Entwicklung und Anwendung chemisch-analytischer Verfahren zur Bestimmung endokrin wirksamer Substanzen

• Development and application of analytical methods for determination of endocrine disrupting compounds

Stehmann, Angelika; Schröder, Horst Friedrich (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Kurzfassung

Ziel dieser Arbeit war es, Analysenmethoden zum Nachweis, zur Identifizierung und zur Quantifizierung endokrin wirksamer Substanzen (EDCs) aus Matrices, die während des Abwasserreinigungsprozesses anfallen, zu entwickeln. Dazu sollte ein besonderes Augenmerk auf Matrices gelegt werden, die in die Umwelt ausgebracht werden und dort durch Resuspendierung Quellen endokrin wirksamer Subtanzen darstellen. Dazu gehören insbesondere Klärschlämme und Sedimente. Aus der Fülle der EDCs wurden die Xenoestrogene Nonylphenol, Bisphenol A und Octylphenol sowie die estrogenen Steroidhormone Estron, 17beta-Estradiol, Estriol und 17alpha-Ethinylestradiol ausgewählt. Diese Substanzen besitzen eine hohe Umweltrelevanz. Sie werden entweder in großen Mengen industriell hergestellt und eingesetzt, ggf. weiterverarbeitet, sie entstehen teilweise aber auch durch biochemischen Abbau im Klärprozess oder sie werden im menschlichen Körper gebildet und gelangen über die menschlichen Ausscheidungen in die Kläranlagen. Für Zulauf- und Ablaufproben wurde ein Verfahren, bestehend aus einer Anreicherung an C18-Festphasenmaterial mit anschließendem clean-up an Kieselgel und einer Derivatisierung mittels Heptafluorbuttersäureanhydrids, entwickelt. Der Nachweis dieser endokrin wirksamen Substanzen und ihre anschließende Identifizierung und Quantifizierung erfolgte mittels massenspektrometrischer Detektion nach vorheriger gaschromatographischer Trennung (GC-MS) EDC-haltiger Extrakte. Besonders wurde der Einfluss unterschiedlicher Derivatisierungsreagenzien auf die Nachweisbarkeit hinterleuchtet. Dabei wurde u.a. der Einfluss unterschiedlicher Fluorgehalte der Derivate auf die Empfindlichkeit bei der Ionisierung entweder mittels Elektronenionisation oder mittels negativer chemischer Ionisation untersucht. Als optimales Derivatisierungsreagenz erwies sich das Heptafluorbuttersäuranhydrid. Für den routinemäßigen Nachweis der EDCs wurde deshalb im Anschluss an diese bewertenden Untersuchungen die positive Elektronenionisation (EI(+)) verwendet. Die Wiederfindungen dieser optimierten Bestimmungsmethode lagen zwischen 77 und 116% und die Nachweisgrenzen lagen im unteren ng/L-Bereich, so dass die Methode zur Analyse realer Abwasserproben auf EDCs geeignet ist. Die Besonderheit an der Bestimmung aus den festen Matrices Klärschlamm bzw. Sediment, war die Extraktion mittels "accelerated solvent extraction" (ASE) bzw. "pressurized liquid extraction" (PLE). Dieses Verfahren wurde bisher kaum, bzw. nicht für die komplette Bandbreite der ausgewählten EDCs genutzt. Die Extraktion wurde in Bezug auf Temperatur, Druck, verwendetem Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch - nach Art und Menge - sowie in Bezug auf die Extraktionszeit und Einwaage des Probenmaterials optimiert. Die erarbeitete Methode ist besonders effizient in Bezug auf die Extraktionsausbeute, d.h., die Wiederfindungen liegen im Bereich von 82 bis 116% für Klärschlämme und 74 bis 104% für Sedimente. Im Vergleich zu der häufig angewendeten Soxhlet-Extraktion ist die entwickelte ASE-Extraktion zum einen wesentlich schneller und verbraucht zum anderen geringere Volumina an Extraktionsmitteln. Das nachfolgende clean-up des Probenextraktes erfolgte entsprechend der Aufarbeitung wässriger Proben, nachdem der organische Extrakt zuvor in Reinstwasser suspendiert worden war. Die optimierte Bestimmungsmethode der EDCs in festen Matrices wurde auch eingesetzt, um die Belastung des Sediments eines in Griechenland gelegenen Sees mit Namen "Volvi" über einen Zeitraum von zwei Jahren abzubilden. Dieser See ist durch die Ramsar Convention on Wetlands als ein international bedeutendes Feuchtgebiet ausgewiesen. Aufgrund dieses Schutzes ist die Information über eine Belastung mit endokrin wirksamen Substanzen von großem Interesse. Die Ergebnisse zeigten, dass die Belastung im Untersuchungszeitraum stark zurückgegangen war. Am Anfang der Untersuchungen waren noch die besonders potenten Steroide nachweisbar, am letzten Probenahmetermin war dagegen nur noch Bisphenol A zu beobachten, dieses jedoch in deutlich geringeren Konzentrationen als zu Beginn der Untersuchungen. Damit stehen nunmehr validierte analytische Methoden zur Bestimmung der endokrin wirksamen Substanzen Nonylphenol, Bisphenol A, Octylphenol, Estron, 17beta-Estradiol, Estriol und 17alpha-Ethinylestradiol aus flüssigen und festen Matrices, d.h., aus Abwässern, Klärschlämmen und Sedimenten, zur Verfügung. Diese haben bereits in der Routineanalytik ihre Bewährungsprobe bestanden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft [314110]