Emerging contaminants and their (immunotoxic) effects on aquatic organisms

  • To date, chemicals are used ubiquitous in everyday life and an increasing consumption of pharmaceuticals and personal care products and industrial chemicals results in an increased water pollution. Conventional wastewater treatment plants are not able to completely remove the variety of (polar) organic compounds from today’s wastewater and thus serve as constant key point sources for the unintentional release of (micro-)pollutants into the aquatic environment. Anthropogenic micropollutants are detectable in very low concentrations in almost every aquatic compartment and may cause adverse effects on aquatic organisms. Considering the current situation of water pollution and to enhance water quality with regard to environmental and human health, the implementation of advanced wastewater treatment technologies, such as ozonation and activated carbon filtration was extensively discussed and investigated in recent years. Yet, besides their advantages regarding the efficient removal of a variety of recalcitrant, organic compounds as well as pathogens from the wastewater, it is known that especially the treatment with ozone may lead to the formation of largely unknown ozonation by-products with often unknown toxicity and unknown threats to human and the environment. To address these topics the joint research project TransRisk aimed at the “characterization, communication and minimization of risks originating from emerging contaminants and pathogens in the water cycle”. Within this research project the present thesis focuses on the ecotoxicological investigation of emerging waterborne contaminants, including their potential transformation products (TPs). Additionally, focus was laid on the investigation of combined effects of anthropogenic contaminants and pathogens with effects especially on aquatic invertebrate organisms. The potential ecotoxicological effects of the antiviral drug acyclovir and two of its structurally identified TPs, were investigated on three aquatic organisms (Raphidocelis subcapitata, Daphnia magna and embryos of Danio rerio). While the parent compound acyclovir caused no acute toxicity up to a tested concentration of 100 mg/l on any of the investigated organisms, both TPs were shown to exhibit an increased aquatic toxicity. Carboxy-acyclovir, the biodegradation product of acyclovir, significantly reduced reproduction of D. magna by 40% at 102 mg/l, and the ozonation product COFA significantly inhibited growth of green algae R. subcapitata (EC10 = 14.1 mg/l). In the present case, advanced wastewater treatment was shown to lead to the formation of TPs, that reveal a higher toxicity towards investigated organisms, than the parent compound. Results highlight the necessity of further research related to the topic of identification and characterization of TPs, formed during advanced wastewater treatment processes. To investigate the potential reduction or enhancement of toxic effects of nine differently treated wastewater effluents, selected bioassays with Daphnia magna, Lumbriculus variegatus and Lemna minor were conducted in flow-through test systems on a pilot treatment plant. The different treatment processes included ozonation of conventional biological treatment, with subsequent filtration processes as well as membrane bioreactor treatment in combination with ozonation. While exposure to the conventionally treated wastewater did not result in significant impairing effects on D. magna and L. minor, a reduced abundance of L. variegatus (by up to 46%) was observed compared to the medium control. Subsequent ozonation and additional filtration of the wastewater enhanced water quality, visible in an improved performance of L. variegatus. In general, direct evidence for the formation of toxic TPs due to the advanced wastewater treatments was not found, at least not in concentrations high enough to cause measurable effects in the investigated test systems. Additionally, no evidence for immunotoxic effects of the investigated wastewater effluents were observed. Yet, study-site- and species-specific effects hindered the definite interpretation of results. That underline the importance of a suitable test battery consisting of representatives of different taxonomic groups and trophic levels, to ensure a comprehensive evaluation of the complex matrix of wastewater and to avoid false-negative or false-positive results. With aim to improve knowledge regarding immunotoxicity in invertebrates, the potential immunotoxic effects of the immunosuppressive pharmaceutical cyclosporine A (CsA) were investigated by applying the host-parasite model system Daphnia magna – Pasteuria ramosa in an adapted host resistance assay. Co-exposure to CsA and Pasteuria synergistically affected long-term survival of D. magna. Additionally, the enhanced virulence of the pathogen upon chemical co-exposure was expressed in synergistically increased infection rates and an increased speed of Pasteuria-induced host sterilization. In conclusion, results provide evidence for a suppressed disease resistance in a chemically stressed invertebrate host, highlighting the importance of investigating the conjunction of environmental pollutants and pathogens in the environmental risk assessment of anthropogenic pollutants.
  • Der zunehmende Konsum von Pharmazeutika, Körperpflegeprodukten und Industriechemikalien führt zu einer erhöhten Wasserverschmutzung und es besteht eine wachsende öffentliche und wissenschaftliche Besorgnis über das Vorkommen von anthropogenen Chemikalien in der aquatischen Umwelt. Oberflächengewässer aber auch Grundwasserreservoirs sind Lebensraum für zahlreiche aquatische Organismen und dienen gleichzeitig als Haupttrinkwasserquelle. Vor allem in Ballungsgebieten werden diese Wasserspeicher durch hauptsächlich organische Schadstoffe aus Kläranlageneinträgen belastet. Konventionelle Kläranlagen sind darauf ausgelegt, Nährstoffe, wie anorganische Stickstoffverbindungen und Phosphat zu reduzieren und relevante Schadstoffparameter, wie beispielsweise den chemischen und den biologischen Sauerstoffbedarf zu senken, sowie potentielle Krankheitserreger zu entfernen. Durch die Sorption an Klärschlamm wird zusätzlich die Abtrennung vieler unpolarer Stoffe realisiert, während die Mehrzahl der polaren Verbindungen in konventionellen Kläranlagen schlecht abbaubar ist. Herkömmliche Kläranlagen fungieren daher als ständige Punktquellen für die unbeabsichtigte Freisetzung von (Mikro-)Schadstoffen in die aquatische Umwelt. Anthropogene Mikroverunreinigungen sind mittlerweile in sehr geringen Konzentrationen in fast allen aquatischen Kompartimenten messbar und negative Auswirkungen, wie beispielsweise akute und chronische, sowie endokrine Effekte auf Wasserorganismen aber auch Antibiotikaresistenzen von Mikroorganismen konnten nachgewiesen werden. Bislang existieren keine regulatorischen Richtlinien für die Überwachung und den Eintrag der Vielzahl der anthropogenen Mikroschadstoffe und ihrer potentiellen Transformationsprodukte in aquatische Ökosysteme. In Anbetracht der aktuellen Situation der Wasserverschmutzung und mit dem Ziel einer verbesserten Wasserqualität in Bezug auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit, wurde in den letzten Jahren die Einführung fortschrittlicher Technologien zur Abwasserbehandlung, wie Ozonung als oxidatives und Aktivkohlefiltration als adsorptives Verfahren, intensiv diskutiert und untersucht. Während Substanzen mithilfe der Aktivkohlefiltration durch Sorption entfernt werden, führt die Ozonung des Abwassers zu einem strukturellen Umbau der Substanzen, wobei nur die wenigsten dieser Verbindungen vollständig mineralisiert werden. Neben den Vorteilen der effizienten Entfernung einer Vielzahl von organischen Verbindungen sowie von Krankheitserregern aus dem Abwasser, wurde festgestellt, dass insbesondere die Abwasserbehandlung mit Ozon zur Bildung von weitestgehend unbekannten Transformationsprodukten mit oft unbekannter Toxizität führen kann. Neben anthropogenen Chemikalien, bedroht auch das Vorhandensein von Krankheitserregern, wie Viren, Bakterien oder Protozoen, die Qualität des verfügbaren Süßwassers und kann Risiken für Mensch und Umwelt darstellen. Neben einem direkten Infektionsrisiko, birgt die Interaktion von anthropogenen Mikroschadstoffen und Krankheitserregern Risiken, die gerade für aquatische Invertebraten bisher kaum untersucht wurden. Bezugnehmend auf oben genannte Zusammenhänge untersuchte das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Forschungsprojekt TransRisk die "Charakterisierung, Kommunikation und Minimierung von Risiken durch neue Schadstoffe und Krankheitserreger im Wasserkreislauf". Im Rahmen dieses Forschungsprojektes konzentrierte sich die vorliegende Thesis auf die ökotoxikologische Untersuchung wasserbürtiger Schadstoffe, einschließlich ihrer potentiell toxischen Transformationsprodukte. Dazu wurden einerseits bereits identifizierte Transformationsprodukte ökotoxikologisch charakterisiert, andererseits wurden erweiterte Abwasserbehandlungen auf ihr Potential hin untersucht, zu einer veränderten Toxizität des Abwassers beizutragen. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung der kombinierten Wirkung von anthropogenen Schadstoffen und Krankheitserregern mit Auswirkungen insbesondere auf wirbellose Wasserlebewesen. Dazu wurde das Wirt-Pathogen-Modell Daphnia magna – Pasteuria ramosa verwendet, um in adaptierten host resistance assays die Auswirkungen potentiell immuntoxischer Verbindungen zu untersuchen. ...

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author:Lisa Schlüter-Vorberg
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-486459
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Jörg OehlmannORCiDGND, Thomas A. Ternes
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2019/01/01
Year of first Publication:2018
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2018/12/14
Release Date:2019/02/14
Page Number:XII, 117
HeBIS-PPN:445331216
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht