A espectrometria de massas, acoplada ou não a outras técnicas, tem sido de grande utilidade na determinação de novos compostos, produtos de transformação/degradação, metabólitos e na quantificação em nível de traços nas mais diferentes matrizes, devido à grande versatilidade dessa técnica, especialmente em relação aos modos de análise. Neste trabalho foi sistematizada uma metodologia para a aplicação das técnicas de espectrometria de massas na identificação de produtos de transformação/degradação de fármacos de uso humano e veterinário. Ferramentas da química computacional foram utilizadas para auxiliar na elucidação das estruturas dos compostos formados. A metodologia foi empregada para a identificação e quantificação dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina, gerados durante o processo de fotocatálise heterogênea com ZnO, para a identificação dos produtos de transformação/degradação gerados durante a fotólise em meio aquoso do sulfamentoxazol, ciprofloxacino e norfloxacino, e para a quantificação da amoxicilina transferida ao leite bovino. A viabilidade de se realizar a identificação de metabólitos da amoxicilina presentes no leite bovino por meio do mesmo processo de preparo de amostra e de análise utilizado para a quantificação também foi avaliada. Foram identificados dez principais produtos de transformação/degradação da fotocatálise da rosuvstatina, dez principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do sulfametoxazol, quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do ciprofloxacino e quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do norfloxacino. A metodologia empregada para a quantificação da amoxicilina em leite bovino se demostrou adequada, mas estudos adicionais são necessários para que seja possível identificar os seus metabólitos nessa matriz. Os resultados dos cálculos ab initio que foram utilizados para o estudo dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina e sulfametoxazol mostram que essa técnica pode ser bastante útil na elucidação estrutural dos compostos que são formados. / Mass spectrometry, coupled or not with other techniques, is very useful for the determination of new compounds, transformation/degradation products, metabolites and quantification at trace levels in many different matrices, due to the versatility of such a technique, specially regarding to analysis modes. In the present work a methodology was systematized for the application of mass spectrometry techniques in order to identify metabolites and transformation/degradation products for human and veterinary drugs usage. Computational chemistry tools were used to assist in the elucidation of the structure of the compounds formed during the process. The methodology was employed for identification and quantification of rosuvastatin transformation/degradation products generated during the heterogeneous photocatalysis process with ZnO, for the identification of sulfamethoxazole, ciprofloxacin and norfloxacion transformation/degradation products generated during the photolysis in aqueous medium and for quantifying amoxicillin transferred to bovine milk. The feasibility of identification of amoxicillin metabolites present in bovine milk using the same sample preparation procedure exploited for the quantification analysis was also assessed. Ten main transformation/degradation products of rosuvastatin photocatalysis were identified, as well as ten main transformation/degradation products of sulfamethoxaxole photolysis in aqueous medium, fifteen main transformation/degradation products of ciprofloxacin photolysis in aqueous medium and fifteen main transformation/degradation products of norfloxacin photolysis in aqueous medium. The methodology applied for the bovine milk amoxicillin quantification was demonstrated to be adequate, but additional studies are needed to identify amoxicillin metabolites in the milk matrix. The results of ab initio calculations utilised for the study of rosuvastatin and sulfamethoxazole transformation/degradation products show that this technique can be very useful for the structural elucidation of chemical compounds which are formed.

A espectrometria de massas, acoplada ou não a outras técnicas, tem sido de grande utilidade na determinação de novos compostos, produtos de transformação/degradação, metabólitos e na quantificação em nível de traços nas mais diferentes matrizes, devido à grande versatilidade dessa técnica, especialmente em relação aos modos de análise. Neste trabalho foi sistematizada uma metodologia para a aplicação das técnicas de espectrometria de massas na identificação de produtos de transformação/degradação de fármacos de uso humano e veterinário. Ferramentas da química computacional foram utilizadas para auxiliar na elucidação das estruturas dos compostos formados. A metodologia foi empregada para a identificação e quantificação dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina, gerados durante o processo de fotocatálise heterogênea com ZnO, para a identificação dos produtos de transformação/degradação gerados durante a fotólise em meio aquoso do sulfamentoxazol, ciprofloxacino e norfloxacino, e para a quantificação da amoxicilina transferida ao leite bovino. A viabilidade de se realizar a identificação de metabólitos da amoxicilina presentes no leite bovino por meio do mesmo processo de preparo de amostra e de análise utilizado para a quantificação também foi avaliada. Foram identificados dez principais produtos de transformação/degradação da fotocatálise da rosuvstatina, dez principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do sulfametoxazol, quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do ciprofloxacino e quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do norfloxacino. A metodologia empregada para a quantificação da amoxicilina em leite bovino se demostrou adequada, mas estudos adicionais são necessários para que seja possível identificar os seus metabólitos nessa matriz. Os resultados dos cálculos ab initio que foram utilizados para o estudo dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina e sulfametoxazol mostram que essa técnica pode ser bastante útil na elucidação estrutural dos compostos que são formados. / Mass spectrometry, coupled or not with other techniques, is very useful for the determination of new compounds, transformation/degradation products, metabolites and quantification at trace levels in many different matrices, due to the versatility of such a technique, specially regarding to analysis modes. In the present work a methodology was systematized for the application of mass spectrometry techniques in order to identify metabolites and transformation/degradation products for human and veterinary drugs usage. Computational chemistry tools were used to assist in the elucidation of the structure of the compounds formed during the process. The methodology was employed for identification and quantification of rosuvastatin transformation/degradation products generated during the heterogeneous photocatalysis process with ZnO, for the identification of sulfamethoxazole, ciprofloxacin and norfloxacion transformation/degradation products generated during the photolysis in aqueous medium and for quantifying amoxicillin transferred to bovine milk. The feasibility of identification of amoxicillin metabolites present in bovine milk using the same sample preparation procedure exploited for the quantification analysis was also assessed. Ten main transformation/degradation products of rosuvastatin photocatalysis were identified, as well as ten main transformation/degradation products of sulfamethoxaxole photolysis in aqueous medium, fifteen main transformation/degradation products of ciprofloxacin photolysis in aqueous medium and fifteen main transformation/degradation products of norfloxacin photolysis in aqueous medium. The methodology applied for the bovine milk amoxicillin quantification was demonstrated to be adequate, but additional studies are needed to identify amoxicillin metabolites in the milk matrix. The results of ab initio calculations utilised for the study of rosuvastatin and sulfamethoxazole transformation/degradation products show that this technique can be very useful for the structural elucidation of chemical compounds which are formed.

A espectrometria de massas, acoplada ou não a outras técnicas, tem sido de grande utilidade na determinação de novos compostos, produtos de transformação/degradação, metabólitos e na quantificação em nível de traços nas mais diferentes matrizes, devido à grande versatilidade dessa técnica, especialmente em relação aos modos de análise. Neste trabalho foi sistematizada uma metodologia para a aplicação das técnicas de espectrometria de massas na identificação de produtos de transformação/degradação de fármacos de uso humano e veterinário. Ferramentas da química computacional foram utilizadas para auxiliar na elucidação das estruturas dos compostos formados. A metodologia foi empregada para a identificação e quantificação dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina, gerados durante o processo de fotocatálise heterogênea com ZnO, para a identificação dos produtos de transformação/degradação gerados durante a fotólise em meio aquoso do sulfamentoxazol, ciprofloxacino e norfloxacino, e para a quantificação da amoxicilina transferida ao leite bovino. A viabilidade de se realizar a identificação de metabólitos da amoxicilina presentes no leite bovino por meio do mesmo processo de preparo de amostra e de análise utilizado para a quantificação também foi avaliada. Foram identificados dez principais produtos de transformação/degradação da fotocatálise da rosuvstatina, dez principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do sulfametoxazol, quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do ciprofloxacino e quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do norfloxacino. A metodologia empregada para a quantificação da amoxicilina em leite bovino se demostrou adequada, mas estudos adicionais são necessários para que seja possível identificar os seus metabólitos nessa matriz. Os resultados dos cálculos ab initio que foram utilizados para o estudo dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina e sulfametoxazol mostram que essa técnica pode ser bastante útil na elucidação estrutural dos compostos que são formados. / Mass spectrometry, coupled or not with other techniques, is very useful for the determination of new compounds, transformation/degradation products, metabolites and quantification at trace levels in many different matrices, due to the versatility of such a technique, specially regarding to analysis modes. In the present work a methodology was systematized for the application of mass spectrometry techniques in order to identify metabolites and transformation/degradation products for human and veterinary drugs usage. Computational chemistry tools were used to assist in the elucidation of the structure of the compounds formed during the process. The methodology was employed for identification and quantification of rosuvastatin transformation/degradation products generated during the heterogeneous photocatalysis process with ZnO, for the identification of sulfamethoxazole, ciprofloxacin and norfloxacion transformation/degradation products generated during the photolysis in aqueous medium and for quantifying amoxicillin transferred to bovine milk. The feasibility of identification of amoxicillin metabolites present in bovine milk using the same sample preparation procedure exploited for the quantification analysis was also assessed. Ten main transformation/degradation products of rosuvastatin photocatalysis were identified, as well as ten main transformation/degradation products of sulfamethoxaxole photolysis in aqueous medium, fifteen main transformation/degradation products of ciprofloxacin photolysis in aqueous medium and fifteen main transformation/degradation products of norfloxacin photolysis in aqueous medium. The methodology applied for the bovine milk amoxicillin quantification was demonstrated to be adequate, but additional studies are needed to identify amoxicillin metabolites in the milk matrix. The results of ab initio calculations utilised for the study of rosuvastatin and sulfamethoxazole transformation/degradation products show that this technique can be very useful for the structural elucidation of chemical compounds which are formed.

In der Entwicklung neuer Agrochemikalien ist es essentiell das weitere Schicksal im Bezug zum Abbau durch abiotische und biotische Einflüsse vorherzusagen. Pestizide gehören zu den Agrochemikalien und durch abiotischen und biotischen Stress werden Transformationsprodukte (TPs) gebildet. Daher ist es von Bedeutung, die TPs von Pestiziden und deren Entstehungsprozess zu untersuchen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit biotischen und abiotischen Umwandlungsprozessen von zwei Modell-Pestiziden, nämlich Chlorpyrifos (ein Insektizid) und Fluopyram (ein Fungizid) unter Verwendung von Modellsystemen. Lebermikrosomeninkubation und elektrochemische Durchflusszellen, die an Online-Massenspektrometrie gekoppelt waren, wurden als experimenteller Modellansatz zu untersuchen um die Biotransformationsprozesse (phase I und phase II) der Ziel-Pestizide. Im zweiten Teil dieser Arbeit, wurden Photodegradationsprodukte der beiden Modellverbindungen durch Bestrahlung mit keimtötendem ultraviolettem Licht (200 - 280 nm) untersucht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Elektrochemie-Massenspektrometrie auf die Herstellung von Referenzstandards für Transformationsprodukte für das gezielte Screening in Lebensmittelproben ausgedehnt. Die strukturelle Aufklärung der Transformationsprodukte erfolgte mittels HPLC, gekoppelt an verschiedene Massenspektrometrietechniken (Single Quad, Triple Quad, FT-ICR HRMS, Triple TOF-MS, Orbitrap HRMS). Zusammenfassend konnte die Kopplung von EC/(LC)/MS als schnelle, zuverlässige, kostengünstige und matrix-unabhängige Methode genutzt werden, um den oxidativen Phase-I und II Metabolismus von Fluopyram und Chlorpyrifos zu simulieren. EC/MS könnte weiterhin zur Synthese von TP Referenzstandards und zur Messung von Realproben genutzt werden. Neue TPs und deren Bildungsmechanismen konnten im Rahmen dieser Dissertation für beide untersuchten Substanzen identifiziert werden. / One of the crucial steps of developing a new agrochemical product is predicting its fate following biotic or abiotic stress. In this regard, pesticides undergo transformation processes in response to biotic and abiotic stress. Therefore, it is important to investigate pesticides’ transformation products (TPs) and the formation processes they undergo. This dissertation deals on biotic and abiotic transformation processes of two model pesticides namely chlorpyrifos (an insecticide) and fluopyram (a fungicide) using model systems. Liver microsome incubation and electrochemical-flow-through cell coupled to online mass spectrometry were used as a model experimental approach to investigate phase I and phase II biotransformation processes of the targeted pesticides. In the second part of this thesis, photodegradation products of the two model compounds were investigated by irradiating with germicidal ultraviolet light (200 – 280 nm). In the last part of this work, electrochemistry-mass spectrometry was scaled-up to the production of transformation product reference standards for targeted screening in different food samples. Structural elucidations of transformation products were performed using HPLC coupled to different mass spectrometry techniques (single quad, triple quad, FT-ICR HRMS, TripleTOF-MS, Orbitrap HRMS). In summary, a fast, reliable, cost-effective and matrix-free simulation of oxidative metabolism (phase I and II) of fluopyram and chlorpyrifos was achieved here by EC/(LC)/MS. EC/MS could, therefore, be scaled up to synthesis TP reference standards for real sample investigation. Additionally, new TPs and their mechanisms were identified for both investigated compounds.

Die Verschmutzung von Süßgewässern mit organischen Mikroschadstoffen ist ein Problem, das sich weltweit zunehmend verschärft. Die vorliegende Doktorarbeit soll zu einem besseren Verständnis des Verhaltens einzelner Mikroschadstoffe und deren Transformationsprodukten in Flüssen beitragen, sowie die Rolle relevanter Einflussfaktoren untersuchen. Verhalten verschiedener Stoffe wurde im Oberflächenwasser eines urbanen Flusses analysiert. Es zeigte sich, dass die Sonneneinstrahlung für einige Verbindungen der wichtigste Einflussfaktor ist, während andere eher biologisch abgebaut wurden. Die Mahd von Makrophyten hatte ebenfalls stoffspezifische Folgen auf den Abbau. Um langfristige Variabilität von Stofftransport besser zu verstehen wurde eine neue Methode zur Schätzung des Stofftransports anhand von Schwankungen der elektrischen Leitfähigkeit getestet. Einige Stofftransportparameter änderten sich über die Jahreszeiten hinweg und transiente Speicherung unterschied sich zwischen den Flussabschnitten. Um im Besonderen den Einfluss von mikrobieller Diversität und von hyporheischem Austausch zu bewerten, wurde ein Meskosmenexperiment mit 20 rezirkulierenden Fließrinnen entwickelt. Es konnte festgestellt werden, dass vor allem mikrobielle Diversität einen starken Einfluss hat. Der neue Versuchsaufbau kann zukünftig für die Untersuchung weiterer Variablen Verwendung finden. Schließlich wurden Mikroschadstoffe und Transformationsprodukte in der hyporheischen Zone der Fließrinnen analysiert. Das Verhalten war sowohl stoffspezifisch als auch fließwegspezifisch. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des oberflächennahen, hyporheischen Austauschs auf den Stoffabbau. Im Allgemeinen konnte die hohe Variabilität des Abbaus von Mikroschadstoffen mit besonderer Relevanz der hyporheischen Zone und der mikrobiellen Diversität nachgewiesen werden. Diese Faktoren sollten in zukünftigen Forschungsvorhaben besonders berücksichtigt werden. / Contamination of freshwaters with organic micropollutants is a worldwide emerging problem. The present thesis aims to contribute to a better understanding of the variability of the behaviour of individual micropollutants, the formation of transformation products in rivers and the specific role of relevant influencing factors. The behaviour of several substances was investigated in the surface water of an urban river by accounting for spatial and temporal dynamics. Solar radiation was identified to be the major driver for some compounds, while others were more susceptible to biodegradation. The response to macrophyte removal was also compound-specific. To better understand long-term variability of solute transport on a reach-scale a new method to estimate solute transport by use of electrical conductivity fluctuations was proposed and tested. Some solute transport metrics changed over the seasons and transient storage differed between river sections. To specifically assess the influence of microbial diversity and hyporheic exchange, a mesocosm experiment with 20 recirculating flumes was developed. It was found that microbial diversity in particular had a strong impact and the novel setup was suggested to be a useful method to test other variables in the future. Finally, the behaviour of micropollutants and transformation products in the hyporheic zone of the flumes was investigated on a centimeter-scale. The behaviour was found to be compound-specific as well as flowpath-specific. But several compounds were degraded most on the shortest, most oxic flowpath. The findings highlight the importance of shallow, small-scale hyporheic exchange for turnover of micropollutants. Generally, the high variability of micropollutant degradation depending on relevant influencing factors, specifically hyporheic exchange and microbial diversity, has been demonstrated. These factors are of great importance and need to be addressed and considered in future research.

Η ανάγκη αντιμετώπισης του προβλήματος της ρύπανσης των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων και αποτελεσματικών μεθόδων για την απομάκρυνση έμμονων και μη βιοαποικοδομήσιμων ενώσεων από το νερό και τα υγρά απόβλητα. Η παρούσα διατριβή πραγματεύτηκε τη συστηματική μελέτη της διάσπασης ρύπων προτεραιότητας και αναδυόμενων ρύπων που ανήκουν σε διαφορετικές χημικές κατηγορίες (DEET, metribuzin, 2-ισοπρόπυλο-3-μεθόξυ πυραζίνη, η πενταχλωροφαινόλη, βενζοϊκό οξύ, Cr(VI) και φαινολικές ενώσεις) με τη μέθοδο της ετερογενούς φωτοκατάλυσης και τη χρήση εμπορικά διαθέσιμων δραστικών μορφών TiO2 και τροποποιημένων σωματιδίων ΤiΟ2 με αμέταλλα που παρουσιάζουν φωτοκαταλυτική δραστικότητα στο ορατό φάσμα της ακτινοβολίας. Για το σύνολο των ενώσεων που μελετήθηκαν, η έρευνα επικεντρώθηκε: i) στη μελέτη της κινητικής της αποδόμησης και της ολικής ανοργανοποίησης τους με τη μέθοδο της ετερογενούς φωτοκατάλυσης, ii) στη μελέτη της επίδρασης λειτουργικών παραμέτρων στην απόδοση της φωτοκαταλυτικής απομάκρυνσης των ρύπων και στην εύρεση των βέλτιστων συνθηκών με την εφαρμογή των δύο ευρέως χρησιμοποιούμενων χημειομετρικών μεθόδων, της μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης (RSM) και των τεχνητών νευρωνικών δικτύων (ANNs), iii) στην ανίχνευση και ταυτοποίηση ενδιάμεσων προϊόντων διάσπασης των οργανικών ρύπων με φασματομετρικές τεχνικές όπως υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μαζών υψηλής διακριτικής ικανότητας και ακρίβειας μάζας με αναλυτή τροχιακής παγίδας (Orbitrap) και αέρια χρωματογραφία–φασματομετρία μάζας με την τεχνική ιοντισμού με πρόσκρουση ηλεκτρονίων (Εlectron Impact, EI) και φασματοσκοπία ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού, iv) στη συνεισφορά των δραστικών ειδών οξυγόνου, οπών και ηλεκτρονίων στη φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση των ρύπων, v) στη μελέτη του ρόλου των φυσικών συστατικών (χουμικά και φουλβικά οξέα) διαφόρων υδατικών συστημάτων καθώς και στην εκτίμηση της επίδρασης του υδατικού μέσου στην κινητική της διεργασίας, vi) στην εκτίμηση της τοξικότητας πριν και κατά τη διάρκεια της φωτοκαταλυτικής επεξεργασίας. Με την εφαρμογή της ετερογενούς φωτοκατάλυσης επετεύχθη πλήρης απομάκρυνση όλων των ρύπων-μοντέλων που μελετήθηκαν και υψηλός βαθμός ανοργανοποίησης των διαλυμάτων τους. H φωτοκαταλυτική διάσπαση λαμβάνει χώρα σε ποσοστό μεγαλύτερο του 90% σε χρόνους που κυμαίνονται από 20-180 λεπτά ανάλογα με το μελετώμενο ρύπο. Ένας μεγάλος αριθμός κύριων προϊόντων διάσπασης και τουλάχιστον ένα ισομερές για τα περισσότερα από αυτά, ταυτοποιήθηκε κατά τη φωτοκαταλυτική διάσπαση της PCP, του DEET, του ΜΕΤ και της ΙPMP με τη χρήση προηγμένων τεχνικών φασματομετρίας μάζας. Με βάση τα προϊόντα που ταυτοποιήθηκαν, προτάθηκαν οι μηχανισμοί της φωτοκαταλυτικής διάσπασης των μελετώμενων ρύπων που περιλαμβάνουν κυρίως αντιδράσεις υδροξυλίωσης, οξείδωσης και απαλκυλίωσης. Η οξείδωση μέσω ριζών υδροξυλίου (HO•)βρέθηκε να αποτελεί το κύριο οξειδωτικό είδος σε όλα τα μελετώμενα συστήματα. Η δοκιμή τοξικότητας που πραγματοποιήθηκε, πριν και κατά τη διάρκεια της φωτοκαταλυτικής επεξεργασίας των οργανικών ρύπων έδειξε ότι η μέθοδος της ετερογενούς φωτοκατάλυσης οδηγεί σε πλήρη αποτοξικοποίηση των διαλυμάτων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης των οργανικών ρύπων-μοντέλων και της φωτοκαταλυτικής αναγωγής του Cr(VI) που μελετήθηκαν στην παρούσα διατριβή, η μέθοδος της ετερογενούς φωτοκατάλυσης μπορεί να αποτελέσει μια αποδοτική εναλλακτική πρόταση αντιρρύπανσης έναντι των κλασσικών μεθόδων. Η ουσιαστική λύση σε προβλήματα ρύπανσης αποφεύγοντας τη μεταφορά των ρύπων από τη μία φάση στην άλλη, η δυνατότητα χρήσης και αξιοποίησης ήπιων μορφών ενέργειας όπως η ηλιακή ακτινοβολία και η σύζευξη της μεθόδου με άλλες βιολογικές ή/και φυσικοχημικές μεθόδους επεξεργασίας αποδεικνύουν τις μεγάλες προοπτικές που παρουσιάζει. / In order to avoid deterioration of water resources, considerable efforts have been devoted to develop suitable purification methods that can easily remove recalcitrant (persistent) and non-biodegradable contaminants from water and wastewater. In the present thesis the photocatalytic removal of selected priority pollutants and emerging contaminants belonging in different chemical categories has been investigated in detail. DEET, metribuzin, 2 isopropyl-3-methoxy pyrazine, pentachlorophenol (PCP), benzoic acid (BA), Cr(VI) and phenolic compounds were selected as target compounds. The commercial form of TiO2 (Degussa P25) and NF-codoped TiO2, a material with improved photo efficiency and visible light response were used as photocatalysts. The main objectives of this thesis were: i) to evaluate the kinetics of selected pollutants disappearance and mineralization, ii) to investigate the effect of significant parameters on the total process efficiency as well as to optimize the photocatalytic procedure by means of chemometric optimization tools such as central composite design, response surface methodology and artificial neural networks, iii) to identify the transformation products formed during the photocatalytic treatment by using powerful analytical techniques such as high resolution accurate mass LC-MS, GC–MS and EPR spectroscopy, iv) to assess the role of the reactive species in the reaction mechanism using different scavengers, v) to assess the macroscopic effects of DOM (HA, FA) and water matrix on the photocatalytic degradation and vi) to evaluate the toxicity along the photocatalytic process. By the application of heterogeneous photocatalysis almost compete removal of the selected model contaminants and high percentages of mineralization were achieved. Photocatalytic removal (> 90%) was succeeded after 20-180 min of irradiation time, depending on the studied pollutant. Numerous different structures of transformation products (TPs), with at least one isomer for the majority of them, were identified with high resolution accurate mass liquid chromatography (HR-LC–MS) and gas chromatography mass spectrometry (GC–MS). Based on by-product identification using HR-LC-MS and GC–MS techniques possible degradation pathways were proposed. The pathways mainly include hydroxylation, oxidation and dealkylation reactions. Hydroxyl radicals (HO•) were determined to be the predominant reactive species during photocatalysis in all the studied systems. Toxicity assessment revealed the efficiency of the photocatalytic treatment to achieve almost complete detoxification of the solution. According to the results obtained for the photocatlytic oxidation of the studied organic pollutants-models and photocatalytic reduction of Cr(VI), heterogeneous photocatalyis was shown to be a great potential as a sustainable treatment technology. Ιts inherent destructive nature, not involving mass transfer, the potential use of solar radiation as well as the combination of heterogeneous photocatalysis with biological and/or physicochemical methods make this method particularly attractive for environmental decontamination and detoxification.

This thesis is focused on studies on the environmental fate and methodological improvements for determination of the global contaminants, PCBs and DDTs, and locally discharged phenolics, e.g. 4,5,6-trichloroguaiacol (4,5,6-TCG), and their transformation products. 4,5,6-TCG is released from bleached pulp mills, and was chosen as a model substance, to study its fate and effects in aquatic environments. In a brackish water model ecosystem, 4,5,6-TCG was shown to be transformed via demethylation, dechlorination, and methylation reactions. Marine periphyton exposed to 4,5,6-TCG was shown to form demethylated, brominated and dimeric metabolites. Several of these metabolites were identified and quantified. Also more tightly bound chlorophenolics were recovered from the substrate, after harsh extraction procedures had been applied. Conjugates of chlorophenols in fish bile were determined as useful tracers for monitoring effluents from bleached pulp mills, even in areas far from the discharge point. To facilitate calculations of water concentrations, bile to water bioconcentration factors (bBCF-values) were determined for several phenolics, including also alkali-labile chlorocatechols. PCBs and DDTs, were assessed in Swedish lakes with background exposure of these global contaminants. A methodological study focus on the contamination risks of airborne PCBs, during freeze-drying and storage of dry sediment samples. Eutrophication has been proposed to cause lower levels of pollutants in biota in lakes due to biomass dilution but in this thesis examples of higher levels of PCBs in sediment traps, sediment and in perch, and also in higher fluxes of PCBs to the sediment, were observed. Phytoplankton are supposed to be responsible for most of the transport of the contaminants. The composition of DDTs in soil, sediment traps and in dated sediment cores was studied in some detail. PCBs, DDTs, HCB and HCHs were measured in sediments from 100 reference lakes included in the National Swedish Environmental Program. The lakes have a large variation in lake characteristics, representative for different areas in Sweden. A gradient was observed for sPCB with decreasing levels from the south west towards the north. The results suggests that longrange transport is the dominating mechanism for distribution of the contaminants analysed. In this study the levles of PCBs and DDTs were lower in eutrophic lakes than in oligotrophic lakes, in an area with similar atmospheric exposure. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Submitted. Paper 6: Manuscript.</p>

De nos jours, l’évaluation de la qualité d’un milieu naturel repose traditionnellement sur des analyses ciblant des molécules déjà connues pour être biologiquement actives. Cependant ces molécules ne reflètent que partiellement les effets biologiques observés et la complexité des matrices environnementales. Par ailleurs, les contaminants dans l’environnement subissent des phénomènes de dégradation (hydrolyse, biodégradation, photodégradation). Ces processus peuvent conduire à la génération de produits de transformation qui sont encore trop peu pris en compte dans l’évaluation du risque, alors qu’ils sont susceptibles d’occasionner des effets toxiques plus importants que les molécules mères. L’impact écotoxicologique de ces mélanges nécessite préalablement l’obtention d’une vision globale quant à la présence et au devenir de ces molécules.Dans ce contexte, ces travaux appliquent une méthodologie pluridisciplinaire afin d’identifier des molécules préoccupantes et pertinentes à surveiller. Pour cela, ce travail s’appuie sur des analyses ciblées ultra-traces, des outils bioanalytiques, et des analyses non ciblées, qui ont été appliqués sur des échantillons environnementaux ou issus d’études en laboratoire mimant l’évolution des matrices environnementales. Au final, cette étude a permis : (1) d’identifier des molécules préoccupantes en estuaire de Seine sur la base de leur occurrence et de leur persistance, (2) d’identifier de nouveaux produits de transformation et (3) d’identifier les molécules responsables d’activités biologiques dans des matrices très complexes. / To date, environmental risk assessment is based on a restricted number of molecules assessed by targeted chemical analyses. However, this approach give a partial picture of co-occurrence of known and unknown compounds. Moreover, in the aquatic environment, chemicals are not completely mineralized and are subject to abiotic and biotic processes. Transformation products (TPs) can be more toxic and more persistent than the parent compound. However, TPs are not typically included in classical monitoring and risk assessment. Because of complexity and variability of these matrices and the restricted number of molecules focused in targeted chemical analyses, selection of relevant molecules for environmental monitoring is often laborious.In this context, an integrative approach was used in order to identify chemicals of concern for a classical monitoring. This work has been realized on environmental complex samples and on laboratory-generated samples. A combination of targeted, non-targeted analyses and in vitro bioassays was performed and allowed to: (1) identify polar chemical of concern in the Seine estuary on the basis of occurrence and persistence, (2) identify new transformation products and (3) identify compounds responsible of biological activity observed in complexes matrices.

Chromatography and extraction techniques, and also chemiluminescence have been utilized to develop new rapid and informative tools in the evaluation of long-term properties and environmental effects of polymeric materials. Methods were developed for classification of materials and for early and rapid degradation detection. Degradable polyethylene films were classified on the basis of their incorporated prooxidant systems using chromatographic fingerprinting of carboxylic acids, the dominating type of degradation product. The fingerprints were also shown to be useful for prediction of the degradation states and evaluation of the degradation mechanisms. Classification and prediction models were obtained by Multivariate Data Analysis, where the diacids were grouped according to both their type of prooxidant system and their state of degradation. The use of total luminescence intensity (TLI) measurements was also investigated as a means of classifying films and for the early detection of degradation. Comparisons were carried out with common techniques, e.g. FTIR and DSC, after both thermal and UV oxidation. TLI gave an earlier detection of degradation and was more sensitive than carbonyl index and crystallinity measurements to relative differences in degradation between the materials. It furthermore offered complementary information regarding changes in activation energies during the course of the degradation. The results were compared with the chromatographic fingerprints. A new way to evaluate the low temperature long-term stabilisation efficiency of antioxidants was investigated. A prooxidant was used to obtain catalytic oxidation, instead of using thermal acceleration, to evaluate the stabilisation efficiency of antioxidants at low temperatures but still during reasonably short aging times. Comparisons were made between polypropylene films stabilised with primary antioxidants (Irganox 1076, Irganox 1010 and α-tocopherol) with and without the prooxidant manganese stearate at different temperatures. The relative efficiencies of the antioxidants obtained under prooxidant acceleration test correlated better than thermal acceleration test with the results of a long-term low temperature test. Additives in plastic packaging materials may affect the environment after migration from the packaging to e.g. their contents, especially if they consist of organic aqueous solutions or oils. The use of Solid-Phase Microextraction (SPME) for the specific task of extraction from an organic aqueous solution such as a simulated food or pharmaceutical solution consisting of 10 vol-% ethanol in water was investigated. Methods were developed and evaluated for extraction both with direct sampling and with headspace sampling. If the extraction method and temperature were selected to suit the concentration levels of the analytes, it was possible to quantify several degradation products simultaneously. Comparisons made with Solid Phase Extraction showed the advantage of SPME for this purpose. / QC 20100929

Antibiotika sind für die Behandlung von bakteriellen Infektionskrankheiten in der Human- und Veterinärmedizin von immenser Bedeutung. Angesichts der Korrelation zwischen Antibiotika-Einsatzmengen und der Häufigkeit resistenter Organismen ist eine unsachgemäße bzw. übermäßige Verwendung dieser antibakteriellen Wirkstoffe sowie deren Eintrag über die Kläranlagen in die Umwelt äußerst problematisch. Neben Vermeidungs- und Verminderungsstrategien besteht ein Ansatz zur Problemlösung in der Entwicklung innovativer Technologien zur Entfernung von Antibiotikarückständen aus Wässern, da konventionelle Kläranlagen dieser Anforderung nicht vollständig genügen. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und charakterisierte biologische Verfahren basiert auf genetisch modifizierten Saccharomyces cerevisiae-Zellen, welche spezielle Enzyme sezernieren, die zur Umsetzung von Antibiotika herangezogen werden können. Als Modellsystem diente die enzymatische Hydrolyse des β-Lactam-Antibiotikums Ampicillin mit der β-Lactamase TEM-1. Unter Verwendung von enzymhaltigen Hefe-Kulturüberständen gelang es, die grundsätzliche Eignung des Systems zur Entfernung dieses Antibiotikums nachzuweisen. Untersuchungen mit weiteren β-Lactam-Antibiotika zeigten in Übereinstimmung mit der Literatur, dass TEM-1 Penicilline und Cephalosporine der 1. Generation hydrolysieren kann. Am Beispiel der TEM-8 wurde die Übertragbarkeit des Expressionssystems auf andere Lactamase-Varianten erfolgreich demonstriert. Das erweiterte Wirkspektrum dieses Enzyms, welches neben Penicillinen auch Monobactame und Cephalosporine bis zur 4. Generation umfasst, konnte bestätigt werden. Eine mittels Histidin-tag gereinigte TEM-1-His wurde eingesetzt, um systematisch den Einfluss verschiedener Faktoren, wie Temperatur, Substratkonzentration oder pH-Wert, unbeeinflusst von der Matrix der Hefe-Kulturüberstände untersuchen zu können. In diesem Zusammenhang wurde auch die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Modell- auf Realwässer, wie Kläranlagenzu- und -ablauf, untersucht, mit dem Ergebnis, dass zumindest die TEM-1 temporär in allen getesteten Matrices aktiv ist. Mit dem Ziel, auch weitere Antibiotikaklassen transformieren zu können, wurden Esterase Ere-A-produzierende Zellen zur Umsetzung von Makrolid-Antibiotika, wie Erythromycin, herangezogen. Die Analyse der gebildeten Transformationsprodukte ergab, dass die antibakterielle Wirkung jeweils durch hydrolytische Spaltung des β-Lactam- bzw. des Makrolid-Ringes irreversibel verloren geht. Somit kann dieses biologische Verfahren prinzipiell zur gezielten Inaktivierung von Antibiotika eingesetzt werden, wobei der größte Vorteil in der erheblichen Beschleunigung der natürlicherweise ablaufenden Umsetzungsprozesse besteht. Diese Methode kann als ergänzende Technologie bei der Aufbereitung von Konzentraten und Wässern aus Spezialanwendungen angewendet werden.:Glossar Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Antibiotika und Antibiotikaresistenzen 2.1.1 Antibiotika: Definition, Bedeutung, Einsatzmengen, Klassifikation 2.1.2 Wirkmechanismen: Antibiotika versus Antibiotikaresistenzen 2.1.3 Antibiotika und antibiotikaresistente Organismen in der Umwelt 2.1.4 β-Lactam-Antibiotika 2.1.5 Resistenzen gegenüber β-Lactam-Antibiotika 2.1.6 Makrolid-Antibiotika 2.1.7 Resistenzen gegenüber Makrolid-Antibiotika 2.2 Gentechnische Methoden zur gezielten Proteinbiosynthese 2.3 Der eukaryotische Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae 2.4 Enzymkinetik 2.5 Spurenstoffanalytik mittels LC-MS/MS-Technik 2.5.1 Einleitung, Entwicklung und Bedeutung 2.5.2 Elektrospray-Ionisation 2.5.3 Der Quadrupol als Massenanalysator 2.5.4 Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie 3 Material und Methoden 3.1 Verwendete Geräte und Chemikalien 3.2 Arbeiten mit gentechnisch veränderte S. cerevisiae-Zellen 3.2.1 Eingesetzte S. cerevisiae-Stämme 3.2.2 Nährmedien und Kultivierung 3.3 Gewinnung von rekombinanten, in S. cerevisiae exprimierten Enzymen 3.3.1 Gewinnung von β-Lactamase-haltigen Kulturüberständen und gereinigter MFα-TEM-1-His 3.3.2 Zellaufschluss zur Gewinnung der intrazellulären Enzyme 3.4 Einsatz der rekombinanten Enzyme zur Umsetzung von β-Lactam- und Makrolid-Antibiotika 3.4.1 Herstellung und Lagerung von Antibiotika-Stammlösungen, internen Standards und Pufferlösungen 3.4.1.1 Antibiotika-Stammlösungen 3.4.1.2 Interne Standards 3.4.1.3 Herstellung von Kaliumphosphatpuffer 3.4.2 Einsatz von enzymhaltigen Kulturüberstand 3.4.2.1 Nitrocefin-Assay 3.4.2.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.2.3 Variation der Antibiotika Konzentration 3.4.2.4 Untersuchungen mit TEM-8-haltigen Kulturüberständen 3.4.3 Einsatz von gereinigter TEM-1 β-Lactamase 3.4.3.1 Proteinbestimmung 3.4.3.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.3.3 Variation der Enzymkonzentration 3.4.3.4 Einfluss der Art des Puffers 3.4.3.5 Pufferkonzentration und Leitfähigkeit 3.4.3.6 Variation des pH Wertes 3.4.3.7 Einfluss der Temperatur 3.4.3.8 Variation des eingesetzten β-Lactam-Antibiotikums (Substrat) 3.4.3.9 Variation der AMP-Konzentration 3.4.3.10 Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstante Km bei der AMP-Umsetzung mittels TEM-1-His 3.4.3.11 Aktivität und Stabilität der TEM-1-His in Realwässern 3.4.3.12 Bestimmung der spezifischen Enzymaktivität 3.4.4 Einsatz von zellfreien Rohextrakten 3.4.4.1 Allgemeine Versuchsbedingungen 3.4.4.2 Untersuchungen zur Esterase Ere-A 3.5 LC-MS/MS-Analytik 3.5.1 Probenvorbereitung und Herstellung von Kalibrierstandards 3.5.2 HPLC-Parameter 3.5.2.1 Zusammensetzung der Eluenten 3.5.2.2 HPLC-Methoden 3.5.3 Massenspektrometrische Parameter 3.5.4 Auswertung mittels Analyst 3.5.5 Leistungsgrenzen für die qualitative und quantitative AMP Bestimmung 3.5.6 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Einsatz von TEM-1-haltigem Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.1.1 Entwicklung einer Versuchsvorschrift zum Nachweis der Enzymaktivität gegenüber β-Lactam-Antibiotika im Kulturüberstand 4.1.1.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität mittels Nitrocefin-Assay 4.1.1.2 Versuche mit β-Lactam-Antibiotika 4.1.1.3 Probenvorbereitung 4.1.2 Optimierung einer HPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung von β-Lactam-Antibiotika unter Berücksichtigung der Probenmatrix 4.1.3 Nachweis der Antibiotika Umsetzung mit TEM-1-haltigen Kulturüberständen 4.1.4 Wirksamkeit der TEM-1-haltigen Kulturüberstände in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.1.4.1 Einfluss der Enzymkonzentration 4.1.4.2 Einfluss der Leadersequenz 4.1.4.3 Einfluss des pH-Wertes 4.1.4.4 Einflüsse auf die Enzymkonzentration im Kulturüberstand 4.1.4.5 Enzymatische Stabilität bei Lagerung 4.1.4.6 Variation der Substratkonzentration 4.1.4.7 Substratspezifität 4.1.5 Zwischenfazit 4.2 Einsatz von TEM-8-haltigem-Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.2.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-8 4.2.1.1 Auswahl der Modellsubstanzen AMP und CEF 4.2.1.2 Versuche zum Nachweis der TEM-8-Aktivität in nicht-gepuffertem Kulturüberstand 4.2.1.3 Nachweis der TEM-8-Aktivität unter Verwendung von MES-gepuffertem Kulturmedium 4.2.2 Wirksamkeit der TEM-8-haltigen Kulturüberständen in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.2.2.1 Einfluss der Leadersequenz 4.2.2.2 Einfluss des Polyhistidin-tags 4.2.2.3 Substratspezifität 4.2.3 Vergleich TEM-1 und TEM-8 4.2.3.1 Prinzipielle Unterschiede in der Kultivierung zur Gewinnung von TEM-8 4.2.3.2 Versuche zur AMP-Umsetzung 4.2.3.3 Abnahme der AMP-Konzentration in den Kontrollproben 4.2.3.4 Versuche zur CEF-Umsetzung 4.2.4 Zwischenfazit 4.3 Einsatz von isolierter TEM-1-His zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.3.1 Nachweis der Enzymaktivität 4.3.2 Wirksamkeit des Enzyms TEM-1-His in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.3.2.1 Variation der Enzymkonzentration 4.3.2.2 Variation der Pufferkonzentration und Pufferart 4.3.2.3 Variation des pH-Wertes 4.3.2.4 Variation der Temperatur 4.3.2.5 Variation des Substrates 4.3.2.6 Variation der Substratkonzentration 4.3.2.7 Kinetik der enzymatischen Reaktion mit TEM-1-His 4.3.2.8 Untersuchungen zur Umsetzung in Realwässern 4.3.2.9 Langzeitstabilität der isolierten TEM-1-His 4.3.3 Zwischenfazit: spezifische enzymatische Aktivität der TEM-1-His in Abhängigkeit von verschiedenen Versuchsparametern 4.4 Einsatz von Esterase Ere-A-haltigen Rohextrakten 4.4.1 Nachweis der Enzymaktivität im Rohextrakt 4.4.2 Wirksamkeit der Esterase Ere-A in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.4.2.1 Einfluss verschiedener Puffer 4.4.2.2 Einfluss von C- und N-terminal angefügten Sequenzen 4.4.2.3 Substratspezifität 4.4.3 Zwischenfazit 4.5 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4.5.1 Vorbemerkungen 4.5.2 Transformationsprodukte bei der Umsetzung von β-Lactam-Antibiotika 4.5.3 Einsatz der Esterase Ere A zur Transformation von Makrolid-Antibiotika 4.5.3.1 Transformationsprodukte von Erythromycin 4.5.3.2 Transformationsprodukte von Clarithromycin 4.5.3.3 Transformationsprodukte von Roxithromycin 4.5.4 Zwischenfazit 5 Zusammenfassung 6 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A-1 Weitere Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie A-2 Verwendete Geräte und Chemikalien A-3 HPLC-Methoden A-4 Massenspektrometrische Parameter A-5 Erster Versuch zum Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-1-haltigen Kulturüberstand A-6 Nachweis der Inhibitorwirkung von Sulbactam in Kombination mit TEM-1-His A-7 TEM-1: Variation der Substratkonzentration A-8 TEM-8: Substratspezifität A-9 Vergleich der AMP-Umsetzung mit TEM-1- und TEM-8-haltigen Kulturüberständen sowie den Rohextrakten A-10 TEM-1-His: Variation des pH-Wertes A-11 TEM-1-His: Substratspezifität A-12 Ere-A: Variation der Puffer A-13 Ere-A: Substratspezifität Selbstständigkeitserklärung / Antibiotics play an important role in human and veterinary medicine for the treatment of bacterial infectious diseases. However, regarding the known correlation between the quantities of antibiotics applied and the frequency of resistant organisms, the improper and excessive use of these antibacterial agents leads to serious problems. Their presence in the environment is largely caused by sewage systems due to their incomplete removal in conventional wastewater treatment plants. Therefore, besides avoidance and reduction strategies, one approach to address this issue is to develop innovative technologies for the removal of antibiotic residues from water. The biological method developed and characterized within this work is based on genetically modified Saccharomyces cerevisiae cells, which secrete special enzymes that can be used for the transformation of antibiotics. The enzymatic hydrolysis of the β-lactam-antibiotic ampicillin by the β-lactamase TEM-1 was employed as a model system. By using enzyme-containing yeast culture supernatants, it was possible to prove the suitability of the developed system for the removal of the mentioned antibiotic. The obtained results with other β-lactam-antibiotics showed in accordance with the literature, that TEM-1 was able to hydrolyse penicillins and the cephalosporins of the first-generation. Taking TEM-8 as an example, the transferability of this expression system to alternative lactamase was successfully demonstrated. The activity of this enzyme toward an extended substrate spectrum, which includes not only penicillins but also monobactams and cephalosporins up to the fourth-generation, could be confirmed. The histidine-tagged purified TEM-1-His was used to systematically investigate the influence of various factors, such as temperature, substrate concentration or pH value, independently from the matrix of the yeast culture supernatants. Furthermore, the transferability of the results from model to real water (e. g. influent and effluent from a sewage treatment plant) was investigated with the result that TEM-1 was at least temporarily active in all tested matrices. In order to be able to transform other classes of antibiotics, esterase Ere-A-producing cells were employed to transform macrolide antibiotics, such as erythromycin. The analysis of the formed transformation products revealed that the antibacterial activity is irreversibly lost by the hydrolytic cleavage of the β-lactam or macrolide ring. Therefore, the biological process can be generally used for the selective inactivation of antibiotics, affording a considerable acceleration of the naturally occurring transformation process as its greatest advantage. This method is considered to be a complementary technology for the treatment of concentrates and water from special applications.:Glossar Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Antibiotika und Antibiotikaresistenzen 2.1.1 Antibiotika: Definition, Bedeutung, Einsatzmengen, Klassifikation 2.1.2 Wirkmechanismen: Antibiotika versus Antibiotikaresistenzen 2.1.3 Antibiotika und antibiotikaresistente Organismen in der Umwelt 2.1.4 β-Lactam-Antibiotika 2.1.5 Resistenzen gegenüber β-Lactam-Antibiotika 2.1.6 Makrolid-Antibiotika 2.1.7 Resistenzen gegenüber Makrolid-Antibiotika 2.2 Gentechnische Methoden zur gezielten Proteinbiosynthese 2.3 Der eukaryotische Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae 2.4 Enzymkinetik 2.5 Spurenstoffanalytik mittels LC-MS/MS-Technik 2.5.1 Einleitung, Entwicklung und Bedeutung 2.5.2 Elektrospray-Ionisation 2.5.3 Der Quadrupol als Massenanalysator 2.5.4 Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie 3 Material und Methoden 3.1 Verwendete Geräte und Chemikalien 3.2 Arbeiten mit gentechnisch veränderte S. cerevisiae-Zellen 3.2.1 Eingesetzte S. cerevisiae-Stämme 3.2.2 Nährmedien und Kultivierung 3.3 Gewinnung von rekombinanten, in S. cerevisiae exprimierten Enzymen 3.3.1 Gewinnung von β-Lactamase-haltigen Kulturüberständen und gereinigter MFα-TEM-1-His 3.3.2 Zellaufschluss zur Gewinnung der intrazellulären Enzyme 3.4 Einsatz der rekombinanten Enzyme zur Umsetzung von β-Lactam- und Makrolid-Antibiotika 3.4.1 Herstellung und Lagerung von Antibiotika-Stammlösungen, internen Standards und Pufferlösungen 3.4.1.1 Antibiotika-Stammlösungen 3.4.1.2 Interne Standards 3.4.1.3 Herstellung von Kaliumphosphatpuffer 3.4.2 Einsatz von enzymhaltigen Kulturüberstand 3.4.2.1 Nitrocefin-Assay 3.4.2.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.2.3 Variation der Antibiotika Konzentration 3.4.2.4 Untersuchungen mit TEM-8-haltigen Kulturüberständen 3.4.3 Einsatz von gereinigter TEM-1 β-Lactamase 3.4.3.1 Proteinbestimmung 3.4.3.2 Allgemeine Vorgehensweise und Standardversuchsbedingungen 3.4.3.3 Variation der Enzymkonzentration 3.4.3.4 Einfluss der Art des Puffers 3.4.3.5 Pufferkonzentration und Leitfähigkeit 3.4.3.6 Variation des pH Wertes 3.4.3.7 Einfluss der Temperatur 3.4.3.8 Variation des eingesetzten β-Lactam-Antibiotikums (Substrat) 3.4.3.9 Variation der AMP-Konzentration 3.4.3.10 Bestimmung der Michaelis-Menten-Konstante Km bei der AMP-Umsetzung mittels TEM-1-His 3.4.3.11 Aktivität und Stabilität der TEM-1-His in Realwässern 3.4.3.12 Bestimmung der spezifischen Enzymaktivität 3.4.4 Einsatz von zellfreien Rohextrakten 3.4.4.1 Allgemeine Versuchsbedingungen 3.4.4.2 Untersuchungen zur Esterase Ere-A 3.5 LC-MS/MS-Analytik 3.5.1 Probenvorbereitung und Herstellung von Kalibrierstandards 3.5.2 HPLC-Parameter 3.5.2.1 Zusammensetzung der Eluenten 3.5.2.2 HPLC-Methoden 3.5.3 Massenspektrometrische Parameter 3.5.4 Auswertung mittels Analyst 3.5.5 Leistungsgrenzen für die qualitative und quantitative AMP Bestimmung 3.5.6 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Einsatz von TEM-1-haltigem Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.1.1 Entwicklung einer Versuchsvorschrift zum Nachweis der Enzymaktivität gegenüber β-Lactam-Antibiotika im Kulturüberstand 4.1.1.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität mittels Nitrocefin-Assay 4.1.1.2 Versuche mit β-Lactam-Antibiotika 4.1.1.3 Probenvorbereitung 4.1.2 Optimierung einer HPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung von β-Lactam-Antibiotika unter Berücksichtigung der Probenmatrix 4.1.3 Nachweis der Antibiotika Umsetzung mit TEM-1-haltigen Kulturüberständen 4.1.4 Wirksamkeit der TEM-1-haltigen Kulturüberstände in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.1.4.1 Einfluss der Enzymkonzentration 4.1.4.2 Einfluss der Leadersequenz 4.1.4.3 Einfluss des pH-Wertes 4.1.4.4 Einflüsse auf die Enzymkonzentration im Kulturüberstand 4.1.4.5 Enzymatische Stabilität bei Lagerung 4.1.4.6 Variation der Substratkonzentration 4.1.4.7 Substratspezifität 4.1.5 Zwischenfazit 4.2 Einsatz von TEM-8-haltigem-Kulturüberstand zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.2.1 Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-8 4.2.1.1 Auswahl der Modellsubstanzen AMP und CEF 4.2.1.2 Versuche zum Nachweis der TEM-8-Aktivität in nicht-gepuffertem Kulturüberstand 4.2.1.3 Nachweis der TEM-8-Aktivität unter Verwendung von MES-gepuffertem Kulturmedium 4.2.2 Wirksamkeit der TEM-8-haltigen Kulturüberständen in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.2.2.1 Einfluss der Leadersequenz 4.2.2.2 Einfluss des Polyhistidin-tags 4.2.2.3 Substratspezifität 4.2.3 Vergleich TEM-1 und TEM-8 4.2.3.1 Prinzipielle Unterschiede in der Kultivierung zur Gewinnung von TEM-8 4.2.3.2 Versuche zur AMP-Umsetzung 4.2.3.3 Abnahme der AMP-Konzentration in den Kontrollproben 4.2.3.4 Versuche zur CEF-Umsetzung 4.2.4 Zwischenfazit 4.3 Einsatz von isolierter TEM-1-His zur Transformation von β-Lactam-Antibiotika 4.3.1 Nachweis der Enzymaktivität 4.3.2 Wirksamkeit des Enzyms TEM-1-His in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.3.2.1 Variation der Enzymkonzentration 4.3.2.2 Variation der Pufferkonzentration und Pufferart 4.3.2.3 Variation des pH-Wertes 4.3.2.4 Variation der Temperatur 4.3.2.5 Variation des Substrates 4.3.2.6 Variation der Substratkonzentration 4.3.2.7 Kinetik der enzymatischen Reaktion mit TEM-1-His 4.3.2.8 Untersuchungen zur Umsetzung in Realwässern 4.3.2.9 Langzeitstabilität der isolierten TEM-1-His 4.3.3 Zwischenfazit: spezifische enzymatische Aktivität der TEM-1-His in Abhängigkeit von verschiedenen Versuchsparametern 4.4 Einsatz von Esterase Ere-A-haltigen Rohextrakten 4.4.1 Nachweis der Enzymaktivität im Rohextrakt 4.4.2 Wirksamkeit der Esterase Ere-A in Abhängigkeit von ausgewählten Randbedingungen 4.4.2.1 Einfluss verschiedener Puffer 4.4.2.2 Einfluss von C- und N-terminal angefügten Sequenzen 4.4.2.3 Substratspezifität 4.4.3 Zwischenfazit 4.5 Charakterisierung von Transformationsprodukten 4.5.1 Vorbemerkungen 4.5.2 Transformationsprodukte bei der Umsetzung von β-Lactam-Antibiotika 4.5.3 Einsatz der Esterase Ere A zur Transformation von Makrolid-Antibiotika 4.5.3.1 Transformationsprodukte von Erythromycin 4.5.3.2 Transformationsprodukte von Clarithromycin 4.5.3.3 Transformationsprodukte von Roxithromycin 4.5.4 Zwischenfazit 5 Zusammenfassung 6 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A-1 Weitere Analysenmodi bei der Tandem-Massenspektrometrie A-2 Verwendete Geräte und Chemikalien A-3 HPLC-Methoden A-4 Massenspektrometrische Parameter A-5 Erster Versuch zum Nachweis der enzymatischen Aktivität von TEM-1-haltigen Kulturüberstand A-6 Nachweis der Inhibitorwirkung von Sulbactam in Kombination mit TEM-1-His A-7 TEM-1: Variation der Substratkonzentration A-8 TEM-8: Substratspezifität A-9 Vergleich der AMP-Umsetzung mit TEM-1- und TEM-8-haltigen Kulturüberständen sowie den Rohextrakten A-10 TEM-1-His: Variation des pH-Wertes A-11 TEM-1-His: Substratspezifität A-12 Ere-A: Variation der Puffer A-13 Ere-A: Substratspezifität Selbstständigkeitserklärung