Conventional wastewater treatment plants (WWTPs) have a limited capacity to eliminate micropollutants. One option to improve this is tertiary treatment. Accordingly, the WWTP Eriskirch at the German river Schussen has been upgraded with different combinations of ozonation, sand, and granulated activated carbon filtration. In this study, the removal of endocrine and genotoxic effects in vitro and reproductive toxicity in vivo was assessed in a 2-year long-term monitoring. All experiments were performed with aqueous and solid-phase extracted water samples. Untreated wastewater affected several endocrine endpoints in reporter gene assays. The conventional treatment removed the estrogenic and androgenic activity by 77 and 95 %, respectively. Nevertheless, high anti-estrogenic activities and reproductive toxicity persisted. All advanced treatment technologies further reduced the estrogenic activities by additional 69-86 % compared to conventional treatment, resulting in a complete removal of up to 97 %. In the Ames assay, we detected an ozone-induced mutagenicity, which was removed by subsequent filtration. This demonstrates that a post treatment to ozonation is needed to minimize toxic oxidative transformation products. In the reproduction test with the mudsnail Potamopyrgus antipodarum, a decreased number of embryos was observed for all wastewater samples. This indicates that reproductive toxicants were eliminated by neither the conventional nor the advanced treatment. Furthermore, aqueous samples showed higher anti-estrogenic and reproductive toxicity than extracted samples, indicating that the causative compounds are not extractable or were lost during extraction. This underlines the importance of the adequate handling of wastewater samples. Taken together, this study demonstrates that combinations of multiple advanced technologies reduce endocrine effects in vitro. However, they did not remove in vitro anti-estrogenicity and in vivo reproductive toxicity. This implies that a further optimization of advanced wastewater treatment is needed that goes beyond combining available technologies.

Mollusks are known to be uniquely sensitive to a number of reproductive toxicants including some vertebrate endocrine disrupting chemicals. However, they have widely been ignored in environmental risk assessment procedures for chemicals. This study describes the validation of the Potamopyrgus antipodarum reproduction test within the OECD Conceptual Framework for Endocrine Disrupters Testing and Assessment. The number of embryos in the brood pouch and adult mortality serve as main endpoints. The experiments are conducted as static systems in beakers filled with artificial medium, which is aerated trough glass pipettes. The test chemical is dispersed into the medium, and adult snails are subsequently introduced into the beakers. After 28 days the reproductive success is determined by opening the brood pouch and embryo counting. This study presents the results of two validation studies of the reproduction test with eleven laboratories and the chemicals tributyltin (TBT) with nominal concentrations ranging from 10 to 1000 ng TBT-Sn/L and cadmium with concentrations from 1.56 to 25 μg/L. The test design could be implemented by all laboratories resulting in comparable effect concentrations for the endpoint number of embryos in the brood pouch. After TBT exposure mean EC, EC, NOEC and LOEC were 35.6, 127, 39.2 and 75.7 ng Sn/L, respectively. Mean effect concentrations in cadmium exposed snails were, respectively, 6.53, 14.2, 6.45 and 12.6 μg/L. The effect concentrations are in good accordance with already published data. Both validation studies show that the reproduction test with P. antipodarum is a well-suited tool to assess reproductive effects of chemicals.

No abstract

Das Forschungsvorhaben “Entwicklung eines Stoffflussmodells und Leitfadens zur Emis-sionsminderung von Mikroschadstoffen im Hinblick auf die Wasserqualität“ (MikroModell) wurde im Zeitraum von Oktober 2015 bis Juni 2020 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, dem Sächsischen Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft (heute Sächsisches Staatsministerium für Energie, Klimaschutz, Umwelt und Landwirtschaft) sowie der Gelsenwasser AG gefördert. An dem interdisziplinären Projektkonsortium waren ne-ben den Betreibern der Abwassersysteme und -anlagen in Dresden, Chemnitz und Plauen Wissenschaftler:innen aus den Bereichen der Siedlungswasserwirtschaft, Hydrobiologie, Ökotoxikologie, Wasserchemie, Umweltökonomie, Pharmakologie an der Technischen Universität Dresden sowie des Wirtschafts- und Regulierungsrechts an der Technischen Univer-sität Bergakademie Freiberg beteiligt. In MikroModell wurde anhand unterschiedlich dicht besiedelter sächsischer Regionen untersucht, welche Verbesserungen der Gewässerqualität durch technologische Maßnahmen im Abwassersystem, durch Reduktionsmaßnahmen an der Quelle und in der Anwendung, durch rechtliche Steuerungsmaßnahmen auf EU-, Bundes- und Landesebene sowie durch Aktivitäten im Rahmen einer regional fokussierten Öffentlichkeitsarbeit erzielt werden können, um so eine effiziente und nachhaltige Entwicklung zu befördern. Dazu wurden sowohl Substanzen der Liste prioritärer Stoffe als auch weitere Spurenstoffe an Hand verfügbarer Umweltqualitätsnormen (UQN) bewertet. Der Bericht ist in zwei Teilen organisiert. Teil A beinhaltet den Handlungsleitfaden und richtet sich an Entscheidungsträger und Betreiberorganisationen, beschreibt also die praxisrelevanten Folgerungen aus den Untersuchungen. In Teil B werden die wissenschaftlichen Grundlagen und die Untersuchungsmethoden detailliert erläutert sowie ausgewählte Ergebnisse diskutiert. In Teil A wird eine systematische Vorgehensweise zur Bewertung der Relevanz von ab-wasserbürtigen Mikroschadstoffen und zur Entscheidungsfindung bzgl. Optionen zur Reduktion der Gewässerbelastung mit Mikroschadstoffen vorgestellt (Kapitel A-2). Die Durchführungsempfehlung ist in einem Prozessschema zusammengefasst, das die Maß-nahmenfindung als gemeinsamen Weg von Aufgabenträgern und Behörden beschreibt. Grundlage für die Bewertung der aktuellen Situation bildet die Auswertung der Gewäs-sergütedaten des LfULG (2009 – 2018) und zweier 21-Tage Monitoringkampagnen an den Kläranlagen-Standorten Dresden, Chemnitz und Plauen. IX Die Auswirkungen von Maßnahmen im technologischen Bereich und an der Quelle werden mittels Stoffflussmodellierung aufgezeigt. In Teil A werden dazu Simulationsergebnisse für Dresden, Chemnitz und Plauen herangezogen, die zeigen, dass sich für unter-schiedliche Einzugsgebiete und Stoffe unterschiedliche Maßnahmen als effektiv erweisen (Kapitel A-3). Darüber hinaus erweist sich auch die Definition der Zielgrößen als maßge-bend für die Priorisierung von Maßnahmen. Es gilt den Diskurs dazu anzustoßen. Neben konkreten technologischen Handlungsoptionen und Bewirtschaftungsansätzen an der Quelle werden auch rechtliche Handlungsoptionen in die Betrachtung miteinbezogen (Kapitel A-4). Um die Verwendungen und den Eintrag von Mikroschadstoffen aus Pflan-zenschutzmitteln, Arzneimitteln sowie Industrie- und Haushaltschemikalien mittel- und langfristig zu vermindern, wurden konkrete Empfehlungen zur Anwendung bzw. zu Anpassungen in den Bereichen des Wasser-, Arzneimittel- (Human- & Tierarzneimittelrecht), Chemikalien-, Düngemittel-, Pflanzenschutz- und Biozidrechts herausgearbeitet. Schließlich werden flankierende Aktivitäten zur Information ausgewählter Multiplikatoren und zur Aufklärung der Öffentlichkeit als unerlässlich erkannt und beschrieben (Kapitel A-5). Neben Maßnahmen zur Sensibilisierung der Bürger wurden insbesondere Kommunikationsveranstaltungen mit Ärzten und Apothekern durchgeführt. Dabei wurde zielgerichtet ein Verständnis für den nachhaltigen Einsatz und die gesicherte Entsorgung von Arzneimitteln vermittelt und allgemein das Bewusstsein geschärft, dass verschriebene Wirksubstanzen als solche oder metabolisiert/transformiert im Abwasser und ggf. im Gewässer wiederzufinden sind. Die Zusammenarbeit mit der Ärzteschaft erscheint nicht nur als zentraler Baustein zukunftsgerichteten Handelns wichtig, sondern wird auch als erfolgsversprechend angesehen. Der in Teil A vorgestellte Handlungsleitfaden vermittelt letztlich keine absolute Priorisierung von Handlungsoptionen, da sich für unterschiedliche Zielsetzungen und unter-schiedliche Bedingungen eine veränderte Priorisierung ergibt. Es wird aber der Weg hin zur Identifikation der unter den gegebenen Bedingungen besten Handlungsoption bzw. einer erfolgsversprechenden Kombination von Handlungsoptionen aufgezeigt. Dieses systematische Vorgehen wurde zwar am Beispiel von drei Pilotgebieten durchgespielt und für Sachsen flächendeckend aufbereitet, ist aber letztlich übertragbar auf andere Gebiete Deutschlands oder Europas. In Teil B werden die wissenschaftlichen Grundlagen sowie ausgewählte Ergebnisse des Projektes erläutert – sofern sie nicht schon in Teil A, den Handlungsleitfaden, eingeflossen sind (siehe den rechtlichen Handlungsrahmen sowie die Empfehlungen für die Öffentlich-keitsarbeit). Teil B ist in drei Kapitel unterteilt: Monitoring und Untersuchungen vor Ort (Kapitel B-1), Reduktionsmaßnahmen im Umgang mit Mikroschadstoffen (Kapitel B-2), Er-stellung und Kalibrierung des Stoffflussmodells sowie die Entwicklungsszenarien zur exemplarischen Anwendung des Modells (Kapitel B-3). X Kapitel B-1 umfasst das methodische Vorgehen zur Auswahl der Substanzen mit erhöhter Priorität an allen drei Standorten sowie eine Bewertung der Entwicklungstrends der Verschreibungsmengen für verschiedene Arzneistoffgruppen. Die Ergebnisse der vier Moni-toringkampagnen, die mit kombinierten chemischen und ökotoxikologischen Analysen verbunden waren, werden zusammengefasst und ergänzende Untersuchungen zur Bewertung der Mischwasserentlastungen erläutert. Die in Kapitel B-2 beschriebenen Untersuchungen zu Reduktionsmaßnahmen im Umgang mit Mikroschadstoffen beinhalten neben einer Übersicht zu den Kosten einer 4. Reinigungs-stufe die Bewertung verschiedener Verfahren zur Elimination von Spurenstoffen (Pulverak-tivkohle, Ozonierung und Sandfiltration) auf Grundlage von Laborversuchen. Zudem werden die Einträge industrieller und gewerblicher Einleiter in die Kanalnetze der Modellre-gionen und schließlich die Möglichkeiten von Reduktions- und Vermeidungsmaßnahmen auf Grundlage einer Literaturrecherche sowie von Experteninterviews mit verschiedenen Akteuren und Multiplikatoren bewertet. In Kapitel B-3 werden die Methoden zur Verschneidung der verschiedensten verfügbaren Informationen zur Stoffflussmodellierung beschrieben. Die verfügbaren, auf 186 vierstellige Postleitzahlbereiche bezogenen Daten zur Medikamentenverschreibung werden mit den 429 Gemeinden verschnitten, die Bevölkerung wird den Kläranlagen zugeordnet, die Kläranlagenabläufe müssen an den Fließgewässern verortet werden und sämtliche vom Land verfügbaren Informationen von Abfluss- und Qualitätsmessstellen müssen derart prozessiert werden, dass sie mit den modellierten Kläranlagenablaufwerten sinnvoll kombiniert werden können. Schließlich erfolgt die Kalibrierung und Validierung sowie die Anwendung des Stoffflussmodells zur Untersuchung von Entwicklungsszenarien und Handlungsoptionen. Die methodischen Grundlagen sind damit für eine erweiterte Anwendung und eine Übertragung auf andere Gebiete gegeben.