Comprehensive investigation of the ozonation of pharmaceutical micropollutants
Due to insufficient removal of organic micropollutants in conventional wastewater treatment, ozonation is discussed as additional treatment step to reduce the pollutants’ load. This oxidative process is also applied in drinking water treatment mostly for disinfection. Although research on ozonation has been performed for years, there is still a lack of knowledge because of various occurring transformation mechanisms depending on the pollutants’ structures. However, ozonation of micropollutants has to be understood entirely to evaluate the applicability of this treatment option. Most ozonation research focuses on specific compounds. However, this procedure is not efficient due to the continuously increasing number of applied chemicals. Hence, understanding of ozonation mechanisms of fundamental structures is crucial. Moreover, the joint evaluation of different ozonation characteristics provides deeper insights into the oxidation reactions that would remain hidden considering only separated aspects.
The nucleobases adenine and guanine are the fundamental structures of various antiviral agents, which are regularly detected in the water cycle. Both base on purine, an aromatic, heterocyclic compound consisting of a fused imidazole and pyrimidine moiety. To investigate the ozonation characteristics and check the transferability of gained knowledge, examinations were performed with the three archetypes and the two guanine based antivirals acyclovir and penciclovir. Reaction kinetics and ozone consumption ratios were covered in this study besides the identification of transformation products. As important matrix factors the influences of organic matter and bicarbonate were explored. Generally, reaction rates with ozone increased in the order purine < adenine < guanine. Vice versa the ozone consumption needed for complete degradation decreased pointing to the main ozone attack at a nitrogen moiety in purine, at a carbon moiety in guanine and both sites in adenine. A Hammett correlation of the reaction rates with substituent constants in the pyrimidine moiety showed potential to indicate sites of initial ozone attack. Despite a small number of data points and negligence of structures outside the considered aromatic moiety, our results of the correlation match with conclusions from ozone consumption experiments. Due to the slow reaction kinetics of purine and adenine with ozone, formed carbonate radicals contribute to the degradation of both compounds. Results for guanine and the two examined derivatives were similar indicating that findings are transferable to more complex micropollutants if considering mesomeric and inductive effects of substituents. Cyanuric acid was confirmed as product resulting from the ozonation of purine and adenine. Examination of several purines allowed the compilation of a comprehensive suspect list including analogues to previously described products. Application of this list led to the observation of 49 ozonation products. Additionally, a non-target approach revealed several further potential reaction products. Two prioritisation methods, principal component analysis and overlaps of features of the basic structures, pointed to the importance of product groups containing a 2-imino-5-oxoimidazole structure at neutral and basic pH and a group containing a 4-amino-2,4-imidazolinedione structure or 2,4-diamino-1,3-oxazol-5(2H)-one structure at acidic pH for guanine derivatives. Additionally, during the ozonation of the archetypes one molecule (C4H8O3) was observed at neutral and basic conditions and another one (C3H2N2O3) at neutral and acidic pH. Due to structural complexity, noticeably more products were detected for the examined micropollutants. However, similarities were observed between the products of the structural motif representatives, allowing at least partial transfer of knowledge to related pollutants. Matrix effects on the formation and degradation of products were observed such as promotion or scavenging of hydroxyl radicals or the reaction of carbonate radicals with organic structures. Formed intermediates of organic matter are also suspected to react with analytes or their products.
One drawback of ozonation is the formation of potentially ecotoxic products. The analgetic ibuprofen, which is omnipresent in the aquatic environment and was previously shown to induce toxic effects during ozonation, was chosen as example compound for a new approach combining analytical and ecotoxicological testing to identify toxic transformation products from ozonation experiments. During chemical analysis seven products were confirmed with reference standards, of which two were reported for the first time for ozonation. However, five products previously suggested could be rejected. Ecotoxicity was determined by the model organisms Daphnia magna and Desmodesmus subspicatus during ozonation at acidic and neutral pH. While daphnids were inhibited by the ozonated mixture at pH 3, an increased effect on the growth of green algae was observed at pH 7. Although ecotoxic effects correlated with the formation of several products, assignment to one specific compound was impossible. Thus, the mixture of compounds might be relevant for the observed effect pointing out that evaluation of ecotoxicity during ozonation should always rely on ozonated samples, best in the respective matrix, instead of examining single transformation products. Additionally, the results underline the importance of performing toxicity testing with several model organisms, which could be affected differently, and not just trust in toxicity prediction tools as they were shown to only allow rough estimations and ignore mixture toxicity.
The applied workflow combines investigations of various ozonation characteristics and thus provides information on reaction fundamentals, environmental impacts and the feasibility of ozone treatment with consideration of matrix influences. Checking a micropollutant motif generates knowledge transferable to a wide range of micropollutants. Deeper understanding of effects by different functional groups in organic matter on ozonation and the definition of a test battery for ecotoxicological testing covering multiple aspects such as trophic levels or exposure times can further improve the procedure.Mikroschadstoffe werden teilweise nur unzureichend oder gar nicht in der konventionellen Wasserbe-handlung entfernt. Die Ozonung ist eine Möglichkeit, Schadstoffe zu reduzieren, und wird deshalb für den Einsatz als zusätzliche Reinigungsstufe diskutiert. Obwohl der Prozess seit Jahren erforscht wird, bestehen aufgrund der vielen Reaktionen von organischen Stoffen mit Ozon immer noch Wissens-lücken. Umfassende Untersuchungen sind nötig, um den Reinigungsschritt ausreichend bewerten zu können. Da die Zahl an Schadstoffen immer weiter zunimmt, ist die Untersuchung von einzelnen Sub-stanzen nicht zielführend. Durch das Verständnis der Ozonung von grundlegenden Strukturen können Einblicke für eine ganze Substanzklasse erhalten werden. Die gemeinsame Auswertung verschiedener Charakteristika der Ozonung erlaubt Rückschlüsse, die bei einzelner Betrachtung nicht möglich wären.
Die Purinbasen Adenin und Guanin sind Grundstrukturen verschiedener Virostatika. Purine sind aro-matische Heterozyklen, die aus einer Imidazol- und einer Pyrimidineinheit bestehen. In dieser Studie wurden Ozonungsversuche mit den Grundstrukturen Purin, Adenin und Guanin und den beiden anti-viralen Guaninderivaten Acyclovir und Penciclovir durchgeführt. Dies erlaubt eine Einschätzung der Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf komplexere Moleküle. Hierfür wurden die Reaktionskinetik, Ozonkonsum für den Abbau und Transformationsprodukte betrachtet. Um den Effekt von Matrixbe-standteilen zu verstehen, wurden Versuche mit organischem Material und Bicarbonat durchgeführt. Die Reaktionsgeschwindigkeiten stiegen in der Reihenfolge Purin < Adenine < Guanin an, wohingegen die benötigte Menge an Ozon zum kompletten Abbau abnahm. Dies deutet auf einen hauptsächlichen Angriff des Ozons an Stickstoff in Purin und an Kohlenstoff in Guanin hin. In Adenin sind beide Atome mögliche Angriffspunkte. Korrelation der Reaktionsgeschwindigkeiten zu den Substituentenkonstan-ten an der Pyrimidineinheit (Hammett Korrelation) zeigte Potenzial, Angriffspunkte von Ozon abzu-schätzen. Trotz weniger Datenpunkte und Vernachlässigung von Atomen außerhalb der betrachteten Struktur, decken sich die Ergebnisse mit denen aus den stöchiometrischen Untersuchungen. Wegen der langsamen Reaktion mit Ozon können bei hoher Alkalinität Carbonatradikale zum Abbau von Purin und Adenin beitragen. Da Guanin und die beiden Derivate ähnliche Ergebnisse lieferten, ist anzunehmen, dass das Wissen auf andere verwandte Strukturen übertragen werden kann. Hierbei ist auf mesomere und induktive Effekte von Substituenten zu achten. Das Transformationsprodukt Cyanursäure konnte für die Ozonung von Purin und Adenin bestätigt werden. Da mehrere ähnliche Strukturen betrachtet wurden, war es möglich eine Suspect-Liste zu erstellen, die auch entsprechende Analoga von bekannten Produkten anderer Derivate enthält. Von dieser Liste wurden 49 Substanzen detektiert. Durch einen Non-Target-Ansatz wurden weitere mögliche Produkte gefunden, die mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse und Überschneidungen in den Featurelisten der drei Grundstrukturen priorisiert wurden. Für Guanin und seine Derivate wurden bei neutralem und basischem pH 2-Imino-5-oxoimidazol- und unter sauren Bedingungen 4-Amino-2,4-imidazolinedion- oder 2,4-Diamino-1,3-oxazol-5(2H)-on-Produkte als besonders relevant herausgestellt. Ein Molekül (C4H8O3) wurde bei der Ozonung der drei Grundstrukturen unter neutralen und basischen und ein weiteres (C3H2N2O3) bei neutralen und sauren Bedingungen gemessen. Auch wenn mehr Produkte für die Virostatika als für Guanin gefunden wurden, so waren doch die am meisten gebildeten Produkte identisch oder Analoga voneinander. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse ist also teilweise möglich. Neben dem Einfluss der Matrix als Hydroxylradikalfänger und -promotor wurde auch der Einfluss der Carbonatradikale auf Bildung und Abbau von Produkten beobachtet. Zusätzlich scheinen Intermediate, die bei der Ozonung des organischen Materials entstehen, mit Analyten oder Produkten zu reagieren.
Da die Bildung toxischer Produkte bei der Bewertung von Ozonungsprozessen relevant ist, wird ein Ansatz vorgestellt, der analytische und ökotoxikologische Methoden vereint, um giftige Produkte aus der Menge an gebildeten Substanzen zu identifizieren. Hierfür wurde als Beispielstruktur Ibuprofen verwendet, für welches das Auftreten toxischer Effekte durch Ozonung bereits bekannt war. Die chemische Analyse bestätigte sieben Produkte, von denen zwei zum ersten Mal für die Ozonung beschrieben wurden. Fünf in der Literatur postulierte Produkte wurden abgelehnt. Ökotoxikologische Untersuchungen wurden mit den Modellorganismen Daphnia magna und Desmodesmus subspicatus nach der Ozonung bei saurem und neutralem pH durchgeführt. Die Ozonungslösung bei pH 3 hemmte die Mobilität der Daphnien, während das Algenwachstum durch die Lösung ozoniert bei pH 7 beeinträchtigt wurde, es war aber nicht möglich, den Effekt einem einzelnen Produkt zuzuordnen. Es liegt nahe, dass das Zusammenwirken mehrerer Substanzen für den toxischen Effekt verantwortlich ist. Um Toxizität bei der Oxidation zu untersuchen ist es daher relevant, Versuche mit ozonierten Stoffen, am besten in Realmatrix, durchzuführen anstatt einzelne Produkte zu betrachten. Die unterschiedlichen Effekte bei den Testsystemen unterstreichen die Notwendigkeit der Testung mit verschiedenen Organismen. Zusätzlich ist es ratsam, automatisierte Tools für ökotoxische Effekte nur für eine grobe Abschätzung von Trends zu nutzen, da die Vorhersagen ungenau sind und Mischeffekte nicht beachten.
Die vorgestellten Untersuchungen erlauben in Kombination tiefergehende Einblicke in die Grundlagen der Ozonung, resultierende Umwelteinflüsse und die Anwendbarkeit der Ozonung in der Behandlung von Schadstoffen unter Einbezug der Matrix. Die Betrachtung von Modellsubstanzen ermöglicht Vorhersagen über die Ozonung verwandter Substanzen. Das Vorgehen kann durch detailliertes Verständnis über den Einfluss funktioneller Gruppen des organischen Materials und der Festlegung einer Testbatterie für die ökotoxikologischen Untersuchungen, die verschiedene Aspekte wie trophische Stufen oder unterschiedliche Expositionszeiten abdeckt, weiterentwickelt werden.