Antivirenmitteln in der Umwelt auf der Spur

Arzneimittel sind ein wichtiger Bestandteil unserer modernen Gesellschaft und sie tragen entscheidend zur Erhaltung der Lebensqualität bei. Nach der Einnahme werden sie unverändert oder als Metaboliten vom menschlichen Körper ausgeschieden und gelangen somit in das Abwasser. Doch was geschieht dann mit diesen Substanzen? Sind unsere Kläranlagen in der Lage Arzneimittel effektiv aus dem Abwasser zu entfernen? Ist eine Entfernung mit einem vollständigen Abbau gleichzusetzen oder kommt es lediglich zu einer Umwandlung (Transformation)? Welche Rolle können moderne weitergehende Abwasserreinigungsverfahren wie die Ozonung bei der Entfernung von Arzneimitteln und anderer Spurenstoffen spielen?


Antivirenmittel werden zur Behandlung von Herpes-, Hepatitis- und Grippeinfektionen sowie des humanen Immundefizienz-Virus (HIV) eingesetzt (Tabelle 1). Die Wirkmechanismen dieser Substanzen sind vielfältig und umfassen die Inhibierung der Viren während verschiedener Stadien wie dem Eintritt in die Zellen,  die Freisetzung des viralen Genoms, die Replikation des Genoms sowie dem Virusaustritt aus der Zelle. Somit werden die Viren durch den Einsatz der antiviralen Medikamente nicht abgetötet, sondern nur ihre Replikation unterbunden. Unter Umweltaspekten kann eine Freisetzung von Antivirenmittel in die Umwelt problematisch sein, da es - ähnlich wie bei Antibiotika - zur Ausbildung von Resistenzen kommen kann.

<br />Tabelle 1: Ausgewählte Antivirenmittel und jährlich verschriebenen Mengen in Deutschland (Tabelle aus [1]; modifiziert)

In welchen Konzentrationen können Antivirenmittel im Wasserkreislauf nachgewiesen werden?


Durch Untersuchungen an Kläranlagen konnte gezeigt werden, dass Antivirenmittel in Konzentrationen im ng/L – bis unteren µg/L Bereich in Zuläufen von Kläranlagen nachweisbar sind [1]. Maximale Konzentrationen bis 2 µg/L wurden dabei für Aciclovir, welches zur Behandlung von Herpes-Infektionen eingesetzt wird, detektiert. Wie der Vergleich mit den in Kläranlagenausläufen gemessen Konzentrationen zeigte, werden Antivirenmittel wie Acyclovir, Penciclovir, Abacavir oder Stavudine in der Kläranlage weitgehend eliminiert, wohingegen für Nevirapin, Oseltamivir und Zidovudin nur eine geringe Entfernung beobachtet wurde. Das Vorkommen der Antivirenmittel auch in Kläranlagenausläufen in Konzentrationen von bis zu 560 ng/L für das HIV-Medikament Zidovudin zeigt, dass diese primär über gereinigtes Abwasser in die Fließgewässer eingetragen werden. Folglich konnten die Antivirenmittel auch in Oberflächengewässern in Konzentrationen von bis zu 190 ng/L nachgewiesen werden.


Eine während der weltweiten Schweinegrippepandemie im November und Dezember 2009 durchgeführte Monitoringkampagne im Rhein bei Koblenz verdeutlichte, dass die Konzentration des Humanmetaboliten Oseltamivircarboxylat den Verlauf einer (Schweine-)Grippewelle widerspiegelt (Abbildung 1) [2]. Zudem konnte in diesen Untersuchungen nachgewiesen werden, dass neben dem Eintrag aus menschlichen Ausscheidungen auch der Eintrag aus der pharmazeutischen Industrie für die gemessenen Konzentrationen im Rhein verantwortlich war.

<br />Abbildung 1: Fracht des aktiven Metaboliten Oseltamivircarboxylat im Rhein bei Koblenz sowie die Zahl der gemeldeten Schweinegrippefälle in Deutschland währen der Schweinegrippepandemie im November/Dezember 2009 (Abbildung aus [2]; modifiziert)

Eliminierung = Mineralisierung?


Trotz der z.T. sehr guten Eliminierung (> 90%) einiger Antivirenmittel in der biologischen Abwasserbehandlung wurde gezeigt, dass es in der Regel nicht zu einer vollständigen Mineralisierung, also einer Umwandlung in CO2 und H2O, sondern vielmehr zur Bildung von Transformationprodukten kommt. Zur Klärung wurden Abbaustudien im Labor mit Aciclovir und Penciclovir durchgeführt. Im Fall von Aciclovir führte der aerobe Abbau zur Bildung eines einzigen Transformationsproduktes, während für Penciclovir insgesamt acht Transformationsprodukte beobachtet wurden [3]. Die Identifizierung der chemischen Strukturen der Transformationsprodukte mittels hochauflösender Massenspektrometrie und Kernresonanzspektroskopie (NMR) belegten, dass es durch die beobachteten Transformationen lediglich zu geringen Änderungen der chemischen Strukturen kommt. Bei Aciclovir führt die Oxidation der terminalen Hydroxylgruppe zur Bildung von Carboxy-Aciclovir. Carboxy-Aciclovir wurde in deutschen Fließgewässern in Konzentrationen von bis zu 3,2 µg/L nachgewiesen. Auch in aeroben Laborstudien mit Boden wurde kein signifikanter Abbau von Carboxy-Aciclovir beobachtet. Als Folge war Carboxy-Aciclovir auch in einem aeroben Grundwasserleiter mit Konzentrationen von bis zu 250 ng/L nachweisbar.


Vierte Reinigungsstufe – Was kann sie leisten?


Die Erweiterung der Kläranlagen mit weitergehenden Verfahren (z.B. Ozonung) zur Entfernung anthropogener Spurenstoffe ist wissenschaftlich wie auch politisch ein sehr intensiv diskutiertes Thema. Auch im Fall des mikrobiologisch stabilen Transformationsproduktes Carboxy-Aciclovir konnte eine sehr gute Eliminierung durch Ozonung nachweisen werden. Allerdings wurde ein stabiles Oxidationsproduktes gebildet. Mittels hochauflösender Massenspektrometrie und NMR wurde dieses OP als N-(4-Carbamoyl-2-Imino-5-Oxoimidazolidin)Formamido-N-methoxy-Essigsäure (COFA) identifiziert. Laborstudien mit Klärschlamm zeigten, dass in einer nachgeschalteten biologischen Behandlungsstufe COFA innerhalb Kläranlagen-typischer hydraulischer Aufenthaltszeiten (z.B. 20 Stunden) nicht entfernt wird. Zudem wurde für COFA in Untersuchungen mit Leuchtbakterien (Vibrio fischeri) eine Bakterientoxizität festgestellt. Auch im Trinkwasser konnte COFA nachgewiesen werden, obwohl in dem Wasserwerk sowohl Ozonung als auch Aktivkohlefiltration verwendet wurden.
Die Untersuchung des Verhaltens der anderen Antivirenmittel wird derzeit im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekt TransRisk (Charakterisierung, Kommunikation und Minimierung von Risiken durch neue Schadstoffe und Krankheitserreger im Wasserkreislauf) detailliert untersucht. Ziel ist es die Bildung von Transformationsprodukten in der Ozonung sowie deren Entfernung in einer nachgeschalteten Bio- bzw. Aktivkohlefiltration zu verfolgen und die möglichen Risiken, die sich durch ein Freiwerden von Transformationsprodukten in die Umwelt ergeben, abzuschätzen.

Literatur

[1]    Prasse, C., Schlüsener, M. P., Schulz, R. and T. A. Ternes (2010): Antiviral Drugs in Wastewater and Surface Waters: A New Pharmaceutical Class of Environmental Relevance? Environ. Sci. Technol. 44, 1728-1735.


[2]    Prasse, C., Schulz, R. and Ternes, T. A., 2011. Abbau von Acyclovir und Penciclovir in der biologischen Abwasserbehandlung. Vom Wasser 109, 41-43.


[3]    Prasse, C., Wagner, M., Schulz, R. and T. A. Ternes (2011):Biotransformation of the Antiviral Drugs Acyclovir and Penciclovir in Activated Sludge Treatment. Environ. Sci. Technol. 45, 2761-2769.


[4]    Prasse, C., Wagner, M., Schulz, R. and T. A. Ternes (2012): Oxidation of the Antiviral Drug Acyclovir and Its Biodegradation Product Carboxy-acyclovir with Ozone: Kinetics and Identification of Oxidation Products. Environ. Sci. Technol. 46, 2169-2178.