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dc.contributor.advisor Sauter, Martin Prof. Dr. de
dc.contributor.author Nödler, Karsten de
dc.date.accessioned 2013-02-07T09:12:34Z de
dc.date.available 2013-02-07T09:12:34Z de
dc.date.issued 2013-02-07 de
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-FABC-C de
dc.description.abstract Die Verwendung anthropogener organischer Spurenstoffe wie beispielsweise Pharmazeutika, Lifestyle-Produkte, Biozide und Pestizide als Indikatoren für die Bewertung der Wasserqualität hat großes Interesse in der Wissenschaftsgemeinde geweckt, und die Verwendung dieser Substanzen als Indikatoren für die Prozessoptimierung, Quellzuordnung und zur Abschätzung des Ausmaßes einer möglichen Kontamination (z. B. den Abwasseranteil von Oberflächen- und Grundwasser) besitzt ein sehr großes Anwendungspotential. Die hier präsentierte Arbeit ist die erfolgreiche und konsequente Weiterführung bestehender Forschungsaktivitäten zur Eignung ausgewählter Spurenstoffe als Indikatoren für die Bewertung der Wasserqualität, ihrem Vorkommen und Verhalten in der Umwelt sowie ihrer Redox-spezifischen Transformation. Um eine Substanz als Indikator verwenden zu können, müssen sensitive und selektive Analysenmethoden verfügbar sein. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer Multimethode für den Nachweis von 46 basischen, neutralen und sauren Analyten mittels der Hochleistungs-Flüssigchromatographie und Elektronenspray-Ionisation (ESI) mit anschließender Tandem-Massenspektrometrie (HPLC-ESI-MS/MS) beschrieben. Das ausgewählte Analytenspektrum deckt einen weiten Bereich hinsichtlich der Polarität der Stoffe (log Kow <0–5,9) sowie ihrer repräsentierten Kontaminationsquellen ab. Die Besonderheit der entwickelten Methode stellt die simultane Festphasenanreicherung (SPE), Trennung und Detektion aller Analyten dar. Um dieses realisieren zu können, wird das ESI-Interface in beiden möglichen Operationsmodi (+/−) verwendet, so dass pro Probe nur eine Injektion notwendig ist. Die Bestimmungsgrenzen der Methode in Fluss- und Meerwasser liegen im Bereich weniger ng/L. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird die hohe Flexibilität der Methode (Integration zusätzlicher Analyten und Anpassung an andere Wassertypen) demonstriert. Im darauf folgenden Abschnitt werden die Ergebnisse eines intensiven Fluss-Monitorings vorgestellt. Der Fokus liegt dabei auf der Korrelation von 41 Spurenstoffen mit Kalium (K+) und deren räumlichen und zeitlichen Varianz. Da Urin je nach K+-Hintergrundkonzentration des Gewässers eine signifikante K+-Quelle darstellen kann, ist in Gewässern mit hohem Abwasseranteil eine positive Korrelation von abwasserbürtigen Stoffen und K+ zu erwarten. Diese Korrelation ist für Stoffe mit folgenden Charakteristika bestätigt worden: 1) Kläranlagenabläufe sind die Hauptquelle der Substanz; 2) Die Fracht der Substanz in der Kläranlage ist nur geringen zeitlichen Schwankungen unterworfen; und 3) Hohe Persistenz der Verbindung bei der Abwasserbehandlung und in der Umwelt. Neben anderen Spurenstoffen zeigen Carbamazepin, Sulfamethoxazol und Tolyltriazol die beste Korrelation. Darüber hinaus sind die K+-Äquivalente der einzelnen Stoffe offensichtlich abhängig von Landnutzung und Bevölkerungsstruktur im Einzugsgebiet des untersuchten Flussabschnitts. Eine Korrelation mit K+ zeigt, dass die Konzentration des korrelierenden Spurenstoffs nur vom Abfluss des Fließgewässers abhängig ist. Nach diesem Konzept könnte die Vorhersage der Konzentration entsprechender Spurenstoffe an bestimmten Flussabschnitten erheblich vereinfacht werden. Analog zu den genannten Charakteristika 1–3 kann der Ansatz zur Quellidentifizierung neu auftretender/identifizierter Substanzen genutzt werden. Darüber hinaus könnten Eintragsfunktionen für die korrelierenden Spurenstoffe hinsichtlich Oberflächenwasser/Grundwasser-Interaktion hergeleitet werden. Dies würde eine realistischere Bewertung der Reinigungsleistung von Anlagen zur (künstlichen) Grundwasseranreicherung ermöglichen. Anschließend wird eine Methode präsentiert, mit Hilfe derer sich das Volumen von schnell transportiertem, unbehandeltem Abwasser in einem Karstaquifer abschätzen lässt. Eine Kontamination mit unbehandeltem Abwasser und die damit verbundene bakterielle Belastung stellen eine ernsthafte Bedrohung für die Trinkwasserqualität und die öffentliche Gesundheit dar. Das Ausmaß einer Kontamination quantifizieren zu können ist allerdings meist problematisch. Daher wurde ein bereits bekannter Massenbilanzansatz der aktuellen Fragestellung angepasst. In die Berechnung der Abwassermenge fließen ein: Die Coffein-Fracht an der Quelle, die übliche Coffein-Belastung in unbehandeltem Abwasser und der tägliche durchschnittliche Trinkwasserverbrauch pro Person im beobachteten Quelleinzugsgebiet. Der entwickelte Ansatz wurde zur Berechnung der täglich zuströmenden Abwassermenge an einem bereits gut charakterisierten Karstaquifer (Gallusquelle, Deutschland) angewendet. Weiterhin werden die Ergebnisse einer Mikrokosmos-Studie zur Transformation des Antibiotikums Sulfamethoxazol (SMX) unter denitrifizierenden Bedingungen vorgestellt. Ein selektiver Reaktionsmechanismus mit den unter denitrifizierenden Bedingungen gebildeten N-Spezies Stickstoffmonoxid (NO) und Nitrit (NO2−) ist die zugrunde liegende Arbeitshypothese und die Bildung der daraus abgeleiteten Transformationsprodukte (TP) 4-Nitro-N-(5-methylisoxazol-3-yl)-benzenesulfonamid (4-Nitro-SMX) und N-(5-methylisoxazol-3-yl)-benzenesulfonamid (Desamino-SMX) während des zeitlichen Verlaufs eines Wasser/Sediment-Batchversuchs wird dargestellt. Beide TPs können auch in Umweltproben nachgewiesen werden. Unter geeigneten Reaktionsbedingungen kann das TP 4-Nitro-SMX zudem zu SMX retransformiert werden. Dies zeigt die hohe Relevanz der vorliegenden Arbeit hinsichtlich des Vorkommens und Verhaltens dieses Antibiotikums in der Umwelt und für das Monitoring der Wasserqualität. Darüber hinaus können Redox-spezifische TPs als Indikatoren für den reaktiven Stofftransport verwendet werden. de
dc.language.iso eng de
dc.publisher Niedersächsische Staats- und Universitätsbibliothek Göttingen de
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/
dc.subject.ddc 910 de
dc.subject.ddc 550 de
dc.title Testing selected micro-contaminants for their applicability as water quality indicators de
dc.type cumulativeThesis de
dc.contributor.referee Scheytt, Traugott Dr. de
dc.date.examination 2012-07-31 de
dc.description.abstracteng The use of anthropogenic micro-contaminants such as pharmaceuticals, lifestyle products, biocides, and pesticides as water quality indicators has aroused great interest in the scientific community and there is a high potential of using these compounds as indicators for process optimization, source delineation, and to evaluate the extent of a contamination (e.g. the amount of wastewater in surface- and groundwater). The presented work is the successful and consequent continuation of ongoing research activities on the evaluation of selected micro-contaminants as water quality indicators, their occurrence and fate in the environment, and their redox-dependent transformation. In order to use a compound as an indicator the availability of sensitive and selective analytical methods is essential. In this thesis, the development of a multi-residue analytical method based on high-performance liquid chromatographic separation and electrospray ionization with tandem mass spectrometric detection (HPLC-ESI-MS/MS) for the simultaneous analysis of 46 basic, neutral, and acidic compounds covering a wide range of polarity (log Kow <0–5.9) and potential contamination sources is described. The main feature of the method is the simultaneous solid phase extraction (SPE) of all analytes followed by the simultaneous separation and detection by HPLC-MS/MS with electrospray ionization in both positive and negative polarization within the same chromatogram. Method quantitation limits (MQL) for river- and seawater are in the low ng/L range. Furthermore, the high flexibility of the method (inserting additional analytes and adaptation to other water types) is demonstrated. The following part of the thesis presents the results from extensive river monitoring with focus on the correlation of 41 micro-contaminants with potassium (K+) and its temporal and spatial variation. Depending on the (geogenic) K+ background concentration, urine can be a significant source of K+ for surface waters. Accordingly, a positive correlation of concentrations of wastewater-related micro-contaminants and K+ is to be expected in receiving waters of wastewater treatment plant (WWTP) effluents. This correlation was found for compounds, which meet the following criteria: 1) WWTP effluent is the dominating source of the compound; 2) Variability of its mass flux in the WWTP is negligible; and 3) The compound is persistent in WWTPs and in the environment. Among other compounds, carbamazepine, sulfamethoxazole, and tolyltriazole demonstrate the best correlations. K+-equivalents of the individual micro-contaminants obviously depends on land use and population structure of the investigated river section. A correlation with K+ indicates that the concentration of the respective micro-contaminant depends only on river discharge. Following this assumption, the prediction of micro-contaminant concentrations at certain river locations could be substantially simplified. Regarding bank filtration and the interaction of surface water and groundwater in general, it may be possible to derive input functions of the correlating micro-contaminants. This would allow for a better evaluation of the attenuation potential at individual filtration sites. Furthermore, the approach can be used for contamination source delineation. Additionally, an approach to estimate the volume of untreated wastewater entering karst aquifers through rapid recharge is presented. Contamination from untreated wastewater leakage and related bacterial contamination poses a serious threat to drinking water quality and public health. However, a quantification of the magnitude of leakage is difficult. For this purpose a balance approach was adapted. It is based on the mass flow of caffeine in spring water, the load of caffeine in untreated wastewater, and the daily water consumption per person in a spring catchment area. The methodology was applied to estimate the amount of leaking and infiltrating wastewater to a well-investigated karst aquifer (Gallusquelle, Germany) on a daily basis. Also presented is a microcosm study on the transformation of the antibiotic sulfamethoxazole (SMX) under denitrifying conditions. A selective reaction pathway with the under denitrifying conditions produced nitrogen species nitrogen oxide (NO) and nitrite (NO2−) was suspected and the evaluation of two hypothesized transformation products (TP) 4-nitro-N-(5-methylisoxazol-3-yl)-benzenesulfonamide (4-nitro-SMX) and N-(5-methylisoxazol-3-yl)-benzenesulfonamide (desamino-SMX) was confirmed in a denitrifying water/sediment batch experiment. Furthermore, the compound 4-nitro-SMX has the potential to retransform to its parent compound SMX. The TPs were also detected in environmental samples demonstrating the high relevance of this study regarding the occurrence and fate of SMX in the environment and for water quality monitoring. Furthermore, TPs, which are specific for certain redox conditions, could be potentially used as redox indicators regarding reactive transport. de
dc.contributor.coReferee Licha, Tobias Dr. de
dc.subject.eng Micro-contaminants de
dc.subject.eng Indicators de
dc.subject.eng Water quality de
dc.subject.eng HPLC-MS/MS de
dc.identifier.urn urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-000D-FABC-C-3 de
dc.affiliation.institute Fakultät für Geowissenschaften und Geographie de
dc.subject.gokfull Bergbau {Technik} (PPN619470550) de
dc.identifier.ppn 737346744 de

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