PhD thesis defence

Forurening af vandmiljøet med steroidøstrogener

Henrik AndersenAdjunkt

Institut for Analytisk KemiDanmarks Farmaceutiske Universitet

[email protected]

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.



Naturlige og syntetiske steroidøstrogener

OH

OCH3

OH

OHCH3

CH

17β-østradiol (E2)østron (E1)

17-ethinyløstradiol (EE2)

OH

OHCH3

Oxidation



Xeno-estrogener

Nonylphenol (NP) Octylphenol (OP) Bisphenol A (BPA)

OH

C9H19

OH

C8H17

OH

CH3

CH3

OH



Østrogener har effekter påfisk, padder og krebsdyr i

vandmiljøet

LeverVitellogenin

Vitellogenin

17-østradiol

17-østradiol

?

Ikke fysiologisk vitellogenin syntese Kønsdifferentiering

17-østradiol



Opdagelse af østrogenpåvirkede vilde fisk



Ukendt stof i Århus amt?

Politiken (2002)



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”.



Prioritering af østrogener

ionkoncentrateffektLaveste

renseanlægfraudløbiionKoncentratrisikolativRe



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



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



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



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



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



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.



Analysemetoder til undersøgelse af steroidøstrogeners skæbne

i renseanlæg



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



Oprensning er ikke tilstrækkelig til

spildevand og slamekstrakter



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




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




GC/ion trap-MS/MS

Ternes et al. (2002) Anal. Chem. 74, 3498-3504.Andersen et al., (2003) Env. Sci. Tech.



Kvalitet af detektion

Fit af datterion massespektret.

Korrekt forhold mellem intensiteten af de to mest karakteristiske ioner

?=

Prøve Standard

KA

A

Kvalifier

Kvantifier



Kvalitet af prøven

%)30(KA

A

dardtansApparat

dardtansIntern

%30A dardtansApparat



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.



Steroidøstrogeners miljøkemi



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



Dekonjugering:

Nedbrydning:

Sorption:

Reaktioner i steroidøstrogeners miljøkemi

Konjugeret østrogen

Frit østrogen

Frit østrogen metabolit

Frit østrogen Sorberet østrogen



Steroidøstrogeners miljøkemi fra kilde til recipient



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



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.



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



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



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



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)



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)



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.



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.



Ionfælde

m/Z 425

[407]

[193]

[425] + He

[231]

[285]

[193]

[231]

[407]

MassespektreGC

1.

2.

3.

Ionfælde princip



Slam og vand massestrøm i renseanlæg

Primærsedimentering

Aktivt slamanlægSekundær

sedimentering

Slambehandling

OverskudsslamStof fra

primær sedimentering

Indløb Udløb

Stabiliseret slam

Returslam

NO3-

Technology

PhD thesis defence