Transformation von Iopamidol durch Chlorung Eine neue Herausforderung für die Analytik?

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1 Transformation von opamidol durch hlorung Eine neue Herausforderung für die Analytik? Friedrich Wendel 1, Susan D. Richardson 2, hristian Luetke Eversloh 1,Edward Machek 3, Stephen Duirk 3, Elizabeth Wagner 4, Michael J. Plewa 4 and Thomas A. Ternes 1 1 Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz, D 2 University of South arolina, US 3 University of Akron, US 4 University of llinois, Urbana, US

2 Hohe Gentoxizität von Monohalogenessigsäuren 70 Average Median SGE Tail Moment od- Brom- odoacetic Acid Bromoacetic Acid hloroacetic Acid hlor- od- Brom- hlor Haloacetic Acid µm Monohalogenessigsäuren in µmol Monohalogenessigsäuren in µmol HO Zellen Plewa et al., ES&T. 2004, 38, (18), Menschliche Dünndarmzellen Attene-Ramos et al. ES&T, 2010, 44 (19),

3 odierte Desinfektionsnebenprodukte DNPs Reaktion von HOl mit NOM und odid + - HOl NH 2 l od-dnps NOM

4 odierte Desinfektionsnebenprodukte l H Dichloriodomethan H l O H OH odessigsäure l Br H Bromchloriodmethan Br O OH H Bromiodessigsäure Br H Bromdiiodmethan Br Br odierte THM O H (Z)-3-Brom-3- iodpropensäure odsäuren Br H Dibromiodmethan OH Br l H hlordiiodmethan O H OH (E)-3-Brom-3- iodpropensäure HO O odoform O H 3 H OH (E)-2-od-3- methylbutendioic acid

5 Messung von iodierten THMs und odsäuren Flüssig-Flüssig-Extraktion angesäuerter Proben (ph 2) (100 ml) mittels MTBE (3 ml) Halogenierte Säuren: Derivatisierung mittels Diazomethan Messung mittels G/ED oder G/MS (z.b.: Agilent 7890A+µED) Rxi-5 Säule: 30 m x 250 µm x 0.5 µm

6 Bildung iodierter THM und iodierter Essigsäuren in amerikanischen Trinkwässern trotz niedriger odid-konzentrationen odid in µg/l Summe iodierter Essigsäuren in µg/l Summe iodierterthms in µg/l WW WW 4 < BG WW WW 15 < BG Richardson et al., Environ. Sci. Technol. 2008, 42, BG: 1.0 µg/l

7 odierte Röntgenkontrastmittel Einsatzort: Krankenhäusern und Radiologische Kliniken Einsatzmenge: 200 g/anwendung Unveränderte Ausscheidung: > 90% innerhalb von 24h O O H O H O H 3 O O N H O H O H H 3 N H N H O H O N N H O H H 3 O Diatrizoat O N H O H omeprol O O H H 3 O H N H O N H O H O H opamidol

8 RKM in amerikanischen Wasserwerken µg/l opamidol omeprol opromid ohexol Diatrizoat WW 1 0,01 < BG < BG < BG < BG WW 2 0,51 < BG 0,02 0,12 0,09 WW 4 0,11 < BG < BG 0,05 < BG WW 10 < BG < BG < BG < BG < BG WW 11 0,10 < BG < BG 0,09 < BG WW 12 0,28 < BG < BG 0,12 < BG WW 13 < BG < BG < BG < BG < BG WW 15 2,70 < BG 0,03 < BG < BG WW 17 < BG < BG < BG < BG < BG WW 19 < BG < BG < BG < BG < BG BG: 0,010 µg/l Duirk et al., ES&T. 2011, 45,

9 Gentoxizität von gechlortem Wasser HO ells Genomic DNA Damage as the Average Mean SGE %Tail DNA Value A + opamidol +HOl 60 A +HOl A + opamidol Organic Extracts from Water Samples (oncentration Fold) Duirk et al., Environ. Sci. Technol. 2011, 45,

10 Transformation von fünf Röntgenkontrastmitteln bei der Desinfektion mittels Hypochlorit, lo 2 und NH 2 l Dotierung: 100 µg/l RKM zu Reinstwasser, Trinkwasser und Rheinwasser (ph 6,5-8.5) Zugabe von 1-10 mg/l NaOl, lo 2 und NH 2 l, Regelmäßige Probenahme und Abstoppen mit Thiosulfat Messung mittels L Tandem MS (L Orbitrap Velos, L Tandem MS (AP 5500 Q-trap)) Quelle: Dissertation Friedrich Wendel, Wendel et al., Environ. Sci. Technol. 2014, 42,

11 Kein Abbau iodierter RKMs mit hlordioxid c/c o 100 µg/l RKM, ph 8.5, Milli-Q-Wasser, 5 mg/l lo 2

12 Kein Abbau iodierter RKMs bei der hloraminierung c/c o 100 µg/l RKM, Milli-Q-Wasser, ph 8.5, 5 mg/l NH2 l

13 Abbau iodierter RKM mittels Hypochlorit c/c o 100 µg/l RKM, Milli-Q-Wasser, ph 8.5, 5 mg/l NaOl

14 Offene Fragen des NSF-DFG Kooperationsprojektes Wie sieht der Transformationsweg von opamidol bei der hlorung aus? Welche höhermolekularen iodierten DNPs werden gebildet und wie können diese gemessen werden? Tragen die höhermolekularen iodierten DNPs zur Gentoxizität bei? Warum reagiert nur opamidol?

15 Transformation von fünf Röntgenkontrastmitteln bei der Desinfektion mittels HOl Dotierung: 100 µg/l RKM zu Reinstwasser (ph 6,5-8.5) Zugabe von 5 mg/l HOl, lo 2 und NH 2 l, Regelmäßige Probenahme und Abstoppen mit Thiosulfat Messung mittels L Tandem MS (L Orbitrap Velos, L Tandem MS (AP 5500 Q-trap))

16 Geschwindigkeit des opamidol-abbaus steigt mit zunehmendem ph-wert

17 Geschwindigkeit des opamidol-abbaus steigt mit zunehmendem ph-wert Modellierter Verlauf

18 Aufklärung der Abbauwege Abbauversuche Massenbilanz solierung von DNPs Abbauweg TP Bildung Übertragbarkeit Wasserwerksbedingungen dentifizierung von DNPs Bedeutung Toxizität der DNPs

19 solierung und Bestätigung der chemischen Struktur Abbauversuch Gefriertrocknung Semi-preparative HPL + Fraktionssammler Gefriertrocknung NMR Orbitrap

20 solierung von TPs für NMR und Gewinnung von Standards Herausforderung Ausreichende chromatographische Trennung (PolarRP, 250 x 10 mm, 4µm, Phenomenex) opamidol DNP 705 DNP 778 Nach 1h Reaktionszeit DNP 778 Nach 24h Reaktionszeit DBP 551 DBP 643 DBP 735

21 L-LTQ-Orbitrap Velos (hochauflösende MS) MS n (n max = 10) Lineare onenfalle (MS) on-source ollision nduced Dissociation (D) resonante Anregung Higher energy ollision Dissociation (HD) high low pressure cell Genauigkeit in ppm: 1 ppm: ± Da 100 ppm: ± 0.07 Da Orbitrap Massen- Analysator (MS)

22 MS 2 -Fragmentierung von DNP berechnet: gemessen: -H 2 O m/z

23 MS 3 -Fragmentierung von m/z 614,7769; DNP 705 -H berechnet: gemessen: m/z

24 - 3 H 7 NO - H 2 O MS n -Fragmentierung von DNP H 9 NO H - 3 H 7 NO H 9 NO 2 - H 2 O Quelle: Wendel et al., Environ. Sci. Technol., 2014

25 1 H-NMR von DNP 705 (700 MHz, DMSO) NH 2 ppm 8,4 8,0 7,6 7,2 6,8 6,4 6,0 5,6 5,2 4,8 4,4 4,0 3,6 3,2

26 1 H- 1 H-OSY von DNP 705 (700 MHz, DMSO) A A NH 2 OH OH B ppm 8,4 8,0 7,6 7,2 6,8 6,4 6,0 5,6 5,2 4,8 4,4 4,0 3,6 3,2

27 Transformation von opamidol bei der hlorung TP nversion der Acylamino-Seitenkette 2 - Amidhydrolyse 3 - Abspaltung einer arboxamid-seitenkette 4 - Abspaltung der Acylamino-Seitenkette 5 - Oxidation von -NH 2 zu -NO 2 Quelle: Wendel et al., Environ. Sci. Technol., 2014

28 Toxizität der höhermolekularen isolierten DNPs Zelldichte (% der Negativkontrolle) Bei hohen Konzentrationen zytotoxisch Keine messbare Gentoxizität DNP-Konzentration / µm Quelle: Wendel et al., Environ. Sci. Technol. Letters, in preparation

29 Abbau von opamidol bei der hlorung von Rheinwasser opamidol

30 Abbau von opamidol bei hlorung von Rheinwasser 1 µmol/l opamidol, ph 8.5, 3 mg/l NaOl, 20 min, Rheinwasser (2 mg/l DO) 1 µmol/l opamidol, ph 8.5, 12 mg/l NaOl, 20 min, Rheinwasser (2 mg/l DO) DNP 705, 777, odid

31 Analytische Herausforderung - Massenbilanz DNP 705, 778, 735, 643, 551 wurden mittels HPL isoliert, sodass sie mittels L-Tandem MS (z.b. AP 5500) quantifiziert werden können. DNP 777, 661, 569, 477, 613, 521 liegen nicht in isolierter Form vor, sodass sie lediglich über L-P/MS erfassbar sind. A) HPL-Säule Hydro-RP (250 mm x 3 mm, 4 µm) + - ES-MS P-MS Quelle: Redeker et al., Environ. Sci. Technol., Peak - Erkennung B) Quantifizierung von odid und iodierten DNPs P-MS

32 Ausblick: Reaktion von mikrobiellen opamidol-tps mit Hypochlorit Komos et al., Environ. Sci. Technol

33 Schlussfolgerungen opamidol wird als einziges iodiertes RKM durch Hypochlorit transformiert. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt von ph 6,5 bis 8,5 an, sodass die «erste» Reaktion über den Angriff von Ol - erfolgt. Bei der Reaktion von opamidol mit Hypochlorit wird eine größere Anzahl an höhermolekularen DNPs gebildet, wobei odid über einen hlor-od-austausch freigesetzt wird. Die gebildeten höhermolekularen DNPs zeigten keine Gentoxizität und nur eine geringe Zytotoxizität, allerdings kann das freigesetzte odid mit TO zu iodierten niedermolekularen DNPs wie iodierten THM, Säuren oder Acetonitrilen reagieren, die zum Großteil gentoxisch sind. Die Bedeutung der opamidol DNPs ist gering: a) sie entstehen erst bei höheren Hypochlorit/TO-Verhältnissen und b) bei lo 2 entstehen keine DNPs. Allerdings ist zu beachten, dass auch einige biologische Transformationsprodukte mit Hypochlorit unter odidfreisetzung reagieren.

34 Dank an das Team! Friedrich Wendel hristian Luetke Eversloh Michael Plewa Elisabeth Wagner Susan Richardson Steve Duirk Edward Machek

35 Dank an die DFG und die NSF Danke für die Aufmerksamkeit