Trace organic chemicals (TOrCs) deriving from pharmaceuticals, personal care products, pesticides, household, and industrial chemicals pose a potential threat to human and ecological health. Their removal in conventional wastewater treatment plants is insufficient resulting in concentration levels of ng/L to µg/L in surface water, groundwater, and less frequently in drinking water. To reduce their release into the environment, mitigate pollution, enhance the removal efficiency, clean-up and restore contaminated sites, advanced, effective, eco-friendly, and low-cost approaches are required. Managed aquifer recharge (MAR) systems show a great potential in TOrC removal, since they combine biological transformation, adsorption, and physicochemical processes and are therefore considered to be environmentally friendly. Particularly the biological transformation processes in MAR systems mainly driven by microorganisms and their respective enzymes are poorly understood but potentially offer opportunities for process optimization. The ability of extracellular enzymes to catalyze bioremediation processes has already been described in literature. In addition, intracellular enzymes are discussed to be involved in remediation. Whether purified or in a complex biological system, enzymes constitute a promising tool for TOrC removal. Moreover, they can be used as sensitive biosensors to detect environmental pollution. To take advantage of the enzymes’ catalytic activity, a fundamental understanding of measurement strategies and investigations of underlying reactions are required. That is why the initial focus of this work was on reviewing advanced technologies to measure enzyme activities using mass spectrometry. This technique offers opportunities for a more comprehensive assessment of enzymatic reactions in terms of substrate selection, catalytic preferences, and cleavage patterns than conventional, photometric approaches. The review on concepts constitutes a basis to further assess enzymatic activities with regard to environmental purposes. Further investigations aimed on determining the enzymes’ actual activity in MAR systems, a key parameter for effective remediation. A methodology based on photometric detection was established to distinguish between enzymatic transformation and abiotic oxidation processes. The results from the investigations using samples from MAR systems showed that occurring reaction are complex and substrate oxidation heavily depends on the following factors: the use of in-situ or extraction approach, assay pH, the substrate itself and the redox conditions of the system. Control experiments additionally reveal the complexity in MAR systems that hampers a general statement regarding an appropriate control. The approach was successfully adapted to mass spectrometric detection verifying photometric results and providing a basis for investigations targeting the transformation of TOrCs in MAR systems. Thus, experiments were conducted using real samples from MAR systems investigating their impact on TOrC transformation directly hyphenated to mass spectrometric detection. Acetaminophen and metoprolol were found to be partly transformed under conditions investigated. The reported proof-of-concept approach offers several opportunities to further investigate and understand mechanisms occurring in MAR systems. Additional experiments aimed to investigate isolated, purified cytochrome P450 enzymes and their ability to transform different TOrCs. Cytochrome P450 enzymes were initially analyzed by direct syringe pump infusion online measurement and miniaturized using a robotic nano-ESI technology that enabled a fast screening of enzymatic TOrC metabolism. It was demonstrated that considering the whole system, which includes substrate and product, allows for a more complex insight into enzymatic behavior. Enzymatic reactions directly hyphenated to MS detection were moreover miniaturized in terms of dimensions and sample consumption using a microfluidic chip device, which potentially constitutes a sensitive biosensor to detect pollution of the environment. This chip device might also be optimized to investigate regulators of TOrC metabolism in samples from MAR systems.      «

Trace organic chemicals (TOrCs) deriving from pharmaceuticals, personal care products, pesticides, household, and industrial chemicals pose a potential threat to human and ecological health. Their removal in conventional wastewater treatment plants is insufficient resulting in concentration levels of ng/L to µg/L in surface water, groundwater, and less frequently in drinking water. To reduce their release into the environment, mitigate pollution, enhance the removal efficiency, clean-up and rest...     »

Spurenstoffe anthropogenen Ursprungs werden häufig durch den Gebrauch von Pharmazeutika, Pflegeprodukten, Pestiziden, Haushalts- und Industriechemikalien in die Umwelt freigesetzt, da sie in konventionellen Kläranlagen nur unzureichend entfernt oder abgebaut werden. Als Folge können in Oberflächengewässern, Grundwasser und weniger häufig auch in Trinkwasser Konzentrationen von ng/L bis µg/L detektiert werden - ein Risiko für Mensch und Umwelt. Zur effizienten Entfernung sind deshalb neuartige Ansätze notwendig. Neben den klassischen physikalisch und chemischen Methoden, zeigen biologische Systeme eindeutige Vorteile bei der effizienten, umweltfreundlichen Spurenstoffumsetzung. Managed aquifer recharge (MAR) Systeme kombinieren biologische, physikalisch-chemische, insbesondere adsorptive Prozesse, und zeigen ein hohes Potential bei der Entfernung von Spurenstoffen. Insbesondere die biologischen Prozesse, induziert durch Mikroorganismen und entsprechende Enzyme, sind nur unzureichend verstanden. Es konnte bereits gezeigt werden, dass sowohl intra- als auch extrazelluläre Enzyme in der Lage sind, den Spurenstoffabbau zu katalysieren. Zur aktiven Optimierung und Steuerung enzymatischer Reaktionen ist jedoch zunächst ein grundlegendes Verständnis dieser Reaktionen notwendig. Um enzymatische Umsetzungen umfassend zu beurteilen, sind entsprechende Messstrategien erforderlich. In dieser Arbeit wurden deshalb Technologien und neuartige Ansätze diskutiert, welche enzymatische Reaktionen gekoppelt an massenspektrometrische Detektion erfassen. Aufgrund der simultanen Detektion aller ionisierbarer Assay-Bestandteile, erlaubt die direkte Kopplung eine umfassende Beurteilung der Reaktion. Die beschriebenen Methoden bilden eine Grundlage für die Untersuchung enzymatischer Reaktionen in umweltrelevanten Systemen. Die enzymatische Aktivität ist ein entscheidender Parameter zur effektiven Spurenstoffentfernung. Deshalb sollte zunächst eine Methode basierend auf photometrischer Detektion entwickelt werden, um die Aktivität in MAR Systemen zu bestimmen. Der Fokus lag dabei auf der Unterscheidung zwischen enzymatischer Substratoxidation und abiotischen Prozessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die auftretenden Reaktionen komplex sind und die Substratoxidation maßgeblich von folgenden Faktoren abhängt: Verwendung eines Extraktions- oder In-Situ-Ansatzes, pH-Wert des Assays, verwendetes Substrat sowie Redoxbedingungen des Systems. Untersuchungen zu entsprechenden Kontroll-Ansätzen zeigten, dass die Komplexität des Systems eine generelle Aussage hinsichtlich einer geeigneten Kontrolle erschwert. Der Ansatz wurde zudem erfolgreich an die massenspektrometrische Detektion adaptiert, wodurch die Ergebnisse der photometrischen Messungen bestätigt werden konnten. Zudem stellt der Ansatz eine Grundlage für die gezielte Untersuchung der Spurenstofftransformation in MAR Systemen dar. Das Transformationsverhalten verschiedener Spurenstoffe wurde in Anwesenheit von Realproben aus MAR Systemen und direkter massenspektrometrischer Kopplung untersucht. Von den getesteten Spurenstoffen, konnte eine Umsetzung von Acetaminophen und Metoprolol gezeigt werden. Dieser konzeptionelle Ansatz bildet eine entscheidende Grundlage für weitere Untersuchungen, die darauf abzielen, Mechanismen und Reaktionen in MAR Systemen aufzuklären und zu verstehen. Es wurden außerdem verschiedene, isolierte Cytochrom P450 Enzyme, und deren Potential Spurenstoffe abzubauen, mittels online Spritzenpumpen-Injektion sowie Nano-ESI Pipettier-Roboter-Injektion untersucht. Dadurch konnte gezeigt werden, dass bei gleichzeitiger Betrachtung aller Assay-Komponenten, eine umfassendere Analyse enzymatischer Reaktionen möglich ist. Die enzymatische Reaktion wurde zudem im Hinblick auf Dimension und Probenverbrauch miniaturisiert. Dazu wurde die Reaktion an einen Mikrofluidik-Chip adaptiert, welcher direkt und totvolumenfrei an die massenspektrometrische Detektion gekoppelt ist. Dieser Mikrofluidik-Chip kann als Biosensor Verwendung finden, um Umweltkontaminationen zu detektieren. Durch eine zusätzliche Optimierung hinsichtlich der Messung von Realproben aus MAR Systemen könnten zudem entsprechende Regulatoren der Spurenstofftransformation untersucht werden.      «

Spurenstoffe anthropogenen Ursprungs werden häufig durch den Gebrauch von Pharmazeutika, Pflegeprodukten, Pestiziden, Haushalts- und Industriechemikalien in die Umwelt freigesetzt, da sie in konventionellen Kläranlagen nur unzureichend entfernt oder abgebaut werden. Als Folge können in Oberflächengewässern, Grundwasser und weniger häufig auch in Trinkwasser Konzentrationen von ng/L bis µg/L detektiert werden - ein Risiko für Mensch und Umwelt. Zur effizienten Entfernung sind deshalb neuartige An...     »