Bestimmung von Antibiotika und ihr Verbleib zwischen der Wasser- und Sedimentphase

Antibiotika (ABs) werden in der Human- und Veterinärmedizin zur Behandlung von bakterieller
Infektionen eingesetzt. Eines der drängendsten Probleme, das derzeit im Zusammenhang mit
ABs diskutiert wird, sind Antibiotikaresistenzen (ARs). In den letzten Jahren ist die Verbreitung
von ARs insbesondere durch die aquatische Umwelt zunehmend in den Fokus der Forschung
gerückt. Unter anderem gelangen ABs durch behandeltes Abwasser in die aquatische Umwelt
(Flüsse oder Seen). Ziel der Dissertation war die Untersuchung des Umweltverhaltens und
des Verbleibs von 19 ABs, die den Klassen der Fluorchinolone, Makrolide, Sulfonamide und
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Tetracyclinen angehören. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Sedimentphase von Flüssen, die
als Senke für anthropogene Spurenstoffe fungieren.

Im ersten Teil der Dissertation wurde eine analytische Methode zur präzisen und simultanen
Bestimmung von 19 ABs in der Sediment- und Wasserphase entwickelt. Zur Extraktion der
ABs aus dem Sediment wurde die beschleunigte Lösungsmittelextraktion verwendet. Anschließend erfolgte eine Aufreinigung mittels Festphasenextraktion. Zur Bestimmung der ABs wurde
die Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit der Massenspektrometrie eingesetzt. Dieses ermöglichte, auch sehr geringe Konzentrationen an ABs zu bestimmen (im ng/L-Bereich).

Um das Verhalten der ABs in der aquatischen Umwelt zu untersuchen, wurde im zweiten Teil
der Arbeit eine Mesokosmos-Studie durchgeführt. Dabei wurden die Bedingungen im Fluss im
Labor mit Säulenversuchen (Sediment und Wasser) nachgestellt. Folgende Prozesse wurden betrachtet: Adsorption am Flusssediment, biologischer Abbau durch Mikroorganismen, Reaktion
mit Wasser (Hydrolyse) und Zersetzung durch Sonnenlicht (Photoabbau). Mit dem gewählten
Aufbau konnte unter kontrollierbaren Laborbedingungen, aber gleichzeitig umweltnahen Gegebenheiten, das Verhalten der ABs bestimmt werden. ABs derselben Klasse wiesen ein ähnliches
Verhalten auf. Ihr Verhalten konnte auf ihre chemisch-physikalischen Eigenschaften zurück geführt werden (K$_d$-Werte für die Adsorptionsaffinität, log(K$_{OW}$)-Wert für die Löslichkeit und
Absorptionsmaximum für den Photoabbau). Der Verbleib der Fluorchinolone und Tetracycline
(hohe K$_d$-Werte) wurde maßgeblich durch die Adsorption bestimmt (46 bis 80 %). Die Konzentration der Fluorchinolone und Tetracycline nahm in der Wasserphase schnell ab und sie
persistierten nicht. Der Hauptprozess für die Sulfonamide (geringe K$_d$ -Werte) war der biologische Abbau (50 bis 65 %), der jedoch sehr langsam ablief. Die Makrolide wurden von keinem
der vier Prozesse abgebaut und persistierten, wie die Sulfonamide, in der Wasserphase.

Im letzten Teil der Arbeit wurde am lokalen Fluss Alb in Karlsruhe die Konzentration an ABs in
der Wasser- und Sedimentphase vor und nach Einleitung des Kläranlagenablaufs in den Fluss
bestimmt. Durch die Anwendung der im ersten Teil entwickelten analytischen Methode wurden
neun ABs von 19 möglichen im Konzentrationsbereich von 1,6 bis 396,3 ng/L im Kläranlagenablauf quantifiziert. Für das Oberflächenwasser nach Einleitung des Kläranlagenablaufs
lagen die Konzentration bei 0,5 bis 134,9 ng/L . In den Sedimentproben wurden sechs der
neun ABs aus der Wasserphase im unteren Mikrogramm je Kilogramm Bereich quantifiziert
(0,07 bis 21,92 µg/kg bezogen auf die Trockenmasse des Sediments). Durch die Feldstudie
konnte der anthropogene Eintrag von ABs und Antibiotikaresistenzgenen in die aquatische
Umwelt (Wasser- und Sedimentphase) verdeutlicht werden.

Die Kombination der Ergebnisse aus der Mesokosmosstudie und der Feldstudie zeigten, dass die
chemisch-physikalischen Eigenschaften sowie die Struktur der ABs ihr Verhalten und Verbleib
in der aquatischen Umwelt bestimmten. Mit dem log(K$_{OW}$)-Wert, pK$_S$-Wert, K$_d$-Wert und
dem Absorptionsmaxima konnte das Verhalten der ABs begründet werden.

Antibiotics (ABs) are antibacterial agents applied in human and veterinary medicine. At the
moment, one of the most urgent problem discussed in the context of ABs is antibiotic resistance
(AR). Effluents of waste water treatment plants has been recognized as the main anthropogenic
source for ABs and antibiotic resistance genes (ARGs) in the aquatic environment (river and
sediment phase). Despite years of studies, the role of the environment in the context of
dissemination of AR is still not fully understood.
The objective of this thesis was the investigation of the behaviour and fate of 19 ABs between
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the water sediment interface belonging to the fluoroquinolones, macrolides, sulfonamides and
tetracyclines. One focus was the sediment phase of the river because sediments can act as a
sink for anthropogenic micropollutants.

In the first part of the thesis, an analytical method for the precise and simultaneous deter-
mination of 19 ABs in river sediment and surface water was developed. ABs were extracted
by pressurized liquid extraction and further enriched and cleaned-up by solid phase extraction.
The ABs were quantified with liquid chromatography coupled to mass spectrometer. With this
method, it was possible to determine also very low concentration of ABs (low ng/L-range).

In the second part of the thesis, a laboratory scale mesocosm experiment was conducted. The
goal was to evaluate the contribution of adsorption to river sediment, biodegradation, reaction
with water (hydrolysis) and degradation through sunlight (photodegradation) to the overall attenuation of the ABs. The condition in the river were simulated in the laboratory with a
column experiment (containing river sediment and water). With the set-up, it was possible to
study the behavior of the ABs in a reproducible and environmentally plausible way. The results
underline that ABs from the same class behaved similar. Furthermore, the behavior of the
ABs was related to their physical-chemical properties (K$_d$ values, log(K$_{OW}$) values, absorption
maxima). For ABs with high Kd values (fluoroquinolones and tetracyclines) adsorption was
the main attenuation process (44,4 to 80,0 %). Their concentration declined fast in the water
phase and therefore they were classified as non-persistent. For ABs with lower Kd values
(sulfonamides) biodegradation had a higher contribution. But the process was slow and the
ABs persisted in the water phase. The macrolides were not affected by studied processes and
persisted in the water phase.

In the last part of the thesis the concentration of ABs in surface water and river sediments
were quantified in the local river Alb (Karlsruhe) before and after the effluent of the waste
water treatment plant was discharged into the river. For this field study the analytical me-
thod developed in the first part was applied. From 19 ABs nine were quantified in the river
water after the release of the effluent. The ABs concentration in the effluent ranged from
1,6 to 396,3 ng/L. After the discharge of the treated waste water the concentration in the
surface water was in the range of 0,5 to 134,9 ng/L. In the sediment phase six from the
nine ABs, quantified in the water phase, were also determined. The concentration was in the
lower µg/kg-range (0,07 to 21,92 µg/kg, related to the dried mass of the sediment).

The results from the mesocosm study and the field study showed that behaviour and fate of
the ABs depend on their chemical-physical properties and chemical structures. With the help
of the og(K$_{OW}$) value, pK$_A$ value, K$_d$ value and absorption maxima the behaviour of the ABs
were established.