Arzneimittelrückständen auf der Spur

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1 Arzneimittelrückständen auf der Spur MikroModell, ein Verbundprojekt Peter Krebs Medizin trifft Kläranlage Dresden, 23. April 2018 Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 1

2 Arzneimittelrückständen und Antibiotikarückständen auf der Spur Die Verbundprojekte MikroModell und AntiResist Peter Krebs Medizin trifft Kläranlage Dresden, 23. April 2018 Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 2

3 Die Projekte Transport und Transformation Monitoring Antibiotikaresistenz Stoffflussmodellierung Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 3

4 Die Projekte Transport und Transformation Monitoring Antibiotikaresistenz Stoffflussmodellierung Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 4

5 Ziele Räumlich und zeitlich gut aufgelöste Stoffflussmodellierung unter Verwendung von Verschreibungsdaten zur Einschätzung von Quellen und Pfaden zur Untersuchung der Effizienz verschiedenster Maßnahmen Effektbasierte Bewertung unterschiedlicher Einleitungen und Behandlungsverfahren Ökotox Einfluss der Kläranlage auf Resistenzen Ökonomische Bewertung verschiedener Handlungsoptionen Untersuchungen rechtlicher Ansätze zur Einflussnahme auf Stoffströme Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 5

6 3 Standorte für MikroModell KA Dresden-Kaditz EW (CSB) KA Chemnitz-Heinersdorf EW (CSB) Quelle: PR Stadtentwässerung Dresden GmbH FG: Elbe, MNQ = 106 m³/s Quelle: Fa. Luftbild-Service Büschel, Schlema HELMSOFTWARE (Screenshot: Frederike Borges) FG: Chemnitz, MNQ = 0,67 m³/s KA Plauen EW (CSB) Quelle: Quelle: Alexander Bannier (ZWAV) FG: Weiße Elster, MNQ Gert = 1,8 m³/s Berger Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 6

7 Stofflisten MikroModell 15 Arzneimittel Ibuprofen Diclofenac Paracetamol Naproxen Metoprolol Sulfamethoxazol Eurytromycin Clarithromycin Ciprofloxacin Bezafibrat Gabapentin Carbamazepin Metformin Iomeprol Fluoxetin AntiResist 13 Antibiotika Amoxicillin Cefotaxim Cefuroxim Penicillin V Piperacillin Azithromocin Clarithromycin Roxithromicin Ciprofloxacin Ofloxacin Sulfamethoxazol Trimethropin Doxycillin Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 7

8 Die Projekte Transport und Transformation Monitoring Antibiotikaresistenz Stoffflussmodellierung Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 8

9 Pfade von Pharmazeutika Konsum Ausscheidung Transport in der Kanalisation Elimination in der Kläranlage Fließgewässer Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 9

10 Verschreibungen als Proxi für Konsum von Antibiotika Verschreibungsdaten der AOK PLUS 41% der Versicherten in Dresden Menge in kg/jahr Levo-/Ofloxacin Ciprofloxacin Clindamycin Trimethoprim Sulfamethoxazol Roxithromycin Azithromycin Clarithromycin Cefuroxim Penicillin V Amoxicillin Doxycyclin Oertl et al. (2015) Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 10

11 Ausscheidungsraten einiger Arzneimittel unveränderte Ausscheidung Antibiotika Erythromycin 2,5 4% im Urin 12 25% im Stuhl Clarithromycin 19% im Urin 4,4% im Stuhl Ciprofloxacin 40 50% im Urin Sulfamethoxazol 2 15% im Urin Antidiabetika Metformin 80 90% im Urin und im Stuhl Lipidsenker Bezafibrat 50% im Urin Antiepileptika Carbamazepin 2% im Urin Gabapentin 55 60% im Urin Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 11

12 Jahresfrachten von Pharmazeutika im Mischsystem Pharmazeutika Regen Schmutzwasser 100% < (1 ϕ 0 ) Urbane Oberfläche Mischsystem Abwasserreinigung? < (1 ɛ 0 )? > ɛ 0 (1 η i ) (1 ϕ 0 ) Grundwasser > ϕ 0 Fließgewässer?? ϕ 0 = Jahresentlastungsrate für Schmutzwasser Ɛ 0 = Jahresentlastungsrate für Regenwasser η i = Wirkungsgrad der Kläranlage für Stoff i Pharmaka werden auch unbehandelt in die Gewässer eingeleitet Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 12

13 Eigenschaften von Stoffen gelöst an Partikeln anlagernd abbaubar Abbau z.t. schon im Kanal Kaum im KA Ablauf Ev. in der MW Entlastung Abbauprodukte? In Kanalsedimenten lagernd Teils Abbau teils an Schlamm gebunden Teils Abbau in der Schlammbehandlung nicht abbaubar Bleiben in Lösung Höchste Konzentrationen im Kläranlagenablauf Über die Entlastung mit ϕ 0 (bzw. ɛ 0 ) direkt ins Gewässer In Kanalsedimenten lagernd KA: Im Schlamm nicht im Ablauf Erosion von Partikeln in die Entlastung: mit > ϕ 0 (bzw. > ɛ 0 ) direkt ins Gewässer Abbaubarkeit ist immer ein Vorteil Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 13

14 Wirkungsgrad von Kläranlagen bzgl. Pharmazeutika Literatur Auswertung von 11 Studien sowie von Pilotversuchen 100 % Kläranlage Kläranalge + Ozonung Kläranlage + Aktivkohle 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Phenazon Diclofenac Ibuprofen Naproxen Bezafibrat Clofibrinsäure Gemfibrozil Carbamazepin Primidon Iopamidol Iopromid Diatrizoate Clarithromycin Clindamycin Sulfamethoxazol Trimethoprim Propranolol Metoprolol Atenolol Sotalol Ethinylestradiol Estron Analgetika Lipidsenker Antiepileptika Röntgenkontrastmittel Antibiotika Beta-Blocker Hormone Aber: Metabolite? Marx et al. (2014) Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 14

15 Die Projekte Transport und Transformation Monitoring Antibiotikaresistenz Stoffflussmodellierung Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 15

16 Hitliste von Antibiotikakonzentrationen im Abwasser AOK PLUS ambulante Verordnungen Amoxicillin (82 kg/a, 23 %) Penicillin V (70 kg/a, 19 %) Clindamycin (58 kg/a, 16 %) Abwasser Kanalnetz Clarithromycin3,4 µg/l Amoxicillin 3,2 µg/l Penicillin V 1,5 µg/l Abwasser UKD Chirurgie Cefuroxim 71 µg/l Piperacillin 58 µg/l Levofloxacin 42 µg/l Wohnsiedlung/ Stadtbezirk Uniklinikum Monitoring KA (15 Mon.) Klinikums Apotheke stationäre Verordnungen Piperacillin (2012:161 kg, Chirurgie 44 kg) Cefuroxim (2012:105 kg, Chirurgie 26 kg) Cefotaxim (2012:37 kg, Chirurgie 13 kg) Abwasser KA Ablauf Cefuroxim 0,60 µg/l Clindamycin SO 0,42 µg/l Clarithromycin 0,37 µg/l Faulschlamm Ciprofloxacin 397 µg/kg Levofloxacin 308 µg/kg Roxithromycin 272 µg/kg Sediment Kanalnetz Ciprofloxacin 380 µg/kg Azithromycin 150 µg/kg Doxycyclin 120 µg/kg Abwasser KA Zulauf Cefuroxim 1,59 µg/l Clarithromycin 0,43 µg/l Clindamycin SO 0,42 µg/l Sediment KA Sandfang Ciprofloxacin 803 µg/kg von Schubert et al. (2015) Levofloxacin 348 µg/kg Medizin trifft Kläranlage Doxycyclin 151 µg/kgarzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 16

17 Östrogene Aktivität nach zusätzlichen Verfahren Östrogene Aktivität 10 8 Dresden Chemnitz Plauen NK Ablauf nach Ozon nach Sandfiltration Ablauf nach Ozon nach Sandfiltration Ablauf nach Ozon nach Sandfiltration Jungmann und Schubert (Zwischenpräsentation) Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 17 E-EQ [ng/l], MW SD

18 Die Projekte Transport und Transformation Monitoring Antibiotikaresistenz Stoffflussmodellierung Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 18

19 Analyse von Antibiotikaresistenz WWTP Sample: Probe: Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 19

20 Resistente E. coli absolut Zufluss Neustadt Zufluss Altstadt Ablauf KA Caucci et al. (2015) Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 20

21 Multi Resistenzen für E.coli Isolate Number of resistances Fraction (%) Caucci et al. (2015) Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 21

22 Resistenz Gene im Kläranlagenablauf ,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 Sul1 Sul2 oxa58 ctx-m-32 1,0E+01 1,0E+00 ALT NEU OUT ALT NEU OUT ALT NEU OUT Spring Summer Winter Sind 4. Stufen effizient gegen die Verbreitung von Antibiotikaresistenz? From Caucci et al. (2015) Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 22

23 Die Projekte Transport und Transformation Monitoring Antibiotikaresistenz Stoffflussmodellierung Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 23

24 Frachtbilanzierung Interpolation von Durchflüssen für Qualitätsmessstellen automatisierte Optimierung des Interpolationsverfahrens Frachten aus gemessenen Konzentrationen und gemessenen / interpolierten Durchflüssen Vorhergesagte Fracht [µg/d] mit normierter Standardabweichung Carbamazepin im Einzugsgebiet Chemnitz Sächsische Gewässertage Mikroschadstoffe aus dem Abwassersystem Dresden, Seite 24

25 Stoffflussmodell zeitlich und räumlich hoch aufgelöst Verschreibungen, wöchentlich Konsum Messung von Konzentrationen in der Kanalisation Messung von Konzentrationen im Ablauf der Kläranlage Ausscheidungsrate Transport in der Kanalisation Elimination in den Kläranlagenprozessen Stoffflussmodell Abfluss im Fließgewässer Konzentration im Fließgewässer Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 25

26 Antibiotikakonzentrationen im Fließgewässer Index ( ) Das Risiko ist häufig im Sommer am höchsten, da der Abfluss im Fließgewässer niedrig ist geringe Verdünnung (Marx et al., 2015) Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 26

27 Optionen Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 27

28 Optionen Verschreibungen/Konsum reduzieren Abbaubarkeit von Wirkstoffen verbessern Reserveantibiotika separate Sammlung Technologische Maßnahmen 4. Stufe für Kläranlagen Behandlung von Mischwasserentlastungen Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 28

29 Optionen Verschreibungen/Konsum reduzieren Abbaubarkeit von Wirkstoffen verbessern Reserveantibiotika separate Sammlung Technologische Maßnahmen 4. Stufe für Kläranlagen Behandlung von Mischwasserentlastungen Was können wir tun? Veranstaltungen mit ÄrztInnen und ApothekerInnen Medikamentendesign Abbaubarkeit als wichtiges Kriterium Ökotoxikologische Untersuchungen Metabolite Weitere Verfahrensstufen ganzheitlich bewerten und optimieren inkl. Antibiotikaresistenz Ökonomische Bewertungen und rechtliche Möglichkeiten Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 29

30 Besten Dank für die Aufmerksamkeit Besten Dank an die Förderer: SMUL, DBU, Gelsenwasser AG, Stadtentwässerung Dresden GmbH, eins energie in Sachsen GmbH & Co. KG (Chemnitz), Zweckverband Wasser und Abwasser Vogtland (Plauen) Ambulante Antibiotikaverordnung bei Erwachsenen (15 69 Jahre alt) Versorgungsatlas 2012 Medizin trifft Kläranlage Arzneimittelrückständen auf der Spur Dresden, Seite 30