UFZ - Publication Index - Helmholtz-Centre for Environmental Research

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Document	publication document
Title (Primary)	Comparison of the biodegradation of pharmaceuticals and biocides in water and soil system. Vergleich des mikrobiellen Abbaus von Pharmazeutika und Bioziden in Wasser- und Boden-Systemen
Author	Girardi Lavin, C.
Source Titel	PhD Dissertation
Year	2011
Department	UBT
Volume	13/2011
Page To	130
Language	englisch
UFZ inventory	Leipzig, Bibliothek, Reportsammlung, 00453455, 11-0837 F/E
Abstract	Das Schicksal organischer Verbindungen in unserer Umwelt wird sowohl durch abiotische als auch biologische Prozesse (mikrobieller Abbau) bestimmt. Der biologische Abbau von Chemikalien stellt dabei einen Schlüsselparameter für die Abschätzung des Umweltrisikos dieser Chemikalien dar. Bisher erfolgten Untersuchungen auf rasche biologische Abbaubarkeit von Chemikalien auf regulatorischer Ebene zumeist in wässrigen Systemen (z.B. OECD-Testserie 301/310). Für andere Umweltsysteme, wie Böden, existieren hingegen nur wenige Daten. Die Ursachen hiefür liegen hauptsächlich in den hohen Kosten und der Komplexität der nötigen Simulationstests. Es wäre deshalb von großem Nutzen, die Ergebnisse der Untersuchungen zum Potential der biologischen Abbaubarkeit von Chemikalien in wässrigem Medium auf den Boden übertragen zu können. Daher war es das Ziel der vorliegenden Arbeit das Abbauverhalten verschiedener Umweltchemikalien miteinander zu vergleichen. Modellhaft wurden das weltweit am häufigsten applizierte Herbizid, 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D), und zwei umweltrelevante Pharmazeutika, das nicht-steroidale entzündungshemmende Ibuprofen und das Antibiotikum Ciprofloxacin, untersucht. Die isotopenmarkierten Verbindungen (13C, 14C) wurden in Mineralmedium (OECD-Test 301) und in einem landwirtschaftlich genutzten Boden (OECD-Test 307) inkubiert. Die Ergebnisse zeigten, welche Prozesse für den biotischen und den abiotischen Abbau der Verbindungen verantwortlich sind. Die Verteilung des Kohlenstoffs während des Abbaus auf die Mineralisierung sowie die Bildung von Biomasse und nicht-extrahierbaren Rückständen (NER) wurde im Detail verfolgt. Dies ermöglichte es, eine quantitative Beziehung zwischen dem Abbau in den beiden Systemen herzustellen. Um mögliche Effekte dieser Verbindungen auf die Umwelt zu erfassen, wurde für diejenigen Stoffe, die sich als toxisch für die Mikroorganismen im Belebtschlamm erwiesen, auch die Toxizität gegenüber Bodenmikroorganismen getestet. Im wässrigen System wurden 85% des ursprünglich applizierten 14C6-2,4-D und 68% des 13C6-Ibuprofen innerhalb von 28 Tagen mineralisiert, was auf leichte biologische Abbaubarkeit schließen läßt. Im Boden wurden nur 57% des 2,4-D und 45% des Ibuprofens mineralisiert. Der Anteil der noch nicht metabolisierten Ausgangsverbindungen und der Stoffwechselprodukte verringerte sich auf < 2% der anfänglich zugegebenen Menge. 39% des zu Anfang in den Boden eingebrachten markierten 2,4-D und 32% des markierten Ibuprofens wurden als NER, hauptsächlich in Form von Biomolekülen, wiedergefunden. Im Gegensatz dazu war Ciprofloxacin im wässrigen System rekalzitrant gegenüber Abbau und Umsetzung. Im Boden konnte jedoch eine geringe, aber signifikante Mineralisierung beobachtet werden. Die geringere Bioverfügbarkeit des Ciprofloxacins im Boden scheint dessen toxische Wirkung zu vermindern und so einen biologischen Abbau zu ermöglichen. Die Bildung von NER aus dieser Verbindung erfolgte schnell und unabhängig von der mikrobiellen Aktivität. Insgesamt zeigte sich, dass die Bildung von NER durch abiotische Vorgänge (z.B. Sequestrierung der Ausgangsverbindungen) und durch biogene Rückstände miteinander konkurrierende Prozesse im Boden darstellen. Während 2,4-D und Ibuprofen aufgrund ihrer guten Abbaubarkeit und des hohen Anteils von Biomasserückständen in den NER offenbar wenig umweltgefährdend sind, zeigten die Daten deutlich, dass Ciprofloxacin persistent ist und die mikrobielle Aktivität, z.B. von Bakteriengemeinschaften in Belebtschlamm und im Boden, erheblich inhibiert. Infolgedessen stellt letztere Verbindung einen umweltgefährlichen Schadstoff dar. Dementsprechend solte der Kontamination von Böden mit Antibiotika mehr Aufmerksamkeit zuteil werden als es bisher der Fall war. Um einheitliche Daten zu gewinnen und eine validierte Abschätzung zum Umweltrisiko einer Chemikalie erbringen zu können, sollten Tests zur Bioabbaubarkeit in Böden mit Hilfe von Verbindungen, die an der stabilsten Position bzw. den stabilsten Positionen im Molekül durch Isotopen markiert sind, Anwendung finden. Des Weiteren bedürfen das gängige Verständnis von NER und die Methodik zu deren Bestimmung einer Überarbeitung in Bezug auf die Unterscheidung von nicht-biogenen (potentiell umweltgefährdenden) und biogenen (nicht schädlichen) NER. Nichtsdestotrotz können Simulationstests nicht immer realisiert werden. Für diese Fälle konnten folgende generelle Richtlinien zur Anwendung von Testergebnissen zur leichten biologischen Abbaubarkeit in wässrigem Medium auf den biologischen Abbau in Bodensystemen aus den im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Daten abgeleitet werden: i) die Mineralisierung für leicht bioabbaubare und nicht-toxische Verbindungen ist in Wasser stärker als im Boden, ii) für Verbindungen, die für Mikroorganismen stark toxisch sind, gilt, dass die Mineralisierung und Metabolisierung in Bodensystemen stärker ist, da die geringere Bioverfügbarkeit ihre Toxizität herabsetzt, iii) lipophile Verbindungen tendieren zur NER Bildung und werden im Boden weniger stark biologisch abgebaut als in wässrigen Systemen, iv) eine Elimination der Verbindungen, die mit einer geringen Mineralisierung einhergeht, weist auf die Bildung potentiell umweltgefährdender NER hin und v) eine starke Mineralisierung im Zusammenhang mit einem Anstieg der mikrobiellen Biomasse führt in der Regel zur Bildung von unschädlichen biogenen NER. The fate of organic chemicals in the environment is determined by both abiotic and biological processes and microbial degradation of chemicals is a key parameter for their environmental risk assessment. The majority of chemicals have been tested for ready biodegradability in aqueous systems (e.g. OECD 301/310 test) for regulatory purposes, whereas only few data exist for other environmental systems such as soil. This lack of data is mainly due to the high cost and complexity of the necessary simulation tests. Thus, it would be advantageous to extrapolate the biodegradability potential of chemicals from aqueous medium to soil. Hence, we compared the fate of different environmentally relevant chemicals. The worldwide most applied herbicide, 2,4-D, and two environmentally relevant pharmaceuticals, the non-steroidal anti-inflammatory ibuprofen and the antibiotic ciprofloxacin were analysed as model compounds for their turnover in water and soil systems. Isotope labelled compounds (13C, 14C) were incubated in mineral medium (OECD test 301) and in an agricultural soil (OECD test 307). The results revealed the processes responsible for compound biodegradation including biotic and abiotic processes. The carbon redistribution into mineralisation, biomass and non-extractable residues (NER) formation during degradation was traced, allowing to establish a quantitative relationship between the degradation in the two systems. Moreover, to elucidate the potential effects of these compounds on the environment, those compounds that proved to be toxic to activated sludge microbial communities, were also tested for their toxicity towards soil microorganisms. In the aqueous system, 85% of the initially applied 14C6-2,4-D and 68% of the 13C6-ibuprofen were mineralised within 28 days, indicating ready biodegradability. In soil, only 57% of 2,4-D and 45% of ibuprofen were mineralised. Parent compounds and metabolites decreased to < 2 % of the spiked amounts. In soil, 37% of the initially applied labelled 2,4-D and 30% of ibuprofen were recovered as NER, mainly in the form of biomolecules, e.g. amino acids and phospholoipid fatty acids. In contrast, ciprofloxacin was recalcitrant to degradation and transformation in water systems. In soil, however, a low but significant mineralisation was observed. The lower bioavailability of antibiotics in soil seems to reduce the compound’s toxicity allowing its biodegradation. NER formation from ciprofloxacin was fast and independent of the microbial activity. Overall, the data suggest that NER formation from abiotic processes (e.g. sequestration of parent compounds) and from biogenic residues are competitive processes in soil. Whereas based on their ready biodegradability and the high contribution of biomass residues to NER formation, 2,4-D and ibuprofen obviously are not hazardous for the environment; the data clearly demonstrated that ciprofloxacin is persistent, and strongly inhibits the microbial activity in the environment, e.g. activated sludge and soil bacterial communities. Thus, this compound is a hazardous pollutant for the environment and the ecosystem, and consequently much more attention needs to be given to contamination of soil by antibiotics, which often has been neglected. In order to generate consistent data and provide a validated assessment of the environmental risk of a chemical, biodegradation tests in soil using compounds isotopically labelled in the most stable(s) position(s) of the molecule should be performed. In addition, the generally accepted concept of NER and the methodology for their determination need to be revised with respect to distinguishing the non-biogenic (potentially hazardous) and the biogenic (harmless) NER. Nevertheless, simulation tests cannot always be implemented. For these cases some general rules for extrapolating results from water-based ready biodegradability tests to the biodegradation in soil systems can be deduced from the results of this study: i) mineralisation is higher in water than in soil for readily biodegradedable and non-toxic compounds, ii) for compounds which are highly toxic towards microorganisms, the mineralisation and metabolisation is higher in soil systems because the reduced bioavailability in soil reduces their toxicity iii) lipophilic compounds tend to form NER and are less biodegraded in soil than in aqueous systems, iv) compound elimination with low mineralisation indicates formation of potentially hazardous NER, and v) high mineralisation accompanied by microbial biomass growth generally results in the formation of non-hazardous biogenic NER.
Persistent UFZ Identifier	https://www.ufz.de/index.php?en=20939&ufzPublicationIdentifier=11575
Girardi Lavin, C. (2011): Comparison of the biodegradation of pharmaceuticals and biocides in water and soil system. Vergleich des mikrobiellen Abbaus von Pharmazeutika und Bioziden in Wasser- und Boden-Systemen Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH), Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften PhD Dissertation 13/2011 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, Leipzig, 130 pp.