10.06.2010
ForschungUmwelt

Benzotriazole in der aquatischen Umwelt

Multidimensionales Screening mittels HPTLC / AMD und Nano-HPLC/QTOF-MS

  • Abb. 1: a) HPTLC/AMD-UV/VIS-Chromatogramm eines Kläranlagenablauf-[Mehrwellenlängen-Scan (Absorptionsmessung bei 190 – 300 nm)]  b) Nano-LC/QTOF-MS-Chromatogramm der extrahierten Substanzen, Peak A: 1H-Benzotriazol; Peak B: TolyltriazoleAbb. 1: a) HPTLC/AMD-UV/VIS-Chromatogramm eines Kläranlagenablauf-[Mehrwellenlängen-Scan (Absorptionsmessung bei 190 – 300 nm)] b) Nano-LC/QTOF-MS-Chromatogramm der extrahierten Substanzen, Peak A: 1H-Benzotriazol; Peak B: Tolyltriazole
  • Abb. 1: a) HPTLC/AMD-UV/VIS-Chromatogramm eines Kläranlagenablauf-[Mehrwellenlängen-Scan (Absorptionsmessung bei 190 – 300 nm)]  b) Nano-LC/QTOF-MS-Chromatogramm der extrahierten Substanzen, Peak A: 1H-Benzotriazol; Peak B: Tolyltriazole
  • Abb. 2: TLC-MS-Interface
  • Abb. 3: MS/MS-Spektren von 1H-Benzotriazol sowie Tolyltriazolen aufgenommen mittels Nano-LC/QTOF-MS nach Extraktion von der HPTLC-Platte
  • Abb. 4: HPTLC/AMD-Trennungen von Festphasen-Extrakten unterschiedlicher Kläranlagenabläufe sowie den Referenzen von 1H-Benzotriazol und den Tolyltriazolen (Fluoreszenzlöschung, Anregungswellenlänge: 254 nm)
  • Abb. 5: Konzentrationen von 1H-Benzotriazol und Tolyltriazolen in Grundwasser-proben aus dem Wasserschutzgebiet „Donauried-Hürbe“ (N = 74)

Das Vorkommen von organischen Spurenstoffen im Wasserkreislauf und damit potenziell auch in den Rohwasserressourcen der Trinkwasserversorger steht seit vielen Jahren in der Diskussion. Aus diesem Grund ist es notwendig, über leistungsfähige analytische Verfahren und Strategien zur Überwachung bekannter als auch unbekannter bzw. noch nicht berücksichtigter Kontaminanten zu verfügen. Das Betriebs- und Forschungslaboratorium des ZV Landeswasserversorgung (LW) nutzt u.a. die Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC) in Form der automatisierten Mehrfachentwicklung (AMD) und die Nano-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (Nano-HPLC) mit Flugzeitmassenspektrometrie (QTOF-MS) im Rahmen eines multidimensionalen Screenings für eine möglichst umfassende Vorfeldanalytik. Hierbei konnte in Grund- und Abwasser aus dem Wasserschutzgebiet „Donauried-Hürbe" sowie in Oberflächengewässern dieser Region das Vorkommen von 1H-Benzotriazol und Tolyltriazolen nachgewiesen werden.

Kontaminationen mit Benzotriazolen sind in erster Linie durch ihren Einsatz in Farben und Lacken als Korrosionsschutzmittel [1] für Kupfer und dessen Legierungen, in Kühlflüssigkeiten und Schmierstoffen von Motoren sowie zum Silberschutz in Reinigungs- und Spülmitteln verursacht. Weiterhin gelangen sie nach ihrer Verwendung in Frostschutz- und Flugzeugenteisungsmitteln in die Umwelt. Zum Vorkommen der Substanzen in der aquatischen Umwelt wurden bisher nur wenige Untersuchungen durchgeführt [2, 5]. Dennoch kann festgehalten werden, dass 1H-Benzotriazol und die Tolyltriazole zu den am häufigsten und in verhältnismäßig hohen Konzentrationen gefundenen Umweltchemikalien in Fliessgewässern gehören. So wurde 1H-Benzotriazol in 94% und Tolyltriazole in 81% aller untersuchten Proben nachgewiesen. Die Mediankonzentration betrugen 230 ng/l für 1H-Benzotriazol bzw. 140 ng/l für die Tolyltriazole [6].

Untersuchungskonzept der Landeswasserversorgung (LW)

Im Rahmen eines Überwachungsprogramms der von der LW genutzten Rohwässer und deren Umfeld (z.B. Vorfeldmessstellen, Oberflächengewässer und Kläranlagenabläufe) wurden neben den umfassenden und regelmäßig durchgeführten chemischen, chemisch-physikalischen sowie mikrobiologischen Untersuchungen zusätzlich „Non-Target-Screening-Verfahren" zur Erkennung von bisher nicht berücksichtigten Kontaminanten oder unbekannten Substanzen durchgeführt.

Hierbei kam u.a. ein Screening mittels HPTLC/AMD [7] zum Einsatz. Dabei konnte festgestellt werden, dass sowohl in Extrakten von Kläranlagenabläufen als auch von Oberflächen- und Grundwasserproben Peaks auftraten (Abb. 1), die im Rahmen der bei der LW bisher durchgeführten Target-Analytik-Untersuchungen nicht zugeordnet werden konnten.

Deshalb wurde zur Identifikation dieser bisher nicht berücksichtigten Kontaminanten zunächst die den Peak 2 (Abb. 1a) bildende organische Substanz mit Hilfe der in Abbildung 2 dargestellten Extraktionsapparatur (TLC-MS-Interface, Camag) von der HPTLC-Platte (LiChrospher-Platten, Merck) extrahiert und nach Nano-LC mittels QTOF-MS (nano-HPLC 1200 Series, 6520 QTOF beides Agilent) untersucht (ESI+). Dabei konnten zwei intensive Peaks (Peak A bei RT = 3.2 min und Peak B bei RT = 3.4 min) erkannt werden (Abb. 1b).

Zur Identifizierung der den beiden Peaks zuzuordnenden Substanzen wurde eine im Betriebs- und Forschungslaboratorium der LW erstellte Substanzdatenbank mit den jeweiligen Summenformeln und exakten Massen von in der Literatur beschriebenen potenziellen Umweltkontaminanten eingesetzt. Mit Hilfe dieser Datenbankabfrage war es anhand der bestimmten exakten Molekülmassen als auch über die Isotopenmuster möglich, Peak A als 1H-Benzotriazol zu identifizieren und Peak B den Tolyltriazolen (4-Methyl-1H-benzotriazol bzw. 5-Methyl-1H-benzotriazol) zuzuordnen. Eine Unterscheidung der Tolyltriazol-Isomere konnte unter den gewählten Nano-LC-Bedingungen nicht erfolgen, da diese chromatographisch nicht getrennt werden konnten. Zur Bestätigung der Identität wurden Produktionenspektren (MS/MS) der von der HPTLC-Platte extrahierten Substanzbande nach Trennung mit der Nano-LC aufgenommen (Abb. 3) und mit kommerziell erhältlichem Referenzmaterial verglichen. Sowohl die Retentionszeiten als auch die Massenspektren stimmten überein. Zudem zeigte sich, dass die Produktionenspektren der Tolyltriazol-Isomere nahezu identisch sind. Als zusätzliche Bestätigung wird in Abbildung 4 die Migration der Referenzsubstanzen (UV-Absorption) im Vergleich zu den Extrakten unterschiedlicher Kläranlagenausläufe bei der HPTLC/AMD gezeigt.

Durch den Wechsel des Ionisationshilfsmittels bei der chromatographischen Methode (Trennsäule Zorbax Exclipse, Eluenten Wasser und Methanol jeweils mit einem Zusatz von 2 mmol/l Ammoniumcarbonat) ist es gelungen, die Tolyltriazol-Isomere besser zu trennen. Dies ist besonders dann wichtig, wenn sich die Konzentrationen der Isomere deutlich unterscheiden. Zur Detektion wurde ein Triple-Quadrupol-Massenspektrometer (API 5000, Applied Biosystems) mit Elektrospray-Ionisation im positiven Modus eingesetzt.

Vorkommen in Grund-, Oberflächen- und Abwasser

Das Wasserschutzgebiet Donauried-Hürbe - mit einer Fläche von 517 km² - umfasst das gesamte Einzugsgebiet der Fassungen des Zweckverbandes Landeswasserversorgung. In Schutzzone 3 liegen 56 Ortschaften mit rund 5,7 km² Gewerbefläche. Es gibt 19 Kläranlagen, 95 Regenüberlaufbecken sowie ca. 450 km öffentliche und 900 km private Abwasserrohre. Das Straßennetz hat eine Länge von 528 km, wovon 28 km als Autobahnen ausgebaut wurden. Aktuell sind 356 Altlasten erfasst, die meisten davon sind nicht sanierungsbedürftig. Auf rund der Hälfte der Fläche wird Ackerbau betrieben. Im Schutzgebiet entspringen die Flüsschen Nau, Lone und Hürbe. Rund 20 weitere Gräben durchziehen das Gebiet.

Zur Einschätzung des Gefährdungspotenzials für die Qualität des Grundwassers im Wasserschutzgebiet Donauried-Hürbe wurde das Vorkommen von 1H-Benzotriazol und Tolyltriazolen in 74 Grundwasser-Beobachtungsbrunnen im Wasserschutzgebiet untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 zusammenfassend dargestellt. 1H-Benzotriazol war in 34% und die Tolyltriazole in 18% der Proben mit einer Maximalkonzentration von 173 ng/l bzw. 75 ng/l nachweisbar. Die Konzentrationen im Rohwasser aus dem Donauried betragen maximal 37 ng/l für 1H-Benzotriazol bzw. 5 ng/l für die Tolyltriazole.

Die Konzentrationen von 1H-Benzotriazol und Tolyltriazolen in der Donau bei Leipheim lagen zwischen ca. 100 und 500 ng/l und damit erwartungsgemäß höher als im Grundwasser. Auch in den Zuflüssen der Donau im Raum Ulm, wie der Iller, Nau, Blau, Riß und Schmiech, waren 1H-Benzotriazol und die Tolyltriazole in vergleichbaren Konzentrationen nachweisbar.

Die Konzentrationen der Substanzen im Ablauf kleiner kommunaler Kläranlagen [z.B. Asselfingen 2.500 Einwohnerwerte (EW) und Langenau 16.600 EW] lagen zwischen 1.000 bis 5.000 ng/l für 1H-Benzotriazol und 2.000- 8.000 ng/l für Tolyltriazole. Die stichprobenartig bestimmten Konzentrationen der Benzotriazole im Ablauf einer Großkläranlage mit über 400.000 EW ergaben für 1H-Benzotriazol Werte zwischen 3.500 und 4.800 ng/l und für die Tolyltriazole Werte zwischen 3.100 und 3.300 ng/l. Diese Ergebnisse sind mit den Konzentrationen der kleinen Anlagen im Wasserschutzgebiet vergleichbar.

Die Untersuchungen an einer stark industriell beeinflussten Großkläranlage ergaben 2.000 -4.000 ng/l für 1H-Benzotriazol, jedoch 12.000 - 19.000 ng/l für die Tolyltriazole. Hinsichtlich der Tolyltriazol-Isomere konnte festgestellt werden, dass im gereinigten Abwasser 4-Methyl-1H-benzotriazol gegenüber 5-Methyl-1H-benzotriazol dominiert. Die Konzentrationen des 4-Methyl-Isomers waren bis zu ca. einer Dekade höher als die des 5-Methyl-Isomers. Dies ist vermutlich, wie von Weiß & Reemtsma [3] beschrieben, auf die unterschiedlich gute mikrobiologische Abbaubarkeit zurückzuführen.

Benzotriazole konnten ebenfalls in Stichproben in Autobahnabwasser (Ablauf Regenrückhaltebecken) bestimmt werden. Die Konzentrationen betrugen 50-200 ng/l für 1H-Benzotriazol bzw. 300-800 ng/l für die Tolyltriazole.

Fazit und Ausblick

Das Vorkommen von Benzotriazolen nicht nur im Bereich von Flugplätzen oder Industrieanlagen, wie häufig in der Literatur beschrieben, sondern auch in kommunalen Abwässern kleinerer Gemeinden, macht deutlich, dass es sich bei diesen Substanzen um ubiquitär verbreitete Umweltchemikalien handelt, die auch auf den Einfluss von häuslichem Abwasser zurück zu führen sind. 1H-Benzotriazol und die Tolyltriazole waren nicht nur in nahezu allen untersuchten Oberflächengewässern, sondern ebenfalls im Grundwasser nachweisbar. Für einen Wasserversorger wie den Zweckverband Landeswasserversorgung ist es wichtig, mögliche Gefährdungspotenziale frühzeitig zu erkennen. Somit sind ergänzend zu den Informationen über das Vorkommen von Spurenstoffen in den Rohwässern auch Kenntnisse über deren Verhalten bei der Wasseraufbereitung von Bedeutung. Deshalb werden derzeit entsprechende Untersuchungen im Betriebs- und Forschungslaboratorium der Landeswasserversorgung durchgeführt.

Literatur
[1] La Farré M. et al.: Fate and toxicity of emerging pollutants, their metabolites and transformation products in the aquatic environment, Trends in Analytical Chemistry, 27, 991 (2008)
[2] Cancilla D. A.: Detection of aircraft deicing/antiicing fluid additives in a perched water monitoring well at an international airport, Environ. Sci. Technol., 32, 3834 (1998)
[3] Weiß S. et al.: Discharge of three benzotriazole corrosion inhibitors with municipal wastewater and improvements by membrane bioreactor treatment and ozonation, Environ. Sci. Technol. 40, 7193 (2006)
[4] Voutsa D. et al.: Benzotriazoles, alkylphenols and bisphenol A in municipal wastewaters and in the Glatt River, Switzerland, Environ. Sci. Pollut. Res. Int., 13, 333 (2006)
[5] Giger W. et al.: Benzotriazole and Tolyltriazole as aquatic contaminants. 1. Input and Occurrence in rivers and lakes, Environ. Sci. Technol., 40, 7186 (2006)
[6] Loos R. et al.: EU-wide survey of polar organic persistent pollutants in European river waters, Environ. Pollut., 157, 561 (2009)
[7] Weber, W. H., Seitz, W., Schulz, W., Wagener, H. A.: Nachweis der Metaboliten Desphenyl-chloridazon und Methyl-desphenyl-chloridazon in Oberflächen-, Grund- und Trinkwasser, Vom Wasser, 105 (1), 7 (2007)

Autoren:
Dr. Walter H. Weber
Dipl.-Ing. (FH) Alexander Müller
Dipl.-Ing. (FH) Stefan C. Weiss
Dr. Wolfram Seitz
Dr. Wolfgang H. Schulz (Korrespondenzautor)

Kontaktieren

Zweckverband Landeswasserversorgung Betriebs- und Forschungslaboratorium
Am Spitzigen Berg 1
89129 Langenau
Germany
Telefon: +49 7345 9638 2266

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