Abteilung Umweltchemie

CyanO3: Cyano-Metaboliten von der Quelle zum Trinkwasser

Graphik: Valentin Rougé, Eawag
Vorkommen von Cyanopeptiden und deren Verhalten in der Trinkwasseraufbereitung

Blüten von Cyanobakterien (auch Blaualgen genannt) kommen in Gewässern auf der ganzen Welt vor und produzieren bekannte Giftstoffe. Microcystine sind eine Klasse von Metaboliten der Cyanopeptide, die intensiv erforscht sind. Hier reichte die Datenlage über Umweltkonzentrationen und Toxizität aus, um Microcystine als Giftstoffe in die Wasserrahmenrichtlinien der Weltgesundheitsorganisation aufzunehmen. Obwohl Cyanobakterien eine Vielzahl von Sekundärmetaboliten produzieren, sind die potenziellen Risiken der meisten Metaboliten kaum erforscht. Hier stellt sich die Frage, ob diese anderen Cyanopeptide und Metaboliten auch ein Risiko für Mensch und Umwelt darstellen können.

In der Zusammenarbeit mit der Wasserversorgung Zürich stellen wir die Frage, ob diese Giftstoffe und andere Metaboliten der Cyanobakterien, die im See produziert werden, in der Trinkwasseraufbereitungsanlage ankommen und ob die Wasserbehandlung diese Substanzen ausreichend entfernen kann. Wir konzentrieren uns auf folgende Aspekte:

  • Untersuchung saisonaler Cyanopeptidprofile im Seewasser und in Zulauf zur Trinkwasseraufbereitungsanlage
  • Erfassen des Abbaus von Cyanopeptiden während der Wasseraufbereitung
  • Bestimmung von Geschwindigkeitskonstanten 2. Ordnung für die Reaktionen von Cyanopaptiden Ozon in einem neuartigen Multitarget-Verfahren
  • Bewertung der potenziellen Toxizität von Transformationsprodukten

Die Ozonung wird in der Schweiz häufig als wirksame Barriere gegen Mikroben, Geschmacks- und Geruchsstoffe sowie Schadstoffe zugesetzt. Ozon kann auch bekannte Cyanotoxine wie Microcystine abbauen und wird daher auch in Aufbereitungsanlagen eingesetzt, die von Cyanobakterienblüten betroffen sind. Über die Wirksamkeit von Ozon gegenüber anderen Cyanopeptiden und Metaboliten ist jedoch wenig bekannt. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Wissenslücken bezüglich Reaktivität, Abbauwegen, und Entwicklung der cyanopetide-bedingten Toxizität während der Ozonung zu schliessen. Wenn wir diese drei Aspekte besser verstehen, ist es möglich, den Abbau der Metaboliten in der Wasserausbereitung vorherzusagen und potentielle Risiken abzuschätzen.

Publikationen

Reactivity of cyanobacteria metabolites with ozone: multicompound competition kinetics

Cyanobacterial blooms occur at increasing frequency and intensity, notably in freshwater. This leads to the introduction of complex mixtures of their products, i.e., cyano-metabolites, to drinking water treatment plants. To assess the fate of cyano-metabolite mixtures during ozonation, a novel multicompound ozone (O3) competition kinetics method was developed. Sixteen competitors with known second-order rate constants for their reaction with O3 ranging between 1 and 108 M–1 s–1 were applied to cover a wide range of the O3 reactivity. The apparent second-order rate constants (kapp,O3) at pH 7 were simultaneously determined for 31 cyano-metabolites. kapp,O3 for olefin- and phenol-containing cyano-metabolites were consistent with their expected reactivity (0.4–1.7 × 106 M–1 s–1) while kapp,O3 for tryptophan- and thioether-containing cyano-metabolites were significantly higher than expected (3.4–7.3 × 107 M–1 s–1). Cyano-metabolites containing these moieties are predicted to be well abated during ozonation. For cyano-metabolites containing heterocycles, kapp,O3 varied from <102 to 5.0 × 103 M–1 s–1, giving first insights into the O3 reactivity of this class of compounds. Due to lower O3 reactivities, heterocycle- and aliphatic amine-containing cyano-metabolites may be only partially degraded by a direct O3 reaction near circumneutral pH. Hydroxyl radicals, which are formed during ozonation, may be more important for their abatement. This novel multicompound kinetic method allows a high-throughput screening of ozonation kinetics.
Rougé, V.; von Gunten, U.; Janssen, E. M. L. (2024) Reactivity of cyanobacteria metabolites with ozone: multicompound competition kinetics, Environmental Science and Technology, 58(26), 11802-11811, doi:10.1021/acs.est.4c02242, Institutional Repository