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Organochlorpestizide Bestimmung von OCPs in schwebstoffhaltigen Wasserproben

Autor / Redakteur: Peter Balsaa, Anastasia Günter, Friedrich Werres, Torsten C. Schmidt* / Dr. Ilka Ottleben

Organochlorpestizide (OCP) gehören zu den persistenten organischen Schadstoffen (POPs), werden in der Umwelt also nur extrem langsam abgebaut. Trotz EU-weiten Verbots vieler Anwendungen sind sie nach wie vor ubiquitär nach­weisbar.

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Abb. 1: Organochlorpestizide kamen weltweit Jahrzehnte lang als Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel zum Einsatz.
Abb. 1: Organochlorpestizide kamen weltweit Jahrzehnte lang als Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel zum Einsatz.
(Bild: © ASP Inc - Fotolia)

Um die aquatische Umwelt vor chemischer Verschmutzung zu schützen (Richtlinie 2008/105/EG), wurden von der EU-Kommission Umweltqualitätsnormen (UQN) festgelegt. Zu den im Anhang X der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, Richtlinie 200/60/EG) gelisteten prioritären Substanzen, gehören auch die Organochlorpestizide (OCPs). Sie gehören zur Gruppe der POPs (persistent organic pollutants), dabei handelt es sich um ubiquitär auftretende, anthropogene Umweltkontaminanten mit langen Halbwertszeiten in Luft, Wasser, Boden und Biota. Insbesondere durch Abschwemmung nach Starkregenereignissen können Oberflächengewässer kontaminiert werden. Aufgrund ihrer geringen Wasserlöslichkeit und ihrer hohen Hydrophobizität sorbieren OCPs sehr stark an Schwebstoffen (engl. suspended particulate matter, SPM) und Sediment.

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Die Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, 2000/60/EC) fordert ein Monitoring zur Kontrolle der festgelegten UQNs für prioritär gefährliche Substanzen. Die jährlichen Mittelwerte für die UQN (JD-UQN) für die OCPs in Oberflächengewässer bewegen sich im Bereich von 0,5 ng/L bis 400 ng/L für die Gesamtwasserprobe, d.h. inklusive SPM und Sediment. Das eingesetzte Analysenverfahren muss dabei eine Bestimmungsgrenze der Einzelkomponente von höchstens 30% des JD-UQN erreichen, was einer effizienten Probenvorbereitung z.B. mit Festphasenextraktion (SPE) bedarf. Für die Untersuchung von schwebstoffhaltigen Wasserproben sind die normalen Kartuschen mit einem Durchmesser von 5 bis 10 mm ungeeignet, weil sie schnell verstopfen. Eine Alternative dazu stellen die SPE-Disks dar [1-4]. Disks mit einem Durchmesser von 50 mm können problemlos mit SPM von bis zu 1000 mg beladen werden [5-10].

Diese Technik ist im Vergleich zu den bisherigen Extraktionsverfahren einfach, schnell und effizient, da die Extraktion der Zielkomponenten sowohl aus der Wasser- als auch aus der Schwebstoff- und/oder Sedimentphase in einem Schritt erfolgt. Ein wichtiger Schritt in der Probenvorbereitung ist die Trocknung des Phasen- einschließlich des SPM-Materials [11-14]. Selbst geringe Wasserspuren führen zu schwankenden Wiederfindungsraten und v. a. bei Large-Volume-Injektion (LVI) kann die nachgeschaltete Chromatographie gestört werden. Um die geforderten Bestimmungsgrenzen und Reproduzierbarkeiten zu erreichen, wurden daher der Trocknungsschritt und die LVI-Technik optimiert.

Experimentelles

Für die Untersuchung des Trocknungsprozesses wurde das Vakuumsystem an verschiedene Pumpensysteme gekoppelt. Drei Pumpensysteme wurden getestet: (i) eine herkömmliche Wasserstrahlpumpe, (ii) ein EZ-Stream-Vakuumfiltration-Pumpe und (iii) eine Hochvakuumpumpe.

Zur gaschromatographischen Bestimmung der Analyten wurde ein Agilent-GC-MS-System (GC6890/MSD 5973), ausgestattet mit einem Gerstel-Autosampler (Multipurpose Sampler MPS2) genutzt. Die Injektion wurde mit einem CIS-4-Kaltaufgabe-System von Gerstel durchgeführt. Es wurde ein deaktivierter Glasliner mit Quarzwolle verwendet. Für die GC-Trennung wurde eine Zebron ZB 5 ms (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm) Kapillarsäule von Phenomenex mit folgendem Ofentemperaturprogramm 10 °C / min von 50 °C bis 300 °C, Haltezeit: 10 min, Gesamtlaufzeit: 35 min genutzt. Die Analyten wurden im Elektronenstoßionisation-Modus (70 eV) ionisiert und im Selected-Ion-Monitoring-(SIM)-Modus detektiert.

SPE erlaubt optimale Wiederfindungsraten für die OCPs

Durch die Verwendung der folgenden SPE-Verfahrensschritte konnten optimale Wiederfindungsraten für die OCPs erreicht werden. Die SPE-Disks (C18) wurden mit 3 x 4 mL Aceton und 2 x 5 mL blindwertfreiem Wasser konditioniert. Dann wurde 1 Liter Wasserprobe, ggf. mit 1 mL einer Spike-Lösung und/oder Sediment bis zu 500 mg, innerhalb von 20 Minuten angereichert. Die Probenflasche wurde danach mit 10 mL blindwertfreiem Wasser gespült, um das gesamte SPM auf die Extraktionsscheibe zu überführen. Nach dem Trocknen der SPE-Scheibe unter einem Stickstoffstrom (0,6 bar) in Kombination mit einer Hochvakuumpumpe (15 bis 25 min) wurden die Analyten mit 4 x 4 mL Aceton (Kontaktzeit, 3 min) extrahiert. Nach Zugabe von 10 µL des Volumenstandards (D10-Fluoranthen) wurde der Extrakt auf 1 mL in einem schwachen Stickstoffgasstrom aufkonzentriert, in ein GC-Vial überführt und bis zur Analyse bei 4 °C im Dunkeln gelagert.

Ergebnisse und Diskussion

In dieser Studie wurden mehrere SPE-Disks hinsichtlich des Trocknungsverfahrens getestet, darunter fünf verschiedene Arten von Bakerbond-Extraktions-Speedisks sowie drei verschiedene Arten von Membran-Extraktionsscheiben. Nach dem Konditionierungsschritt wurden 1000 mL Wasserprobe angereichert, im Anschluss wurden die SPE-Disks für 15, 30 und 60 min getrocknet unter Verwendung von (I) einer Wasserstrahlpumpe, (II) einer Wasserstrahlpumpe in Kombination mit einem N2-Strom, (III) einer Membranpumpe, (IV) einer Hochvakuumpumpe und (V) einer Hochvakuumpumpe in Verbindung mit einem N2-Strom. Bei der üblichen Trocknung mit Wasserstrahl- oder Membranpumpe verbleiben erhebliche Mengen Wasser in den Disks. Selbst unter Verwendung der HV-Pumpe ist die Reduktion unzureichend. Um die Restfeuchte noch weiter zu minimieren, wurden die beiden SPE-Disktypen für 15 min im Hochvakuum zusätzlich im Stickstoffstrom getrocknet. So sank der Restwassergehalt auf weniger als 0,01 g.

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Um die insbesondere für alpha- und beta-Endosulfan (I, II) geforderten Bestimmungsgrenzen zu erreichen, musste das Large-Volume-Injektionsvolumen von 10 µL auf 100 µL erhöht werden. Das Chromatogramm in Abbildung 2 zeigt exemplarisch die Trennung, die nach der Kaltaufgabesystem-LVI-Optimierung erhalten wurde.

Der Einfluss unterschiedlicher Elutionsmittel (Aceton und Ethylacetat) auf die Wiederfindung der OCP in Wasserproben wurde ebenfalls untersucht. Beide Elutionsmittel ergaben sehr gute Wiederfindungsraten für alle untersuchten Substanzen, die zwischen 82% und 117% für Aceton und 78% bis 114% für Ethlyacetat lagen. Die relative Standardabweichung war kleiner als 13%. Zudem erfüllten die Ergebnisse die Mindestleistungskriterien der WRRL im Hinblick auf die Messunsicherheit, die kleiner oder gleich 50% sein darf (mit k = 2). Sie lag bei allen untersuchten Parametern unter 30%.

Zur Überprüfung der Wiederfindungsraten wurden die Wasserproben mit 100, 200, 300, 400 und 500 mg zertifiziertem Sediment (Pesticides-Clay Loam 1) dotiert. Die WFR für alle im Sediment enthaltenen Stoffe lag im Bereich zwischen 70% und 140%, mit einer relativen Standardabweichung von unter 15%. Die erzielten WFR von dotierten Wasserproben mit und ohne Sediment zeigen die Stabilität des optimierten Verfahrens für die Analyse der gesamten Wasserprobe einschließlich SPM (s. Tab. 1).

Die Kalibrierung des Verfahrens wurde mit sieben Konzentrationsniveaus (1 bis 10 ng/L) unter Einbeziehung von internen Standards durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden Wasserproben mit allen 21 Analyten und sechs isotopenmarkierten Standards dotiert. Für alle Analyten ergab sich eine sehr gute Linearität, die Korrelationskoeffizienten (r) lagen über 0,99. Die Validierungsergebnisse der mit bis zu 500 mg zertifiziertem Sediment dotierten Wasserproben waren vergleichbar.

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Die erreichten Bestimmungsgrenzen basierend auf einem Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) von 9:1 und die Anforderungen der WRRL sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Mit 0,01 bis 0,37 ng/L lagen sie deutlich unter den geforderten Zielwerten.

Die Anwendbarkeit und Systemeignung der entwickelten Methode konnte erfolgreich im Rahmen des europäischen Ringversuchs (CEN / TC 230 / WG 1 - M / 424) für die Validierung zur Bestimmung von OCP in Oberflächenwasserproben mit SPM-Mengen bis zu 500 mg/L nachgewiesen werden [15]. Inzwischen ist dieses Verfahren auch als Deutsche Norm (DIN EN 16693:2015-12) unter dem Titel Bestimmung von Organochlorpestiziden (OCP) in Gesamtwasserproben – Verfahren mittels Festphasenextraktion (SPE) mit SPE-Disks in Verbindung mit Gaschromatographie erschienen [16].

Literatur:

[1] C. Erger, T.C. Schmidt, Trend Anal. Chem. 61 (2014) 74.

[2] D. Barceló, S. Chiron, S. Lacorte, E. Martinez, J.S. Salau, M.C. Hennion, Trend Anal. Chem. 13 (1994) 352.

[3] F. Werres, P. Balsaa, T.C. Schmidt, J. Chromatogr. A 1216 (2009) 2235.

[4] C. Erger, P. Balsaa, F. Werres, T.C. Schmidt, J. Chromatogr. A 1249 (2012) 181.

[5] EN 16693:2015: Water quality - Determination of organochlorine pesticides (OCP) in whole water samples - Method using solid phase extraction (SPE) with SPE-disks combined with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS).

[6] DIN EN 16694-2015: Water quality - Determination of pentabromodiphenyl ether (PBDE) in whole water samples using solid phase extraction (SPE) with SPE-disks combined with gas chromatography - mass spectrometry (GC-MS).

[7] DIN EN 16691-2015: Water quality - Determination of selected polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in whole water samples - Method using solid phase extraction (SPE) with SPE-disks combined with gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS).

[8] H. Sabik, R. Jeannot, B. Rondeau, J. Chromatogr. A 885 (2000) 217.

[9] C. Erger, P. Balsaa, F. Werres, T.C. Schmidt, Anal. Bioanal. Chem. 403 (2012) 2541.

[10] C. Erger, P. Balsaa, F. Werres, T.C. Schmidt, Anal. Bioanal. Chem. 405 (2013) 5215.

[11] Y. Pico, A.J.H. Louter, J.J. Vreuls, U.A.Th. Brinkman, Analyst 119 (1994) 2025.

[12] T. Hankemeier, A.J.H. Louter, J. Dallüge, R.J.J. Vreuls, U.A.Th. Brinkman, J. High Res. Chromatog. 21 (1998) 450.

[13] G. R. van d. Hoff, F. Pelusio, U.A.Th. Brinkman, R. A. Baumann, P. van Zoonen, J. Chromatogr. A 719 (1996) 59.

[14] S. A. Senseman, T.L. Lavy, J.D. Mattice, Anal. Chem. 67 (1995) 3064.

[15] A. Günter, P. Balsaa, F. Werres, T. C. Schmidt, J. Chromatogr. A 1450 (2016) 1-8.

[16] DIN EN 16693:2015-12, Wasserbeschaffenheit - Bestimmung von Organochlorpestiziden (OCP) in Gesamtwasserproben – Verfahren mittels Festphasenextraktion (SPE) mit SPE-Disks in Verbindung mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS); Deutsche Fassung EN 16693:2015.

* P. Balsaa, A. Günter, F. Werres, T. C. Schmidt: IWW Zentrum Wasser, 45476 Mülheim an der Ruhr

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