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Effizient EDCs gemäß EU-Wasserrahmenrichtlinie bestimmen Schadstofffalle Oberflächengewässer

Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dr. Ilka Ottleben

Türkische Wissenschaftler haben eine schnelle, höchst effiziente Methode zum Nachweis u.a. von hormonaktiven Umweltgiften in der Routineanalytik etabliert. Die lösungsmittelfreie Analyse fokussiert auch auf die EU-WRRL und basiert auf der Thermodesortions-GC-MS/MS nach vorangegangener Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE).

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Abb. 1: Türkische Wissenschaftler haben eine effiziente Methode für die Routineanalytik zum Nachweis diverser Umweltgifte in Ober­flächengewässern etabliert.
Abb. 1: Türkische Wissenschaftler haben eine effiziente Methode für die Routineanalytik zum Nachweis diverser Umweltgifte in Ober­flächengewässern etabliert.
(Bild: © Arid Ocian; artide - stock.adobe.com [M] Frank)

Die einwandfreie Güte eines Produkts sicherzustellen, erfordert in aller Regel mehr oder minder umfangreiche und tiefgreifende physikalische, chemische oder biochemische Untersuchungen. Die im Kontext der Kontrolle von Produktqualität und -sicherheit durchgeführten Analysen sind sowohl für Hersteller wie auch für Verbraucher wichtig, um zu verhindern, dass gesundheitsschädliche Produkte in den Verkehr gelangen sowie um möglichen Ersatzansprüchen im Schadensfall entgegenzuwirken. Dass ein Risiko besteht, davon ist auszugehen, und zwar auch dann, wenn es sich nicht um künstlich erzeugte, sondern um natürliche Ressourcen handelt: Der Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft etwa, der vor dem Hintergrund erfolgt, Agrarerträge zu sichern und zu steigern, führt unvermeidbar zur Verbreitung und Anreicherung von für Mensch und Tier potenziell toxischen Stoffen in der Umwelt. Gleiches gilt für industrielle Emissionen. Zudem lässt es sich nicht ausschließen, dass potenziell gefährliche Stoffe über Leckagen oder infolge von Unfällen aus Anlagen und Betrieben in die Biosphäre gelangen oder aus ihr in Produktions- und Verarbeitungsprozesse eingetragen werden.

Diese Erkenntnis im Hinterkopf sowie eingedenk einer Vielzahl weltweit verfügbarer und eingesetzter chemischer Stoffe, erweist sich eine umfangreiche, den Erfordernissen angepasste instrumentelle chemische Analytik als unumgänglich, wie gesagt, nicht zuletzt im Sinne des Produkt- und Verbraucherschutzes. Dessen Aufgabe ist es, bezogen auf die Analytik, gezielt oder ungerichtet nach potenziell gesundheitsgefährdenden Substanzen zu suchen, sowohl in Ausgangs- als auch Endprodukten sowie auch, global betrachtet, in Umweltproben. Zu letzteren zählt Süßwasser bzw. Trinkwasser, das aus Oberflächengewässern und Grundwasser gewonnen wird. Beide erweisen sich als regelrechte Schadstofffallen und unterliegen strengen Kontrollauflagen.

Definition des Aktionsrahmens

Im Jahr 2000 hat das Europaparlament mit der Richtlinie 2000/60/EG [1] einen Ordnungsrahmen geschaffen, der der Wasserpolitik auf europäischer Ebene als Leitfaden dient. Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL; European Water Framework Directive, EW-FD) verfolgt den Zweck, Gewässer nachhaltig und umweltverträglich zu nutzen, und zwar nicht als Option: Die EU-Mitgliedstaaten waren verpflichtet, bis 2015 ihre Gewässer in einen „guten ökologischen“ und „guten chemischen Zustand“ zu bringen; in Ausnahmefällen wurde der Erfüllungszeitraum bis 2027 verlängert.

Daran knüpft sich die Überprüfung auf das Vorhandensein bzw. die Minimierung einer möglichen Belastung mit von der EU-WRRL gelisteter prioritärer gefährlicher Stoffe. Deren chemische Bandbreite erweist sich als so groß, dass es unmöglich ist, sie mit einem Analysenverfahren zu erfassen. Dessen ungeachtet liegt es im Interesse aller Überwachungsbehörden und den ihnen angeschlossenen Laboratorien, den zu leistenden Aufwand an Arbeit und Zeit insbesondere aus Kostengründen zu minimieren. Bedeutet, es erweist sich als sinnvoll und geboten, viele verschiedene Parameter möglichst effizient in wenigen Analysengängen sicher und zuverlässig und in einer hinreichenden Empfindlichkeit zu erfassen.

Effizient automatisierte Methoden im Trend

Abb. 2: Mit einem vergleichbaren SBSE-TD-GC-MS/MS-System haben Canli et al. mehr als 117 hormonaktive Substanzen (EDCs) in Oberflächengewässern bestimmt.
Abb. 2: Mit einem vergleichbaren SBSE-TD-GC-MS/MS-System haben Canli et al. mehr als 117 hormonaktive Substanzen (EDCs) in Oberflächengewässern bestimmt.
(Bild: Gerstel GmbH & Co. KG)

Vor zwei Jahren haben wir an dieser Stelle über die Entwicklung einer automatisierten Methode zur Bestimmung einer Vielzahl u. a. in der EU-WRRL als prioritär gefährlich eingestufter organischer Verbindungen berichtet [2]. Sie basiert auf der lösungsmittelfreien bzw., im Falle Partikel gebundener Stoffe, lösungsmittelreduzierten Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE), gefolgt von der lösungsmittelfreien Thermodesorption der angereicherten Analyten aus dem Extraktionsmedium (Gerstel-Twister) und deren gaschromatographische Trennung mit anschließender Tandem-Massenspektrometrie (SBSE-TD-GC-MS/MS). Die Methode erlaubt, wie seinerzeit beschrieben, einen einfachen, leistungsfähigen und hochsensitiven Nachweis von 100 prioritären Kontaminanten in Grund- und Oberflächengewässern inklusive an Sediment respektive Partikel gebundener Stoffe [3]. Was sich damals als aussichtsreiche Methode dargestellt hat, überzeugt heute in der Laborroutine u.a. im türkischen Marmara Research Center.

In Zusammenarbeit mit Kollegen u.a. des Marine Science and Management Institute der Universität Istanbul ist es Oltan Canli vom Environmental and Cleaner Production Institute (TUBITAK) gelungen, eine der von Lerch et al. [2,3,5] beschriebenen vergleichbare Applikation zu entwickeln, die den Nachweis vieler in der EU-WRRL gelisteter hormonaktiver Substanzen (Endocrine Disrupters, EDCs) auf eine arbeits-, zeit- und ergebnisoptimierte Weise sowie in hinreichender Sensitivität und Selektivität unter dem Siegel der Laborroutine erlaubt. Laut Canli et al. erfüllt die Methode auch die Anforderungen der türkischen Verordnung zur Qualität von Oberflächen- und Binnengewässern [4].

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Anreicherung der Analyten erforderlich

Canli et al. fokussierten bei ihrer Methodenentwicklung auf die Bestimmung spezieller organischer Verbindungen bzw. Verbindungsklassen, darunter polychlorierte Biphenyle (PCBs), polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs), polybromierte Diphenylether (PBDE), Phenole, Phthalate und eine Reihe von Pestizidwirkstoffen. Ihre Methode eigne sich zudem zur Bestimmung weiterer ähnlicher Umweltkontaminanten, schreiben die Wissenschaftler. Bevor sich Canli et al. an die Entwicklung ihrer Methode machten, stellten sie verschiedene Überlegungen an. Laboratorien benötigen z.B. zur erfolgreichen Erfüllung ihrer Aufgaben in der routinemäßigen Wasseranalyse eine schnelle, genaue und validierte Methode, mit denen sich die Zielanalyten in Mengen von wenigen Nanogramm pro Liter und noch niedrigeren Konzentrationen bestimmen lassen. Die im Wasser vorliegenden Substanzmengen bedingen einen Anreicherungsschritt, ohne den sich die geforderten Grenzwerte nur schwer erreichen lassen, schreiben Canli et al.

Zur Anreicherung organischer Spurenverbindungen kommen verschiedene Extraktionstechniken zum Einsatz, die Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE) etwa oder auch die Festphasenextraktion (SPE), die Festphasenmikroextraktion (SPME) sowie die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE). Alle Techniken besitzen ihre Vor- und Nachteile, schreiben Canli et al. Überzeugt hat die Forscher letztlich die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit dem Twister (Gerstel) [5] als wiederverwertbarem, seiner Bauart wegen hochsensitiven Extraktionsmedium, nicht zuletzt der einfachen Handhabung sowie seiner überragenden Extraktionsleistung wegen, die sich mit der verfügbaren Menge an Sorptionsmaterial begründen lässt, die die hohe Anreicherungskapazität für organische Verbindungen eines bestimmten Polaritätsbereichs erklärt. Zudem habe sich die SBSE bereits bei der Bestimmung einer großen Bandbreite organischer Verbindungen in Lebensmitteln, biologischen Proben und pharmazeutischen Erzeugnissen und eben auch in Wasser bewährt. Die Argumente für die SBSE überzeugten.

Fokus auf die applikativen Details

Die Entwicklung ihrer Methode erfolgte unter Einsatz von mit Referenzstandards angesetzter Lösungen, die Validierung mit realen Wasserproben. Extrahiert (SBSE) wurden die Proben 48 Stunden nach deren Entnahmen aus dem Fluss Sakarya in der Nähe von Kocaeli, einer mit zwei Millionen Menschen bevölkerten Industriestadt in der türkischen Provinz Marmara. Die SBSE wurde mit Polydimethyl­siloxan-beschichteten, thermisch vorbehandelten (konditionierten) Twister-Rührstäbchen (0,5 mm x 20 mm, 47 µL PDMS) durchgeführt; die Extraktion erfolgte, während der Twister die Probe (100 mL) durchmischte (800 U/min). Sie wurden nach zwei Stunden der Probe entnommen, gespült, trockengetupft und zur weiteren automatisierten Analyse in Thermodesorptionsröhrchen aus Glas überführt, die wiederum auf dem verwendeten Autosampler (Gerstel-MPS) platziert wurden. Die Quantifizierung erfolgte mit internen Standards unter Einsatz deuterierter Vergleichssubstanzen (Acenaphthen-d10, Naphthalin-d8, Perylen-d12, Chrysen-d12 und Phenanthren-d10).

So stellte sich, vereinfacht gesagt, der Verlauf der Analyse dar: Der MPS führt die Glasröhrchen der Thermodesorptionseinheit (Gerstel-TDU) zu, dort erfolgt temperaturprogrammiert (40 °C [0,5 min] – 720 °C/min – 300 °C [5 min]) die thermische Extraktion der Analyten aus dem PDMS im Heliumstrom (50 mL/min), mit dem sie zum Kaltaufgabesystem (Gerstel-KAS) des Gaschromatographen (Agilent 7890B) transferiert und cryofokussiert (–20 °C) werden. Die Überführung vom KAS auf die analytische GC-Trennsäule (HP-5 ms UI 30 m X 0,25 mm x 0,25 µm; Gasfluss: 1,7 mL/min) erfolgt mit 12 °C/s bis zum Erreichen einer Endtemperatur von 310 °C; das Splitverhältnis beträgt 20:1. Die Temperatur des GC-Ofens, zu Beginn 50 °C (1 min), wird zunächst mit 40 °C/min auf 170 °C und sodann mit 10 °C/min auf 310 °C (3 min) erhöht. Für die Detektion wird ein Triple-Quadrupol-Massenspektrometer (Agilent 7000D) im Electron-Ionization-Modus (EI) verwendet. Die Temperatur der Ionenquelle beträgt 300 °C (150 °C für beide Quadrupols), die Selektion der Ionen (Acquisition) erfolgt im dynamic Multiple Reaction Monitoring (dMRM).

Was am Ende noch zu sagen übrig bleibt

Was haben Cenli et al. erreicht? Mit ihrer nach ISO 17025 validierten SBSE-TD-GC-MS/MS-Methode bestimmten die Forscher mehr als 100 u.a. 45 der in der EU-WRRL gelisteten Schadstoffe sowie bis nahezu die Hälfte der in der Türkischen Verordnung für das Management der Qualität von Oberflächengewässern (TRMSWQ) aufgeführten Verbindungen (250 Substanzen), was für sich genommen herkömmlicherweise schwierig sei, wie Canli et al. berichten. Die gesamte Analyse, einschließlich Probenvorbereitung (SBSE) und GC-MS/MS-Bestimmung, sei innerhalb von drei Stunden abgeschlossen gewesen. Da die SBSE mehrerer Proben parallel auf einer Rührplatte erfolgt, kann jede Stunde (GC-Laufzeit) eine weitere Probe gemessen werden.

Im Rahmen der Methodenentwicklung haben es die Wissenschaftler auf eine möglichst hinreichend zufriedenstellende Extraktionsausbeute angelegt, und zwar ohne den Einsatz eines organischen Modifiers, wie er bei der zusätzlichen Extraktion enthaltenen Sediments benötigt wird. Dieses Ziel wurde erreicht. Die Bestimmungsgrenzen (LOQs) habe durchweg zwischen 0,12 und 50 ng/L gelegen, womit die Anforderungen an die Bestimmung der genannten Verbindungen und Verbindungsklassen u.a. gemäß der EU-WRRL erfüllt seien, schreiben Canli et al. Qualitätsparameter wie Linearität, Richtigkeit und Präzision waren allesamt zufriedenstellend. Die Präzision habe, und zwar in Bezug auf die relative Standardabweichung (RSD), unter 35% gelegen, durchschnittlich bei 8,5%, die Wiederfindungsraten der einzelnen Substanzen zwischen 60 und 120%. Für alle Analyten nennen die Wissenschaftler einen Determinationskoeffizient größer 0,990.

Literaturtitel:

[1] Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik, Amtsblatt Nr. L 327 vom 22/12/2000 S. 0001 – 0073, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX:
32000L0060

[2] Guido Deußing, Sammler im Wasser,
Laborpraxis 4 (2018) 42-45, https://
www.laborpraxis.vogel.de/umfassende-wasseranalytiksammler-im-wasser-a-
711218/

[3] Oliver Lerch und Jasmin Zboron, Gerührt, nicht geschüttelt, GERSTEL Aktuell 54 (2018) 24-27, http://www.gerstel.de/de/GA54_WRRL.htm

[4] Oltan Canli, Kartal Cetrintük und Elmas Eva Öktem Olgun, Determination of 117 endocrine disrupters (EDCs) in water using SBE TD-HC-MS/MS under the European Water Framework Directive, Analytical and Bioanalytical Chemistry 412 (2020) 5169-5178, https://doi.org/
10.1007/s00216-020-02553-4

[5] Oliver Lerch, Jasmin Zboron, Ken Brady und Juan-Luis Aybar, Highly Sensitive Determination of Contaminants in Surface Water in the Context of the EU Water Framework Directive using Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) and GC-MS/MS, GERSTEL Application Note No. 196 (2018), http://www.gerstel.de/pdf/
AppNote-196.pdf

[6] Guido Deußing, Evolution der Extraktion, Laborpraxis 11 (2019) 60-62

[7] Produktbeschreibung „Gerstel-Twister“, http://www.gerstel.de/de/twister.htm

* *G. Deußing Redaktionsbüro Guido Deußing, 41464 Neuss

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