Fate of the antibiotic sulfadiazine in Yangtze River sediments : transformation, sorption and transport

Meng, Nan; Klumpp, Erwin

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-38047

Fate of the antibiotic sulfadiazine in Yangtze River sediments : transformation, sorption and transport = Das Schicksal des Antibiotikums Sulfadiazin in Sedimenten des Yagtze Flusses : Umwandlung, Sorption und Transport

Meng, Nan

2010 & 2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nan Meng

ImpressumJülich : Forschungszentrum, Zentralbibliothek 2010

UmfangXII, 111 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-736-8

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 120

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Druckausgabe: 2010. - Onlineausgabe: 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Klumpp, Erwin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-10-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38047
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/65409/files/3804.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Jangtsekiang (Genormte SW) ; Sediment (Genormte SW) ; Transformation (Genormte SW) ; Sorption (Genormte SW) ; Transport (Genormte SW) ; Sulfadiazin (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Yangtze (frei) ; antibiotic Sulfadiazine (frei) ; Yangtze River (frei) ; sediments (frei) ; transformation (frei) ; sorption (frei) ; transport (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Sulfadiazin [4-Amino-N-(2-Pyrimidinyl)Benzolsulfonamid] (SDZ) gehört zu den weit verbreiteten antibiotisch wirkenden Tierarzneimitteln. Nachdem sie von den Tieren ausgeschieden worden sind, werden diese Substanzen und ihre Umwandlungsprodukte durch den Einsatz von Gülle und Klärschlamm als Dünger in landwirtschaftlichen Böden und den angrenzenden Umweltkompartimenten freigesetzt. Für die Beurteilung ihrer Umweltrisiken sind Kenntnisse über das Schicksal von Antibiotika im Sediment und Boden entscheidend. Vor allem in China ist das Verhalten von Antibiotika im Flusswasser und Sediment noch wenig bekannt. Daher wurden Laboruntersuchungen einschließlich Batch- und Säulenversuchen durchgeführt, um die Umwandlung, Sorption und das Transportverhalten von SDZ in Yangtze Sedimenten und deren Komponenten, wie Mineralien (Goethit, Illit, SiO2, Al2O3) und organischem Material, zu untersuchen. Nur in dem SDZ-Goethit-System wurden unter Lichtausschluss drei abiotische Umwandlungsprodukte detektiert. Bei allen Produkten wurde eine SO2-Verdrängung aus dem SDZ Molekül gefunden. Eines dieser Produkte war ein neues unbekanntes Umwandlungsprodukt, und die beiden anderen wurden durch Massenspektrometrie als 4-(2-Iminopyrimidin-1(2H)-yl)Anilin und p-(Pyrimidin-2-yl)Aminoanilin identifiziert. Ein Ligandenaustausch-Mechanismus wurde für die Oberflächen-Wechselwirkung zwischen SDZ und Goethit angenommen. Ein möglicher Umwandlungsweg wurde auf der Basis einer einzähnigen Inner-Sphere-Komplexierung und einer intramolekularen SN-Reaktion vorgeschlagen. Kinetische Sorptionsdaten konnten gut mit einer Kinetik erster Ordnung beschrieben werden. Eine Kontaktzeit von zwei Tagen wurde gewählt, um den Abbau von SDZ bei den Sorptionsexperimenten zu vermeiden. Fast alle in dieser Studie ermittelten Adsorptionsisothermen waren nichtlinear und konnten am besten durch eine Adsorptionssiotherme nach Freundlich beschrieben werde. Als bestimmende Faktoren für die SDZ Sorption an Mineralien wurde die Größe der Mineraloberfläche und der pH-Wert der Suspension identifiziert. Darüber hinaus spielt die organische Materie eine wichtige Rolle bei SDZ Sorption an Sedimenten. Eine reversible Sorption wurde für Mineralien beobachtet (Al2O3 und Illit), während sich an den meisten Sedimenten Desorptions-Hysterese ereignete. Es wurde angenommen, dass die Desorption startete bevor die Adsorption abgeschlossen war (nicht-Gleichgewichts-Bedingungen) und die Desorption von SDZ aus dem Sorptionsmittel langsam war. Die Verteilungskoeffizienten (Kd) für die Sorption von SDZ auf den Sedimente waren niedrig (zwischen 0,3 bis 1,1 L kg-1), was bedeutet, dass SDZ in den Sedimenten sehr mobil ist. Das Raten-limitierte Sorptionsmodell (RLS) wurde erfolgreich zur Beschreibung der Sorptionsdaten in dieser Studie benutzt. Die Ergebnisse der Modellierung zeigen, dass die Adsorptions- und Desorptionsraten die dominierenden Faktoren der Hysterese von SDZ auf Sedimenten sind. Im Allgemeinen wird die Versuchsanordnung, kombiniert mit der Modellierung, wie sie hier vorgestellt wird, empfohlen, um Adsorptions- und Desorptionsuntersuchungen mit instabilen Chemikalien wie Antibiotika in terrestrischen Systemen durchzuführen. Der Transport von SDZ wurde in Sedimentsäulen mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten und Eingabekonzentrationen untersucht. Es wurde nur eine schwache Retardierung gefunden, was in Übereinstimmung mit den geringen Sorptionsmengen und den niedrigen Kd-Werten in den Batch-Experimenten ist. Die Säulendaten wurden erfolgreich mit der „Gleichgewichts-Konvektions-Dispersions- Gleichung“ (CDE) modelliert. Die Verzögerungsfaktor R, der sich mit diesem Modell ergibt, war etwa 50% niedriger als der, der aus den Kd-Werten der Batch-Experimenten ermittelt wurde. Ein Grund dafür ist der Verlust an aktiven Sorptionsplätzen durch die Freisetzung von Kolloiden, wie gelösten organischen Stoffen und Mineralien, während der Konditionierung der Sedimentsäule. Dies ist eine wichtige Erkenntnis im Hinblick auf eine neue Empfehlung für Transportexperimente mit Sedimenten.

Sulfadiazine [4-amino-N-(2-pyrimidinyl) benzene sulfonamide] (SDZ) belongs to the widely used antibiotic veterinary pharmaceuticals. After excretion by animals, these substances and their transformation products are released into agricultural soils and adjacent environmental compartments through the use of manure and sludge as fertilizer. Knowledge of the fate of antibiotics in sediment and soil is crucial for assessing their environmental risk. Especially in China, the behavior of antibiotics in river water and sediment is still poorly known. Therefore, laboratory studies including batch and column experiments were performed to investigate the transformation, sorption and transport behavior of SDZ in Yangtze sediments and their components, such as minerals (goethite, illite, SiO2, Al2O3) and organic matter. Three abiotic transformation products were only detected in the SDZ-goethite system under the exclusion of light. All these products were found to be SO2 extrusion from SDZ. One of these products was a new unknown transformation product, and the other two were identified by mass spectrometry as 4-(2-iminopyrimidin-1(2H)-yl)aniline and p-(pyrimidin-2-yl)aminoaniline. A ligand exchange mechanism was assumed for the surface interaction between SDZ and goethite. A possible transformation pathway was proposed on the basis of monodentate inner-sphere complexation and an intramolecular SN reaction. Sorption kinetic data were fitted well by first order kinetics. Two days contact time was chosen to avoid degradation of SDZ in sorption experiments. Nearly all the adsorption isotherms determined in this study were nonlinear and could be best described by the Freundlich adsorption isotherm. Surface area and pH were found to be the dominant factors for SDZ sorption on minerals. Additionally, organic matter plays an important role in SDZ sorption on sediments. Reversible sorption was observed for minerals (Al2O3 and illite) and desorption hysteresis occurred on most sediments. It was assumed that desorption was started before adsorption had been completed (non-equilibrium conditions) and slow desorption of SDZ from the sorbents. Sorption distribution coefficients (Kd) for SDZ on sediments were low (ranging from 0.3 to 1.1 L kg-1), which indicates that SDZ would be highly mobile in sediments. The rate-limited sorption (RLS) model was successfully used to describe sorption data in this study. The modeling results suggested that the adsorption and desorption rates are the dominant factors for hysteresis of SDZ on sediments. In general, this experimental procedure combined with the modeling presented here is recommended for adsorption/desorption studies of unstable chemicals like antibiotics in terrestrial systems. Transport of SDZ was investigated in sediment columns with varying flow rates and input concentrations. Only weak retardation was found, which is in agreement with the low sorption amounts and low Kd values in batch experiments. Column data were modeled successfully by the equilibrium convective dispersion equation (CDE). The retardation factor R obtained from this model was about 50% lower than that calculated from the Kd values of batch experiments. One reason is the loss of active sorption sites due to the release of colloids such as dissolved organic matter and minerals during conditioning of the sediment column. This is an important finding with respect to a new recommendation for transport experiments with sediments.

Fulltext:
PDF