SEA Fachtagung, 6. März 2003

Fluorochinolon - Antiinfektiva Fluorochinolon - Antiinfektiva in Abwasser, Klärschlamm und in Abwasser, Klärschlamm und

FliessgewässernFliessgewässern

Alfredo Alder, Eva M. Golet, Irene Xifra, Adrian Strehler,

Thi Ngoc Anh Pham, Walter Giger

EAWAG, CH-8600 Dübendorf

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InhaltInhalt

Einleitung

AnalytikAbwasser, Klärschlamm

Vorkommen und Verhalten- Spitalabwasser- Massenfluss in ARA Zürich-Werdhölzli- Auftreten und Verhalten im Glattal

Risikobeurteilung

Zusammenfassung

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Messungen in der Umwelt Messungen in der Umwelt (Monitoring)(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

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Tiefe UmweltkonzentrationenTiefe 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?

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EintragspfadeEintragspfade

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EintragspfadeEintragspfade

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ZielsetzungenZielsetzungen

Spitalabwasser Spitalabwasser ARA ARA OberflächengewässerOberflächengewässer

Entwicklung von analytischen Methoden

Massenflüsse:- Einträge in ARA und Gewässer- Prozessorientierte Interpretationen

Information für Risikobeurteilung:- PEC, "MEC”- Resistententwicklung

SEA Fachtagung, 6. März 2003Treuhandstelle der Antibiotika-Importeure und BLW

0

20

40

60

80

100

120

1995 1996 1997 1998 1999 2000

Ton

nen

Gesamtverbrauch

Futtermittelzusätze:antimikrobielle Leistungförderer*und Medizinalfutter

Humanmedizin

Veterinärmedizin Einzeltier

*Verbot seit 1999

Antibiotika-Verbrauch in der Antibiotika-Verbrauch in der SchweizSchweiz

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Antibiotika Verbrauch in der Antibiotika Verbrauch in der Schweiz Humanmedizin (1997, Schweiz Humanmedizin (1997,

TSA)TSA)13.2 t

Penicilline &Ampicilline

2.3 t Sonstige

4.3 t Cephalosporine

5.5 t Sulfonamides

4.3 t Makrolide

4.0 t Fluorochinolone

1.0 t Tetracycline

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FluorochinoloneFluorochinolone

NH

O

Chinolon-Struktur

Norfloxacin(NOR)

Ciprofloxacin(CIP)

N

O

COO–F

N

N

N

O

COO–F

N

N+ +

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Umweltrelevanz - 1Umweltrelevanz - 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

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Umweltrelevanz - 2Umweltrelevanz - 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

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Bestimmung in Abwasser und Bestimmung in Abwasser und GewässernGewässern

Anreicherung: SPE (Kationenaustauscher, MPC), pH 3Elution 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 nmMS: Platform LC (Micromass), +ESIMS/MS: API 365 (Sciex) +ESI

Literatur: Golet et al. (2001) Anal. Chem. 73, 3632-3638

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Bestimmung in Klärschlamm und Bestimmung in Klärschlamm und BodenBoden

Extraktion: ASE (Accelerated Solvent Extraction)50 mM H3PO4 / ACN : 1 / 1100 °C, 100 bar; 4 x 15 min

Anreicherung: SPE (Kationenaustauscher, MPC), pH 3Elution 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

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Accelerated Solvent Extraction Accelerated Solvent Extraction (ASE)(ASE)

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Chromatogramm eines Chromatogramm eines Klärschlamm-ExtraktesKlärschlamm-Extraktes

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Sequentielle ExtraktionSequentielle Extraktion

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Konzentrationen im SchlammKonzentrationen im Schlamm

Matrix Ciprofloxacin Norfloxacin

Frischschlamma Dübendorf 1.40 ± 0.12 1.54 ± 0.03Zürich-Werdhölzli 2.03 ± 0.20 1.96 ± 0.15

Faulschlamma Kloten-Opfikon 2.42 ± 0.06 2.37 ± 0.07Zürich-Werdhölzli 2.27 ± 0.20 2.13 ± 0.19

Boden (Schlammbehandelt)b Wetzikon 0.35 ± 0.04 0.32 ± 0.01(t = 5 Mt) Reckenholz 0.40 ± 0.03 0.29 ± 0.01

Boden (Schlammbehandelt)b Wetzikon 0.28 ± 0.01 0.27 ± 0.01(t = 21 Mt) Reckenholz 0.27 ± 0.04 0.30 ± 0.01

a ASE Bedingungen: 100 °C, 100 bar, 4 x 15 Min.b ASE Bedingungen: 100 °C, 100 bar, 6 x 15 Min.

mg/Kg TS

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Antibiotika in Spitalabwässer Antibiotika in Spitalabwässer

Substanz CMin

[µg/ l]CMax

[µg/ l]C24h

[µg/ l]Verbrauch

[kg/a]

Fluorochinolone

Ciprofloxacin 17.2 29.4 18.6 10

Norfloxacin 2.7 7.9 5.0 3

Makrolide

Clarithromycin 0.2 1.2 0.3 3

Erythromycin < BG 0.4 < BG 0.2

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Tagesgang im SpitalabwasserTagesgang im Spitalabwasser

0.0

4.0

8.0

12.0

16.0

20.0

7 10 13 16 19 22 1 4

Tageszeit (h)

Norfl

oxaci

n [

µg/L)

0

5

10

15

20

25

30

35

Cip

rofl

oxaci

n [

µg/L]

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ARA Zürich-WerdhölzliARA Zürich-Werdhölzli

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Ciprofloxacin in Ciprofloxacin in TagesmischprobenTagesmischproben

Golet et al.

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Ciprofloxacin Massenfluss Ciprofloxacin Massenfluss in ARA Werdhölzliin ARA Werdhölzli

Golet et al.

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BodentiefenprofileBodentiefenprofile

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Fluorochinolone in der GlattFluorochinolone in der Glatt

Golet et al., 2002

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Fluorochinolone in der GlattFluorochinolone in der Glatt

Golet et al., 2002

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Eintrag von Ciprofloxacin in der Eintrag von Ciprofloxacin in der GlattGlatt

Golet et al., 2002

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Fluorochinolone im AbwasserFluorochinolone im Abwasser

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Risikobeurteilung Risikobeurteilung (Ciprofloxacin)(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/LSicherheitsfaktor 10 (Interspezies Variabilität) PNEC 1 µg/L

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Fluorochinolone im AbwasserFluorochinolone im Abwasser

PNECPNEC

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? ?

?

Können Umweltkonzentrationen zum Erhalt und zur Verbreiterung von Resistenzen beitragen?

Verbreitung von Antibiotika-Verbreitung von Antibiotika-ResistenzenResistenzen

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Methode: Methode: AntibiogramAntibiogram

INTERPRETATIVE STANDARDS

CIPROFLOXACINResistent < 15 mm

Intermedär = 17 mmSensitiv > 21 mm

Corvaglia, Demarta, Gaia, Peduzzi (2002)Istituto Cantonale di Microbiologia, Bellinzona

Sensitiv

Resistent

intermediär

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Konzentrationen Konzentrationen versusversus ResistenzResistenz

Aeromonas, AntibiogrammResistenz gegen Ciprofloxacin

0

10

20

30

40

0 5 10 15

Konzentration [µg /L]

Du

rch

messer

[m

m] Spital

1Spital

2Spital

4Spital

3

Unpublished results (2002)EAWAG, Dübendorf and Istituto Cantonale di Microbiologia, Bellinzona

Sensitiv

Intermediär

Resistent

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ZusammenfassungZusammenfassung

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 Oekosystemedurch Antibiotika

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InformationsbeschaffungInformationsbeschaffung

European Agency for the Evaluation of Medicinal Products: http://www.emea.eu.int

U.S. Environmental Protection Agencyhttp://www.epa.gov/nerlesd1/chemistry/pharma/index.htm

Food and Drug Administrationhttp://www.fda.gov

Bund/Länder-Ausschuss Chemikaliensicherheit (BLAC), Hamburg http://www.blac-info.de

Institut für Veterinärpharmakologie und -toxikologiehttp://www.vetpharm.unizh.ch

http://www.snf.ch/NFP/NFP49/Home_d.html

http://www.bag.admin.ch