Ecotoxicological profiling of sediments from the Wurm River (North Rhine-Westphalia, Germany) under different weather and wastewater treatment conditions

Mit dem Inkrafttreten der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU WRRL) im Jahr 2000 soll bis 2027 ein "guter ökologischer und chemischer Zustand" der europäischen Gewässer erreicht werden. So schreibt die EU WRRL die Überwachung von 45 prioritären Stoffen vor. Diese Zahl steht in keinem Verhältnis zu der beträchtlichen Anzahl an Chemikalien im weltweiten Handel (etwa 50,000), wovon ca. 60% als human- und umwelttoxisch gelten. Aus diesem Grund reicht die alleinige Erfassung von prioritären Stoffen nicht aus, um das Gefährdungspotenzial einer komplexen chemischen Mischung in der aquatischen Umwelt abschätzen zu können. Ursprünglich legte die EU WRRL den Schwerpunkt auf die Überwachung der Wasserphase. Sedimente stellen jedoch ebenso eine wichtige Quelle und Senke für die chemische Belastung dar. Unter stabilen hydrologischen Bedingungen sind kontaminierte Sedimente der tieferen Schichten von weniger kontaminierten Sedimenten der oberen Schichten bedeckt. Versiegelung von Grünflächen, Renaturierung von Flussbetten oder Entleerung von Regenüberlaufbecken können allerdings zu einer Freisetzung partikelgebundener Schadstoffe führen. Zusätzlich beschleunigen häufige Dürreperioden und Starkregenereignisse die Bodenerosion und den Sedimenttransport in aquatische Ökosysteme. Aus diesem Grund wurden 2008 Sedimente als eine weitere Überwachungsmatrix in die EU WRRL aufgenommen. Doch trotz aller Bemühungen haben zum jetzigen Zeitpunkt weniger als die Hälfte aller europäischen Gewässer einen guten ökologischen und chemischen Zustand erreicht. Kläranlagen sind eine der Hauptquellen für Mikroschadstoffe in aquatischen Ökosystemen. In den letzten zehn Jahren wurden zahlreiche wissenschaftliche Initiativen zur Erforschung fortschrittlicher Behandlungsverfahren (Ozon, Aktivkohle, Membranverfahren) in Kläranlagen ergriffen. Als eine besonders vielversprechende Methode hat sich der Einsatz von Ozon herausgestellt, um eine Vielzahl von Mikroschadstoffen im Klärprozess zu eliminieren. Doch das Wissen über die dadurch potenziell erreichte Verbesserung des chemischen und ökologischen Zustands der Vorfluter ist weiterhin lückenhaft. Die letztgenannten Aspekte waren die Hauptgründe für den Start des DemO3AC-Projekts im Jahr 2014. Als Untersuchungsobjekt wurde der Fluss Wurm und sein stromaufwärts gelegener Nebenfluss Haarbach in Nordrhein-Westfalen (Deutschland) gewählt. Beide Gewässer dienen als Vorfluter für die Kläranlage Aachen-Soers bzw. Kläranlage Eilendorf. Durch Einbeziehen des stromaufwärts gelegenen Haarbaches in die Projektstudien konnte der ökotoxikologische Zustand des Haarbaches und des Ablaufes der Kläranlage Eilendorf als eine mögliche Belastungsquelle untersucht werden. Während die Kläranlage Eilendorf das ankommende Abwasser mithilfe von drei konventionellen Reinigungsstufen (mechanisch, biologisch, chemisch) behandelt, wurde die Kläranlage Aachen-Soers (Vorfluter: Wurm) im Rahmen des DemO3AC-Projekts um eine vierte Reinigungsstufe erweitert und eine großtechnische Ozonierung implementiert. Der Bau der großtechnischen Ozonierungsanlage auf dem Gelände der Kläranlage Aachen-Soers wurde durch umfassende ökologische und chemische Untersuchungen der beiden Vorfluter begleitet, um bestehende Wissenslücken über eine mögliche ökologische und chemische Verbesserung des Vorfluters durch die Mikroschadstoffeliminierung im Ablauf durch Ozon zu schließen. Außerdem wurde im Rahmen des DemO3AC-Projektes die Wasserphase als die Hauptuntersuchungsmatrix ausgewählt. Doch Starkregenereignisse, Überschwemmungen oder der Abschlag eines Regenüberlaufbeckens (40 Mal pro Jahr bei der Kläranlage Aachen-Soers) können zur Aufwirbelung und Resuspension der Sedimente und so zur Freisetzung zahlreicher absorbierter Mikroschadstoffe in die Wasserphase führen. Aus diesem Grund wurde die vorliegende Arbeit in Anlehnung an das DemO3AC-Projekt durchgeführt und hatte zum Ziel, die allgemeine Sedimenttoxizität und damit verbunden den Einfluss des Sediments auf die Gewässer zu erfassen. Das Untersuchungskonzept wurde auf Grundlage des ganzheitlichen Ansatzes zur Bewertung der ökotoxikologischen Belastung von Oberflächengewässern entwickelt und auf die Sedimente übertragen: Die Erfassung eines breiten Spektrums von chemischen Stoffen in Kombination mit wirkungsbasierten ökotoxikologischen Methoden erlaubt es, mögliche Treiber der Toxizität zu identifizieren und folgerichtig auf potenzielle Belastungsquellen zurückzuführen. Um die ökotoxikologischen Einflüsse der Sedimente zu untersuchen, wurden insgesamt zwei Probenahmen in aufeinanderfolgenden Jahren durchgeführt. Die erste Probenahme erfolgte im Juni 2017 während einer langanhaltenden Trockenperiode. Die zweite Probenahme fand genau ein Jahr später (Juni 2018) nach einer langen Regenperiode und einem damit verbundenen hohen Wasserpegel statt. Auf diese Weise wurde das ökotoxikologische Potential der Sedimente unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen betrachtet. Zum Zeitpunkt der zweiten Probenahme war die Vollstromozonierung auf der Kläranlage Aachen-Soers bereits ein halbes Jahr in Betrieb. Folgende Endpunkte wurden zur Untersuchung des ökotoxikologischen Potentials der Sedimente betrachtet: Genotoxisches potenzial, endokrin-disruptive Aktivität, embryotoxisches Potential und Änderung des Schwimmverhaltens bei Zebrabärblingslarven (Danio rerio). Diese Endpunkte wurden anhand einer Testbatterie aus in vitro und in vivo Bioassays mit verschiedenen Zelllinien und Organismen bewertet, um verlässliche Ergebnisse auf verschiedenen biologischen Organisationsstufen zu erhalten. Das chemische Profil der Sedimente wurde mit modernen chemisch-analytischen Methoden erstellt, um mögliche chemische Ursachen für die beobachteten Wirkungen zu ermitteln. Das genotoxische Potenzial wurde mithilfe einer Testbatterie aus einem eukaryotischen Mikrokern-Test und einem bakteriellen Ames Fluktuationstest mit Salmonella typhimurium Teststämmen TA98, TA100, YG1041 und YG1042 untersucht. Ein einzigartiges Merkmal der vorliegenden Studie war die Verwendung von den sog. Nicht-Standard Salmonella typhimurium Teststämmen YG1041 und YG1042 im Ames-Fluktuationstest. Die erhaltenen Ergebnisse wurden im peer-review Journal Water Research publiziert (s. Shuliakevich et al., 2022a oder Anhang 1). Durch die Kombination der genannten Bioassays konnte gezeigt werden, dass die Sedimente der Wurm ein mutagenes Potenzial aufwiesen und mit Frameshift-, Basenpaar-substituierenden (Pro-)Mutagenen, Nitroarenen und aromatischen Aminen belastet waren. Die vorliegende Studie zeigte eine hohe Empfindlichkeit und Anwendbarkeit der Nicht-Standard Salmonella typhimurium Teststämme YG1041 und YG1042 im Ames-Fluktuationstest, um die verschiedenen Klassen von chemischen Verbindungen als Ursache der beobachteten Mutagenität zu identifizieren. Hier konnten die Starkregenereignisse sowie die Entleerung des Regenüberlaufbeckens und damit verbunden eine Sedimentaufwirbelung als wesentliche Faktoren für die Erhöhung des mutagenen Potenzials identifiziert werden ...The European Community has set a milestone in the European water policy in 2000: all water directives and policies were united into one comprehensive document – the European Water Framework Directive (EU WFD). The EU WFD requires the monitoring of 45 priority substances, primarily in the water phase, which is not related to a substantial amount of chemicals available on the market worldwide (about 50,000). About 60% of these are human and environmentally toxic. Hence, the currently monitored 45 priority substances are not even close to being sufficient to provide a comprehensive picture of the actual chemical pollution in the aquatic environment. Furthermore, the EU WFD in its original shape paid less attention to sediments as an important source and sink for chemical contamination. Under stable hydrological conditions, polluted old sediments are covered by less polluted younger sediments preventing erosion of deeper sediment layers and, therefore, the release of particle-bound contaminants. However, urbanization, deforestation, flooding, dredging, riverbed renaturation, and stormwater overflow basin releases can lead to an unpredictable release of particle-bound pollutants. Therefore, in 2008, sediments were added to the EU WFD as a monitoring matrix for substances that tend to accumulate there. As a result, after 18 years of the EU WFD, less than half of all European waterbodies reached a good ecological (40%) and chemical (38%) status. One of the primary pollution sources in aquatic ecosystems are wastewater treatment plants (WWTPs). Advanced wastewater treatment by ozonation is promising to remove most micropollutants. However, the knowledge about the possible improvement of the receiving waterbody is rare. The latter aspects were the main reasons for the start of the DemO3AC project in 2014. The study area was located in the federal state of North Rhine-Westphalia (Germany). The study area included the Wurm River and its tributary, the Haarbach River. Both waterbodies act as receiving waterbodies for WWTPs. One of them is the Aachen-Soers WWTP (receiving waterbody: Wurm River), upgraded by full stream ozonation as an advanced effluent treatment. Therefore, the extensive investigation program within the DemO3AC project included an investigation of the ecological and chemical status of both receiving waterbodies and the investigation of a possible improvement of the Wurm River after implementing advanced effluent treatment. The current study was a part of the DemO3AC project and covered the sediment toxicity and a possible impact of the ozonation on aquatic organisms in the receiving waterbody. Time-resolved sampling campaigns allowed investigations under different hydrological conditions, mainly determined by the weather. The first sampling campaign took place in June 2017 during a prolonged dry period with low water flow in the receiving waterbodies. The second sampling campaign was performed exactly one year later (June 2018) after a long rainy period and corresponding high-water levels. Full-stream ozonation at the Aachen-Soers WWTP had been in operation for half a year. Furthermore, a wide range of organic micropollutants was investigated in the effluent of the studied WWTPs to assess a possible hazard emerging from contaminants released into the receiving waterbody. The study design was developed based on the holistic approach to assessing the ecotoxicological pollution of surface waterbodies. It included the detection of chemical compounds combined with effect-based methods to identify possible drivers of toxicity. The sediment's ecotoxicological assessment included studies on endocrine-disrupting activity, genotoxic and embryotoxic potentials. These endpoints were evaluated using in vitro and in vivo bioassays. In addition, sediments’ chemical profiling was performed using modern analytical chemistry techniques. The genotoxic potential was investigated using the Ames fluctuation assay with Salmonella typhimurium bacterial strains TA98, TA100, YG1041, and YG1042, sensitive to different classes of compounds, and the Micronucleus assay as a eukaryotic assay with mammalian cells. A unique feature of the present study was the implementation of non-standard Salmonella typhimurium bacterial strains YG1041 and YG1042 in the Ames fluctuation assay. Moreover, a comprehensive genotoxicity ranking of chemical compounds identified in sediments was used and combined with statistical analysis to identify the drivers of genotoxicity. The results of this study were published in Shuliakevich et al. (2022a) (see also Annex 1), describing the mutagenic potential of all sampling sites, which was primarily driven by polycyclic aromatic hydrocarbons, nitroarenes, aromatic amines, and polycyclic heteroarenes. In addition, the rainwater overflow basin was identified as a significant source for particle-bound pollutants from untreated wastewater, suggesting its role as a possible source of genotoxic potential. The present study showed high sensitivity and applicability of non-standard Salmonella typhimurium bacterial strains YG1041 and YG1042 in the Ames fluctuation assay to assess the different classes of mutagenic compounds. A combination of effect-based methods and a chemical analysis was shown as a suitable tool for a genotoxic assessment of freshwater sediments. The sediments' endocrine-disruptive activity was investigated using the cell-based reporter gene CALUX® assay. A simultaneous launch of the full-scale effluent ozonation at the Aachen-Soers WWTP was used for investigation of the entrance of the ozonated effluent into the Wurm River and the endocrine-disrupting activity in the water phase. A particular focus of the present study was the unique investigation of PAHs as possible drivers of the endocrine-disrupting activity in sediments of the Wurm River. The results of this study were laid down in the publication by Shuliakevich et al. (2022b) (see also Annex 2), describing variations in endocrine-disrupting activity in the Wurm River under different weather conditions. Briefly, under stable hydrological conditions in June 2017, the estrogenic and the antiandrogenic activities in sediments of the Wurm River were within the range of 0.03-0.1 ng E2 equivalents (eq.)/g dry weight sediment equivalents (dw SEQ) and 3.0-13.9 µg Flu eq./g dw SEQ, respectively. After extensive rain events in June 2018, the sediments' estrogenic and antiandrogenic activities were detected within the range of 0.06-0.2 ng E2 eq./g dw SEQ and 1.7-39.2 µg Flu eq./g de SEQ, respectively. Increased endocrine-disruptive activity (up to 0.2 ng E2 eq./g dw SEQ in ERα- and 39.2 µg Flu eq./g dw SEQ in anti-AR-CALUX® assays) in sediments downstream of the rainwater overflow basin suggested it as a possible source of pollution. A unique result of the second study was finding a positive correlation between measured particle-bound antiandrogenic activity and detected polyaromatic hydrocarbons (PAHs) ..

Concentrations of 56 potential endocrine disrupting chemicals in 56 European wastewater treatment plant effluents by LC-HRMS target analysis

79 potential endocrine disrupting chemicals (EDCs) were investigated in 56 effluent samples from 52 European wastewater treatment plants (WWTPs). The samples were collected between August 2017 and April 2019, using on-site large volume solid phase extraction (LVSPE) (Schulze et al., 2017). Chemical target analysis by liquid chromatography high-resolution mass spectrometry (LC-HRMS) resulted in 56 detected compounds. Different capacities and conventional treatment technologies, as well as two advanced treatment technologies are included. One sample was taken at a WWTP with activated carbon (AC) treatment. Three WWTPs applying ozonation were sampled before and after this treatment step, providing two samples each. One of these WWTPs had already been sampled before the upgrade, resulting in a total of 56 (52+4) samples. More information can be found in Finckh et al. (2022). The two main objectives of this study were (i) to compare three different receptor-based estrogenicity assays (ERα-GeneBLAzer, p-YES, ERα-CALUX®), and (ii) to investigate a combined approach of chemical target analysis and receptor-based testing for estrogenicity, glucocorticogenic activity, androgenicity and progestagenic activity (ERα-, GR-, AR- and PR-GeneBLAzer assays, respectively) in treated wastewater

Endocrine disrupting chemicals entering European rivers: Occurrence and adverse mixture effects in treated wastewater

In the present study on endocrine disrupting chemicals (EDCs) in treated wastewater, we used chemical and effect-based tools to analyse 56 wastewater treatment plant (WWTP) effluents from 15 European countries. The main objectives were (i) to compare three different receptor-based estrogenicity assays (ERα-GeneBLAzer, p-YES, ERα-CALUX®), and (ii) to investigate a combined approach of chemical target analysis and receptor-based testing for estrogenicity, glucocorticogenic activity, androgenicity and progestagenic activity (ERα-, GR-, AR- and PR-GeneBLAzer assays, respectively) in treated wastewater. A total of 56 steroids and phenols were detected at concentrations ranging from 25 pg/L (estriol, E3) up to 2.4 μg/L (cortisone). WWTP effluents, which passed an advanced treatment via ozonation or via activated carbon, were found to be less contaminated, in terms of lower or no detection of steroids and phenols, as well as hormone receptor-mediated effects. This result was confirmed by the effect screening, including the three ERα-bioassays. In the GeneBLAzer assays, ERα-activity was detected in 82 %, and GR-activity in 73 % of the samples, while AR- and PR-activity were only measured in 14 % and 21 % of the samples, respectively. 17β-estradiol was confirmed as the estrogen dominating the observed estrogenic mixture effect and triamcinolone acetonide was the dominant driver of glucocorticogenic activity. The comparison of bioanalytical equivalent concentrations (BEQ) predicted from the detected concentrations and the relative effect potency (BEQchem) with measured BEQ (BEQbio) demonstrated good correlations of chemical target analysis and receptor-based testing results with deviations mostly within a factor of 10. Bioassay-specific effect-based trigger values (EBTs) from the literature, but also newly calculated EBTs based on previously proposed derivation options, were applied and allowed a preliminary assessment of the water quality of the tested WWTP effluent samples. Overall, this study demonstrates the high potential of linking chemical with effect-based analysis in water quality assessment with regard to EDC contamination