Beyond pollutant removal - understanding the biochemical mechanism of sulfonamide degradation in wastewater and the contribution of ipso-substitution.
Final Report Abstract
Das Ziel des vorliegenden Projektes war es, die Abbauleistung von kommunalen Kläranlagen in Deutschland und der Schweiz hinsichtlich der Stressbelastung in Oberflächengewässern von Sulfonamidantibiotika zu erarbeiten. Diese Klasse der Antibiotika gehört zu den am meist angewendeten Stoffgruppen in der Human- und Veterinärmedizin. Der prominenteste und persistente Vertreter, Sulfamethoxazol, wird ubiquitär in Oberflächen und auch Grundwasser nachgewiesen. In einem Vorläuferprojekt wurde unter Laborbedingungen die ipso-Substitution als ein Hauptabbauweg für Sulfonamide vorgeschlagen. In diesem Projekt wurden nun fünf Kläranlagen über insgesamt 1,5 Jahre beprobt und auf insgesamt 21 Sulfonamide und Sulfonamidemetaboliten untersucht, um Rückschlüsse auf die Transformationswege und verantwortlichen Bakterienspezies zu ziehen. Eine systematische Suche nach Metaboliten und Transformationswegen wurde in dieser Form zum ersten Mal durchgeführt. Die erwarteten Metaboliten konnten nicht im Ablauf der Kläranlagen detektiert werden. Dies ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass die Metaboliten selbst gut biologisch abbaubar sind, was im Projekt gezeigt werden konnte. Insgesamt konnten vier Transformationswege für Sulfonamide beobachtet werden, wobei Hydrolyse und ipso- Substitution anhand der gemessenen Metaboliten nicht unterschieden werden konnten. Allerdings konnte durch einen Vergleich des Abbaus von Sulfamethoxazol und dem strukturähnlichen 4-OH-Sulfamethoxazol (substituiert in der para-Stellung), dass bei letzterem die Transformation in die Metaboliten signifikant schneller stattfindet. Daraus kann geschlossen werden, dass es sich durch den der OH Gruppe zuzurechnenden elektronengebenden Resonanzeffekt um eine ipso-Substitution handelt. Die Abbautests im Labor zeigen, dass die stöchiometrischen Massenbilanzen durch die entstehenden Metaboliten fast vollständig geschlossen werden konnten. Im Kontext der biologisch gesteuerten Transformationswege ergibt sich die Frage, ob im bakteriellen Konsortium Spezialisten oder Generalisten über Ko-metabolismus den Abbau steuern. Korrelationen mit den Zulaufkonzentrationen und Makrosubstraten ergeben zwar keinen eindeutigen Zusammenhang, deuten aber auf einen ko-metabolischen Abbau hin. Dies ist auch hinsichtlich der Abbauleistungen der fünf Kläranlagen plausibel. Letztendlich konnte auch gezeigt werden, dass - mit einer Ausnahme von Acetyl-sulfamethoxazol - Metaboliten aus Sulfonamidabbau für die Gewässerqualität im Sinne einer Schadstoffbelastung keine Rolle spielen. Im Gegensatz dazu bleiben die Muttersubstanzen aus ökotoxikologischer Sicht und für die aktuelle Diskussion um die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen in Gewässern relevant, darunter vor allem Sulfamethoxazol, Sulfapyridin und Sulfasalazin, die die Klärwerke im mittleren bis hohen ng/L Bereich verlassen.
Publications
- Complete Genome Sequence of Achromobacter denitrificans PR1. Genome Announcements
Ana C. Reis, Kevin Kroll, Margarita Gomila, Boris A. Kolvenbach, Philippe F.X. Corvini, Olga C. Nunes
(See online at https://doi.org/10.1128/genomeA.00762-17) - Discovering the mechanism of sulfonamide biodegradation in wastewater treatment plants, in situ and on a molecular level. Joint annual meeting 2017 of the SSM, SSI, SSHH, SSTMP, SSTTM, 30 August to 1 September, 2017, Basel, Switzerland
Kevin Kroll, Alexander Timm, Rafael Peschke, Marius Majewsky, Hans-Peter E. Kohler, Boris A. Kolvenbach, Philippe F.X. Corvini
- Microbial sulfonamide degradation: further insights into the metabolic pathway and implications for wastewater treatment. FEMS 2017 - 7th Congress of European Microbiologists, 9-13 July 2017, Valencia, Spain
Ana C. Reis, Monika Čvančarová, Kevin Kroll, Boris A. Kolvenbach, Alexander Timm, Rafael Peschke, Marius Majewsky, Hans-Peter E. Kohler, Philippe F.X. Corvini, Olga C. Nunes
