwirkstoffen durchgeführt. Hierzu wurden neben zwei Fluoreszenzfarbstoffen sechs Pharmaka als Dirac Puls in einen Bach gegeben und entlang eines 16 km langen Flussabschnittes an fünf Messstellen mit automatischen Probennehmern Wasserproben entnommen. Das Schmerzmittel Ibuprofen und der Lipidsenker Clofibrinsäure wurden dabei innerhalb des Untersuchungsgebietes Fließstrecke entfernt. Für die anderen vier betrachteten Pharmaka (Bezafibrat, Diclofenac, Metoprolol, Naproxen) konnte keine Eliminierung nachgewiesen werden. Aufgrund der geringeren Austauschraten zwischen Oberflächenwasser und Sedimenten wurde die Eliminierung von Ibuprofen und Clofibrinsäure auf biologische Transformation in Biofilmen, die an Wasserpflanzen und auf der Sedimentoberfläche in hohem Ausmaß vorkamen, zurückgeführt. Basierend auf den Messdaten des Tracerversuchs wurde ein reaktives Stofftransportmodell entwickelt, das erstmals die Differenzierung von Einzelprozessen in der fließenden Welle und Speicherzonen ermöglichte. Als zweiter Ansatz wurde eine Feldstudie an einem Fließgewässer, das optimale Bedingungen für die Entfernung von Pharmaka bietet, durchgeführt. Die Feldarbeiten fanden an einem 12,5 Kilometer langen Flussabschnitt in der Nähe von Nürnberg statt, an dessen beiden Enden Mischproben entnommen und auf zehn Arzneimittelwirkstoffe analysiert wurden. Darüber hinaus wurde an drei Stellen entlang der Fließstrecke das Porenwasser tiefenorientiert beprobt sowie in situ Phototransformationsstudien durchgeführt. Für alle Stoffe konnte relativ zu Carbamazepin eine Entfernung festgestellt werden. Photoabbau war nur für das Schmerzmittel Diclofenac und für den Betablocker Sotalol ein relevanter Eliminierungspfad. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wurden die anderen Stoffe durch biologische Prozesse in den Flusssedimenten entfernt. Der postulierte Bioabbau des Betablockers Metoprolol wurde durch eine Änderung des Verhältnisses der beiden Enantiomere entlang des Untersuchungsgebietes verifiziert. Als dritter Ansatz wurde ein Labortestsystem entwickelt, das die advektiv dominierten Austauschprozesse zwischen Oberflächenwasser und Sedimenten nachstellt und somit die Bestimmung von Abbauraten von Stoffen in Fließgewässern unter umweltnahen Bedingungen ermöglicht. Mit Hilfe dieses aus rezirkulierend betriebenen Sedimentsäulen bestehenden Systems wurden Kinetiken für den biologischen Abbau ausgewählter Pharmaka in verschiedenen Sedimenten bestimmt. Abgesehen von einer anfänglichen Einstellung eines Sorptionsgleichgewichts für die beiden Betablocker Metoprolol und Propranolol trugen abiotische Prozesse in den Sedimenten nicht zur Eliminierung bei. Für alle Substanzen lagen die abgeleiteten Eliminierungsraten deutlich über den aus statischen Batchexperimenten bestimmten Werten und die Filtergeschwindigkeit hatte nur einen geringen Einfluss auf die Eliminierungsraten der Pharmaka. Die Ergebnisse zeigten, dass das gewählte rezirkulierende Testdesign zwei entscheidende Vorteile gegenüber Standardtestverfahren aufweist. Einerseits liegen die ermittelten Abbauraten wesentlich näher an den wenigen bestimmten in situ Abbauraten und stellen somit realistischere Raten dar. Andererseits werden die Abbaukinetiken unter definierten hydraulischen Bedingungen bestimmt und können dadurch einfacher auf die in der Umwelt vorherrschenden Bedingungen übertragen werden. Zusammenfassend konnte diese Arbeit einen Teil der nach wie vor vorhandenen Wissenslücke über das Verhalten von Pharmaka in Fließgewässern schließen und wertvolle neue Erkenntnisse über die relevanten Eliminierungsmechanismen liefern. Es wurde durch eine Kombination von systematischen Feldstudien mit innovativen Laborexperimenten gezeigt, dass insbesondere (mikro-)biologische Transformationsprozesse in den Flusssedimenten zur Entfernung von Arzneimittelrückständen aus Fließgewässern beitragen. Allerdings wird das vorhandene Reinigungspotenzial der Flusssedimente aufgrund eines mangelnden Austausches von Oberflächenwasser und Porenwasser oftmals nur bedingt ausgeschöpft.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2014

Author dc:creator

• Kunkel, Uwe

Contributors dc:contributor

• Fleckenstein, Jan

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/1692/

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