Effektorientierte Schadstoffdetektion in Marinen Proben

Abstract

Mit dem Inkrafttreten der Europäischen Meeresstrategie-Rahmenrichtline im Juli 2008 und der darin zum Thema Schadstoffe enthaltenden Forderung des Deskriptors 8, dass sich aus den Konzentrationen an Schadstoffen keine Verschmutzungswirkung ergeben darf, wird sowohl eine umfassende Bestandsaufnahme der in der Meeresumwelt vorzufindenden Schadstoffe als auch eine fundierte Bewertung von deren Wirkung auf Meeresorganismen notwendig.

Das Hauptanliegen dieser Arbeit war es, für die Meeresumwelt relevante organische Schadstoffe zu ermitteln, welche noch nicht im Rahmen eines regelmäßigen Monitoring-Programms überwacht werden. Die Detektion toxisch wirkender Substanzen erfolgte hierbei effektorientiert, mittels einer Kombination aus Hochleistungsdünnschichtchromatographie (HPTLC)-Probenauftrennung und anschließender A. fischeri-Detektion. Die HPTLC-Methode wurde hierfür bezüglich Probenaufgabe und -entwicklung optimiert. Die als toxisch detektierten Substanzen wurden anschlie ßend im Rahmen eines Non-Target Screenings mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC)-Massenspektrometrie (MS) Analytik analysiert, um diese nach Möglichkeit zu identifizieren. Die identifizierten Schadstoffe sollten daraufhin eine erste Toxizitätsbewertung, basierend auf zu ermittelnden Dosis-Wirkungs-Beziehungen, durchlaufen, wofür ebenfalls die Kombination aus HPTLC und A. fischeri-Detektion eingesetzt werden sollte.

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass, trotz der sehr guten Reproduzierbarkeit des Testsystems, ein Effektorientiertes Schadstoffscreening mittels der Kombination aus HPTLC und A. fischeri-Detektion für komplexe Umweltproben nur bedingt geeignet ist und das Testsystem besser für ein Monitoring in Form von Probenvergleichen über einen bestimmten Zeitraum hinweg eingesetzt werden sollte. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ein chemisch-analytisches Non-Target Screening zur Identifizierung von Schadstoffen mittels der Kombination HPTLC-HPLC-MS/MS effizienter gegenüber einem reinen HPLC-MS/MS Non-Target Screening ist, da Matrixeffekte reduziert und weiterhin zusätzliche Stoffinformationen erhalten werden. Entsprechend kann eine effektivere Eingrenzung an Substanzen erfolgen, welche für weiterführende Identifizierungsversuche herangezogen werden sollen. Hierdurch konnten neun für die aquatische Umwelt relevante organische Schadstoffe identifiziert werden. In diesem Zusammenhang wurden erstmalig das Insektizid Fipronil und zwei seiner Transformationsprodukte in Elbe- und Nordseewasser sowie in aus der Elbe entnommenen Aalen nachgewiesen und quantitativ erfasst. Bezüglich der Bewertung von Schadstoffen mit Hilfe des Testsystems wird dessen Potential in der Bestimmung relativer Toxizitäten gesehen.

Unter der Voraussetzung zukünftiger Optimierungsarbeiten, stellt das hier verwendete Testsysytem eine sinnvolle Ergänzung zum allgemeinen Schadstoffmonitoring dar, um Schadstoffe in der Umwelt zu erfassen und einer ersten Bewertung zu unterziehen.

Alternate abstract:

The Marine Strategy Framework Directive which came into force in July 2008 requires in its de scriptor 8 regarding the pollution of marine waters by chemical contaminants that contaminants have to be "at a level not giving rise to pollution effects". Respectively, a substantial survey of contaminants occuring in the marine environment as well as assessing their impacts on marine organisms is necessary.

The initial main objective of this study was to identify organic contaminants relevant for the marine environment which are not yet included into regular monitoring programs. Therefore, the detection of toxic substances was supposed to be realized with an effect-directed test system. using a combination of High-Performance Thin-Layer Chromatography (HPTLC) separation of samples and A. fischeri-detection of toxic substances. The HPTLC-method was optimized regar- ding sample application and sample development. Identification of toxic substances was done by Non-Target Screening using High-Performance Liquid Chromatography (HPLC)-Mass spectro- metry (MS) analysis. Afterwards, the identified substances were supposed to undergo an initial toxicity assessment in terms of dose-response-relationships by using the same test system.

Based on the experiments that were conducted in this study it could be concluded that an effect-directed screening for organic contaminants with the combination of HPTLC and A. fischeri-detection is not suited for complex environmental samples, even if the reproducibility of the test system was found to be very good. The application of the test system for a mo- nitoring concept in form of sample comparison over a certain period of time seems, therefore, to be more promising. Furthermore, it could be shown that a Non-target chemical analysis by HPTLC-HPLC-MS/MS is more efficient than a Non-Target Screening by HPLC-MS/MS only. as matrix effects are reduced and additional substance data are gained. As a result the selection of substances for further identification experiments becomes more efficient. Thus, nine organic contaminats relevant for the aquatic environmet could be identified. In this context for the first time the insecticide Fipronil and two of its transformation products were detected and quantita- tive determined in water samples of the North Sea and the river Elbe as well as in eels collected from the river Elbe. Regarding the toxicity assessment of contaminants with the effect-directedtest system its potential is seen in determing relative toxicities.

Further optimizing developments provided, the test system would usefully complement the regular montitoring programs in detecting and initially assessing environmental contaminants.