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Aennes Abbas

• Clean water is fundamental to human health and ecosystem integrity. However, water quality deteriorates due to novel anthropogenic pollutants present at microgram per liter concentrations in urban water cycles (termed micropollutants). Wastewater treatment plants (WWTP) have been identified as major point sources for aquatic (micro-)pollutants. Chemical and ecotoxicological analyses have shown that conventional biological WWTPs do not fully remove micropollutants and associated toxicities, which is often because of mobile, polar and/or recalcitrant compounds and transformation products (TPs). To minimize possible environmental risks, advanced wastewater treatment (AWWT) technologies could be a promising mitigation measure. Multiple processes are therefore being developed and evaluated such as ozonation and ozonation followed by granulated activated carbon (GAC) or biological filtration. Assessing the performance of these combined AWWTs was the focus the TransRisk project. Within this project, this thesis accomplished four major goals. Firstly, the preparation of (waste)water samples was optimised for in vitro bioassays. Acidification, filtration and solid phase extraction (SPE) were tested for their impact on environmentally relevant in vitro endocrine activities, mutagenicity, genotoxicity and cytotoxicity. Significantly different outcomes of these assays were detected comparing neutral and acidified samples. Sample filtration had a lesser impact, but in some cases retention of particle-bound compounds could have caused significant toxicity losses. Out of three SPE sorbents the Telos C18/ENV at sample pH 2.5 extracted highest toxicity, some undetected in aqueous samples. These results indicate that sample preparation needs to be optimised for specific sample matrices and bioassays to avoid false-positive or -negative detects in effect-based analyses. Secondly, the above listed in vitro toxicities were monitored in a protected region for drinking water production in South-West Germany (2012-2015). Out of 30 sampling sites surface water and groundwater were the least polluted. Nonetheless, a few groundwater samples induced high anti-estrogenic activity that prompted further monitoring. The latter included a waterworks in which no toxicity was detected. Hospital wastewater also had elevated in vitro toxicities and hospitals are, thus, relevant intervention points for source control. The biological WWTPs were effective in removing most of the detected toxicity, and the selected bioassays proved to be pertinent tools for water quality assessment and prioritisation of pollution hotspots. Thirdly, the in vivo bioassay ISO10872 based on Caenorhabditis elegans (C. elegans) was adapted for this thesis. Using this model, a median effect concentration (EC50) for reproductive toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbon β-naphthoflavone (β- NF) of 114 µg/L was computed which is slightly lower than reported in the scientific literature. β-NF induced cyp-35A3::GFP (a biomarker in transgenic animals) in a time and concentration dependent manner (≤ 21.3–24 fold above controls). β-NF spiked wastewater samples supported earlier hypotheses on particle-bound pollutants. Reproductive toxicity (96 h) and cyp-35A3 induction (24 h) of biologically treated and/or ozonated wastewater extracts and growth promoting effects of GAC/biologically filtered ozonated wastewater extracts were observed. This suggested the presence of residual bioactive/toxic chemicals not included in the targeted chemical analysis. It also highlighted the importance of integrating multiple (apical and molecular) endpoints in wastewater assessments. Fourthly, five in vitro and the adapted C. elegans bioassay were integrated into a wastewater quality evaluation (developed within TransRisk). Out of the five AWWT options, ozonation (at 1 g O3,applied/g DOC, HRT ~ 18 min) combined with nonaerated GAC filtration was rated most effective for toxicity removal. All five AWWTs largely removed estrogenic and (anti-)androgenic activities, but not anti-estrogenic activity and mutagenicity, which even increased during ozonation. This has been observed in related studies and points towards toxic TPs. These results also emphasized the need for implementing an effective post-treatment for ozonation. The results from a parallel in vivo study with Lumbriculus variegatus and Potamopyrgus antipodarum conducted on site at the WWTP (using flow through systems) were in accordance with the C. elegans results. In this context, it is suggested to further implement C. elegans as sensitive, feasible and ecologically relevant model. In conclusion, this thesis shows how optimised sample preparation, long-term (in vitro) environmental monitoring, sensitive and ecologically relevant (in vivo) bioassays as well as innovative evaluation concepts, are pivotal in improving the removal of micropollutants and their toxicities with AWWTs. Future research should further develop and evaluate measures at sewer systems, conventional biological, tertiary and other advanced treatment technologies, as well as sociopolitical strategies (e.g., source control or natural conservation) and restoration projects. The effect-based tools optimised in this thesis will support assessing their success.
• Sauberes Wasser ist eine entscheidende Lebensgrundlage. Die Wasserqualität verschlechtert sich durch neuartige anthropogene Schadstoffe die aufgrund ihrer Konzentrationen im Wasserkreislauf als Mikroschadstoffe bezeichnet werden. Kläranlagen (KAs) sind Hauptpunktquellen, da konventionelle biologische KAs (Mikro-)Schadstoffe, deren Transformationsprodukte (TPs) und die Toxizität nur unvollständig entfernen. Um möglichen Umweltrisiken entgegenzuwirken, ist die weiterführende Abwasserbehandlung eine vielversprechende Maßnahme. Kombinierte Prozesse, wie Ozonung gefolgt von granulierter Aktivkohle (GAK) oder biologischer Filtration, werden hierfür entwickelt und erprobt. Die chemische und ökotoxikologische Bewertung dieser Prozesse stand im Mittelpunkt des TransRisk-Projekts. Im Zuge dessen wurden in dieser Doktorarbeit vier Hauptziele erreicht. Erstens die Vorbereitung von (Ab-)Wasserproben wurde für In-vitro-Bioassays optimiert. Ansäuerung, Filtration und Festphasenextraktion wurden auf deren Einfluss auf die Detektion endokriner In-vitro-Aktivitäten, Mutagenität, Genotoxizität und Zytotoxizität hin untersucht. Es wurden signifikante Unterschiede zwischen neutralen und angesäuerten Proben festgestellt. Die Filtration hatte einen geringeren Einfluss; in einigen Fällen jedoch wurden signifikante Toxizitätsverluste detektiert, die möglicherweise durch Retention partikelgebundener Substanzen verursacht wurden. Von drei Festphasen-Sorbenzien extrahierte das Telos C18/ENV-Material bei einem Proben-pH von 2,5 die höchste Toxizität; die in einigen wässrigen Proben unentdeckt blieb. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Probenvorbereitung für Bioassays und spezifische Probenmatrices falsch-positive und -negative Nachweise reduziert. Zweitens die aufgeführten In-vitro-Toxizitäten wurden in einer zur Trinkwassergewinnung geschützten Region überwacht (2012–2015). Von 30 Probenahmenstellen waren das Oberflächen- und Grundwasser am Wenigsten belastet. Einige Grundwasserproben wiesen jedoch hohe antiöstrogene Aktivität auf und veranlassten eine weitergehende Überwachung, einschließlich des nahegelegenen Wasserwerks, wobei keine Toxizität festzustellen war. Klinikabwasser zeigte ebenfalls hohe Toxizität und Krankenhäuser könnten als relevante Interventionspunkte für Maßnahmen an der Quelle betrachtet werden. Die untersuchten biologischen KAs reduzierten die meisten Toxizitäten effektiv. Die ausgewählten Bioassays stellen somit nützliche Instrumente für das Umweltmonitoring und zur Priorisierung von Belastungsherden dar. Drittens wurde der In-vivo-Bioassay ISO10872 basierend auf Caenorhabditis elegans (C. elegans) an die Ziele der Doktorarbeit angepasst. Mit diesem Modell wurde eine mittlere Effektkonzentration (EC50) der Reproduktionstoxizität des polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffs β-Naphthoflavon (β-NF) von 114 µg/L berechnet (unterhalb der vorigen EC50 in der Literatur). β-NF induzierte den Biomarker cyp- 35A3::GFP zeit- und konzentrationsabhängig bis zu 24-fach über der Kontrolle. Mit β-NF gespikte Abwasserproben stützten frühere Hypothesen zu partikelgebundenen Schadstoffen. Reproduktionstoxizität (96 h) und CYP-35A3-Induktion (24 h) von extrahiertem biologisch-behandeltem bzw. ozontem Abwasser und wachstumsfördernde Effekte von extrahiertem GAC/biologisch-gefiltertem ozonten Abwasser wurden beobachtet. Dies sprach für verbleibende bioaktive/toxische Chemikalien in behandeltem Abwasser, außerhalb der begleitenden chemischen Analyse. Die Ergebnisse zeigen zudem die Vorteile mehrere (apikale und molekulare) Endpunkte zur Bewertung der Abwasserqualität heranzuziehen. Viertens wurden fünf In-vitro- und der C. elegans-Bioassay in ein in TransRisk entwickeltes Abwasser-Bewertungssystem integriert. Von den fünf Prozessen wurde die Ozonung (1 g O3, angewendet/g DOC, ~ 18 min) mit unbelüfteter GAK-Filtration als effektivster Prozess bewertet. Alle fünf Prozesse entfernten östrogene und (anti-)androgene Aktivitäten, jedoch nicht anti-östrogene Aktivität und Mutagenität, welche nach der Ozonung sogar zunahmen. Dies wurde bereits in früheren Studien beobachtet und wies auf die Entstehung toxischer TPs hin die eine wirksame Nachbehandlung der Ozonung notwendig machen. Die Ergebnisse einer parallelen Invivo-Studie mit Lumbriculus variegatus und Potamopyrgus antipodarum (durchgeführt im Durchfluss-Verfahren an der KA) befürworteten die Implementierung von C. elegans als vielseitiges, sensitives und ökologisch-relevantes Modell. Die Ergebnisse der Doktorarbeit zeigen wie die optimierte Probenvorbereitung, das (in vitro) Umweltmonitoring, sensitive (in vivo) Bioassays und neue Bewertungskonzepte der (Ab-)Wasserqualität entscheidend für die verbesserte Entfernung von Mikroschadstoffen und Toxizität mittels weiterführender Abwasserbehandlung sind. Zukünftige Forschung richtet sich an die Weiterentwicklung von Maßnahmen an Kanalsystemen, kombinierten Abwasserprozessen (der zweiten, dritten bzw. vierten Reinigungsstufe) und gesellschaftspolitische Strategien (z.B. Maßnahmen an der Quelle oder Umweltschutzprojekte). Die in dieser Doktorarbeit optimierten effektbasierten Werkzeuge unterstützen dabei deren Beurteilung.