Upload
henrikrandersen
View
456
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
My PhD defence presentation.
Citation preview
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener
Henrik AndersenAdjunkt
Institut for Analytisk KemiDanmarks Farmaceutiske Universitet
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 2Danmarks Farmaceutiske Universitet
Indhold af foredraget
1. Motivation for emnet.
2. Prioritering af vigtighed af østrogener for
vandmiljøet.
3. Analysemetoder.
4. Steroidøstrogeners miljøkemi.
5. Undersøgelse af steroidøstrogeners skæbne i et
renseanlæg.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 3Danmarks Farmaceutiske Universitet
Naturlige og syntetiske steroidøstrogener
OH
OCH3
OH
OHCH3
CH
17β-østradiol (E2)østron (E1)
17-ethinyløstradiol (EE2)
OH
OHCH3
Oxidation
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 4Danmarks Farmaceutiske Universitet
Xeno-estrogener
Nonylphenol (NP) Octylphenol (OP) Bisphenol A (BPA)
OH
C9H19
OH
C8H17
OH
CH3
CH3
OH
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 5Danmarks Farmaceutiske Universitet
Østrogener har effekter påfisk, padder og krebsdyr i
vandmiljøet
LeverVitellogenin
Vitellogenin
17-østradiol
17-østradiol
?
Ikke fysiologisk vitellogenin syntese Kønsdifferentiering
17-østradiol
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 6Danmarks Farmaceutiske Universitet
Opdagelse af østrogenpåvirkede vilde fisk
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 7Danmarks Farmaceutiske Universitet
Ukendt stof i Århus amt?
Politiken (2002)
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 8Danmarks Farmaceutiske Universitet
3 spørgsmål
1.Forekommer påvirkning af fisk med østrogene
kemikalier i koncentrationer, der kan medføre
østrogenerelaterede skader.
2.Hvilke stoffer der er de mest sandsynlige årsager til
uønskede østrogen effekter på fisk, hvis de
forekommer.
3.Hvad der kan gøres for at løse miljøproblemet: ”At
fisks udvikling påvirkes af østrogene stoffer”.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 9Danmarks Farmaceutiske Universitet
Prioritering af østrogener
ionkoncentrateffektLaveste
renseanlægfraudløbiionKoncentratrisikolativRe
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 10Danmarks Farmaceutiske Universitet
Folketingets miljøudvalg - Høring om hormonforstyrrende stoffer
Målte koncentrationer
Grænse for
effekt på fisk
Max målt
Effekt på fiskÅrhus amt Storkøbenhavn
Middel Max Min Max Århus København
Nonylphenol (µg/l) <LD 0,29
Ikke målt i denne
under-søgelse.
6,1 0,048
Ikke måltOctylphenol (µg/l) <LD <LD 4,8 -
Bisphenol A (µg/l) <LD 4 5,9 0,68
Østron (ng/l) 1,2 6,1 <LD 63 8 0,76 7,9
17-østradiol (ng/l) <LD 2,5 <LD 11 0,5 5,0 22
17-ethinyløstradiol (ng/l) <LD 4,7 4,9 7,0 0,03 160 233
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 11Danmarks Farmaceutiske Universitet
Flere koncentrationsmålinger
Lokalitet ØstrogenMedia
nMin Max n
Voel renseanlæg(Århus amt)
Østron (ng/l) 1,6<0,5
14 6x1-4
17-østradiol (ng/l) <1<0,5
1,7 6x1-4
17-ethinyløstradiol (ng/l) <1<0,5
1,7 6x1-4
Tre store sjællandske renseanlæg
(Miljøstyrelsen)
Østron (ng/l) <2 <2 11 3x3
17-østradiol (ng/l) <1 <1 4,5 3x3
17-ethinyløstradiol (ng/l) <1 <1 5,2 3x3
Hele Danmark(DFU)
Østron (ng/l) <2 <2 18 1x14
17-østradiol (ng/l) <1 <1 1,1 1x14
17-ethinyløstradiol (ng/l) <1 <1 2,1 1x14
Alle danske
Østron (ng/l) <2<0,5
63 35
17-østradiol (ng/l) <1<0,5
11 35
17-ethinyløstradiol (ng/l) <1<0,5
7,0 35
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 12Danmarks Farmaceutiske Universitet
Xeno-østrogener fra Nova-programmet
Østrogen Median Max
Århus amt
NP <LOQ 0,29 μg/l
OP <LOQ <LOQ
BPA <LOQ 4 μg/l
NOVA 2001
NP 0,4 μg/l 0,68 μg/l
OP <LOQ <LOQ
BPA 0,5 μg/l 1,32 μg/l
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 13Danmarks Farmaceutiske Universitet
Sammenligning af effekt og målte koncentrationer
østrogen median maksimum median maksimum
E1 0,36 1,8 <LOQ 19E2 <LOQ 0,6 <LOQ 3
EE2 <LOQ 157 <LOQ 233NP <LOQ 0,05 0,06 0,1OP <LOQ <LOQ <LOQ <LOQBPA <LOQ 0,7 0,09 0,2
Århus amt Danmark
ionkoncentrateffektLaveste
renseanlægfraudløbiionKoncentratrisikolativRe
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 14Danmarks Farmaceutiske Universitet
Svar på to spørgsmål
1. Forekommer påvirkning af fisk med østrogene kemikalier
i koncentrationer, der kan medføre østrogenerelaterede
skader.
2. Hvilke stoffer der er de mest sandsynlige årsager til
uønskede østrogen effekter på fisk, hvis de forekommer.
1. Målte koncentrationer overskrider i enkelte tilfælde
effektkoncentrationerne for de tre steroidøstrogener.
2. Vigtigheden af de seks østrogener:
EE2 > E1 > E2 > BPA> NP > OP
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 15Danmarks Farmaceutiske Universitet
Tredje spørgsmål
• Steroidøstrogener er årsagen til problemet, men vi kan ikke begrænse tilførslen.• Løsningen må derfor være rensning af spildevandet.• Nogen renseanlæg fjerner steroidøstrogener, mens ikke alle.• Jeg vil finde ud af hvordan fjernelsen af steroidøstrogener sker i renseanlæg.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 16Danmarks Farmaceutiske Universitet
Analysemetoder til undersøgelse af steroidøstrogeners skæbne
i renseanlæg
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 17Danmarks Farmaceutiske Universitet
Oprindelig vandmetodeForsur til pH = 3,0 & GF/C filtrer 1,00 kg prøve
Tilsæt intern standard (E2-acetat)
1 g silika gel (1.5 % H2O deaktiveret)Elueres med 5 ml n-hexane/acetone (65/35)
Ekstraktion med C18 SPE
Derivation med MSTFA, TMSI, DTE. 1 h ved 60 °C.
Tilsæt apparat standard (Mirex)
GC/ion trap-MS/MS
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 18Danmarks Farmaceutiske Universitet
Oprensning er ikke tilstrækkelig til
spildevand og slamekstrakter
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 19Danmarks Farmaceutiske Universitet
Metoder til slam og spildevandForsur til pH = 3,0 & GF/C filtrer 1,00 l prøve
Tilsæt intern standard (E2-acetat)
GPC oprensningcyclohexane/acetone (3:1)
Ekstraktion med C18 SPE
Derivation med MSTFA, TMSI, DTE. 1 h ved 60 °C.
Tilsæt apparat standard (Mirex)
1 g silika gel (1.5 % H2O deaktiveret)Elueres med 5 ml n-hexane/acetone (65/35)
GC/ion trap-MS/MS
Afvej 0,50 g slam (Aktivt eller endeligt slam)
Tilsæt intern standard (E2-Acetat)
GPC oprensningcyclohexane/acetone (3:1)
Ekstraher 2xmetanol + 2xacetone med ultralyd
Derivation med MSTFA, TMSI, DTE. 1 h ved 60 °C.
Tilsæt apparat standard (Mirex)
1 g silika gel (1.5 % H2O deaktiveret)Elueres med 5 ml n-hexane/acetone (65/35)
GC/ion trap-MS/MS
Ternes et al. (2002) Anal. Chem. 74, 3498-3504.Andersen et al., (2003) Env. Sci. Tech.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 20Danmarks Farmaceutiske Universitet
Kvalitet af detektion
Fit af datterion massespektret.
Korrekt forhold mellem intensiteten af de to mest karakteristiske ioner
?=
Prøve Standard
KA
A
Kvalifier
Kvantifier
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 21Danmarks Farmaceutiske Universitet
Kvalitet af prøven
%)30(KA
A
dardtansApparat
dardtansIntern
%30A dardtansApparat
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 22Danmarks Farmaceutiske Universitet
Kvantificering ved standardkurve
0 1 2 3 40
25
50
ng/l
Signal
LOQ
1. LOQ er næstlaveste punkt på den lineære kalibreringskurve.
2. Ved LOQ testen S/N>10.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 23Danmarks Farmaceutiske Universitet
Steroidøstrogeners miljøkemi
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 24Danmarks Farmaceutiske Universitet
O
OCH3
S
O
O
O-
Konjugerede steroidøstrogener
østron-3-sulfat (E1-3Sul)
O
O
O
OH
OH
OH
OO-
CH3 O
OHOH
OH
O
O-
17β-østradiol-3,17-diglucoronid(E2-3,17dGlu)
østron-3-glucoronid
(E1-3Glu)
O
O
O
OH
OH
OH
OO-
CH3
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 25Danmarks Farmaceutiske Universitet
Dekonjugering:
Nedbrydning:
Sorption:
Reaktioner i steroidøstrogeners miljøkemi
Konjugeret østrogen
Frit østrogen
Frit østrogen metabolit
Frit østrogen Sorberet østrogen
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 26Danmarks Farmaceutiske Universitet
Steroidøstrogeners miljøkemi fra kilde til recipient
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 27Danmarks Farmaceutiske Universitet
Wiesbaden renseanlæg
November 1997November 1997 Juni 2001Juni 2001
Østron 24 ng/l
17-østradiol 5 ng/l
17-ethinyløstradiol2 ng/l
Østron <1 ng/l
17-østradiol <1 ng/l
17-ethinyløstradiol<1 ng/l
Udløbskoncentrationer
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 28Danmarks Farmaceutiske Universitet
Diagram af renseanlæg
biofosfat denitrifikationgitter
sandfilterprimærsedimentation nitrifikation
FeCl3
24 h flow proportional prøve grab prøve
tromlefilter
primærtslam
overskud afaktivt slam
biogas
anaerob rådnetankpressefilterendeligt slam
9.350 m3 11.950 m341.900 m3
sekundærsedimentation
Andersen et al., (2003) Env. Sci. Tech.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 29Danmarks Farmaceutiske Universitet
0 ng/l 25 ng/l 50 ng/l 75 ng/l
Sandfilter
1. sedimentation
Biofosfat
Denitrifikation
Nitrifikation
2. sedimentation
Tromlefilter
Pressefilter
østrone
17b--østradiol
17a-ethinyløstradiol
0 ng/g 7 ng/g 14 ng/g 21 ng/g 28 ng/g
Biofosfat
Denitrifikation
Nitrifikation
Tromlefilter
Anaerob rådnetank
Pressefilter
østrone
17b-østradiol
17a-ethinyløstradiol
Koncentrationsprofiler i Wiesbaden RA
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 30Danmarks Farmaceutiske Universitet
Naturlige østrogeners strøm med vandet
Pilenes bredde er proportional med masseoverførsel
biofosfatdenitrification
5,64 g/d<0,42 g/d
11,61 g/d
<0,06 g/d
1. sedimentation
2. sedimentation
nitrification
<0,94 g/d <0,19 g/d
5,36 g/d
<0,13 g/d
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 31Danmarks Farmaceutiske Universitet
17α-ethinyløstradiols strøm med vandet
Pilenes bredde er proportional med masseoverførsel
biofosfatdenitrification
0,34 g/d<0,15 g/d
0,37 g/d
<0,03 g/d
1. sedimentation
2. sedimentationnitrification
0,30 g/d <0,07 g/d
0,54 g/d
<0,07 g/d
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 32Danmarks Farmaceutiske Universitet
Naturlige steroidøstrogener
<0.4 3.0
sorberet steroidøstrogen
< 0.13
frie steroidøstrogener
konjugeret steroidøstrogen0.55
0.120.40
(8)
5.4 5.8
5.2
11.4
2.3
2.3
<0.9
8.6
(6.2
< 0.2
<0.5 < 0.1
8)
1. sedimentation biofosfat denitrification 2. sedimentationnitrification
anaerob rådnetank
primært slam sekundært slam
aktivt slamrecirkuleret vand og slam
Andersen et al., (2003) Env. Sci. Tech.
(Alle tal har enheden g/d)
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 33Danmarks Farmaceutiske Universitet
17α-ethinyløstradiol
< 0.07
<0.03
0.04<0.02
0.54 0.35
1.2
0.4 0.3 < 0.1
0.7
0.5
(0.2)?
(0.2)? 1.3 1.5
0.5
<0.17 <0.147 < 0.03
sorberet steroidøstrogenfrie steroidøstrogener
konjugeret steroidøstrogen
1. sedimentation biofosfat denitrification 2. sedimentationnitrification
anaerob rådnetank
primært slam sekundært slam
aktivt slamrecirkuleret vand og slam
Andersen et al. (2003) Env. Sci. Tech.
(Alle tal har enheden g/d)
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 34Danmarks Farmaceutiske Universitet
Sidste spørgsmål
3. Hvad der kan gøres for at løse miljøproblemet: ”At fisks
udvikling påvirkes af østrogene stoffer”.
Fjernelse af steroidøstrogener ved sorption til slam var en ubetydelig
skæbne for steroidøstrogener i renseanlægget, der ikke fjernede mere
end omkring 4 % af den totale tilledte mængde af kunstige østrogener
(EE2) eller naturlige østrogener (E1 og E2).
Nedbrydning af steroidøstrogener i aktiv slambehandlingstrinnet er
derimod betydeliget så det konkluderes, at for at forbedre fjernelsen af
steroidøstrogener skal vandets opholdstid i aktiv slamtrinnet være høj.
Desuden skal det aktive slams evne til at nedbryde steroidøstrogener
være høj, hvilket tilsyneladende kan opnås ved at køre anlægget med en
høj slamretentionstid.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 35Danmarks Farmaceutiske Universitet
Århus amt (2003)
Steroidøstrogener stammer fra to drænrør, som formodentlig er forbundet til septiktanke.
Drænrør Nr. 2 Nr. 3
E1 (ng/l) 6,9 & <0,5 30 & 31
E2 (ng/l) <0,5 & <0,5 5,3 & 5,2
EE2 (ng/l) <0,5 & 2,1 1,8 & 16
Spildevand uden rensning i 1999:
•143.000 udleder spildevand direkte.
•80.000 nedsiver.
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 36Danmarks Farmaceutiske Universitet
Ionfælde
m/Z 425
[407]
[193]
[425] + He
[231]
[285]
[193]
[231]
[407]
MassespektreGC
1.
2.
3.
Ionfælde princip
Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener Henrik Andersen, 23. marts 2004
Side 37Danmarks Farmaceutiske Universitet
Slam og vand massestrøm i renseanlæg
Primærsedimentering
Aktivt slamanlægSekundær
sedimentering
Slambehandling
OverskudsslamStof fra
primær sedimentering
Indløb Udløb
Stabiliseret slam
Returslam
NO3-