Weil weltweit zunehmend Wasserknappheit herrscht, gewinnt die Wiederverwendung von Abwasser an Bedeutung. Fortgeschrittene Verfahren wie Ozonung, UV-Bestrahlung und Filtration über biologisch aktivierte Kohle werden häufig eingesetzt, um Mikroschadstoffe und Krankheitserreger zu entfernen, die die konventionelle Kläranlage überstehen. Zwar senken diese Verfahren die Konzentrationen vieler Ausgangsstoffe deutlich, doch Oxidations- und photochemische Reaktionen können Transformationsprodukte erzeugen, deren biologische Eigenschaften von denen der ursprünglichen Verbindungen abweichen. Einige Nebenprodukte können zytotoxisch, genotoxisch oder endokrin wirksam sein; die routinemäßige chemische Überwachung erfasst ihre kombinierten Wirkungen jedoch möglicherweise nicht. Auch einzelne Toxizitätstests reichen nicht aus, um Gemische zu charakterisieren, die unterschiedliche Hormonrezeptoren zugleich aktivieren oder hemmen. Deshalb bedarf es integrierter, wirkungsbasierter Bewertungen über mehrere toxikologische Endpunkte hinweg.
Eine Studie, die im Fachjournal Energy & Environment Nexus erschien und von Mei Mas Team an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurde, zeigt nun, dass konventionelle und fortgeschrittene Behandlungen zwar mehrere östrogen- und schilddrüsenbezogene Effekte verringerten, UV-Bestrahlung und die sogenannte Ozonisierung oder auch Ozonung die antiandrogene Aktivität jedoch unerwartet auf potenziell bedenkliche Werte anhoben.
Die Forschenden untersuchten ein typisches Klärwerk in Tianjin in China sowie zwei pilotskalige Behandlungssysteme. Proben wurden an elf Stellen entnommen, darunter der Zulauf des Klärwerks, die Vorklärung, die A2O-Behandlung, die Nachklärung, die UV-Desinfektion, die Ozonung, die Flockung und die Behandlung mit biologisch aktivierter Kohle. Organische Verbindungen wurden aus den Wasserproben mittels Festphasenextraktion angereichert. Anschließend prüften die Wissenschaftler die Extrakte mit Zwei-Hybrid-Hefetests, die menschliche Rezeptoren für Östrogen alpha, Androgen beziehungsweise Schilddrüsenhormon beta enthielten. So ließen sich sowohl rezeptoraktivierende als auch rezeptorhemmende Wirkungen messen. Die Bioaktivität wurde als äquivalente Konzentration von Referenzchemikalien ausgedrückt; für die androgenrezeptorhemmende Aktivität leiteten die Forschenden einen wirkungsbasierten Schwellenwert von 7,97 Mikrogramm Flutamid-Äquivalenten pro Liter ab.
Die östrogenrezeptoraktivierende Aktivität war vor allem im unbehandelten und vorbehandelten Abwasser ausgeprägt. Sie nahm im Verlauf der Behandlung kontinuierlich ab und lag nach der Nachklärung unterhalb der Nachweisgrenze. Auch die östrogenrezeptorhemmende Aktivität sank von 58,4 Mikrogramm pro Liter im Zulauf auf etwa 7,8 bis 9,2 Mikrogramm pro Liter nach der Behandlung. Die schilddrüsenrezeptorhemmende Aktivität ging im Hauptklärwerk von 0,56 Milligramm pro Liter auf 0,0085 Milligramm pro Liter zurück; in den Pilotanlagen senkten Ozonung sowie Ozonung mit anschließender biologisch aktivierter Kohle diesen Wert weiter. Die Flockung führte jedoch zu einem leichten Anstieg der schilddrüsenrezeptorhemmenden Aktivität. Möglicherweise konkurrierten verbleibende endokrin wirksame Chemikalien bei ihrer Entfernung mit anderen organischen Stoffen.
Besonders besorgniserregend war das Muster beim Androgenrezeptor. Eine aktivierende Wirkung wurde nicht nachgewiesen, doch eine hemmende Wirkung trat entlang der gesamten Behandlungskette auf. Die A2O-Behandlung reduzierte sie deutlich von 156,6 auf 12,4 Mikrogramm Flutamid-Äquivalente pro Liter. Die anschließende UV-Bestrahlung und die Ozonung erhöhten die Aktivität jedoch wieder, sodass die behandelten Abwässer über dem neu abgeleiteten Schwellenwert lagen. Eine biologisch aktivierte Kohlebehandlung nach der Ozonung hob diesen Anstieg nicht vollständig auf. Die Forschenden vermuten, dass unvollständig mineralisierte Transformationsprodukte für die erhöhten Effekte verantwortlich sind, die etwa durch Hydroxylierung, Dealkylierung, Decarboxylierung oder Deaminierung entstehen.
Insgesamt zeigt die Untersuchung, dass die Leistung einer Abwasserbehandlung weder allein anhand der Schadstoffentfernung noch anhand eines einzelnen biologischen Endpunkts beurteilt werden kann. UV-Bestrahlung und Ozonung bleiben wertvoll zur Keimreduktion und zum Abbau von Schadstoffen, doch ihre Betriebsbedingungen und nachgeschalteten Verfahren müssen so optimiert werden, dass gefährliche Transformationsprodukte nicht entstehen oder bestehen bleiben. Eine wirkungsbasierte Überwachung mehrerer Endpunkte könnte Risiken aufdecken, die der konventionellen chemischen Analyse entgehen, und dazu beitragen, Reinigungsleistung und ökologische Sicherheit bei wiederaufbereitetem Wasser besser auszubalancieren.
Originalpublikation:
Maximum Academic Press: „Integrated effect-based analysis of endocrine disruption risks in advanced wastewater treatment: elevated hazards from ozonation and ultraviolet processes“ https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/een-0026-0014
