140 research outputs found

    Testing selected micro-contaminants for their applicability as water quality indicators

    Get PDF
    Die Verwendung anthropogener organischer Spurenstoffe wie beispielsweise Pharmazeutika, Lifestyle-Produkte, Biozide und Pestizide als Indikatoren für die Bewertung der Wasserqualität hat großes Interesse in der Wissenschaftsgemeinde geweckt, und die Verwendung dieser Substanzen als Indikatoren für die Prozessoptimierung, Quellzuordnung und zur Abschätzung des Ausmaßes einer möglichen Kontamination (z. B. den Abwasseranteil von Oberflächen- und Grundwasser) besitzt ein sehr großes Anwendungspotential. Die hier präsentierte Arbeit ist die erfolgreiche und konsequente Weiterführung bestehender Forschungsaktivitäten zur Eignung ausgewählter Spurenstoffe als Indikatoren für die Bewertung der Wasserqualität, ihrem Vorkommen und Verhalten in der Umwelt sowie ihrer Redox-spezifischen Transformation. Um eine Substanz als Indikator verwenden zu können, müssen sensitive und selektive Analysenmethoden verfügbar sein. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer Multimethode für den Nachweis von 46 basischen, neutralen und sauren Analyten mittels der Hochleistungs-Flüssigchromatographie und Elektronenspray-Ionisation (ESI) mit anschließender Tandem-Massenspektrometrie (HPLC-ESI-MS/MS) beschrieben. Das ausgewählte Analytenspektrum deckt einen weiten Bereich hinsichtlich der Polarität der Stoffe (log Kow <0–5,9) sowie ihrer repräsentierten Kontaminationsquellen ab. Die Besonderheit der entwickelten Methode stellt die simultane Festphasenanreicherung (SPE), Trennung und Detektion aller Analyten dar. Um dieses realisieren zu können, wird das ESI-Interface in beiden möglichen Operationsmodi (+/−) verwendet, so dass pro Probe nur eine Injektion notwendig ist. Die Bestimmungsgrenzen der Methode in Fluss- und Meerwasser liegen im Bereich weniger ng/L. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird die hohe Flexibilität der Methode (Integration zusätzlicher Analyten und Anpassung an andere Wassertypen) demonstriert. Im darauf folgenden Abschnitt werden die Ergebnisse eines intensiven Fluss-Monitorings vorgestellt. Der Fokus liegt dabei auf der Korrelation von 41 Spurenstoffen mit Kalium (K+) und deren räumlichen und zeitlichen Varianz. Da Urin je nach K+-Hintergrundkonzentration des Gewässers eine signifikante K+-Quelle darstellen kann, ist in Gewässern mit hohem Abwasseranteil eine positive Korrelation von abwasserbürtigen Stoffen und K+ zu erwarten. Diese Korrelation ist für Stoffe mit folgenden Charakteristika bestätigt worden: 1) Kläranlagenabläufe sind die Hauptquelle der Substanz; 2) Die Fracht der Substanz in der Kläranlage ist nur geringen zeitlichen Schwankungen unterworfen; und 3) Hohe Persistenz der Verbindung bei der Abwasserbehandlung und in der Umwelt. Neben anderen Spurenstoffen zeigen Carbamazepin, Sulfamethoxazol und Tolyltriazol die beste Korrelation. Darüber hinaus sind die K+-Äquivalente der einzelnen Stoffe offensichtlich abhängig von Landnutzung und Bevölkerungsstruktur im Einzugsgebiet des untersuchten Flussabschnitts. Eine Korrelation mit K+ zeigt, dass die Konzentration des korrelierenden Spurenstoffs nur vom Abfluss des Fließgewässers abhängig ist. Nach diesem Konzept könnte die Vorhersage der Konzentration entsprechender Spurenstoffe an bestimmten Flussabschnitten erheblich vereinfacht werden. Analog zu den genannten Charakteristika 1–3 kann der Ansatz zur Quellidentifizierung neu auftretender/identifizierter Substanzen genutzt werden. Darüber hinaus könnten Eintragsfunktionen für die korrelierenden Spurenstoffe hinsichtlich Oberflächenwasser/Grundwasser-Interaktion hergeleitet werden. Dies würde eine realistischere Bewertung der Reinigungsleistung von Anlagen zur (künstlichen) Grundwasseranreicherung ermöglichen. Anschließend wird eine Methode präsentiert, mit Hilfe derer sich das Volumen von schnell transportiertem, unbehandeltem Abwasser in einem Karstaquifer abschätzen lässt. Eine Kontamination mit unbehandeltem Abwasser und die damit verbundene bakterielle Belastung stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Trinkwasserqualität und die öffentliche Gesundheit dar. Das Ausmaß einer Kontamination quantifizieren zu können ist allerdings meist problematisch. Daher wurde ein bereits bekannter Massenbilanzansatz der aktuellen Fragestellung angepasst. In die Berechnung der Abwassermenge fließen ein: Die Coffein-Fracht an der Quelle, die übliche Coffein-Belastung in unbehandeltem Abwasser und der tägliche durchschnittliche Trinkwasserverbrauch pro Person im beobachteten Quelleinzugsgebiet. Der entwickelte Ansatz wurde zur Berechnung der täglich zuströmenden Abwassermenge an einem bereits gut charakterisierten Karstaquifer (Gallusquelle, Deutschland) angewendet. Weiterhin werden die Ergebnisse einer Mikrokosmos-Studie zur Transformation des Antibiotikums Sulfamethoxazol (SMX) unter denitrifizierenden Bedingungen vorgestellt. Ein selektiver Reaktionsmechanismus mit den unter denitrifizierenden Bedingungen gebildeten N-Spezies Stickstoffmonoxid (NO) und Nitrit (NO2−) ist die zugrunde liegende Arbeitshypothese und die Bildung der daraus abgeleiteten Transformationsprodukte (TP) 4-Nitro-N-(5-methylisoxazol-3-yl)-benzenesulfonamid (4-Nitro-SMX) und N-(5-methylisoxazol-3-yl)-benzenesulfonamid (Desamino-SMX) während des zeitlichen Verlaufs eines Wasser/Sediment-Batchversuchs wird dargestellt. Beide TPs können auch in Umweltproben nachgewiesen werden. Unter geeigneten Reaktionsbedingungen kann das TP 4-Nitro-SMX zudem zu SMX retransformiert werden. Dies zeigt die hohe Relevanz der vorliegenden Arbeit hinsichtlich des Vorkommens und Verhaltens dieses Antibiotikums in der Umwelt und für das Monitoring der Wasserqualität. Darüber hinaus können Redox-spezifische TPs als Indikatoren für den reaktiven Stofftransport verwendet werden

    Fate of β-blockers in aquifer material under nitrate reducing conditions: Batch experiments

    Get PDF
    &nbsp; &nbsp; &nbsp; The fate of the three environmentally relevant &beta;-blockers atenolol, metoprolol and propranolol has been studied in batch experiments involving aquifer material and nitrate reducing conditions. Results from the about 90&nbsp;d long tests indicate that abiotic processes, most likely sorption, jointly with biotransformation to atenololic acid were responsible for the 65% overall removal observed for atenolol. Zero order kinetics, typical of enzyme-limited reactions, controlled the transformation of this beta blocker to its corresponding carboxylic acid. The mass balance evidences that no mineralization of atenolol occurs in the biotic experiment and that atenololic acid is more stable than its parent compound under the studied conditions. This finding stresses the importance of considering atenololic acid as target compound in the environmental studies on the fate of atenolol. For metoprolol and propranolol the results from the experiment suggest a slower sorption to be the dominant removal process, which led to final decreases in concentrations of 25&ndash;30% and 40&ndash;45%, respectively. Overall, the removals observed in the experiments suggest that subsurface processes potentially constitute an alternative water treatment for the target beta-blockers, when compared to the removals reported for conventional wastewater treatment plants. &nbsp

    Formation of diclofenac and sulfamethoxazole reversible transformation products in aquifer material under denitrifying conditions: Batch experiments

    Get PDF
    &nbsp; &nbsp; &nbsp; Soil-aquifer processes have proven to work as a natural treatment for the attenuation of numerous contaminants during artificial recharge of groundwater. Nowadays, significant scientific effort is being devoted to understanding the fate of pharmaceuticals in subsurface environments, and to verify if such semipersistent organic micropollutants could also be efficiently removed from water. In this context we carried out a series of batch experiments involving aquifer material, selected drugs (initial concentration of 1&nbsp;&mu;g/L and 1&nbsp;mg/L), and denitrifying conditions. Diclofenac and sulfamethoxazole exhibited an unreported and peculiar behavior. Their concentrations consistently dropped in the middle of the tests but recovered toward the end, which suggest a complex effect of denitrifying conditions on aromatic amines. The transformation products Nitro-Diclofenac and 4-Nitro-Sulfamethoxazole were detected in the biotic experiments, while nitrite was present in the water. Their concentrations developed almost opposite to those of their respective parent compounds. We conjecture that this temporal and reversible effect of denitrifying conditions on the studied aromatic amines could have significant environmental implications, and could explain at least partially the wide range of removals in subsurface environments reported in literature for DCF and SMX, as well as some apparent discrepancies on SMX behavior. &nbsp

    The impact of different proportions of a treated effluent on the biotransformation of selected micro-contaminants in river water microcosms.

    No full text
    Attenuation of micro-contaminants is a very complex field in environmental science and evidence suggests that biodegradation rates of micro-contaminants in the aqueous environment depend on the water matrix. The focus of the study presented here is the systematic comparison of biotransformation rates of caffeine, carbamazepine, metoprolol, paracetamol and valsartan in river water microcosms spiked with different proportions of treated effluent (0%, 0.1%, 1%, and 10%). Biotransformation was identified as the dominating attenuation process by the evolution of biotransformation products such as atenolol acid and valsartan acid. Significantly decreasing biotransformation rates of metoprolol were observed at treated effluent proportions ≥0.1% whereas significantly increasing biotransformation rates of caffeine and valsartan were observed in the presence of 10% treated effluent. Potential reasons for the observations are discussed and the addition of adapted microorganisms via the treated effluent was suggested as the most probable reason. The impact of additional phosphorus on the biodegradation rates was tested and the experiments revealed that phosphorus-limitation was not responsible.Open-Access-Publikationsfonds 201

    Carbamazepine breakthrough as indicator for specific vulnerability of karst springs: Application on the Jeita spring, Lebanon

    No full text
    The pharmaceutical drug carbamazepine is considered an effective wastewater marker. The varying concentration of this drug was analyzed in a mature karst spring following a precipitation event. The results show that carbamazepine is an indicator of wastewater entering the system through a fast flow pathway, leading to an increase of the drug concentrations in spring water shortly after a strong rainfall event. The analysis of the breakthrough curve of carbamazepine along with the electrical conductivity signal and major ions chemograph allowed the development of a conceptual model for precipitation event-based flow and transport in the investigated karst system. Furthermore the amount of newly recharged water and the mass of carbamazepine reaching the aquifer system during the event could be estimated using a simple mixing approach. The distance between the karst spring and the potential carbamazepine source was estimated by the combination of results from artificial tracer tests and the carbamazepine breakthrough curve. The assessment of spring responses to precipitation event using persistent drugs like carbamazepine helps assess the effect of waste water contamination at a spring and gives therefore insights to the specific vulnerability of a karst spring
    corecore