Algogenic organic bromine compounds : detection, characterisation, identification and relevance for drinking water

Seit mehreren Jahren werden im Spätsommer erhöhte Konzentrationen algenbürtiger organischer Bromverbindungen in Berliner Oberflächenwässern über den Gruppenparameter AOBr (adsorbierbare, organische Bromverbindungen) nachgewiesen. Hohe Gehalte an algenbürtigem AOBr können auch potenziell in mesotrophen, eutrophen und hypertrophen Gewässern mit vermehrtem Phytoplankton detektiert werden. Ebenso kann Grundwasser durch eine (künstliche) Anreicherung mit Oberflächenwasser eine AOBr Belastung zeigen. Bislang gibt es nur wenige Studien zu algenbürtigem AOBr in Süßwässern. Deren Strukturen und toxische Effekte sind bisher unbekannt. In Berliner Oberflächenwässern korreliert der Jahresgang an AOBr und Cyanotoxinen, wobei die Analysen wegen hoher Matrixlast und niedriger Analytkonzentrationen erschwert sind. Alternativ bilden Algenkulturen im Labor AOBr aber auch Cyanotoxine in höheren Konzentrationen. Während der Bildungsphase wird ein redoxsensitives Verhalten des AOBr beobachtet, das anhand von Laborstudien auf N-Br Verbindungen zurückgeführt wird. Der AOBr aus Oberflächenwasser und Algenkultur wird durch verschiedene Extraktionstechniken charakterisiert. Die AOBr Charakteristik ist je nach Quelle unterschiedlich. Im Vergleich zu Algenkulturen besteht der AOBr aus Oberflächenwässern zu einem größeren Teil aus (stark) polaren und anionischen Verbindungen. Mit Hilfe eines bromselektiven Detektionsverfahrens werden am Massenspektrometer zahlreiche bromierte Verbindungen nach Extraktion nachgewiesen. In jeder Algenkultur werden unterschiedliche bromorganische Verbindungen detektiert. Mittels hochauflösendem Massenspektrometer werden 18 Summenformeln von bromierten Ionenspuren ermittelt sowie mögliche Strukturen abgeleitet. Bei verschiedenen Aufbereitungsschritten der Trinkwassergewinnung wird das Verhalten des AOBr untersucht. In der simulierten Bodenpassage ist der Abbau im Aeroben schwach (0 – 10 %) und im Anaeroben mäßig (30 – 40 %). Bei der Flockung wird der AOBr ebenfalls nur geringfügig entfernt. Eine effektive AOBr Eliminierung wird durch Adsorption an Pulveraktivkohlen erzielt, welche jedoch bislang für die Trinkwassergewinnung in Berlin nicht genutzt werden, so dass Restgehalte an AOBr im Trinkwasser vorliegen können. Anhand von Vibrio fischeri werden toxische Effekte erst in Konzentrationen von über 100 µg/L AOBr nachgewiesen, die nicht in Berliner Oberflächenwässern detektiert werden. Der ermittelte Oktanol/Wasser-Verteilungskoeffizient (KOW) bestätigt die Hydrophilie des AOBr. Eine Wechselwirkung von AOBr mit organischem Substrat bzw. Organismen wird auf Grund eines sehr niedrigen KOW ausgeschlossen.A high concentration of organic bromine compounds produced by algae has been detected via adsorbable organic bound bromine (AOBr) during the past several summers in surface water in Berlin. Furthermore, it is expected that these algae AOBr can also be found in mesotrophic, eutrophic and hypertrophic water with a high level of phytoplankton and in groundwater (artificially) enriched with surface water. Due to the lack of scientific studies of AOBr in fresh water, its noxious effects and structure is unknown so far. Despite of matrix–related effects and a low concentration of analytes, analyses have been proven that the annual cycle of AOBr correlates with cyanotoxins in surface water in Berlin. However, algae cultures develop higher concentrations of AOBr and cyanotoxins under laboratory conditions. Studies have shown that N-Br compounds may be responsible for a redoxsensitive characteristic of AOBr during the formation process. The AOBr of surface water and algae cultures is characterized through different extraction processes and differs by its source. In comparison to algae cultures the AOBr of surface waters is more (strongly) polar and anionic. After extraction numerous organic bromine compounds are detected with the help of a bromine selective detection via mass spectrometry. In each algae culture different organic bromine compounds are detected. By high resolution mass spectrometry 18 elemental formulas of brominated compounds could be determined and, structures are proposed. The behavior of organic bromine compounds during ground water recharge and drinking water treatment was studied. The simulation of groundwater recharge shows a weak decomposition under aerobic conditions (0 – 10 %) and a moderate decomposition in the anaerobic zone (30 – 40 %). The algae AOBr is only slightly removed by coagulation. A more effective way of eliminating algae AOBr is adsorption on activated-carbon. However, this method is not applied in Berlin for drinking water purification. Noxious effects of AOBr are proven only for concentrations above 100 µg/L with Vibrio fischeri, which cannot be detected in surface water in Berlin. The hydrophilic characteristic of AOBr is approved by the octanol/water-partition coefficient (KOW). Furthermore, an interaction of the organic bromine compounds with organic substrate respectively organisms can be ruled out due to a low KOW

Cyanobacterial Xenobiotics as Evaluated by a Caenorhabditis elegans Neurotoxicity Screening Test

In fresh waters cyanobacterial blooms can produce a variety of toxins, such as microcystin variants (MCs) and anatoxin-a (ANA). ANA is a well-known neurotoxin, whereas MCs are hepatotoxic and, to a lesser degree, also neurotoxic. Neurotoxicity applies especially to invertebrates lacking livers. Current standardized neurotoxicity screening methods use rats or mice. However, in order to minimize vertebrate animal experiments as well as experimental time and effort, many investigators have proposed the nematode Caenorhabditis elegans as an appropriate invertebrate model. Therefore, four known neurotoxic compounds (positive compounds: chlorpyrifos, abamectin, atropine, and acrylamide) were chosen to verify the expected impacts on autonomic (locomotion, feeding, defecation) and sensory (thermal, chemical, and mechanical sensory perception) functions in C. elegans. This study is another step towards successfully establishing C. elegans as an alternative neurotoxicity model. By using this protocol, anatoxin-a adversely affected locomotive behavior and pharyngeal pumping frequency and, most strongly, chemotactic and thermotactic behavior, whereas MC-LR impacted locomotion, pumping, and mechanical behavior, but not chemical sensory behavior. Environmental samples can also be screened in this simple and fast way for neurotoxic characteristics. The filtrate of a Microcystis aeruginosa culture, known for its hepatotoxicity, also displayed mild neurotoxicity (modulated short-term thermotaxis). These results show the suitability of this assay for environmental cyanotoxin-containing samples