Identifizierung von Risikofeldern Abschlussbericht


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Eintrag von Antibiotika in die aquatische Umwelt 
 
Prüfung der biologischen Abbaubarkeit ausgewählter Antibiotika, 
ihr Vorkommen im Abwasser und ihr möglicher Einfluss auf die 
Reinigungsleistung kommunaler Kläranlagen 
 
Identifizierung von Risikofeldern
 
 
 
 
 
Abschlussbericht 
 
 
F&E-Vorhaben 298 63 722 
 
 
 
 
 
 
PD Dr. K. Kümmerer (Projektleitung) 
 
 
 
 
 
 
 
Freiburg im August 2003 

 
 
F&E-Vorhaben 298 63 722 
 
 
Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene, Universitätsklinikum, 
Hugstetter Str. 55, 79106 Freiburg i. Br. 
Dr. Radka Alexy 
Dipl.-Ing. (FH) Tina Kümpel 
Dipl.-Ing. (FH) Alice Schöll 
PD Dr. Klaus Kümmerer 
 
ECT Oekotoxikologie GmbH, Böttger Str. 2-14, 65439 Flörsheim am Main 
Dr. Wolfgang Kalsch 
Dipl.-Ing. (FH) Thomas Junker 
Dr. Johann F. Moltmann 
Dr. Thomas Knacker 
 
Universität Dortmund, Lehrstuhl für Computergestützte Statistik, 
Vogelpothsweg 87, 44221 Dortmund 
Dipl.-Math. Winfried Theis 
Prof. Dr. Claus Weihs 
 
Hydrotox GmbH, Bötzinger Str. 29, 79111 Freiburg i. Br. 
Elke Urich 
Dipl.-Geo./Hydrologie Stefan Gartiser 
 
DVGW-Technologiezentrum Wasser (TZW), 
Karlsruher Str. 84, 76139 Karlsruhe 
Dipl.-Ing. Melanie Metzinger 
Michael Wenz 
Dr. Frank Thomas Lange 
 
Vermicon AG, Emmy-Noether Str. 2, 80992 München 
Dr. Claudia Beimfohr 
 

Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 

D
A N K S AG U N G
 
 
Dieses Projekt konnte nur durch die Mitwirkung und das Engagement vieler Arbeits-
gruppen  mit  breitem  Fachwissen  (ECT  Oekotoxikologie  GmbH  Flörsheim,  Hydrotox 
GmbH  Freiburg,  DVGW  -  Technologiezentrum  Wasser  Karlsruhe,  Universität  Dort-
mund  -  Lehrstuhl  für  Computergestützte  Statistik,  Vermicon  AG  München,  Uniklinik 
Freiburg - Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene) durchgeführt werden. 
Wir danken dem gesamten Team für die gute Zusammenarbeit und ständige Bereit-
schaft für Diskussionen. 
 
Unser Dank gilt insbesondere den aktiv am Projekt beteiligten Mitarbeitern der Stadt-
, Rathaus-, Üsenberg-Apotheke und Arztpraxen der Stadt Kenzingen sowie den Mit-
arbeitern der Kläranlage Forchheim, Kenzingen, Wyhl, Niedernhausen und den Mit-
arbeitern der Forstlichen Versuchsanstalt in Freiburg. Sie haben auf freiwiliger Basis 
mit beispielhaftem Einsatz zum Erfolg des Vorhabens beigetragen. 
 
Wir  danken  auch  dem  Umweltbundesamt  Berlin,  dessen  finanzielle  Förderung  des 
Projektes (F&E-Vorhaben 298 63 722) den Grundstein der Kentnisse über Umweltei-
genschaften der Antibiotika geschaffen hat. 

Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 

I
N H A L T S V E R Z E I C H N I S
 
DANKSAGUNG 
3 
INHALTSVERZEICHNIS 
4 
1 
EINLEITUNG 
12 
2 
METHODEN 
24 
2.1
 
Literaturrecherche und Stoffauswahl ............................................................................... 24
 
2.2
 
Eintrag und Nachweis von Antibiotika in der aquatischen Umwelt ................................ 26
 
2.2.1
 
Bilanzierung Kenzingen ................................................................................................... 26
 
2.2.1.1
 
Antibiotikaverbrauch in Kenzingen........................................................................... 26
 
2.2.1.2
 
Beprobung der kommunalen Kläranlage Kenzingen ................................................ 28
 
2.2.2
 
Kläranlagen Forchheim und Wyhl .................................................................................... 29
 
2.2.2.1
 
Beprobung der kommunalen Kläranlage Forchheim ................................................ 29
 
2.2.2.2
 
Beprobung der kommunalen Kläranlage Wyhl ......................................................... 30
 
2.2.3
 
Analytische Verfahren zur Antibiotika-Bestimmung aus wässrigen Proben ....................... 31
 
2.2.3.1
 
Extraktion................................................................................................................ 34
 
2.2.3.2
 
Hochleistungsflüssigkeitschromatografie ................................................................. 36
 
2.2.3.3
 
Elektrospray-Tandem-Massenspektrometrie............................................................ 39
 
2.2.3.4
 
Grundvalidierung..................................................................................................... 41
 
2.2.3.5
 
Untersuchung von Matrixeffekten ............................................................................ 45
 
2.2.3.6
 
Teilnahme des TZW-Labors am BLAC-Ringversuch (externe Qualitätssicherung) ... 49
 
2.2.4
 
Analytisches Verfahren zur Antibiotika-Bestimmung aus Schlammproben........................ 52
 
2.2.4.1
 
Bestimmung von Wirkstoffgehalten in Feststoffen.................................................... 52
 
2.2.4.2
 
Die saure Extraktion................................................................................................ 53
 
2.3
 
Verhalten, Abbau und Eliminierung von Antibiotika........................................................ 54
 
2.3.1
 
Closed Bottle Test (OECD 301D : 1992) .......................................................................... 54
 
2.3.2
 
Kombinationstest (Inhärente Abbaubarkeit)...................................................................... 60
 
2.3.2.1
 
Kombinationstest bei hohen Antibiotikakonzentrationen........................................... 60
 
2.3.2.2
 
Kombinationstest bei niedrigen Antibiotikakonzentrationen ...................................... 65
 
2.3.3
 
Anaerobe Abbaubarkeit ................................................................................................... 66
 
2.3.3.1
 
Anaerobe Abbaubarkeit bei hohen Antibiotikakonzentrationen................................. 66
 
2.3.3.2
 
Anaerobe Abbaubarkeit bei niedrigen Antibiotikakonzentrationen ............................ 68
 
2.3.4
 
Kläranlagensimulationstest OECD 303 A : 1981 (modifiziert) und Draft Document : 2000. 69
 
2.3.4.1
 
Belebtschlamm- und Verfahrensparameter.............................................................. 69
 

Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 

2.3.4.2
 
Stoffspezifische Analytik.......................................................................................... 77
 
2.3.4.3
 
Untersuchung der Populationsdynamik.................................................................... 77
 
2.3.4.3.1
 
Chemotaxonomie................................................................................................ 77
 
2.3.4.3.2
 
FISH (Fluoreszenz-In-Situ-Hybridisierung) .......................................................... 86
 
2.3.5
 
Kläranlagensimulationstest OECD 303 A : 1981 mit radioaktiv markierten Substanzen .... 87
 
2.3.5.1
 
Belebtschlamm- und Verfahrensparameter.............................................................. 87
 
2.3.5.2
 
Stoffspezifische Analytik: Primärelimination ............................................................. 93
 
2.3.6
 
Licht- und Temperaturempfindlichkeit .............................................................................. 93
 
2.3.7
 
Adsorption ....................................................................................................................... 96
 
2.4
 
Wirkung von Antibiotika auf Bakterien............................................................................. 97
 
2.4.1
 
Bestimmung der koloniebildenden Einheiten (KBE) im CBT ............................................. 97
 
2.4.2
 
Pseudomonas putida Wachstumshemmtest (EN ISO 10712 : 1995) und Modifikation für 
Enterococcus faecalis .................................................................................................................. 99
 
2.4.3
 
Respirationshemmtest (OECD 209 : 1984) .................................................................... 105
 
2.4.3.1
 
Verlängerter Respirationshemmtest....................................................................... 108
 
2.4.4
 
Nitrifikationshemmtest (DIN EN ISO 9509 : 1995) .......................................................... 109
 
2.4.4.1
 
Verlängerter Nitrifikationshemmtest ....................................................................... 113
 
2.4.4.2
 
Nachweis von nitrifizierenden Bakterien mit Nitri-VIT ............................................. 113
 
2.4.5
 
Anaerober Hemmtest..................................................................................................... 115
 
2.5
 
Modellierung und Risikobewertung................................................................................ 120
 
2.5.1
 
Statistische Methoden für die EC
x
-Berechnung .............................................................. 120
 
2.5.2
 
Modellierung.................................................................................................................. 121
 
2.5.2.1
 
Das Modell der EMEA ........................................................................................... 121
 
2.5.2.2
 
EUSES 1.0 und TOXSWA 1.2 ............................................................................... 123
 
2.5.2.3
 
Eingangsdaten für die untersuchten Substanzen ................................................... 126
 
2.5.2.4
 
Gemessene Umweltkonzentration ......................................................................... 135
 
2.5.3
 
Risikobewertung ............................................................................................................ 137
 
3 
ERGEBNISSE UND DISKUSSION 
140 
3.1
 
Literaturrecherche und Stoffauswahl ............................................................................. 140
 
3.1.1
 
Literaturrecherche ......................................................................................................... 140
 
3.1.2
 
Stoffauswahl der 18 Antibiotika...................................................................................... 140
 
3.1.3
 
Literaturrecherche zum Abbauverhalten von Amoxicillin................................................. 145
 
3.2
 
Eintrag und Nachweis von Antibiotika in der aquatischen Umwelt .............................. 148
 
3.2.1
 
Bilanzierung Kenzingen ................................................................................................. 148
 
3.2.1.1
 
Antibiotikaverbrauch in Kenzingen......................................................................... 148
 
3.2.1.2
 
Umweltkonzentrationen......................................................................................... 149
 
3.2.1.3
 
Aussagekraft der Bilanzierung............................................................................... 151
 

Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 

3.2.2
 
Kläranlagen Forschheim und Wyhl ................................................................................ 154
 
3.3
 
Verhalten, Abbau und Eliminierung von Antibiotika...................................................... 161
 
3.3.1
 
Closed Bottle Test (OECD 301 : 1992) .......................................................................... 161
 
3.3.1.1
 
Biologische Abbaubarkeit im CBT ......................................................................... 161
 
3.3.1.2
 
Abiotische Elimination im CBT............................................................................... 165
 
3.3.2
 
Kombinationstest (Inhärente Abbaubarkeit).................................................................... 169
 
3.3.2.1
 
Kombinationstest bei hohen Antibiotikakonzentrationen......................................... 169
 
3.3.2.2
 
Kombinationstest bei niedrigen Antibiotikakonzentrationen .................................... 175
 
3.3.3
 
Anaerobe Abbaubarkeit ................................................................................................. 180
 
3.3.3.1
 
Anaerobe Abbaubarkeit bei hohen Antibiotikakonzentrationen............................... 180
 
3.3.3.2
 
Anaerobe Abbaubarkeit bei niedrigen Antibiotikakonzentrationen .......................... 185
 
3.3.4
 
Kläranlagensimulationstest ............................................................................................ 192
 
3.3.4.1
 
Belebtschlamm- und Verfahrensparameter............................................................ 192
 
3.3.4.2
 
Stoffspezifische Analytik........................................................................................ 203
 
3.3.4.3
 
Untersuchung der Populationsdynamik.................................................................. 206
 
3.3.4.3.1
 
Chemotaxonomie.............................................................................................. 206
 
3.3.4.3.2
 
Statistische Auswertungsmethode der Chemotaxonomie................................... 209
 
3.3.4.3.3
 
FISH (Floureszenz-In-Situ-Hybridisierung) ........................................................ 218
 
3.3.5
 
Kläranlagensimulationstest OECD 303 A : 1981 mit radioaktiv markierten Substanzen .. 226
 
3.3.5.1
 
Belebtschlamm- und Verfahrensparameter............................................................ 226
 
3.3.5.2
 
Stoffspezifische Analytik für 
14
C-Trimethoprim ....................................................... 232
 
3.3.6
 
Licht- und Temperaturempfindlichkeit ............................................................................ 233
 
3.3.7
 
Adsorption ..................................................................................................................... 243
 
3.4
 
Wirkung von Antibiotika auf Bakterien........................................................................... 246
 
3.4.1
 
Koloniebildende Einheiten (KBE) im CBT....................................................................... 246
 
3.4.2
 
Wachstumshemmtest (EN ISO 10712 : 1995) ................................................................ 249
 
3.4.2.1
 
Keimauswahl und Methodenentwicklung ............................................................... 250
 
3.4.2.2
 
Vergleich der Ergebnisse für beide Keime ............................................................. 258
 
3.4.3
 
Respirationshemmtest (OECD 209 : 1984) .................................................................... 268
 
3.4.4
 
Nitrifikationshemmtest (DIN EN ISO 9509 : 1995) .......................................................... 277
 
3.4.5
 
Anaerober Hemmtest..................................................................................................... 288
 
3.5
 
Modellierung und Risikobewertung................................................................................ 293
 
3.5.1
 
Vergleich der statistischen Methoden für die EC
x
-Berechnung ....................................... 293
 
3.5.2
 
Modellierung.................................................................................................................. 297
 
3.5.2.1
 
Ergebnisse der Modellierung ................................................................................. 297
 
3.5.2.2
 
Diskussion für die Stoffe im Einzelnen................................................................... 300
 
3.5.3
 
Risikoanalyse auf Basis der Ergebnisse des Wachstumshemmtests .............................. 307
 
3.5.4
 
Risikobewertung ............................................................................................................ 310
 

Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 

4 
BEWERTUNG 
313 
5 
ZUSAMMENFASSUNG 
323 
6 
AUSBLICK 
335 
7 
PUBLIKATIONEN 
336 
8 
LITERATURVERZEICHNIS 
342 
9 
ANHANG 
366 
9.1
 
Material und Geräte ......................................................................................................... 366
 
9.1.1
 
Untersuchte Stoffe......................................................................................................... 366
 
9.1.2
 
Untersuchte radioaktiv markierte Stoffe.......................................................................... 367
 
9.1.3
 
Chemikalien .................................................................................................................. 367
 
9.1.4
 
Verbrauchsmaterial ....................................................................................................... 371
 
9.1.5
 
Geräte........................................................................................................................... 372
 
9.2
 
Stoffdossiers.................................................................................................................... 376
 

Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 

 
Symbol 
Bedeutung 
Einheit 
A. R. 
Ausscheidungsrate 

AB 
Antibiotika 

AIC 
Akaikes Informationskriterium 

AMG 
Arzneimittelgesetz 

ANOVA 
Analysis of Variance – Varianzanalyse 

AQS 
Analytische Qualitätssicherung  

ATCC 
American Type Culture Collection 

BfArM 
Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte 

BG 
Bestimmungsgrenze 

BgVV 
Bundesinstitut  für  gesundheitlichen  Verbraucherschutz  und 
Veterinärmedizin 

BLAC 
Bund-/Länderausschuss für Chemikaliensicherheit 

BMBF 
Bundesministerium für Bildung und Forschung 

BSB 
Biologischer Sauerstoffbedarf 
mg O
2
/l 
BVL 
Bundesamt  für  Verbraucherschutz  und  Lebensmittelsicher-
heit 
 

Kohlenstoff 

CAS 
Chemical Abstracts Service 

CBT 
Closed Bottle Test 

CPMP 
Committee for Proprietary Medicinal Products 

CSB 
Chemischer Sauerstoffbedarf 
mg O
2
/l 
CSTEE 
Scientific  Committee  on  Toxcity,  Ecotoxicity  and  the  envi-
ronment 


Tag (day) 

DIC / IC 
(Dissolved)  inorganic  carbon,  Gehalt  an  inorganischem 
Kohlenstoff 
mg/l 
DIN 
Deutsches Institut für Normung 

DOC 
Dissolved  Organic  Carbon,  Gehalt  an  gelöstem  organi-
schem Kohlenstoff 
mg/l 
DSMZ 
Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen 

DT
x
-Wert 
Anzahl von Tagen, in denen x-%ige Menge eines Wirkstoffs 
im Boden abgebaut wird 


Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 

Symbol 
Bedeutung 
Einheit 
DVGW 
Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e. V. – 
Wissenschaftlich-technischer Verein 

EAWAG 
Eidgenössische  Anstalt  für Wasserversorgung  ,  Abwasser-
reinigung und Gewässerschutz 

ECETOC 
European  Centre  for  Ecotoxicology  and  Toxicology  of 
Chemicals 

ECT 
ECT Ökotoxikologie GmbH, Flörsheim 

EC
x
-Wert 
Effektkonzentration bei der eine x-%ige Wirkung eintritt 
µg/l bzw. mg/l 
EMEA 
European Agency for the Evaluation of Medicinal Products 

EMPA 
Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt 

EN 
Europäische Norm 

ENV+ 
Styroldivinylbenzol-Copolymer 

ESI 
Electrospray Ionization 

EU 
Europäische Union 

EUSES 
European Union System for the Evaluation of Substances  

EWG 
Europäische Wirtschaftsgemeinschaft 

F&E 
Forschung & Entwicklung 

FEDESA 
Fédération Européenne De La Santé Animale 

FISH 
Fluoreszenz in-situ Hybridisierung 

FNU 
Formazine Nephelometric Units 

G+C-
Gehalt 
Guanosin- und Cytosin-Gehalt der DNA 

GSBL 
Gemeinsamer Stoffdatenpool Bund/Länder 

HGC 
Gram-positive Bakterien mit hohem G+C-Gehalt 

HPLC 
High Performance Liquid Chromatography 

IC 
Ionenchromatografie 

IMO 
International Maritime Organisation 

ISO 
International Organisation for Standardization 

IST 
International Sorbent Technology 

IUK 
Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene 

KA 
Kläranlage 

KBE 
Koloniebildende Einheiten 

K
OC
-Wert 
Verteilungskoeffizient  eines  Wirkstoffs  zwischen  org.  Sub-


Abschlussbericht F&E-Vorhaben 298 63 722 
10 


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Do'stlaringiz bilan baham:
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