Analysenmethoden für Antibiotika und perfluorierte Tenside in wässrigen Matrizes mittels LC-MS/MS nach SPE-Anreicherung - Methodenentwicklung, Methodenvalidierung, Datenerhebung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analytik zweier Stoffgruppen anthropogenen Ursprungs in der aquatischen Umwelt, einerseits mit einer Auswahl antibiotisch wirkender Substanzen als Rückstände aus Arzneimittelanwendungen (Umweltproblem: bakterielle Resistenzen), andererseits mit der Stoffgruppe der perfluorierten Tenside (PFT) als Rückstände industrieller Verarbeitungs- und Veredelungsprozesse (Umweltproblem: Persistenz und Bioakkumulation). Der erste Schwerpunkt der Untersuchungen lag dabei auf der Entwicklung und Optimierung der Extraktions- und Anreicherungsmethoden in erster Linie aus wässrigen Matrizes sowie der Identifizierung und Quantifizierung dieser Substanzen mittels Kopplung von hochleistungsflüssig-chromatographischen Trenn- und massenspektrometrischen Detektionsverfahren. Das Untersuchungsspektrum ergab sich für die Antibiotika aus Datenerhebungen zum Antibiotikaeinsatz im Universitätsklinikum Bonn und aus der dokumentierten Verordnungspraxis innerhalb der gesetzlichen Krankenversicherung in Deutschland, für die perfluorierten Tenside (perfluorierte Alkylcarbonsäuren und perfluorierte Sulfonsäuren) anhand ihrer Leitsubstanzen PFOA (Perfluoroctansäure) und PFOS (Perfluoroctansulfonsäure) und deren kürzer- bzw. längerkettigen Homologen. Mit den jeweiligen Multikomponenten-Methoden (29 Antibiotika und 12 Perfluortenside) konnten Nachweis- und Bestimmungsgrenzen im ein- bis niedrigen zweistelligen ng/L-Bereich erreicht werden. Die Methoden wurden im Rahmen mehrerer, zum Teil bundesweiter Laborvergleichsuntersuchungen erfolgreich validiert. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildete die Anwendung der neuen Methoden bei der Untersuchung von Realproben: Im Bereich der Antibiotika wurde das Abwasser des Universitätsklinikums Bonn vom Ort seiner Entstehung über die Kläranlage bis in den Rhein untersucht. Zusätzliche Datenerhebungen erfolgten für weitere Kläranlagen und Oberflächengewässer in Nordrhein-Westfalen, ebenso wurden ein Talsperrenwasser (zur Trinkwassergewinnung) und einige oberflächenwasser-beeinflusste Roh- und Trinkwässer untersucht. Im gesammelten Abwasser des Universitätsklinikums konnten große Mengen der dort verordneten Antibiotika bestimmt werden. Die Antibiotikagehalte reduzierten sich bis in den Rhein durch Abbau, Adsorption an Feststoffe und Verdünnung um mehrere Zehnerpotenzen. Analoge Daten konnten für andere Kläranlagen und Oberflächenwässer ermittelt werden. Im Trinkwasser konnten keine Antibiotika nachgewiesen werden, nur die beiden Antibiotika Erythromycin und Sulfamethoxazol gelangten bis ins Rohwasser, konnten aber durch anschließende Trinkwasseraufbereitungstechniken entfernt werden. Die Substanz Sulfamethoxazol kann hier als Tracer dienen, um rechtzeitig eine Trinkwasserbelastung mit Antibiotikarückständen zu erkennen. Im Bereich der perfluorierten Tenside konnte im Rhein eine durchgehend niedrige Belastung des Wassers ermittelt werden, die Perfluorbutansulfonsäure (PFBS) bildete dabei die Hauptkomponente. Die Ruhr zeigte flussaufwärts stark ansteigende Belastungen mit perfluorierten Tensiden, wobei PFOA mit ca. 80% die Hauptkomponente bildete. Annähernd gleich hohe PFOA-Gehalte wurden auch im Trinkwasser gefunden, das durch künstliche Grundwasseranreicherung mit Ruhr-Wasser gewonnen wird. Durch diese Befunde wurden die Behörden auf eine illegale Industrieabfallentsorgung auf landwirtschaftlichen Flächen am Oberlauf der Möhne (Zufluss der Ruhr) aufmerksam, die zur Verunreinigung des Oberflächen- und des Trinkwassers führte, in deren Folge Konzentrationsobergrenzen für PFT beschlossen wurden, eine Nachrüstung der betroffenen Wasserwerke mit zusätzlichen Aufbereitungsschritten begonnen wurde und eine bundesweit Untersuchungstätigkeit auf perfluorierte Tenside ausgelöst wurde. Die Entdeckung der PFT-Belastung im Trinkwasser an der Ruhr führte zu einer weiteren Optimierung der Anreicherungsmethodik und einem beginnenden Normungsverfahren auf Basis dieser Methode. Durch die vorliegende Arbeit konnten zwei leistungsfähige Multikomponenten-Methoden zur Bestimmung von Antibiotika und perfluorierten Tensiden in wässrigen Matrizes entwickelt werden, mit deren Hilfe eine Belastung der Bevölkerung durch PFOA-kontaminiertes Trinkwasser erkannt und zur Behebung dieses Problems beigetragen werden konnte

Построение многомерного распределения доходностей с использованием копула-функций

Perfluorooctane sulfonate (PFOS; C8F17SO3–) is a fully fluorinated organic compound which has been manufactured for decades and was used widely in industrial and commercial products. The recent toxicological knowledge of PFOS mainly concerns mono-substance exposures of PFOS to biological systems, leaving the potential interactive effects of PFOS with other compounds as an area where understanding is significantly lacking. However, a recent study, reported the potential of PFOS to enhance the toxicity of two compounds by increasing cell membrane permeability. This is of particular concern since PFOS has been reported to be widely distributed in the environment where contaminants are known to occur in complex mixtures. In this study, PFOS was evaluated alone and in combination with cyclophosphamide (CPP) to investigate whether a presence of PFOS leads to an increased genotoxic potential of CPP towards hamster lung V79 cells. Genotoxicity was investigated using the micronucleus(MN) assay according to the recent draft ISO/DIS 21427-2 method. PFOS alone demonstrated no genotoxicity up to a concentration of 12.5 μg/ml. However, PFOS combined with two different concentrations of CPP, with metabolic activation, caused a significant increase in the number of micronucleated cells compared to treatments with CPP alone. These results provide a first indication that PFOS has the potential to enhance the genotoxic action of CPP towards V79 cells, suggesting, together with the alterations in cell membrane properties shown previously, that genotoxicity of complex mixtures may be increased significantly by changes in chemical uptake. Together with an earlier study performed by the own working group, it can be concluded that PFOS alone is not genotoxic in this bioassay using V79 cells up to 12.5 μg/ml, but that further investigations are needed to assess the potential interaction between PFOS and other substances, in particular regarding the impact of membrane alterations on the uptake of toxic substances.</p

Analysis of antibiotic residues in liquid manure and leachate of dairy farms in Northern Germany

The scientific interest in the fate of antibiotic substances in the environment has increased during the past decades. Especially in animal husbandry, the assumed quantity of antibiotics excreted has caused major concerns as the environment can be contaminated by these compounds via different paths. In this study in Northern Germany, manure and leachate samples from dairy farms were analysed in order to verify if this kind of animal husbandry can be a source of antibiotic residues found in the environment. Neither in liquid manure nor in leachate were the analysed antibiotics detected. These results clearly show the minor importance of dairy cows as sources of antibiotic residues in the aquatic environment. To explain this fact, we propose the three following reasons: (i) the amount of antibiotics administered in dairy farming is low compared to pig or poultry production; (ii) manure storage is a useful process to minimize the antibiotic residues as the substances applied to dairy cows are sensitive to degradation processes during that period; (iii) excreted directly on grasslands, the substances degrade very quickly or adsorb to soil and are therefore not present in the leachate.Antiinfectives Cattle Contamination Persistence Slurry Water

Construction of an Expression System for Site-Directed Mutagenesis of the Lantibiotic Mersacidin

The lantibiotic (i.e., lanthionine-containing antibiotic) mersacidin is an antimicrobial peptide of 20 amino acids which is produced by Bacillus sp. strain HIL Y-85,54728. Mersacidin inhibits bacterial cell wall biosynthesis by binding to the precursor molecule lipid II. The structural gene of mersacidin (mrsA) and the genes for the enzymes of the biosynthesis pathway, dedicated transporters, producer self-protection proteins, and regulatory factors are organized in a biosynthetic gene cluster. For site-directed mutagenesis of lantibiotics, the engineered genes must be expressed in an expression system that contains all of the factors necessary for biosynthesis, export, and producer self-protection. In order to express engineered mersacidin peptides, a system in which the engineered gene replaces the wild-type gene on the chromosome was constructed. To test the expression system, three mutants were constructed. In S16I mersacidin, the didehydroalanine residue (Dha) at position 16 was replaced with the Ile residue found in the closely related lantibiotic actagardine. S16I mersacidin was produced only in small amounts. The purified peptide had markedly reduced antimicrobial activity, indicating an essential role for Dha16 in biosynthesis and biological activity of mersacidin. Similarly, Glu17, which is thought to be an essential structure in mersacidin, was exchanged for alanine. E17A mersacidin was obtained in good yields but also showed markedly reduced activity, thus confirming the importance of the carboxylic acid function at position 17 in the biological activity of mersacidin. Finally, the exchange of an aromatic for an aliphatic hydrophobic residue at position 3 resulted in the mutant peptide F3L mersacidin; this peptide showed only moderately reduced activity

Occurrence of Toxigenic Aspergillus versicolor Isolates and Sterigmatocystin in Carpet Dust from Damp Indoor Environments

Over the past decade, there has been growing concern regarding the role of toxigenic fungi in damp indoor environments; however, there is still a lack of field investigations on exposure to mycotoxins. The goal of our pilot study was to quantify the proportion of toxigenic Aspergillus versicolor isolates in native carpet dust from damp dwellings with mold problems and to determine whether sterigmatocystin can be detected in this matrix. Carpet dust samples (n = 11) contained from <2.5 × 10(1) to 3.6 × 10(5) (median, 3.1 × 10(4)) A. versicolor CFU/g of dust, and the median proportion of A. versicolor from total culturable fungi was 18%. Based on thin-layer chromatography detection of sterigmatocystin, 49 of 50 A. versicolor isolates (98%) were found to be toxigenic in vitro. By using high-performance liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry, sterigmatocystin could be detected in low concentrations (2 to 4 ng/g of dust) in 2 of 11 native carpet dust samples. From this preliminary study, we conclude that most strains of A. versicolor isolated from carpet dust are able to produce sterigmatocystin in vitro and that sterigmatocystin may occasionally occur in carpet dust from damp indoor environments. Further research and systematic field investigation are needed to confirm our results and to provide an understanding of the health implications of mycotoxins in indoor environments

Liquid chromatography-tandem mass spectrometry as a fast and simple method for the determination of several antibiotics in different aqueous matrices

Environmental contextAntibiotic residues released to the environment could influence the selection of antibiotic-resistant bacteria and hence their spread within the aquatic environment. We report a multi-method approach for determining 47 antibiotics in wastewater, surface water, drinking water and groundwater. The method provides a rapid screening of water samples for common antibiotics that have the potential to alter natural bacterial populations. AbstractA simple and rapid liquid chromatography-electrospray ionisation-tandem mass spectrometry (LC-ESI-MS/MS) method for the determination of 47 different antibiotics in water samples was developed. A straightforward sample preparation of aqueous samples could be established using a simple dilution step with a mixture of water and acetonitrile (+ 0.8gL−1 ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA)), subsequent filtration through a hydrophilised polytetrafluoroethylene (H-PTFE) syringe filter and a subsequent direct injection. The multi-analyte method presented includes substances from eleven classes of antibiotics (penicillins, cephalosporins, carbapenems, macrolide antibiotics, lincosamides, fluoroquinolones, tetracyclines, sulfonamides, glycopeptid antibiotics, oxazolidinones and nitroimidazoles). The method is characterised by a typical dynamic range from 0.01µgL−1 to a maximum of 5µgL−1, with good linearity regression coefficients (r2&amp;gt;0.99) and suitable recovery rates (generally from 65±13% to 117±5%) in spiked drinking water, surface water, groundwater and simulated treated wastewater. Suitable limits of quantification between 3.3ngL−1 and 190ngL−1 could be obtained, which are sufficient to determine low levels of antibiotic residues in the aquatic environment. The efficiency of the developed method was tested by analysing the residual concentrations of antibiotics in a small creek in Germany (‘Swistbach’). Sulfamethoxazole in combination with trimethoprim could be detected frequently, with calculated detection frequencies of 94–100% and 29–47%, as well as macrolide antibiotics (azithromycin (50–60%), clarithromycin (82–94%), clindamycin (88–100%) and erythromycin (41–53%). The determined concentrations were in a range between 0.01µgL−1 and 0.43µgL−1 downstream of the municipal wastewater treatment plants, whereas no antibiotics could be detected upstream. </jats:p