1. Abstract
2. Einleitung
3. Relevante Arzneimittelstoffgruppen in deutschen Abwässern
3.1 Röntgenkontrastmittel
3.2 Analgetika
3.3 Antiepileptika
3.4 Lipidsenker
3.5 Beta-Blocker
3.6 Antibiotika
3.7 Antidiabetika
3.8 Psychopharmaka
4. Nachweis der relevanten Stoffgruppen
5. Reinigungs- und Sanierungstechniken
5.1 Desinfektionsverfahren
5.1.1 Chlorung
5.1.2 Ozonierung
5.1.3 UV-Behandlung / Photolyse
5.2 Filtrationsverfahren
5.2.1 Membranfiltration
5.2.2 Langsamsandfilter
5.2.3 Aktivkohlefilter
6. Resümee
7. Literaturverzeichnis
Die vorliegende Hausarbeit beschäftigt sich mit der Frage, welche Gefahren von Arzneimitteln in Abwässern ausgehen und wie sie aus Abwässern entfernt werden können. Die Stoffgruppen der Arzneimittel, die in hohen Konzentrationen in Abwässern vorkommen, werden identifiziert und hinsichtlich Nachweis- und Reinigungstechniken untersucht. Viele Arzneimittel können in konventionellen Kläranlagen nicht aus Abwässern entfernt werden - durch weitere Reinigungsstufen ist dies jedoch möglich. Diese Reinigungsstufen sollten deswegen zukünftig weiterentwickelt und wirtschaftlich angewendet werden.
Die Ressource Wasser ist durch viele Stoffe gefährdet: unter anderem durch die sogenannten neuartigen Spurenstoffe - die emerging contaminants. Diese ungenau definierte Gruppe besteht aus einer Reihe von Stoffen im niedrigen Konzentrationsbereich von 1 μg/L oder niedriger, die meist polar und organisch sind und eine Gefahr für das menschliche Leben darstellen können (Boxall 2012: 10f). Emerging heißen diese Stoffe, weil sie erst in neuerer Zeit in Gewässern gefunden wurden. Dies kann einerseits an verbesserten Analysemethoden liegen, die heutzutage viel geringere Konzentrationen detektieren können als früher (Kümmerer et al. 2010: 350). Andererseits wurde vielen Stoffen bis jetzt keine oder wenig Beachtung geschenkt, sodass sie in älteren Publikationen nicht vorkommen. Welche Zeitspanne der Begriff neuartig beschreibt und welche Stoffe in den Bereich der emerging contaminants fallen, ist nicht genau abgegrenzt. Unter anderem zählen Desinfektionsmittel und Arzneimittel dazu (Kümmerer et al. 2010: 349).
Arzneimittel sind bestimmungsgemäß biologisch hochaktive Stoffe (Reddersen 2004: 1), wodurch sie eine Gefährdung für aquatische Systeme und auch das Trinkwasser darstellen können. In den Oberflächengewässern Deutschlands sind Arzneimittel nahezu ubiquitär vorhanden (Bergmann et al. 2011: 44ff). Nach heutigem Wissensstand geht von diesen Rückständen kein Risiko für die menschliche Gesundheit aus - bei einigen Arzneimittelwirkstoffen wurden allerdings schon Umweltrisiken festgestellt (UBA 2014: 4). Humanarzneimittel gelangen vor allem über Abwässer in aquatische Systeme, während Tierarzneimittel durch Auswaschung von Weideflächen oder durch mit Gülle gedüngte Felder in Oberflächen- und Grundwasser eingetragen werden (UBA 2014: 6).
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich näher mit Humanarzneimitteln in der aquatischen Umwelt. Dabei werden die Fragestellungen, wie Arzneimittel in Abwässer gelangen, welche Stoffgruppen besonders relevant sind, wie diese Stoffgruppen nachgewiesen werden können und wie sie entfernt werden können, detailliert betrachtet.
Dabei beschränkt sich die Arbeit auf die Belastung deutscher Abwässer mit Medikamenten - in anderen Ländern können Abwässer mit anderen Arzneimitteln kontaminiert sein, z. B. aufgrund der Nutzung von Malariamitteln. Auch wird nicht näher auf die Gruppe der endokrinen Stoffe eingegangen, da diese ein eigenes großes Feld bilden und den Umfang dieser Arbeit sprengen würden.
Arzneimittel können in unterschiedlicher Form in aquatischen Systemen vorkommen: als unveränderte Muttersubstanz, als durch menschliche oder tierische Verdauung entstandene Metaboliten, die meist eine geringere pharmakologische Wirksamkeit als die Muttersubstanz haben, oder als Transformationsprodukte, die durch abiotische Prozesse wie z. B. UVBestrahlung oder Ozonierung enstehen (Bergmann et al. 2011: 41). Ist im Folgenden von Arzneimitteln die Rede, so sind all diese Formen gemeint.
Es gibt diverse Wege, über die Arzneimittel in Abwässer gelangen können. Der Großteil der Belastung entsteht durch angewandte Humanarzneimittel, die abhängig von ihrer Pharmakokinektik unverändert oder als Metaboliten vom menschlichen Körper ausgeschieden werden (Bergmann et al. 2011: 1). Abwässer von Krankenhäusern und anderen medizinischen Einrichtungen sind in dieser Hinsicht besonders belastet (Schulte-Oehlmann et al. 2007: 174). Auch die unsachgemäße Entsorgung ungenutzter Arzneimittel über die Toilette kann zur Belastung der Abwässer beitragen und punktuell können auch durch Industrieabwässer von z. B. Pharmazeutikaherstellern Arzneimittel in Abwässer gelangen (Schulte-Oehlmann et al. 2007: 176). Die beiden letztgenannten Eintragsquellen sind in den meisten Gegenden jedoch von nur geringer Bedeutung (Reddersen 2004: 2).
In konventionellen Klärwerken wird das Wasser in mehreren Schritten mechanisch-biologisch gereinigt. Zunächst werden Feststoffe durch Rechen, Sieben, im Sandfang und im Vorklärbecken vom Abwasser getrennt (Brauer 1996: 113). Anschließend werden im Belebungsbecken gelöste organische Stoffe abgebaut und im Nachklärbecken der belebte Schlamm aus dem Belebungsbecken vom Wasser abgetrennt, sodass dieses gereinigt in den Vorfluter fließen kann. Als Vorfluter dienen meist Oberflächengewässer wie Flüsse oder Seen. Viele Arzneimittel werden kaum in heutigen Kläranlagen abgebaut oder im Klärschlamm zurückgehalten: Die Konzentrationen in Zu- und Abläufen von Kläranlagen unterscheiden sich daher nur wenig (BLAC 2003: 7). Diese Belastung der Oberflächengewässer kann durch Uferfiltration und angereichertes Grundwasser auch das Trinkwasser erreichen. Für einige wichtige Arzneimittel sind die Zu- und Ablaufkonzentrationen und die prozentuale Abreicherung im Klärwerk in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1. Einige wichtige Arzneimittel mit ihren gemessenen Zu- und Ablaufkonzentrationen und der prozentualen Abreicherung im Klärwerk. (Heberer 2006: 181)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Arzneimittel im aquatischen System können die Umwelt gefährden: Sie werden gezielt sehr stabil entwickelt und verlieren ihre biologische Aktivität oft nicht, wenn sie in die Natur gelangen. Ihre spezifische Wirkung können sie so auch auf Nichtzielorganismen entfalten. (UBA 2014: 11f)
In deutschen Abwässern können nahezu alle hierzulande gebräuchlichen Wirkstoffe gefunden werden (BLAC 2003: 123). Besonders interessant sind Wirkstoffe, die in Konzentrationen von über 1 μg/L vorkommen: Bis 2011 wurden deutschlandweit 27 Arzneimittel aus acht Wirkstoffgruppen in derartigen Konzentrationen gemessen (Bergmann et al. 2011: 44ff). Abbildung 1 zeigt einige dieser Konzentrationen.
Abbildung 1. Arzneimittelwirkstoffe, die in Konzentrationen über 0,1 μg/L in Oberflächengewässern gefunden wurden, aus: UBA 2014: 8.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die acht Wirkstoffgruppen der Röntgenkontrastmittel, Analgetika, Antiepileptika, Lipidsenker, Beta-Blocker, Antibiotika, Antidiabetika und Psychopharmaka werden nun bezüglich ihrer medizinischen Bedeutung und ihrer ökologischen Relevanz untersucht. Weiterhin wird gezeigt, inwieweit konventionelle Kläranlagen diese Stoffgruppen eliminieren und welche weiteren Reinigungsstufen, die bisher kaum in konventionellen Klärwerken angewandt werden, sie aus Abwässern entfernen können.
Röntgenkontrastmittel finden sich vor allem in Abwässern von Krankenhäusern und Radiologiepraxen (Schulte-Oehlmann et al. 2007: 174). Sie werden genutzt, um die bei Röntgenverfahren normalerweise nicht erkennbaren Teile des Körpers sichtbar zu machen, wie z. B. Blutgefäße. Röntgenkontrastmittel sind sehr polar, persistent und meist iodiert, womit sie zu den organisch gebundenen Halogenverbindungen zählen (Reddersen 2004: 21). In der konventionellen Klärwerkspassage werden sie kaum reduziert (Reddersen 2004: 20). Das Röntgenkontrastmittel Iomeprol wurde bereits mit einer Konzentration von 20 μg/L in Abwässern gemessen (UBA 2014: 7). Die Ozonierung kann Röntgenkontrastmittel teilweise aus Abwasser entfernen (Reddersen 2004: 21).
Analgetika verringern oder unterdrücken das Schmerzempfinden und können auch entzündungshemmend (Antiphlogistika) oder fiebersenkend (Antipyretika) wirken (Reddersen 2004: 13).
An nicht verschreibungspflichtigen Analgetika werden in Deutschland jährlich 900 t Acetylsalicylsäure (ASS) und 650 t Acetaminophen (Paracetamol) verkauft (BLAC 2003: 155ff). Bei der Klärwerkspassage wird das vom menschlichen Körper ausgeschiedene Paracetamol gut abgebaut. ASS wird im menschlichen Körper zu den Metaboliten Salicylsäure, Ortho-Hydroxyhippursäure und Gentisinsäure umgewandelt (Reddersen 2004: 14). Diese werden in Kläranlagen zum Großteil gut abgebaut, nur geringe Konzentrationen von Salicylsäure sind in Kläranlagenabläufen zu finden. Deswegen spielen Analgetika mit geringeren Verkaufsmengen wie Ibuprofen mit 260 t (BLAC 2003: 155) und Diclofenac mit 82 t eine größere Rolle für das aquatische System (Reddersen 2004: 13).
Diclofenac ist ein Antirheumatikum, das in Kläranlagen kaum abgebaut wird (Reddersen 2004: 14). In Versuchen an Regenbogenforellen zeigte es sich als schädigend für Fischnieren und -immunsysteme (Triebskorn et al. 2004: 151). Bei Versuchen mit Geiern führte Diclofenac zum Populationszusammenbruch (Oaks et al. 2004: 630ff). Diclofenac kann durch Ozonierung, Membranfiltration und UV-Bestrahlung aus dem Abwasser entfernt werden (Felis et al. 2009: 15).
Ibuprofen ist ein Antiphlogistikum, das im menschlichen Körper zu den Metaboliten Hydroxy- und Carboxy-Ibuprofen sowie zu Carboxyhydratropsäure umgewandelt wird (Reddersen 2004: 16). Diese Metaboliten werden bei der Klärwerkspassage teilweise abgebaut. In Oberflächengewässern werden sie meist in geringeren Konzentrationen nachgewiesen als Diclofenac (Reddersen 2004: 15). Gut entfernbar sind die Metaboliten des Ibuprofen mit Langsamsandfiltern und Ozonierung.
Antiepileptika dienen zur symptomatischen Behandlung von Epilepsie (Reddersen 2004: 17). Die beiden bedeutendsten in der aquatischen Umwelt gefundenen Antiepileptika sind Carbamazepin und Primidon. Sie sind persistent und werden in konventionellen Kläranlagen nicht aus dem Abwasser entfernt (Heberer 2006: 185). Carbamazepin kann durch Ozonierung abgebaut werden (Hübner et al. 2014: 34). In Versuchen wurde durch den Verzehr von Aktivkohle vor der Einnahme des Carbamazepin die Aufnahme dieses Antiepileptikums in den menschlichen Organismus fast vollständig verhindert (Neuvonen et al. 1980: 51). Dies weist darauf hin, dass Carbamazepin sich mit Aktivkohlefiltern aus dem Abwasser entfernen lassen könnte. Studien hierzu gibt es noch nicht.
Für Primidon sind bisher noch keine Verfahren bekannt, die es aus Abwässern entfernen können.
Lipidsenker wirken regulierend auf erhöhte Blutlipidkonzentrationen und werden zur Prävention koronarer Herzkrankheiten eingesetzt (Reddersen 2004: 10). Als einer der ersten Arzneimittelrückstände wurde 1976 Clofibrinsäure im aquatischen System entdeckt. Diese Verbindung ist ein Metabolit der drei Lipidsenker Clofibrat, Etofibrat und Etofyllinclofibrat und erwies sich als schlecht biologisch abbaubar, hoch persistent und mobil in der aquatischen Umwelt (BLAC 2003: 95). In Klärwerken wird Clofibrinsäure kaum abgebaut und in deutschen Abwässern wurde sie bereits mit Konzentrationen bis zu 5 µg/L nachgewiesen (Reddersen 2004: 10).
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