Nachweis von hormonell aktiven Substanzen in Kläranlagenabläufen

Hormone sind Botenstoffe, die in fast allen Lebewesen vorkommen und essentielle Funktionen wie den Mineral- und Energiehaushalt sowie das Wachstum, die Entwicklung und die Reproduktion steuern. Eine Untergruppe der Hormone sind die Sexualhormone, die sich in die Östrogene, Androgene und Gestagene unterteilen. Diese Substanzen werden ausgeschieden und gelangen auf diesem Weg über die Kanalisation in die Kläranlagen, wo sie nur unvollständig abgebaut werden und so in die Gewässer gelangen.

Zusätzlich zu den natürlichen und den synthetisch hergestellten Hormonen, die als Arzneimittel und zur Empfängnisverhütung eingesetzt werden, können auch viele Industriechemikalien wie Hormone wirken. Dazu gehören unter anderem viele Weichmacher und Pestizide. Viele dieser hormonell aktiven Substanzen wirken schon in sehr geringen Konzentrationen und können das Hormonsystem beeinflussen. Die bisher wirksamste Substanz bei den Östrogenen ist das synthetische 17α‑Ethinylestradiol (Wirkstoff in der Anti-Baby-Pille) bei dem schon ab einer Konzentration von 0,1 ng/L eine Wirkung z. B. auf Fische auftreten kann [1]. Zusammen mit dem natürlichen Hormon 17β-Estradiol stehen diese Substanzen auf einer Beobachtungsliste aus der Wasserrahmenrichtlinie (Richtlinie 2000/60/EG) und müssen daher von allen europäischen Mitgliedsstaaten überwacht werden (Richtlinie 2013/39/EU) [2,3].

Die herkömmlichen Methoden zur Bestimmung dieser Substanzen, wie die Flüssig- oder Gaschromatographie gekoppelt an die Massenspektrometrie (LC-MS, GC-MS), sind oft nicht in der Lage, in diesem Konzentrationsbereich verlässlich zu messen [4]. Außerdem sind diese Methoden sehr teuer und zeitaufwändig, und es ist meist nicht möglich, alle infrage kommenden Substanzen abzudecken [5]. Eine andere Möglichkeit bieten biologische Testsysteme, die eine östrogene oder eine androgene Wirkung als Summenparameter bestimmen. Das bedeutet, dass keine einzelnen Substanzen detektiert werden, sondern die Gesamtwirkung einer Probe auf einen Testorganismus. Diese Testsysteme sind meist kostengünstiger und ohne großen apparativen Aufwand durchzuführen, bieten jedoch keine Informationen über die verantwortlichen Substanzen.

Eines dieser Testsysteme basiert auf der Hefe Arxula adeninivorans, welche über gentechnische Methoden so verändert wurde, dass sie auf östrogene bzw. androgene Substanzen in einer Probe reagiert [6, 7]. Dazu wurde das menschliche Gen für den Östrogenrezeptor zur Bestimmung der östrogenen Aktivität (A-YES Assay) bzw. das menschliche Gen für den Androgenrezeptor (A-YAS Assay) in die DNA der Hefe integriert. Zusätzlich wurde jeweils ein Reportergen in die Hefe-DNA eingefügt, wodurch die Zelle nach Aktivierung dieses Gens das Enzym Phytase produziert.

<br />Abbildung 1: Funktionsprinzip des A-YES und A-YAS Assays: Transgene Arxula adeninivorans Hefezelle mit Rezeptor- und Reportergen, Enzym-Substrat Reaktion und Mikrotiterplatte mit gelber Färbung.

Da Kläranlagen der Haupteintragsweg für östrogen und androgen wirksame Substanzen in die Umwelt sind, wurden beide Testsysteme zur Überwachung einer Kläranlage und zur Beurteilung einer neuen, zusätzlichen Reinigungsstufe eingesetzt. Die Kläranlage in Duisburg-Vierlinden ist eine mechanisch-biologische Kläranlage, die für 30.000 Einwohner ausgelegt ist und die 2011 um eine Ozonung zur weitergehenden Abwasserreinigung erweitert wurde.

<br />Abbildung 2: Kläranlage in Duisburg-Vierlinden mit der nachgeschalteten Ozonung.

In dieser zusätzlichen Reinigungsstufe wird Ozon in das gereinigte Abwasser eingetragen, um organische Spurenstoffe wie z. B. Hormone oder Arzneimittel weiter abzubauen. Anschließend wird das ozonierte Abwasser in einem Wirbelbett nachbehandelt. Um die Effektivität der Kläranlage und der Ozonung zu beurteilen, wurden Proben im Zulauf der Kläranlage, im Ablauf der Kläranlage (nach den Nachklärbecken), nach der Ozonung und nach dem Wirbelbett auf ihre östrogene und androgene Aktivität untersucht.

Abbildung 3 zeigt die östrogenen (links) und die androgenen Aktivitäten (rechts) an den verschiedenen Probenahmestellen im Verlauf der Abwasserbehandlung. Dabei wird das Ergebnis jeweils auf eine Referenzsubstanz bezogen, mit der die Aktivität einer Probe verglichen wird. Die Ergebnisse für die östrogene Aktivität werden hierbei in 17β-Estradiol Equivalenten (EEQ) und die androgene Aktivität in 5α Dihydrotestosteron Equivalenten (DHTEQ) angegeben.

<br />Abbildung 3: Östrogene und androgene Aktivität in der Kläranlage und nach der Ozonung.

Die Ergebnisse zeigen eine höhere Äquivalentkonzentration an androgener Aktivität als östrogene Aktivität. Dies entspricht den 10-100fach höheren Ausscheidungsmengen von Androgenen, die dann auch in entsprechend höheren Konzentrationen in der Kläranlage zu erwarten sind. Sowohl die östrogene als auch die androgene Aktivität wird während des herkömmlichen Klärprozesses nicht vollständig entfernt. Durch den Einsatz der vierten Reinigungsstufe (Ozonung) und dem anschließenden Wirbelbett konnten beide Aktivitäten weiter reduziert werden. Die Konzentrationen nach dem Wirbelbett lagen bei 0,21 ng EEQ/L und 1,29 ng DHTEQ/L.
Auch die Untersuchung weiterer Proben von dieser und anderer Kläranlagen, die mit einer vierten Reinigungsstufe ausgestattet wurden, zeigt, dass die östrogene und die androgene Aktivität während des herkömmlichen Klärprozesses nur unzureichend abgebaut werden. Die vierte Reinigungsstufe ermöglicht eine weitere Reduzierung der hormonellen Aktivität und trägt somit zum Schutz der Gewässer bei. Neben dem Abbau von hormonell wirksamen Substanzen werden auch andere organische Verunreinigungen und viele Arzneimittel in dieser vierten Reinigungsstufe abgebaut, wodurch auch hier der Eintrag in die Umwelt reduziert werden kann, um somit wertvolle Wasserressourcen zu schützen.

Literatur

1. Caldwell, D.J., et al., Predicted-no-effect concentrations for the steroid estrogens estrone, 17 beta-estradiol, estriol, and 17 alpha-ethinylestradiol, Environmental Toxicology and Chemistry, 2012. 31(6): p. 1396-1406.

2. European Parliament and Council (2000) Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlamentes und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik

3. European Parliament and Council (2013) Richtlinie 2013/39/EU des Europäischen Parlamentes und des Rates vom 12. August 2013 zur Änderung der Richtlinien 2000/60/EG und 2008/105/EG in Bezug auf prioritäre Stoffe im Bereich der Wasserpolitik

4. Oekotoxzentrum, Vorschläge für akute und chronische Qualitätskriterien für ausgewählte schweizrelevante Substanzen. www.oekotoxzentrum.ch/expertenservice/qualitaetskriterien/vorschlaege, 2011.

5. Loos, R., Analytical Methods for the new proposed Priority Substances of the European Water Framework Directive (WFD). European Commission Joint Research Centre Technical Reports, 2012.

6. Hahn T, Tag K, Riedel K, Uhlig S, Baronian K, Gellissen G, Kunze G (2006) A novel estrogen sensor based on recombinant Arxula adeninivorans cells, Biosens Bioelectron 21:2078-2085

7. Gerlach T et al. (2014) Development and assessment of a novel Arxula adeninivorans androgen screen (A-YAS) assay and its application in analysis of cattle urine, The Science of the total environment 490:1073-1081