Development of new methods for non-target
analysis to prioritize specific organic
micropollutants and their sources in the
aquatic environment
- In order to support both the provision of clean drinking water and the preservation of biodiversity in aquatic ecosystems, a comprehensive scientific understanding of the identity, concentration, and behavior of anthropogenic pollutants in the aquatic environment is essential. Organic micropollutants constitute a large group of anthropogenic pollutants and originate from all areas of daily human life: pharmaceuticals are part of the daily routine for many people, pesticides are crucial for food production, and organic chemicals are used in the industrial production of paper, plastics, paints, and many other products. These micropollutants enter the water cycle, either in their parent form or as transformation products, where they can lead to potentially harmful effects. In addition to target methods, non-target approaches have beenIn order to support both the provision of clean drinking water and the preservation of biodiversity in aquatic ecosystems, a comprehensive scientific understanding of the identity, concentration, and behavior of anthropogenic pollutants in the aquatic environment is essential. Organic micropollutants constitute a large group of anthropogenic pollutants and originate from all areas of daily human life: pharmaceuticals are part of the daily routine for many people, pesticides are crucial for food production, and organic chemicals are used in the industrial production of paper, plastics, paints, and many other products. These micropollutants enter the water cycle, either in their parent form or as transformation products, where they can lead to potentially harmful effects. In addition to target methods, non-target approaches have been established as powerful tools for comprehensively investigating these compounds in the water cycle. Beyond the analytical challenges of instrumentally detecting these compounds, the prioritization and evaluation of the large datasets generated by non-target pose both chemical and data science challenges, forming the overarching theme of this work.
The work comprises three studies demonstrating the development and application of non-target screening (NTS) methodologies. In an NTS using high-performance liquid chromatography (HPLC) coupled with high-resolution mass spectrometry (QTOF-MS/MS), 112 samples from the river Nidda and seven of its tributaries were analyzed. On average, approximately 2700 signals, or features, were detected per sample. To filter these extensive data and prioritize unknown compounds, a method was first developed to reliably assign adducts, isotopologues, source fragments and other ionization products to a common component based on retention time and peak shape. In the next step, the prioritization of unknown compounds was achieved by highlighting features that were detected specifically at individual sites under investigation, but which were not typically considered to originate from municipal wastewater. This was accomplished by comparing the data from the Nidda river system with NTS data from municipal wastewater treatment plant effluents. Only the highlighted, Nidda-specific features were considered further. As a result, an average data prioritization of 7% across all samples was achieved, leading to the identification of nine compounds. Among these were the industrial compound Nylostab S-EED™, which had not been previously observed in the environment and three algal toxins, whose occurrence resulted from the algal bloom of a nearby water body.
In the second study, investigations focused on permanently cationic compounds in suspended particulate matter samples from the rivers Rhine and Saar. The data prioritization was based on the specific physicochemical properties of this substance group. Following extraction, a two-step procedure was applied, relying on interactions with strong ion exchangers and chromatography using deuterated solvents. This resulted in 5% of the detected NTS signals being labeled as potentially cationic compounds. Based on this, 22 compounds were identified, four of which were previously unknown. Trend analyses covering the period from 2005/2006 to 2018, along with an assessment of the ecotoxicological risks based on semi-quantitatively determined concentrations, suggest that identified compounds such as Basic Yellow 28 and Fluorescent Brightener 363 may have a high ecotoxicological relevance.
The third study focused on the analysis of samples from disconnected, inter-regional river systems. In collaboration with the local environmental authorities, a three-year study was conducted, analyzing 524 samples from 79 sites along rivers across Saxony. For this purpose, a method was developed that allowed for the characterization of sites based on five categories, considering both known and unknown compounds to assess their chemical contamination. The results were classified by calculating the modified z-scores within each category. The method was validated based on the results of target analysis in the same samples. As a result of the study, 13 sites were classified as anomalous due to high z-scores, as elevated levels of pharmaceuticals, industrial chemicals but also unclassified unknown compounds were detected. At two potentially industrially contaminated sites, the Münzbach and Dorfbach Oberschindmaas, nine compounds were identified and their concentrations were estimated using a 1-point calibration. For the compound hexa(methoxymethyl)melamine, a concentration in the range of 300 µg/L was determined, suggesting a considerable risk for the environment (risk quotient: 5.6).…


- Um sowohl die Versorgung mit sauberem Trinkwasser als auch die Förderung der Biodiversität aquatischer Lebensräume zu gewährleisten, ist u. a. eine fundierte Kenntnis über die Identität, Konzentration und das Verhalten anthropogener Schadstoffe in aquatischen Ökosystemen erforderlich. Organische Mikroschadstoffe stellen hierbei eine große Gruppe anthropogener Stressoren dar und stammen aus allen Bereichen des menschlichen Lebens: Medikamente gehören für viele Menschen zur täglichen Routine, Pestizide dienen der Nahrungs-mittelversorgung und organische Chemikalien finden in der Industrie Anwendung bei der Herstellung von Papier, Kunststoffen und vielen weiteren Produkten. Gemein ist allen, dass sie und ihre Abbauprodukte als Mikroverunreinigungen in den Wasserkreislauf gelangen und dort potenziell schädliche Auswirkungen haben können.Um sowohl die Versorgung mit sauberem Trinkwasser als auch die Förderung der Biodiversität aquatischer Lebensräume zu gewährleisten, ist u. a. eine fundierte Kenntnis über die Identität, Konzentration und das Verhalten anthropogener Schadstoffe in aquatischen Ökosystemen erforderlich. Organische Mikroschadstoffe stellen hierbei eine große Gruppe anthropogener Stressoren dar und stammen aus allen Bereichen des menschlichen Lebens: Medikamente gehören für viele Menschen zur täglichen Routine, Pestizide dienen der Nahrungs-mittelversorgung und organische Chemikalien finden in der Industrie Anwendung bei der Herstellung von Papier, Kunststoffen und vielen weiteren Produkten. Gemein ist allen, dass sie und ihre Abbauprodukte als Mikroverunreinigungen in den Wasserkreislauf gelangen und dort potenziell schädliche Auswirkungen haben können. Neben den Target-Methoden hat sich die Non-Target-Analytik als eine leistungsfähige Methode zur Untersuchung dieser Verbindungen im Wasserkreislauf etabliert. Zusätzlich zu den analytischen Herausforderungen werden durch non-Target große Datenmengen generiert, deren Priorisierung und Auswertung sowohl eine chemische als auch datenwissenschaftliche Herausforderung darstellen und das übergreifende Thema der vorliegenden Arbeit bilden.
Diese Arbeit umfasst drei Studien, die die Entwicklung und Anwendung von Non-Target-Screening-Methoden (NTS) demonstrieren. Im Rahmen eines NTS unter Einsatz der Hochleistungs-flüssigkeitschromatographie (HPLC), gekoppelt mit hochauflösender Massenspektrometrie (QTOF-MS/MS) wurden 112 Stichproben aus der Nidda und sieben ihrer Nebenflüsse analysiert. Im Durchschnitt wurden pro Probe etwa 2700 Signale, bzw. Features detektiert. Um diesen umfangreichen Datensatz zunächst zu filtern wurde eine Methode entwickelt, die eine zuverlässige Zuordnung von Addukten, Isotopologen, Quellfragmenten und anderen Ionisierungsprodukten auf der Grundlage von Retentionszeit und Peakform zu einer gemeinsamen Komponente ermöglicht. Im nächsten Schritt erfolgte die Priorisierung unbekannter Verbindungen, indem Features hervorgehoben wurden, die spezifisch an einzelnen Standorten detektiert wurden, jedoch nicht als typische Bestandteile kommunaler Abwässer gelten. Dies wurde unter anderem durch den Vergleich von NTS-Daten aus dem Flusssystem der Nidda mit Daten von Abläufen kommunaler Kläranlagen erreicht. Ausschließlich die priorisierten, Nidda-spezifischen Features wurden weiter berücksichtigt.
Dadurch konnte eine mittlere Datenpriorisierung von 7% für alle Proben erzielt und im Folgenden neun Verbindungen identifiziert werden. Darunter befand sich die bisher in der Umwelt nicht beschriebene Industrieverbindung Nylostab S-EED™ sowie drei Algentoxine, deren Vorkommen aus der Algenblüte eines nahen Gewässers resultiert.
In einer zweiten Studie wurde die Untersuchung permanent kationischer Verbindungen in Schwebstoffproben des Rheins und der Saar fokussiert. Die Priorisierung der Daten basierte hierbei auf den spezifischen physiko-chemischen Eigenschaften dieser Substanzgruppe. Nach der Extraktion wurde ein zweistufiges Verfahren entwickelt, das auf Wechselwirkungen mit starken Ionenaustauschern und der Chromatographie mit deuterierten Laufmitteln beruht. Dies führte dazu, dass 5% der NTS-Signale potenziell kationischen Verbindungen zugeordnet wurden. Auf dieser Basis wurden 22 Verbindungen identifiziert, davon vier bisher nicht dokumentierte. Trendanalysen für den Zeitraum von 2005/2006 bis 2018 und eine Abschätzung der ökotoxikologischen Risiken, basierend auf semi-quantitativ ermittelten Konzentrationen, deuteten darauf hin, dass die bisher nicht beschriebenen Verbindungen Basic Yellow 28 und Fluorescent Brightener 363 eine hohe ökotoxikologische Relevanz aufweisen könnten.
Im Rahmen der dritten Studie erfolgte die Analyse von Proben inter-regionaler, nicht miteinander verbundener Gewässersysteme. In Zusammenarbeit mit lokalen Umweltbehörden wurde eine dreijährige Studie durchgeführt, bei der 524 Proben von 79 Standorten an Fließgewässern in ganz Sachsen untersucht wurden. Zu diesem Zweck wurde eine Methode entwickelt, die es ermöglichte, Standorte anhand von fünf Kategorien zu charakterisieren, die sowohl bekannte als auch unbekannte Verbindungen berücksichtigen, um ihre chemische Belastung zu bewerten. Die Einordnung der Ergebnisse erfolgte durch Berechnung der modifizierten z-Scores innerhalb jeder Kategorie. Die Methode wurde anhand der Ergebnisse einer Target-Analytik in denselben Proben validiert. Im Rahmen der Studie wurden 13 Standorte als anormal eingestuft, da hier erhöhte Belastungen durch Pharmazeutika, Industriestoffe, aber auch unbekannte Verbindungen nachgewiesen wurden. An zwei Standorten, die potenziell durch industrielle Einleitungen belastet waren, dem Münzbach und dem Dorfbach Oberschindmaas, konnten neun Verbindungen identifiziert und ihre Konzentrationen durch eine 1-Punkt-Kalibrierung abgeschätzt werden. Für die Verbindung Hexa(methoxymethyl)melamin wurde eine Konzentration im Bereich von 300 µg/L ermittelt, was auf ein erhebliches Risiko für die Umwelt hindeutet (Risikowert: 5.6).…

