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Fluorochinolon - Antiinfektiva in Abwasser, Klärschlamm und Fliessgewässern Alfredo Alder, Eva M. Golet, Irene Xifra, Adrian Strehler, Thi Ngoc Anh Pham, Walter Giger EAWAG, CH-8600 Dübendorf SEA Fachtagung, 6. März 2003 Inhalt Einleitung Analytik Abwasser, Klärschlamm Vorkommen und Verhalten - Spitalabwasser - Massenfluss in ARA Zürich-Werdhölzli - Auftreten und Verhalten im Glattal Risikobeurteilung Zusammenfassung SEA Fachtagung, 6. März 2003 Messungen in der Umwelt (Monitoring) 1976: 1-2 µg/L Clofibrinsäure & Salicylsäure in ARA Garrison et al., Athens, EPA. 1985: bis 1 µg/L Pharmazeutika in ARA und Flüssen Richardson & Bowron, London. seit 1995: Gewässer untersucht nach 80 Pharmazeutika Ternes, Stumpf, Hirsch et al., Wiesbaden. 2001 60 Pharmazeutika im Grundwasser (D) Sacher et al.J. Chromatogr. A 938, 199-210 2002 95 Pharmazeutika in Fliessgewässern (USA) Kolpin et al. ES&T 36, 1202-1211 SEA Fachtagung, 6. März 2003 Tiefe Umweltkonzentrationen 2-3‘000 Wirkstoffe (Human- und Veterinärmedizin) Arzneimittel werden eingesetzt: - zur Auslösung eines spezifischen biochemischen Effekts - für ein spezifischer Zielorganismus - während einer definierten Zeit aber, Was bedeutet eine kontinuierliche, weitverbreitete Belastung in der aquatischen Umwelt? - allmähliche, kaum nachweisbare Veränderungen? - langfristige Auswirkungen? SEA Fachtagung, 6. März 2003 Eintragspfade SEA Fachtagung, 6. März 2003 Eintragspfade SEA Fachtagung, 6. März 2003 Zielsetzungen Spitalabwasser ARA Oberflächengewässer Entwicklung von analytischen Methoden Massenflüsse: - Einträge in ARA und Gewässer - Prozessorientierte Interpretationen Information für Risikobeurteilung: - PEC, "MEC” - Resistententwicklung SEA Fachtagung, 6. März 2003 Antibiotika-Verbrauch in der Schweiz 120 100 Tonnen 80 Gesamtverbrauch 60 Futtermittelzusätze: antimikrobielle Leistungförderer* und Medizinalfutter 40 Humanmedizin 20 Veterinärmedizin Einzeltier *Verbot seit 1999 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Treuhandstelle der Antibiotika-Importeure und BLW SEA Fachtagung, 6. März 2003 Antibiotika Verbrauch in der Schweiz Humanmedizin (1997, TSA) 13.2 t Penicilline & Ampicilline 4.3 t Cephalosporine 2.3 t Sonstige 1.0 t Tetracycline 4.0 t Fluorochinolone 4.3 t Makrolide 5.5 t Sulfonamides SEA Fachtagung, 6. März 2003 Fluorochinolone O Chinolon-Struktur N H O O COO– F N + N N N + Norfloxacin (NOR) COO– F N N Ciprofloxacin (CIP) SEA Fachtagung, 6. März 2003 Umweltrelevanz - 1 Verbrauchsmengen: - ca. 4.8 t (CH 1999) - CIP und NOR machen ca. 90 % aller FQs aus Hemmung der bakteriellen Gyrase weitgehend unmetabolisiert ausgeschieden - CIP ca. 45% in Urin, 25% in Faeces - NOR ca. 30 % in Urin, 28 % in Faeces SEA Fachtagung, 6. März 2003 Umweltrelevanz - 2 Physikalisch-chemische Daten: - PkCOOH: 6-7; pKNH2: 8-10 Zwitterion bei neutralem pH - log Kow: -1.03 - 0.28 - log Kd (Klärschlamm): 4.3 L/Kg (CIP) starke Adsorption Umweltverhalten: - Nicht abbaubar durch Bakterien - Photolabil SEA Fachtagung, 6. März 2003 Bestimmung in Abwasser und Gewässern Anreicherung: SPE (Kationenaustauscher, MPC), pH 3 Elution mit 5% wässerig. NH3 in Methanol HPLC/FLD: RP-Amide Säule (250 x 3 mm), Phosphat / ACN Gradient HPLC/MS: RP-C18 Säule (250 x 2 mm) 0.1% TFA / ACN Gradient Detektion: Fluoreszenz: Ex: 278 nm, Em: 445 nm MS: Platform LC (Micromass), +ESI MS/MS: API 365 (Sciex) +ESI Literatur: Golet et al. (2001) Anal. Chem. 73, 3632-3638 SEA Fachtagung, 6. März 2003 Bestimmung in Klärschlamm und Boden Extraktion: ASE (Accelerated Solvent Extraction) 50 mM H3PO4 / ACN : 1 / 1 100 °C, 100 bar; 4 x 15 min Anreicherung: SPE (Kationenaustauscher, MPC), pH 3 Elution mit 5% wässerig. NH3 in Methanol HPLC/FLD: RP-Amide Säule (250 x 3 mm), Phosphat / ACN Gradient Detektion: Fluoreszenz: Ex: 278 nm, Em: 445 nm Literatur: Golet et al. (2002) Anal. Chem. 74, 5455-5462 SEA Fachtagung, 6. März 2003 Accelerated Solvent Extraction (ASE) SEA Fachtagung, 6. März 2003 Chromatogramm eines KlärschlammExtraktes SEA Fachtagung, 6. März 2003 Sequentielle Extraktion SEA Fachtagung, 6. März 2003 Konzentrationen im Schlamm mg/Kg TS Matrix Ciprofloxacin Norfloxacin Frischschlamma Dübendorf Zürich-Werdhölzli 1.40 ± 0.12 2.03 ± 0.20 1.54 ± 0.03 1.96 ± 0.15 Faulschlamma Kloten-Opfikon Zürich-Werdhölzli 2.42 ± 0.06 2.27 ± 0.20 2.37 ± 0.07 2.13 ± 0.19 Boden (Schlammbehandelt)b Wetzikon (t = 5 Mt) Reckenholz 0.35 ± 0.04 0.40 ± 0.03 0.32 ± 0.01 0.29 ± 0.01 Boden (Schlammbehandelt)b Wetzikon (t = 21 Mt) Reckenholz 0.28 ± 0.01 0.27 ± 0.04 0.27 ± 0.01 0.30 ± 0.01 a ASE b Bedingungen: 100 °C, 100 bar, 4 x 15 Min. ASE Bedingungen: 100 °C, 100 bar, 6 x 15 Min. SEA Fachtagung, 6. März 2003 Antibiotika in Spitalabwässer Substanz CMin [µg/l] CMax [µg/l] C24h [µg/l] Verbrauch [kg/a] Ciprofloxacin 17.2 29.4 18.6 10 Norfloxacin 2.7 7.9 5.0 3 Clarithromycin 0.2 1.2 0.3 3 Erythromycin < BG 0.4 < BG 0.2 Fluorochinolone Makrolide SEA Fachtagung, 6. März 2003 Tagesgang im Spitalabwasser 35 30 16.0 25 12.0 20 8.0 15 10 4.0 5 0.0 0 7 10 13 16 19 22 1 4 Tageszeit (h) SEA Fachtagung, 6. März 2003 Ciprofloxacin [µg/L] Norfloxacin [µg/L) 20.0 ARA Zürich-Werdhölzli SEA Fachtagung, 6. März 2003 Ciprofloxacin in Tagesmischproben Golet et al. SEA Fachtagung, 6. März 2003 Ciprofloxacin Massenfluss in ARA Werdhölzli Golet et al. SEA Fachtagung, 6. März 2003 Bodentiefenprofile SEA Fachtagung, 6. März 2003 Fluorochinolone in der Glatt Golet et al., 2002 SEA Fachtagung, 6. März 2003 Fluorochinolone in der Glatt Golet et al., 2002 SEA Fachtagung, 6. März 2003 Eintrag von Ciprofloxacin in der Glatt Golet et al., 2002 SEA Fachtagung, 6. März 2003 Fluorochinolone im Abwasser SEA Fachtagung, 6. März 2003 Risikobeurteilung (Ciprofloxacin) Alge (Selenastrum capricornutum): EC50: 3 mg/L (Wachstumshemmung) EU-TGD(Fliessgewässer): Sicherheitsfaktor 1‘000 PNEC 3 µg/L Bakterie (Pseudomonas putida): EC50: 80 µg/l (Wachstumshemmung) EU-TGD (ARA): Sicherheitsfaktor 10 PNEC 8 µg/L umuC-Gentoxizität LOEC: 5 µg/L (Hartmann et al., 1998) MHK (Minimale Hemmkonzentration): LOEC: 10 µg/L Sicherheitsfaktor 10 (Interspezies Variabilität) PNEC 1 µg/L SEA Fachtagung, 6. März 2003 Fluorochinolone im Abwasser PNEC SEA Fachtagung, 6. März 2003 Verbreitung von Antibiotika-Resistenzen ? ? ? Können Umweltkonzentrationen zum Erhalt und SEA Fachtagung, 6. März 2003 zur Verbreiterung von Resistenzen beitragen? Methode: Antibiogram INTERPRETATIVE STANDARDS Sensitiv Resistent intermediär CIPROFLOXACIN Resistent < 15 mm Intermedär = 17 mm Sensitiv > 21 mm Corvaglia, Demarta, Gaia, Peduzzi (2002) Istituto Cantonale di Microbiologia, Bellinzona SEA Fachtagung, 6. März 2003 Konzentrationen versus Resistenz Durchmesser [mm] Aeromonas, Antibiogramm Resistenz gegen Ciprofloxacin 40 Spital 1 Spital 2 Spital 3 Spital 4 30 Sensitiv 20 Intermediär 10 Resistent 0 0 5 10 15 Konzentration [µg /L] Unpublished results (2002) EAWAG, Dübendorf and Istituto Cantonale di Microbiologia, Bellinzona SEA Fachtagung, 6. März 2003 Zusammenfassung Spezifische analytische Methoden, QS Massenflüsse in technischen und natürlichen Systemen Regionale Studien Prozessorientierte Interpretationen Kombination von chemischen Methoden mit biologischen Endpunkten (Beispielsweise Antibiotikaresistenz) Keine akute Gefährdung der Oekosysteme durch Antibiotika SEA Fachtagung, 6. März 2003 Informationsbeschaffung European Agency for the Evaluation of Medicinal Products: http://www.emea.eu.int U.S. Environmental Protection Agency http://www.epa.gov/nerlesd1/chemistry/pharma/index.htm Food and Drug Administration http://www.fda.gov Bund/Länder-Ausschuss Chemikaliensicherheit (BLAC), Hamburg http://www.blac-info.de Institut für Veterinärpharmakologie und -toxikologie http://www.vetpharm.unizh.ch http://www.snf.ch/NFP/NFP49/Home_d.html http://www.bag.admin.ch SEA Fachtagung, 6. März 2003
