Fluorochinolon - Antiinfektiva in Abwasser, Klärschlamm und Fliessgewässern

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


InhaltInhalt

Einleitung

AnalytikAbwasser, Klärschlamm

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

Risikobeurteilung

Zusammenfassung


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


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?


EintragspfadeEintragspfade


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


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


FluorochinoloneFluorochinolone

NH

O

Chinolon-Struktur

Norfloxacin(NOR)

Ciprofloxacin(CIP)

N

O

COO–F

N

N

N

O

COO–F

N

N+ +


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


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


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


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


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


Chromatogramm eines Chromatogramm eines Klärschlamm-ExtraktesKlärschlamm-Extraktes


Sequentielle ExtraktionSequentielle Extraktion


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


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


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]


ARA Zürich-WerdhölzliARA Zürich-Werdhölzli


Ciprofloxacin in Ciprofloxacin in TagesmischprobenTagesmischproben

Golet et al.


Ciprofloxacin Massenfluss Ciprofloxacin Massenfluss in ARA Werdhölzliin ARA Werdhölzli

Golet et al.


BodentiefenprofileBodentiefenprofile


Fluorochinolone in der GlattFluorochinolone in der Glatt

Golet et al., 2002


Eintrag von Ciprofloxacin in der Eintrag von Ciprofloxacin in der GlattGlatt

Golet et al., 2002


Fluorochinolone im AbwasserFluorochinolone im Abwasser


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


Fluorochinolone im AbwasserFluorochinolone im Abwasser

PNECPNEC


? ?

?

Können Umweltkonzentrationen zum Erhalt und zur Verbreiterung von Resistenzen beitragen?

Verbreitung von Antibiotika-Verbreitung von Antibiotika-ResistenzenResistenzen


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


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


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


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

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