Konzentration, Eintrag und Verhalten vasodilatierender Substanzen in niedersächsischen Oberflächengewässern – unter besonderer Betrachtung der Wietze. Oktober 2016 Konzentration, Eintrag und Verhalten vasodilatierender Substanzen in niedersächsischen Oberflächengewäs- sern – unter besonderer Betrachtung der Wietze Wolf.-Ulrich Palm, Jonas Schneider, Rebecca Chudaska (Leuphana Universität Lüneburg) Dieter Steffen (NLWKN) 1 Konzentration, Eintrag und Verhalten vasodilatierender Substanzen in niedersächsischen Oberflächengewässern – unter besonderer Betrachtung der Wietze. Zusammenfassung Summary Im Zeitraum März 2015 – Mai 2016 wurden in From March 2015 - May 2016 in total 30 nitro- Summe 30 Stickstoff-Heterocyclen (N-HET) gen heterocycles (N-HET) were investigated, untersucht, darunter 4 vasodilatierende Ver- including four vasodilating compounds. Thir- bindungen. Proben wurden aus 13 Klär- teen samples were analyzed from effluents of anlagenabläufen in Niedersachsen und 4 Zu- municipal wastewater treatment plants laufproben aus der Kläranlage in Lüneburg, (WWTP) in Lower Saxony and four samples aus den entsprechenden Vorflutern und aus from influents of the WWTP in Lüneburg. In drei detaillierten Messkampagnen im Flussver- addition, samples from campaigns in rivers and lauf der Wietze analysiert. Das Muster und die the river course of the River Wietze were per- Konzentrationsniveaus der N-HET in den Ab- formed. The pattern and concentration levels läufen der Kläranlagen sind erstaunlich ähn- of the N-HET in effluents of WWTP were re- lich. Für die im Mittelpunkt der Messungen markably similar. Measurements focused on stehenden vasodilatierenden Verbindungen vasodilating com-pounds and the mean con- wird für Sildenafil eine mittlere Konzentration centration for sildenafil was found to be c ± σ = von c±σ =(14,3 ± 3,6) ng/L und für Tadalafil (14.3 ± 3.6) ng/L and for tadalafil c± σ = (2.3 ± c±σ = (2,3 ± 2,2) ng/L gefunden. Vardenafil 2.2) ng/L. Vardenafil and the metabolite N- und der Metabolit N-Desmethylsildenafil wer- Desmethylsildenafil were practically not de- den praktisch nicht oberhalb der Bestim- tected above the detection limit. mungsgrenze detektiert. Concentrations in the River Wietze were satis- Die Messungen in der Wietze werden befriedi- factorily explained with a discontinuous model. gend über ein diskontinuierliches Modell er- From the model, a degradation of N-HET with klärt. Aus den Modellergebnissen konnte ein lifetimes below a week could be ruled out. Abbau der N-HET mit Lebensdauern unterhalb Hence, loads of N-HET are passed further into einer Woche ausgeschlossen werden. Frach- larger river systems. ten der N-HET werden demnach in größere Flusssysteme weitergegeben. 2 Konzentration, Eintrag und Verhalten vasodilatierender Substanzen in niedersächsischen Oberflächengewässern – unter besonderer Betrachtung der Wietze. 1. Einleitung Polycyclische aromatische Kohlenwasser- N-HET häufig als Fragment in Pflanzen- stoffe (PAK) [1-3] bilden eine Stoffgruppe schutzmitteln oder Pharmazeutika gefun- mit bekannt kritischen Eigenschaften für den. Im Besonderen die aromatischen N- Mensch und Umwelt [1,4]. So wurden HET besitzen als Basen häufig pKS-Werte Konzentrationen der PAK in der Vergan- im pH-Bereich 4 – 8 und eine z.T. wesent- genheit auch in niedersächsischen Sedi- lich höhere Löslichkeit im wässrigen Milieu menten untersucht [5]. Verwand mit den verglichen mit den analogen Kohlenwas- PAK sind die heterocyclischen Aromaten, serstoffen. Die Bedeutung der N-HET in bei denen im Ringsystem der cyclischen Ober-flächenwässern in Norddeutschland Kohlenwasserstoffverbindung mindestens wurde kürzlich in [9-13] diskutiert. Zur ein Kohlenstoffatom gegen ein Hete- Gruppe der N-HET können auch die in roatom, meist Stickstoff, Schwefel oder diesem Projekt im Mittelpunkt stehenden Sauerstoff, substituiert wird. Die Bedeu- vasodilatierenden Verbindungen Sildenafil, tung grundlegender Strukturen der Hete- Tadalafil und Vardenafil gezählt werden, rocyclen, häufig als NSO-Heterocyclen wobei im Besonderen die Verbindung © bezeichnet, wurde in Deutschland in den Sildenafil als Inhaltsstoff in Viagra be- letzten 15 Jahren im Besonderen im Ver- kannt geworden ist. Die in einer prospekti- gleich zu den Polycyclischen aromati- ven Vorstudie in der Fuhse [14] erhaltenen schen Kohlenwasserstoffen (PAK) in Alt- Ergebnisse wurden durch Proben in Ober- lasten eingehend untersucht [6-8]. Inner- flächengewässern und Kläranlagen in halb der Gruppe der NSO-Heterocyclen Niedersachsen erweitert und Quellen, stellen Stickstoffheterocyclen (N-HET) ein Senken und Konzentrationen mit den wei- in der Natur weit verbreitetes, physiolo- terhin begleitend gemessenen N-HET ver- gisch grundlegendes Strukturelement dar, glichen. Ergebnisse dieser Messungen wie z.B. in den Nucleinbasen oder den werden im folgenden Bericht dargestellt. Hämen. Nicht überraschend werden 3 Konzentration, Eintrag und Verhalten vasodilatierender Substanzen in niedersächsischen Oberflächengewässern – unter besonderer Betrachtung der Wietze. 1.1 Stickstoff-Heterocyclen (N-HET) Bei den hier untersuchten Stickstoff- vor. Einige untersuchte Strukturen bzw. heterocyclen (N-HET) liegt neben Kohlen- Strukturelemente sind in der Abbildung 1 stoff das Element Stickstoff im Ringsystem dargestellt. O N N R (CH ) N 3 n H Acridinon Pyrdinderivate Chinolinderivate (Acrdinderivate) O CH3 N O HN O N S N N N CH 2CH 2CH 3 OCH 2CH 3 O NH2 N H3C Carbamazepin Sildenafil Abbildung 1: Beispielhafte Strukturen einiger untersuchter N-HET Dabei hat entweder (a) der Ring mit dem 1.2 Vasodilatierende Verbindungen Element Stickstoff selbst aromatischen In einer Vorstudie wurden die vasodilatie- Charakter (wie für Pyridin oder Chinolin) renden Verbindungen Sildenafil, Vardenaf- oder (b) ein entsprechend prinzipiell mög- il und Tadalafil, eine spezielle Gruppe der liches Tautomer der betrachteten Verbin- N-HET, aus Proben der Abläufe von Klär- dung ist ein Aromat (z.B. Acridinon oder anlagen und Wasserproben in der Fuhse Sildenafil) oder (c) der N-HET-Ring ist mit und Erse und damit erstmalig in Nieder- mindestens einem aromatischen Ring a- sachsen untersucht [14]. Die Strukturen nelliert (wie für Carbamazepin). Alle unter- der Verbindungen sind in Tabelle 1 (und suchten Verbindungen erfüllen eines der zusammen mit weiteren analysierten N- obigen Kriterien. Auch aufgrund des in HET in Tabelle 4) dargestellt. Nur wenige allen Verbindungen vorhandenen aromati- Untersuchungen zu diesen Zielsubstanzen schen Charakters können die untersuch- wurden bisher publiziert [15-26]. Die eige- ten N-HET mit einem gemeinsamen Auf- nen Ergebnisse in der Vorstudie [14] bele- bereitungsverfahren aus den wässrigen gen, dass Sildenafil sowie im geringeren Proben angereichert werden, die Analytik Maße Tadalafil und nur wenig Vardenafil erfolgte über LC-MSMS mit identischen in Kläranlagenabläufen gefunden werden. Laufmitteln, jedoch über zwei unterschied- liche, angepasste und optimierte Analyse- Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse aus verfahren auf verschiedenen chromato- den Vorversuchen aus einem jedoch lokal graphischen Säulen. begrenzten Gebiet an der Fuhse wurden im vorliegenden Projekt drei Projektziele verfolgt: 4 Konzentration, Eintrag und Verhalten vasodilatierender Substanzen in niedersächsischen Oberflächengewässern – unter besonderer Betrachtung der Wietze. Die Abläufe einiger größerer Klär- rum an Stickstoffheterocyclen zugänglich anlagen in Niedersachsen und die [9-13]. Diese Substanzen wurden einer- als Vorfluter dienenden Oberflä- seits zur Weiterführung bestehender Da- chengewässer wurden auf die va- tensätze, zum Vergleich der Konzentratio- sodilatierenden Verbindungen un- nen mit den vasodilatierenden Verbindun- tersucht. gen und für den Vergleich gemessener Durch den Vergleich im Zu- und Konzentrationen im Zu- und Ablauf einer Ablauf einer Kläranlage wurde der Kläranlage ebenfalls analysiert. Abbau in der Kläranlage unter- Über die Eigenschaften der vasodilatie- sucht. renden Verbindungen und deren Verhalten Weiterhin wurde die Persistenz der in den Umweltmedien liegen bisher nur Verbindungen in einem kleinen wenig bekannte experimentelle Daten vor, Oberflächengewässer (Wietze) einige (meist geschätzte) Eigenschaften durch systematische Proben im sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Flussverlauf untersucht. Durch die Messungen im Flusssystem der Neben Sildenafil, dem bisher bedeutsams- Wietze sollen, neben der Untersuchung ten Vertreter in der Gruppe der vasodila- zur Entwicklung des Konzentrationsni- tierenden Verbindungen, wurde in Erweite- veaus im Flussverlauf, Aussagen zum rung des Substanzspektrums N- Verhalten und der Lebensdauer der va- Desmethylsildenafil als ein in der Literatur sodilatierenden Verbindungen und den beschriebener Metabolit analysiert. weiteren analysierten N-HET in einem Aufgrund des entwickelten Aufbereitungs- typischen Wasserkörper eines nieder- und Analyseverfahrens der wässrigen sächsischen Oberflächengewässers erhal- Proben ist auch ein umfangreiches Spekt- ten werden. 5 Konzentration, Eintrag und Verhalten vasodilatierender Substanzen in niedersächsischen Oberflächengewässern – unter besonderer Betrachtung der Wietze. Tabelle 1: Eigenschaften von Sildenafil, Vardenafil und Tadalafil. Wenn nicht weiter angegeben liegen geschätzte Eigenschaften aus dem Programm EPI-Suite vor [27]. Sildenafil und Vardenafil liegen im Standard als Citrat bzw. Hydrochlorid vor, daher werden Eigenschaften dieser Derivate ebenfalls angegeben. Eigenschaft Sildenafil Vardenafil Tadalafil O O O CH