10.01.2018
ForschungUmwelt

Methodenvergleich Wasseranalytik

Nachweis organisch-chemischer Verunreinigungen im Kläranlagenablauf

  • Beispiel-Chromatogramme mit Blindprobe (schwarz) und Probe (rot) nach der SPME; für die mit einem Fragezeichen beschriebenen Peaks ist keine eindeutige Zuordnung möglich.Beispiel-Chromatogramme mit Blindprobe (schwarz) und Probe (rot) nach der SPME; für die mit einem Fragezeichen beschriebenen Peaks ist keine eindeutige Zuordnung möglich.

Die Verschmutzung der weltweit wichtigsten Ressource Wasser ist ein globales Problem. Tausende verschiedene Substanzen gelangen sowohl über industrielle, als auch landwirtschaftliche Eintragspfade und Haushaltsabwässer in die Gewässer. Die kontinuierliche Weiterentwicklung analytischer Verfahren ermöglicht die Identifizierung einer wichtigen Gruppe von Verbindungen, die auch in behandeltem Abwasser verbleiben.

In der EU sind ca. 100.000 Chemikalien registriert, von denen 30.000 bis 70.000 täglich verwendet werden [1,2]. Obwohl es in Kläranlagen mehrere Schritte zur Behandlung von Abwasser gibt, verbleiben umweltschädliche Substanzen im Wasserkreislauf [3-6]. Aufgrund der sehr geringen Konzentration in Gewässern müssen diese Substanzen enthaltene Proben vor der Analyse durch eine Anreicherungstechnik aufkonzentriert werden.

Eine mittels hochentwickelter analytischer Verfahren detektierte Gruppe von Schadstoffen wird als „neuartige organische Spurenstoffe“ (emerging organic contaminants, EOCs) bezeichnet. Zu den EOCs gehören unter anderem Pharmazeutika, Körperpflegeprodukte, Pestizide und Nebenprodukte chemischer Synthesen [7]. Diese Substanzen treten in sehr niedrigen Konzentrationen auf, die aber ausreichen können, um toxische Effekte zu induzieren [8]. Eine weitere Klasse an im Wasser nachweisbaren Chemikalien sind persistente organische Schadstoffe (persistent organic pollutants, POPs). Die langen Verweilzeiten von POPs im Ökosystem, die unter anderem auf ihre Lipophilie zurückzuführen sind, bewirken ihre Bioakkumulation in der Nahrungskette. Des Weiteren sind sie oftmals halbflüchtig und toxisch [9].

Derzeit sind der Wissensstand über Wasserverunreinigungsquellen und -wege sowie Informationen über Exposition und Wirkungen unbefriedigend [10]. Um qualifizierte Aussagen über den Stand der Wasserqualität zu treffen und die entsprechende Funktionsfähigkeit von Reinigungsstufen zu bestätigen, ist es dringend notwendig, die Wasserqualität kontinuierlich zu überwachen. Aufgrund der verbesserten Nachweistechniken können mittlerweile eine Vielzahl an organisch-chemischen Verbindungen auch in geringen Konzentrationen [ng/L] detektiert werden.

Analyse organischer Verunreinigungen im Abwasser

Typische Methoden zur Bestimmung der Wasserqualität in Kläranlagen basieren auf Summenparametern [11-17].

In der Regel können diese jedoch keine genauen Informationen liefern, welche Verunreinigungen die Probe enthält. Die klassischen Summenparameter in der Abwasseranalyse sind TOC (total organic carbon, Gesamtorganischer Kohlenstoff), TOD (total oxygen demand, Gesamtsauerstoffbedarf), Ammonium-, Phosphat- und Nitratgehalt sowie der chemische und biochemische Sauerstoffbedarf [18-20].

Die gebräuchlichste analytische Methode zur Bestimmung organisch-chemischer Verbindungen in Wässern ist die Flüssigkeitschromatographie (liquid chromatography, LC), welche mit Massenspektrometrie (MS)-Detektoren gekoppelt wird. Vertreter dieser Technik sind unter anderem LC-MS und LC-MS-MS. Gaschromatographische (GC) Techniken, wie z. B. GC-FID (Flammenionisationsdetektor), GC-MS und GC-MS-MS, werden ebenfalls verwendet. Der wichtigste Vorteil einer GC-MS-Detektion ist die Bereitstellung detaillierter Informationen über die Struktur des Analyten [21,22].

Laborbuch-Reihe: Methoden der Probenvorbereitung

Aufgrund der Komplexität des Wassers als Matrix ist es notwendig, vor der Analyse eine Probenvorbereitung durchzuführen. Die typische Probenvorbereitung für wässrige Proben ist die Filtration, gefolgt von verschiedenen Extraktionstechniken. In der in dieser Ausgabe der GIT Labor-Fachzeitschrift startenden Laborbuch-Reihe „Methoden der Probenvorbereitung“ werden die Festphasenextraktion (SPE), die Festphasenmikroextraktion (SPME) und die Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE) vorgestellt [23,24]. Diese wurden auf ihre Eignung für die Wasseranalytik hin überprüft; im vorliegenden Fachartikel diskutiert werden die allgemeinen Parameter dieser Methoden (Tab. 1) sowie die mit der jeweiligen Methode in den wässrigen Proben nachgewiesenen Substanzen.

Für die SPE-Technik beinhaltet der in Tabelle 1 angeführte Preis 4 mL Aceton (>99 %, GC), einen Glas-Mikrofaser-Filter und den Preis der einzelnen SPE-Kartusche. Die Kosten für die Einzelprobenvorbereitung für LLE sind ausschließlich die Kosten für 5 mL Hexan (>99%, GC).  Der Preis der SPME-Methode beinhaltet lediglich die Kosten der einzelnen SPME-Faser geteilt durch 10 (für reale Proben kann eine Faser etwa zehn Mal verwendet werden).

Die mit organischem Trennungssmittel (LLE) extrahierte Probe kann durch Verdampfen des Extraktes rekonzentriert werden. Dies gilt auch für die Festphasenextraktion. Wendet man eine SPME-Technik an, erfordert dies keine organischen Lösungsmittel. Es ist keine Rekonzentration erforderlich. In der LLE-Technik ist es erforderlich, das Extrakt zu Zentrifugieren, damit sich eine Mischphase bildet. Methodenbedingt können nur etwa 2 mL des Extraktes erhalten werden. Durch zusätzliche Aufkonzentrierung des Extraktes kann die Nachweisgrenze verbessert werden. Bei der SPE-Methode ist die Durchflussgeschwindigkeit und somit die Absorption der Substanzen für jede Kartusche unterschiedlich. Für die simultane Extraktion mehrerer Proben ist es wichtig, das Volumen der Probe im Glas zu kontrollieren. Darüber hinaus enthält das Extrakt eine geringe Menge Wasser, die es erschwert, das Gemisch bis zur Trockne einzudampfen. Schon eine geringe Menge an Wasser in der Probe kann zum Beispiel die Derivatisierungsreaktion mit N,O-Bis-trimethylsilyltrifluoracetamid (BSTFA) stoppen. Bei der SPME-Technik sind die Fasern in der Regel teuer und leicht zerstörbar. Darüber hinaus ist die Interpretation der Ergebnisse aufgrund der großen Anzahl von Signalen in der Blindprobe sehr schwierig (Abb. 2 und Tab. 2).

Nachweis von Schadstoffen

Eine eindeutige Identifikation und Zuordnung aller Peaks eines Chromatogramms stellt stets eine große Herausforderung dar. Die Zuordnung der Peaks erfolgte mit Hilfe der hinterlegten Daten in der NIST-Bibliothek [25]. Alle Ergebnisse, inklusive der Derivatisierungsreaktionen für die jeweiligen Methoden, finden Sie im Material- und Methodenteil zum Artikel (zum Download als Topstory-PDF).

Es gab einige Analyten, die mit LLE und SPE gefunden wurden und mit der SPME-Technik nicht nachweisbar waren. Dazu gehören Glycerin, das Tensid Surfynol und das Flammschutzmittel TMCP. Bei der Verwendung von SPME konnten deutlich mehr Verbindungen detektiert werden. Einige Komponenten wie Galaxolid und Ionon (Duftstoff) oder Glycerin konnten in fast jeder Probe nachgewiesen werden. Das Glycerin stammt vermutlich aus Lipiden und wurde in der Probe freigesetzt und danach silyliert. Andere Verbindungen wurden nur in Proben einer der insgesamt vier beprobten Kläranlagen nachgewiesen, wovon sich zwei in der geographischen Nähe eines Industriegeländes befinden. Dazu gehört Diethylcarbitol, der sowohl mit der SPE als auch mit der SPME in der Probe 4 nachwiesen wurde. Mit Festphasenmikroextraktion wurden in dieser Probe auch andere Verbindungen gefunden, beispielweise Lösungsmittel Isophoron, Duftstoff 2-tert-Butylcyclohexanol und Methylbenzotriazol.

Die Bindung an der SPME-Phase ist strukturbedingt. Die polaren und aromatischen Gruppen, sowie Ringsysteme werden auf der PDMS/DVB-Phase bevorzugt adsorbiert. Moleküle, wie beispielweise Diethylcarbitol oder Verbindungen mit weniger aktiven, polaren Gruppen, können nicht an der Faser festgehalten werden. Es ist jedoch möglich, diese Verbindungen in der SPE-Phase zu lokalisieren. Man nutzt hier aus, dass weniger polare, schwer wasserlösliche und langkettige Verbindungen sich gut in Hexan lösen und deshalb mit LLE erfasst werden können.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass mittels des Einsatzes eines GC-MS-Systems erfolgreich organisch-chemische Spurenstoffe detektiert werden können, wenn die entsprechende Extraktionstechnik modifiziert wird. Zu diesem Zweck wurden drei Extraktionstechniken für diese Non-Target Analyse verglichen. Im Vergleich zu SPE und LLE wurden mehr Verbindungen unter Verwendung von Festphasen-Mikroextraktion gefunden. Für eine GC Non-Target Analytik ist die SPME eine zielführende Extraktionsmethode. Bei der Entwicklung einer SPE-Methode ist es wichtig, mehrere Festphasen zu testen, um möglichst viele Analyten nachzuweisen. Es bleibt jedoch festzuhalten, dass bei der Auswahl des Extraktionsverfahrens die Struktur und die chemischen Eigenschaften der zu untersuchenden Analyten stets mit zu betrachten sind. Die hier vorgestellte kombinierte Methoden- und Verfahrenstechnik stellt somit resultierend eine Ergänzung zu LC-MS und LC-MS-MS Systemen dar.

Danksagungen

Die Arbeiten im Projekt Wasser 3.0 (www.wasserdreinull.de) konnten mithilfe der finanziellen Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie durch Bereitstellung von ZIM-Mitteln durchgeführt werden. Die Autoren bedanken sich auch für die technische und forschende Unterstützung bei der SAS Hagmann GmbH aus Horb am Neckar.

Autorinnen

M. Stróżyńska und K. Schuhen

Kontakt

Jun.-Prof. Dr. Katrin Schuhen

Institut für Umweltwissenschaften, Universität Koblenz-Landau, Landau, Deutschland

schuhen@uni-landau.de

Literaturverzeichnis

[1] https://echa.europa.eu/de/information-on-chemicals, Zugriff am 09.03.2017.

[2] R.P. Schwarzenbach, B.I. Escher, K. Fenner, T.B. Hofstetter, C.A. Johnson, U. von Gunten, B. Wehrli, Desalination Freshens Up, Science 2006, 313, 1088-1090.

[3] T. Ternes, Occurrence of drugs in German sewage treatment plants and rivers, Water Res. 1998, 32, 11.

[4] http://www.fachdokumente.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/40155/wb_u5300_01.pdf?command=downloadContent&filename=wb_u5300_01.pdf, Zugriff am 22.03.2017.

[5] R. Loos, R. Carvalho, D. C. António, S. Comero, G. Locoro, S. Tavazzi, B. Paracchini, M. Ghiani, T. Lettieri, L. Blaha, B. Jarosova, S. Voorspoels, K. Servaes, P. Haglund, J. Fick, R. H. Lindberg, D. Schwesig, B. M. Gawlik, EU-wide monitoring survey on emerging polar organic contaminants in wastewater treatment plant effluents, Water Res. 2013, 47, 6475-6487.

[6] N. Vieno, H. Härkki, T. Tuhkanen, L. Kronberg, Occurrence of Pharmaceuticals in River Water and Their Elimination in a Pilot-Scale Drinking Water Treatment Plant, Environ. Sci. Technol. 2007, 41, 5077-5084.

[7] D. Lapworth, N. Baran, M. Stuart, R. Ward, Emerging organic contaminants in groundwater: A review of sources, fate and occurrence, Environ. Pollut. 2012, 163, 287-303.

[8] M. Hernando, M. Mezcua, A. Fernández-Alba, D. Barceló, Environmental risk assessment of pharmaceutical residues in wastewater effluents, surface waters and sediments, Talanta 2006, 69, 2, 334-342.

[9] E. Eljarrat, D. Barcelo, Priority lists for persistent organic pollutants and emerging contaminants based on their relative toxic potency in environmental samples, Trends Anal Chem. 2003, 22, 10. 655-665.

[10] L. Lamastra, M. Balderacchi, M. Trevisan, Inclusion of emerging organic contaminants in groundwater monitoring plans, Methods 2016, 3, 459-476.

[11] European Council: Directive 2000/60/EC, European Parliament 2000.

[12] European Committee for Standardization, ISO-CEN EN 1484-1997, 1997.

[13] DIN EN 1899-1: Water quality - Determination of biochemical oxygen demand after n days - Part 1: Dilution and seeding method with allylthiourea acid addition.

[14] DIN EN 1899-2: Water quality - Determination of biochemical oxygen demand after n days - Part 2: Method for undiluted samples.

[15] DIN 38409-41: German Standard Methods for Examination of Water, Waste Water and Sludge; Summary Action and Material Characteristic Parameters (Group H); Determination of the Chemical Oxygen Demand (COD) in the Range over 15 mg/l.

[16] DIN EN 12260:2003-12: Water quality - Determination of nitrogen - Determination of bound nitrogen (TN<sub>b</sub>), following oxidation to nitrogen oxides.

[17] DIN EN ISO 15681-1:2005-05: Water quality - Determination of orthophosphate and total phosphorus contents by flow analysis (FIA and CFA) - Part 1: Method by flow injection analysis (FIA).

[18] Wastewater Treatment Manuals - Primary, Secondary & Tertiary Treatment, Environmental Protection Agency, 1997.

[19] Wastewater Treatment Manuals - Characterisation of Industrial Wastewaters, Environmental Protection Agency, 1997.

[20] www.epd.georgia.gov/sites/epd.georgia.gov/files/related_files/site_page/devwtrplan_b.pdf,  Zugriff am 09.03.2017.

[21] M. Kostopoulou, A. Nikolaou, Analytical problems and the need for sample preparation in the determination of pharmaceuticals and their metabolites in aqueous environmental matrices, Trends Anal. Chem. 2008, 27, 11, 1023-1035.

[22] I. Robinson, G. Junqua, R. van Coillie, O. Thomas, Trends in the detection of pharmaceutical products, and their impact and mitigation in water and wastewater in North America, Anal. Bioanal. Chem. 2007, 387, 4, 1143-1151.

[23] J. Leea, F. Khalilianb, H. Bagherib, H. Lee, Optimization of some experimental parameters in the electro membrane extraction of chlorophenols from seawater, J. Chrom. A 2009, 1216, 7687-7693.

[24] W. Barrionuevo, F. Lanças, Comparison of liquid-liquid extraction (LLE), solid-phase extraction (SPE), and solid-phase microextraction (SPME) for pyrethroid pesticides analysis from enriched river water, Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2002, 69, 123-128.

[25] https://www.nist.gov/srd/nist-standard-reference-database-1a-v14, Zugriff am 07.04.2017.

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