Non-Target-Screening organischer Substanzen in Sedimenten : Mikrobieller Abbau aromatischer Verbindungen

Abstract

Die Ergebnisse des Non-Target Screening verdeutlichen die Wichtigkeit einer regelmäßigen Beobachtung des Odersystems in Bezug auf Markersubstanzen und eingetragene synthetische organische Substanzen. Begleitend zum Aufbau eines nötigen Monitoring-Systems sollten zügig Maßnahmen zu Vermeidung und Verringerung anthropogener Einträge getroffen werden. Das Odersystem zeigt zwei beachtenswerte Regionen, in denen spezielle und allgemein in Umweltkompartimenten bekannte anthropogene Substanzen in teilweise stark erhöhten Mengen aufzufinden sind. Dies sind der Nebenfluss Strzegomka und die Oder bei Brzeg Dolny. Die Strzegomka ist stark mit polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen PAK belastet und trägt einen nicht unerheblichen Teil zur hohen PAK-Fracht der gesamten Oder bei. In der Strzegomka und bei Brzeg Dolny findet sich eine Vielzahl synthetischer Subtanzen aus verschiedenen industriellen Produktionsschienen. Besonders zu beachten ist die Belastung der Oder in diesen Bereichen mit Benzothiazolen, die als Vulkanisierungsbeschleuniger bekannt sind. Pestizide und PCB werden vereinzelt in geringen Mengen gefunden und stellen keinen herausragenden Risikofaktor dar. Die Untersuchungen zeigen, dass geeignete anthropogene Markersubstanzen wertvolle Hinweise auf Art und Situation einer Belastung geben und einer Identifizierung und Beschreibung von Emissionsquellen dienen können. In den Odersedimenten waren u.a. Fäkalsteroide, Phenylalkane, Alkylphenole, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, chlorierte Verbindungen wie Triclosan, sowie synthetische Duftstoffe (Moschusersatzstoffe) geeignete Marker und hilfreiche Werkzeuge zur Interpretation der gewonnen Untersuchungsdaten. Die kommunalen Marker zeigen hierbei eine deutliche Korrelation mit der Siedlungsdichte des jeweiligen Einzuggebietes. Kommunale Abwässer und Einträge aus der Verbrennung von Kohle und Mineralölprodukten durch Industrie, Verkehr und Haushalte stellen die herausragenden Quellen der Oderbelastung dar. Hier sind geeignete Maßnahmen wie die Verbesserung der Sammlung und Klärung von Abwässern im Einzugsgebiet und eine übergreifende gesetzliche Einschränkung der Emission durch Verbrennung dringend nötig. Zusätzlich wurde in einem ausgetragenen Sediment ein bisher nicht bekannter Metabolit des Endosulfans identifiziert. Weitere Untersuchungen zur umweltchemischen Relevanz dieser Substanz scheinen sinnvoll. Eine interessante Verbindung aus einem anderen Flusssystem wurde mit der Strukturaufklärung einer bis dahin unbekannten Substanz gefunden, die in der Elbe und im Grundwasser der Elbmarsch auftrat. 2-(2-Acetyl-2-methyl-1-phenylhydrazino)-N,N-dimethyl-2-oxoacetamid ist ein mögliches Abbauprodukt von 4-Dimethylaminoantipyrin und wird aufgrund seiner hohen Wasserlöslichkeit leicht mit dem Grundwasser transportiert. Darüber hinaus konnten in Metabolismusstudien an Biphenyl, Dibenzofuran und Imidazol-Derivaten 53 Metabolite (32 unterschiedliche Substanzen) durch MS- und GC/MS-Untersuchungen sowie verschiedene ein- und zweidimensionale NMR Experimente identifiziert werden. Die Strukturen von sieben dieser Metabolite konnten durch Synthese zusätzlich abgesichert und die Substanzen als Referenz erhalten werden. Hierbei ließen sich Erkenntnisse über initiale Metabolisierungsschritte an Aromaten durch Oxygenierung/Hydroxylierung vertiefen und neue Erkenntnisse über Abbauwege von Biphenyl und Dibenzofuran in den einzelnen Organismen gewinnen. Öffnung der aromatischen Systeme erfolgte bei allen untersuchten Spezies durch mehrfache Hydroxylierung mit anschließender ortho- (Pilze/Hefen) oder meta-Spaltung (Ralstonia sp.). Eine Vielzahl von mono-, di- und trihydroxylierten Biphenylen bzw. Dibenzofuranen konnte als Zwischen-, Neben- oder Endprodukt der jeweiligen Inkubationsexperimente identifiziert werden. Die in den Experimenten mit Debaryomyces vanrijiae, Trichosporon mucoides und Paecilomyces lilacinus gefundenen Pyroncarbonsäuren repräsentieren einen neuen Strukturtyp von Metaboliten des mikrobiellen Abbaus von Biphenyl. Für Trichosporon mucoides konnte mit der Identifizierung des Endproduktes auch erstmals für Pilze die Metabolisierung von Dibenzofuran unter Spaltung eines Phenylrings beschrieben werden. Der Abbau von Dibenzofuran durch das Bakterium Ralstonia sp. zeigte eine ungewöhnliche Öffnung des Moleküls (1-9b) im Gegensatz zur sonst beobachteten Spaltung der Etherbindung des Furanringes (4-4a). Das Ringspaltungsprodukt konnte durch aufwendige Derivatisierungs- und NMR-Versuche charakterisiert werden. Die Untersuchungen des Abbaus substituierter Imidazole mit Zellen oder Laccase von Trametes versicolor zeigten die Eignung mikrobieller Methoden zur Synthese interessanter und anderweitig schwer zugänglicher Verbindungen. Die Strukturaufklärung der Produkte erbrachte zwei neue subsituierte Imidazole und ein Dimerisierungsprodukt aus der Ringöffnung des eingesetzten Substrats.

Results of an extensive non-target-screening along the Odra river and some confluents underline the importance of a routine monitoring related to marker substances represented by organic pollutants and show the urgent need of suitable measurements to minimize or prevent anthropogenic immissions to the odra river system. Especially two regions along the Odra river show contamination with anthropogenic substances either known as widely distributed in the environment or of local origin, partially in very high concentrations. These regions of interest are the catchment area of the tributary Strzegomka and near the town of Brzeg Dolny. The Strzegomka is highly polluted with polycyclic aromatic hydrocarbons PAH and, therefore, contributes a large part to the load of PAH in the entire Odra system. A plethora of synthetic compounds from different industrial processes was detected here. Of high concern is the occurrence of benzothiazoles, commonly used as vulcanization accelerators, in these parts of the Odra. Pesticides and PCB were found sporadically in low amounts and seem not to be a prominent risk factor. In these investigations, marker substances were used for detecting contamination, helping to identify and describe emission sources and interpret the research data. Suitable markers were faecal steroids, phenylalkanes, alkylphenols, polycyclic aromatic hydrocarbons, chlorinated compounds as Triclosan, as well as synthetic fragrances. The marker substances for municipal waste show a strong correlation with the density of population in the area. Municipal sewage and immissions from burning coal and other fuels (industry, traffic and households) are main sources of the anthropogenic load of the Odra. Furthermore, in a river sediment flushed out on a nearby field during the extreme flood a hitherto unknown metabolite of Endosulfane was identified. The environmental relevance of this substance has to be examined closer. Also, the structure of an interesting compound found in the river Elbe and close groundwater reservoirs, could be elucidated: 2-(2-acetyl-2-methyl-1-phenylhydrazino)-N,Ndimethyl-2-oxoacetamide is highly soluble in water and therefore easily distributed through water systems. It seems to be a metabolite of 4-dimethylaminoantipyrine. In addition, comprehensive studies on the metabolism of biphenyl, dibenzofuran and imidazole derivatives in microorganisms were subject of this thesis. 53 metabolites (32 different substances) were identified by using of MS- and GC/MS-, as well as one and two dimensional NMR experiments. Seven metabolites were synthesized to verify proposed structures and used as reference substances. The results provide additional insights into the initial steps of the metabolism of aromatic compounds through oxygenation and hydroxylation and show new results in the degradation of biphenyl and dibenzofuran of the selected organisms. In all examined species ring fission occurs through multiple hydroxylation steps followed by ortho-(Fungi/Yeasts) or meta- cleavage (Ralstonia sp.). A multitude of mono-, di- or trihydroxybiphenyls and dibenzofurans were identified as intermediates, side or end products. The pyrone carboxylic acids identified in the experiments with Debaryomyces vanrijiae, Trichosporon mucoides and Paecilomyces lilacinus represent a new type of structure for metabolites of the microbial degradation of biphenyl. Studies on Trichosporon mucoides resulted in the first description of the metabolic degradation of an aromatic structure for dibenzofuran by fungi. Furthermore, the fission of dibenzofuran by the bacteria Ralstonia sp. showed an unusual, new cleavage of the benzene ring at position 1-9b in contrast to the otherwise observed fission of the furane structure (4-4a). The ring fission product was characterized by extensive work using derivatization reactions and NMR-experiments. The degradation of substituted imidazoles with cells and laccase from Trametes versicolor showed the applicability of microbial methods to synthesise substances of interest and compounds that are otherwise difficult to obtain. Structural characterization revealed two new substituted imidazoles and a dimeric product through ring fission of the substrate.