01.08.2013
ForschungUmwelt

Der Nachweis von Gadolinium

Kontrastmittel in Oberflächengewässern und Pflanzen

  • Abb. 1: Chemische Strukturen einiger häufig verwendeten Gd-basierten MagnetResonanzImaging-KontrastmittelnAbb. 1: Chemische Strukturen einiger häufig verwendeten Gd-basierten MagnetResonanzImaging-Kontrastmitteln
  • Abb. 1: Chemische Strukturen einiger häufig verwendeten Gd-basierten MagnetResonanzImaging-Kontrastmitteln
  • Abb. 2: Oberflächengewässer Teltowkanal in Berlin © Haldir
  • Abb. 3: HPLC Chromatogramm (auf der Masse / Ladung von 158Gd) vom Oberflächenwasser des Teltowkanals (Proben an der Auslassstelle des Klärwerks Stahnsdorf genommen) – dominanten Kontrastmittel Dotarem (Gd-DOTA) und Gadovist (Gd-BT-DO3A)

Seit Jahren wird eine erhöhte Konzentration des Gadoliniums in der Umwelt beobachtet und dies kann auf seine Anwendung in der Medizin zurückgeführt werden, denn Gadolinium wird seit rund 25 Jahren u. a. in Krankenhäusern als Kontrastmittel für das Magnetresonanzimaging (MRI) angewendet.

Giftig für den Menschen
Um Patienten vor den toxischen Nebenwirkungen des freien Gadoliniumkations zu schützen, wird das Metall als sehr stabiler, wenig toxischer Polyaminocarboxylate-Chelatkomplex gebunden und verabreicht [1]. In Abbildung 1 sind einige typischen Gd basierten Kontrastmitteln dargestellt. Die toxischen Wirkungen des freien Gadoliniums beruhen darauf, dass Gadolinium ein Kompetitor von Calcium ist und so zelluläre Prozesse im Organismus blockieren kann [2].

Die größte Menge des verabreichten Gadolinium-Komplexes wird nach der Untersuchung von den Patienten schon nach wenigen Stunden ohne größere Nebenwirkungen ausgeschieden [3]. Deswegen werden diese Kontrastmittel auch als unbedenklich eingeschätzt. Allerdings ist seit einiger Zeit bekannt, dass die Einnahme von Gadolinium basierten Kontrastmitteln in seltenen Fällen zu NSF (Nephrogene Systemische Fibrose) führt. NSF ist eine Erkrankung, mit Symptomen wie der irreversiblen Verhärtung der Haut und Organe, die tödlich enden kann [4]. Dies tritt vor allem bei Patienten auf, die unter Nierenschäden leiden. Eine Vermutung ist, dass durch die Einnahme von eisenhaltigen Präparaten der Transmetallierungsprozess im Körper gefördert und toxisches Gadolinium freigesetzt wird. Bei Niereninsuffizienz ist die Ausscheidung des Kontrastmittels verzögert, wodurch eine längere Verweilzeit des Komplexes im Organismus zu einer erhöhten Transmetallierung und Abbau der Gadolinium-Chelate führen könnte [5,6].

Giftig für die Umwelt
Da die Gadolinium basierten Kontrastmittel nach dem Ausscheiden nicht in den Krankenhäusern aufgefangen werden und auch keine ausreichende Aufreinigung des Abwassers durch die Kläranlagen erfolgt, sind die Gd basierten Kontrastmittel in Flüssen und Seen mit urbanen Eintrag teilweise schon bis in den µg / l-Bereich nachweisbar. Eine erhöhte Gadoliniumkonzentration in den Gewässern wurde erstmals 1996 von Bau und Dulski [7] beschrieben und als Gadoliniumanomalie bezeichnet.

Sie ist überall dort zu finden, wo in Krankenhäusern und Kliniken Gadolinium basierte Kontrastmittel zum Einsatz kommen [8 - 14].

Es wird geschätzt, dass jährlich in Deutschland 1.100 kg Gadolinium-Komplexe in die Umwelt freigesetzt werden [10,15]. In einer Grundlagenstudie konnte durch Messungen in einem Klärwerk gezeigt werden, dass nur rund 10 % der Kontrastmittel während des Klärprozesses abgebaut werden bzw. zurückgehalten werden [16], während der Rest unverändert in die Oberflächengewässer gelangte. Über den mengenmäßig hohen Eintrag und den Verbleib der Kontrastmittel in der Umwelt ist wenig bekannt.

Analytik
Die Konzentrationsbestimmung des Elementes stellt keine analytische Herausforderung dar, wohl aber die Speziesanalytik des gebundenen Gd in den verschiedenen Kontrastmitteln. ­Aufgrund der sehr geringen Konzentrationen von Gd-Verbindungen in Umweltproben ist die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) die geeignete Wahl. Diese zeichnet sich durch die sehr niedrigen für diese Fragestellung benötigten Nachweisgrenzen (sub-ng / l) aus. Zusätzlich überzeugen auch der besonders große lineare dynamische Messbereich und die einfache Probenvorbereitung, sowie die Kalibrierung durch flüssige Standards. Da im Plasma (5000 - 10000 K) des ICP-MS durch die Atomisierung und Ionisierung der Verbindungen die Speziesinformationen vollständig verloren gehen und nur die Elementinformationen erhalten bleiben, wird zur Speziesanalytik die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) eingesetzt. Unter den verschiedenen HPLC Methoden hat sich insbesondere die Hydrophile Interaktionschromatographie (HILIC) für diese Fragestellung auf Grund ihrer hohen Trennleistung bewährt. Die ICP-MS dient hierbei als hochempfindlicher Gd-Detektor der HPLC. Mit der HILIC können vor allem hydrophile, polare Spezies, wie die Gd basierten Kontrastmittel, getrennt werden, bei der sich die gängige Reverse Phase(RP)-HPLC als unzureichend erweist [17 - 19]. Nachteilig an der HILIC mit ICP-MS ist jedoch der hohe Eintrag von organischem Lösungsmittel, welches zur Rußbildung und -ablagerung durch die Verbrennung des Lösungsmittels im ICP-MS führen kann. Daher muss trotz einer geringen Flussrate der HPLC von nur 150 µl min-1 Sauerstoff als Zusatzgas beigefügt werden, um den überschüssigen Kohlenstoff zu verbrennen.

Gd in Oberflächengewässern
Als geeignetes Modellsystem eines Oberflächengewässers wurde der Teltowkanalabschnitt in der Nähe von Stahnsdorf ausgewählt, da in diesen Kanal Berliner Abwasser eingeleitet wird, und die Wassermengen gut erfasst sind. Zur Analyse wurden über eine Distanz von 5 Kilometer flussabwärts zur Einleitungsstelle eines Klärwerkes in Stahnsdorf Proben des Oberflächenwasser genommen. In den Kanal gelangen unterwegs keine weiteren Zuflüsse. Das Klärwerk nimmt Abwässer mehrerer Kliniken auf, sodass ein hoher Eintrag von Gd-Kontrastmitteln erwartet werden konnte. Dies konnte durch Konzentrationsmessungen mittels ICP-MS bestätigt werden. Der Gd-Eintrag an der Klärwerkauslassstelle betrug am Probennahmetag ca. 990 ng l-1. Die Gd-Konzentration nahm innerhalb des ersten Kilometers flussabwärts stark ab und blieb dann bei 99 ± 16 ng l-1 über den weiteren Verlauf von 4 km konstant. Diese Konzentrationsabnahme ist rechnerisch allein durch eine Verdünnung des Klärwerkswassers mit dem Teltowkanalwasser zu erklären. In Abbildung 3 ist ein typisches HPLC-ICP-MS Chromatogramm von Oberflächenwasser aus dem Teltowkanal gezeigt. In dieser Probe konnten die beiden Kontrastmittel Dotarem und Gadovist (vgl. Abb. 1) nachgewiesen werden.

Bioakkumulation
Die recht hohen im Teltowkanal gemessenen Gadoliniumkonzentrationen und die darin identifizierten Gadolinium basierten Kontrastmitteln führen unweigerlich zu der Frage, ob das Kontrastmittel in die Nahrungskette gelangen kann, oder von Pflanzen, Fischen oder anderen Lebewesen aufgenommen oder möglicherweise sogar akkumuliert werden kann. Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurde am Modell von Kressepflanzen (Lepidium sativum) untersucht, ob die Aufnahme von Gadolinium basierten Kontrastmitteln über das Wurzelsystem erfolgen kann. Dafür wurde das Gießwasser der Pflanzen für mehrere Tage (3 und 5) mit jeweils verschiedenen Kontrastmitteln dotiert. Anschließend wurden die Pflanzen aufgeschlossen und die Gadoliniumkonzentration mittels der ICP-MS (Plasmamassenspektrometrie) ermittelt. Dadurch konnte bestätigt werden, dass die Aufnahme der Kontrastmittel in die Pflanzen erfolgt und das Wurzelsystem die Aufnahme nicht blockiert. Die gefundenen Konzentrationen in den Blättern entsprachen der Konzentration im Gießwasser. Interessanterweise fiel die Konzentration in den Wurzeln und Stängeln der Pflanzen deutlich geringer aus (Faktor 5 - 10). Die gleichen Pflanzen wurden ebenfalls einer schonenden wässrigen Extraktion unterzogen, bei der die Kontrastmittel-Spezies erhalten bleiben. In den Extrakten konnten mit Hilfe der oben erwähnten HPLC- ICP-MS Methode alle verwendeten Kontrastmittel wiedergefunden werden. Das bedeutet, dass die Pflanzen die Kontrastmittel vollständig (ohne Metabolisierung oder Abbau) aufnehmen.

Fazit
Diese Untersuchungen an Umweltproben stellen einen ersten Einblick dar, der aufzeigen soll, wie leicht diese Kontrastmittel in die Nahrungskette gelangen können. Wesentliche Fragen jedoch über den Verbleib, den Abbau oder die Ablagerung, den Transport und die Aufnahme oder Anreicherung in der Biosphäre bleiben noch unbeantwortet. Hier sehen wir Handlungsbedarf und mit der hochsensitiven HPLC-ICP-MS haben wir auch das notwendige Handwerkszeug, um diesen Fragen nachzugehen.

Literatur
[1] Weinmann H. J. et al.: American Journal of Roentgenology 142 619-624 (1984)
[2] Darrah T. H. et al.: Metallomics 1 479-488 (2009)
[3] Guggemos D. B. (2005): Tübinger Ergebnisse Dissertation. Eberhard-Karls-Universität zu Tübingen
[4] Marckmann P. et al.: Journal of the American Society of Nephrology 17 2359-2362 (2006)
[5] Idée J.-M. et al.: Fundamental & Clinical Pharmacology 20 563-576 (2006)
[6] Kunnemeyer J. et al.: Analytical Chemistry 81 3600-3607 (2009)
[7] Bau M.und Dulski P.: Earth and Planetary Science Letters 143 245-255 (1996)
[8] Elbaz-Poulichet F. et al.: Water Research 36 1102-1105 (2002)
[9] Hennebrüder K. et al.: Talanta 63 309-316 (2004)
[10] Knappe A. et al.: Chemie der Erde 65 167-189 (2005)

Weitere Literatur ist bei den Autoren erhältlich.

Kontakt:
Norbert Jakubowski
BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Fachbereich Anorganische Spurenanalytik
Berlin
norbert.jakubowski@bam.de

 

Autor(en)

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.