Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.Bereich Umweltmedizin

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GliederungVorstellung des Forschungsprojektes

ProblemstellungErweitertes Oxidationsverfahren- Strahlerauswahl- Test mit unterschiedlichen Matrices- Oxidationsmittelauswahl- Temperaturabhängigkeit der OxidationAnalytische VerfahrenskontrolleZusammenfassungAusblick

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Problemstellung• Krankenhausabwasser

– hohe Belastung durch Medikamentenausscheidungen

– häufig mutagene und bakterientoxische Eigenschaften

- Antibiotikabelastung: bis 1 mg/L- Zytostatikabelastung: 0,01 – 0,1 mg/L- schlecht biologisch abbaubar

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Erweitertes Oxidationsverfahren(AOP - advanced oxidation process)

• Bildung von Hydroxyl-Radikalen durch UV-Licht in Gegenwart von Oxidationsmitteln

H2O2, O3 und Peroxon (H2O2/O3)

H2O2h*v (254 nm)

2 OH*

R-H + OH* R* + H2O

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Parameter der Dekontaminationsversuche

• Auswahl der Substanzen• UV-Quelle• Matrix• Art und Menge des Oxidationsmittels• Temperatur

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Auswahl der SubstanzenZytostatika• Cyclophosphamid• Ifosfamid• Methotrexat• Cytarabin• Etoposid• 5-Fluouracil• Chlorambucil

Antibiotika• Sulfamethoxazol• Trimethoprim• Ciprofloxacin• Cefuroxim• Chloramphenicol• Ofloxacin

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Auswahl des StrahlersHg-Niederdruckstrahler

selektive UV-C Strahlung bei 254 nm

Hg-Mitteldruckstrahlernahezu kontinuierliches Spektrum im UV-C Bereichzusätzlich Strahlung im UV-B und UV-A Bereich

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Oxidationsapparaturen

Hg-ND-Strahler + H2O2 (temperiert)Hg-ND-Strahler + Ozon

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Resultate – Auswahl des Stahlers

• Hg-Niederdruckstrahler– gute Abbauergebnisse– geringer Energieverbrauch

(15W)– geringe Erwärmung des

Reaktorvolumens

• Hg-Mitteldruckstrahler– schlechte Abbauergebnisse– hoher Energieverbrauch

(150W)– starke Erwärmung des

Reaktorvolumens– Einsatz nur mit Kühlmantel

möglich

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Untersuchte MatricesLeitungswasser– schneller Abbau

Syntetisches Abwasser[1]:– 16 g/L Pepton– 11 g/L Fleischextrakt– 3 g/L Harnstoff– 0,7 g/L NaCl– 0,4 g/L CaCl2 * 2H2O– 0,2 g/L MgSO4 * 7H2O

starke Matrixstörungen

reale Abwässer- Toilettenwagen- direkte Probenahme

Überstand nach 24 Stundenkeine Filtration der Probe

[1] Richtlinie 67/548/EWG - Anhang VIII

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Art und Menge des Oxidationsmittels

• Wasserstoffperoxid-Lösung– Konzentrationen von 0,5 bis 7,5 g/L

• Ozon-Gasstrom (~0,6 g/m3)– Konzentration blieb jeweils unverändert

• Peroxon (H2O2/O3)

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Antibiotika in LeitungswasserOxidationsmittel: 0,5 g/L H2O2 + O3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60

Zeit [min]

Kon

zent

ratio

n [%

]

Ofloxacin

Ciprofloxacin

Trimethoprin

Sulfamethoxazol

Chloramphenicol

Cefuroxim

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Antibiotika in AbwasserOxidationsmittel: 0,5 g/L H2O2 + O3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Zeit [min]

Kon

zent

ratio

n [%

]

OfloxacinCiprofloxacinTrimethoprinSulfamethoxazolChloramphenicolCefuroxim

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Antibiotika in AbwasserOxidationsmittel: H2O2 Konz.: 2,5 g/L

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Zeit [min]

Kon

zent

ratio

n [%

]

OfloxacinCiprofloxacinTrimethoprinSulfamethoxazolChloramphenicolCefuroxim

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Zytostatika in AbwasserOxidationsmittel: H2O2 Konz.: 2,5 g/L

0102030405060708090

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120Zeit [min]

Kon

zent

ratio

n [%

]

5-FluorouracilCytarabinMethotrexatChlorambucilCyclophosphamidIfosfamidEtoposid

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Oxidationsmittel-VergleichCyclophosphamid-Abbau in Abwasser

0102030405060708090

100

[%]

0 4 8 15 25 40 60 100[min]

2,5 g/L H2O2 5 g/L H2O2 7,5 g/L H2O25 g/L H2O2 + O3 0,5 g/L H2O2 + O3

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Temperaturabhängigkeit

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Zeit [min]

Kon

zent

ratio

n [%

]

Cyclophosphamid 20°C

Chloramphenicol 20°C

Cyclophosphamid 30°C

Chloramphenicol 30°C

Cyclophosphamid 40°C

Chloramphenicol 40°C

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Analytische Kontrolle der Versuche

• Überprüfung des Abbaugrades• Optimierung der zuvor genannten

Parameter• Analyse der Substanzen in Abwasser

ohne zusätzliche Probenvorbereitung

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Entwicklung der SubstanzanalytikCE-DAD, CE-LiF und HPLC-DAD• schlechte Nachweisgrenzen (100 – 500 µg/L)• Matrixstörungen bei realem Abwasser

GC-MS• Derivatisierung notwendig nur wenige Substanzen • Matrixstörungen durch Probenvorbereitung reduzierbar• gute Nachweisgrenzen (z.B. 0,1 µg/L für CP)

LC-MS/MS• gute Nachweisgrenzen (0,1 bis 5 µg/L)• Matrixeffekte durch Matrixkalibration reduzierbar

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LC-MS/MS

MS/MS: API 3000 Triple Quadrupol MS(Applied Biosystems)

Ionisierung: TurboIonsprayTM

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Tandem-MassenspektrometrieMessmodus: MRM (multiple reaction monitoring)

Q1 Q3

q2

Q1: Selektion eines ausgewählten Vorläuferions

q2: Fragmentierung dieses Ions

Q3: Selektion dieser Fragmente

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LC-MS/MS – Chromatogramm

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Cyclophosphamid-KalibrationStandardkalibration

y = 6924,1x + 3294,3

0,00E+00

1,00E+05

2,00E+05

3,00E+05

4,00E+05

5,00E+05

6,00E+05

7,00E+05

8,00E+05

0 20 40 60 80 100

[ng/mL]

Are

a, c

ount

s

Matrixkalibration

y = 6991,1x - 237,26

0,00E+00

1,00E+05

2,00E+05

3,00E+05

4,00E+05

5,00E+05

6,00E+05

7,00E+05

8,00E+05

0 20 40 60 80 100

[ng/mL]

Are

a, cou

nts

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Signalsuppression durch MatrixeffektMax. 1.26e4 cps.

11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.00

2000

4000

6000

8000

1.00e4

1.20e41.26e4 10 µg/L CP in Wasser

10 µg/L CP in dotiertem Abwasser

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Zusammenfassung • Oxidationsverfahren

Abbau in realen Abwässern ist gut realisierbar- Hg-Niederdruckstrahler (254 nm) + 2 g/L H2O2

• Cyclophosphamid- und Chloramphenicolabbau ist am langsamsten

• Temperaturerhöhung auf 30°C erhöht die Abbaugeschwindigkeit

• Entwicklung einer neuen Methode zur Pharmazeutika-Analytik in Abwasser mittels LC-MS/MS

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Ausblick• Vergleich verschiedener Abwässer

(Substanzabbau, TOC, BSB, CSB, Genotoxizität)– dotierte Abwässer– Abwasser einer onkologischen Station– Krankenhausabwasser

• Identifizierung einzelnen Abbauprodukte• Test mit weiteren Substanzen• Verfahrensoptimierung und Modellierung

einer Pilotanlage in Zusammenarbeit mit Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen