RiSKWa - Verbundprojekt RISK-IDENT: Bewertung bislang nicht identifizierter anthropogener Spurenstoffe sowie Handlungsstrategien zum Risikomanagement im aquatischen System, Teilprojekt 2
Viele anthropogene Spurenstoffe, z. B. Arzneimittelwirkstoffe und Biozide gelangen täglich mit unserem Abwasser in die Kläranlagen. Da für viele dieser Verbindungen die üblichen Abwasserreinigungsverfahren nach heutigem Stand der Technik nicht ausreichend effizient sind, werden sie häufig schlecht eliminiert. Wenn die Spurenstoffe abgebaut werden, werden sie in oft unbekannte Transformationsprodukte umgewandelt. Mit dem gereinigten Abwasser gelangen die Spurenstoffe und ihre Transformationsprodukte somit anschließend in die Gewässer. Dort können sie Auswirkungen auf die im Wasser lebenden Organismen haben. Wird das Wasser weiter genutzt, z. B. über Uferfiltration Rohwasser für Trinkwasserzwecke gewonnen, können die Spurenstoffe und ihre Transformationsprodukte in das Rohwasser gelangen. Viele dieser Spurenstoffe und Transformationsprodukte werden bei derzeitigen Routineanalysen nicht erfasst. Auch weiß man meistens noch wenig darüber, welche Transformationsprodukte entstehen und ob sie die Organismen im Wasser schädigen können.
Ziel des Projektes
Ziel des vom BMBF geförderten Projektes war es, eine Strategie zu entwickeln, um bisher unbekannte Spurenstoffe in Wasserproben zu identifizieren. Hierzu wurde die Datenbank STOFF-IDENT aufgebaut. Diese enthält die Kenndaten potenziell gewässerrelevanter Stoffe, unterstützt die analytischen Schritte des Non- und Suspected-Target Screenings und integriert bereits bestehende analytische Datenbanken, wie zum Beispiel DAIOS, sowie zusätzliche analytische Werkzeuge, wie zum Beispiel die Spektrendatenbank MassBank. Zurzeit befinden sich mehr als. 9000 Stoffe in der Datenbank.
Vorgehensweise
Um Laboratorien die Identifizierung von bis dahin unbekannten Spurenstoffen zu erleichtern, enthält die Datenbank zu allen Stoffen deren CAS-Nummer, Namen, Summenformel, monoisotopische Masse, Strukturformel, physikalisch-chemische Informationen wie Hydrophobizität (logP, logD) und Wasserlöslichkeit sowie wenige Metadaten wie z. B. Mengenbandangaben gemäß REACH-Verordnung. Auch der Retentionszeitindex lässt sich mit STOFF-IDENT direkt nutzen. Über die in STOFF-IDENT hinterlegten logPWerte lassen sich Retentionszeiten zuordnen. Somit kann der Abgleich von exakter Masse und RTI mit Datenbankeinträgen zu plausibleren Summenformeln und Strukturvorschlägen führen. Beim direkten Einlesen der analytisch gemessenen Parameter Retentionszeit und exakte Masse in STOFF-IDENT werden für die einzelnen Wertepaare automatisch Substanzvorschläge generiert. Als weiteres Tool für das Suspected- und Non-Target Screening wird die Datenbank DAIOS (Database Assisted Identification of Organic Substances) eingesetzt, die ursprünglich vom Zweckverband Landeswasserversorgung entwickelt wurde und im Rahmen des Projektes von den Bioinformatikern der HSWT, Placht und Luthardt, grundsätzlich neu überarbeitet wurde. Während STOFF-IDENT überwiegend physikalisch-chemische Daten enthält, ist DAIOS ein Datenpool für Metadaten – hinterlegt sind zum Beispiel Hinweise auf Abbauwege und MS|MS-Fragmente.
Datenbank STOFF-IDENT
Die Implementierung der Datenbank STOFF-IDENT und die Überarbeitung von DAIOS wurden an der HSWT durchgeführt, maßgeblich von Herrn Marco Luthardt. Die Daten selbst sind in einer relationalen Oracle DB Datenbank hinterlegt. Im Entwicklungszeitraum wurden die Daten in einer MariaDB hinterlegt. Durch den Austausch der Schnittstellen und einer neuen Konfiguration wird im Produktiveinsatz eine Oracle DB verwendet. Die Webapplikation für den Zugriff auf die Daten ist in einzelne Softwarekomponenten unterteilt. Jede Komponente stellt ein sogenanntes OSGi Bundle dar. Die Darstellung der Informationen – die GUI (Graphical User Interface) – ist über Eclipse RAP (Web Framework) realisiert. Dabei ist die GUI wie eine Eclipse Rich Client Platform Anwendung realisiert worden, wobei mit Hilfe von Eclipse RAP eine Darstellung mittels HTML Elemente möglich ist.
Ausblick / Folgeprojekt
Das Projekt RISK-IDENT wurde vom BMBF so positiv bewertet, dass für weitere zwei Jahre ein Nachfolgeprojekt mit dem Titel: „FOR-IDENT: Fortschritte in der Identifizierung organischer Spurenstoffe _ Zusammenführen der Hilfsmittel und Standardisierung der Suspected- und Non-Target Analytik“ finanziert wird, an dem auch wieder die HSWT als Partner beteiligt ist.
Workshop "STOFF-IDENT" 2013
Am 18. und 19. April 2013 fand zur Projekthalbzeit von RISK-IDENT an der HSWT in Weihenstephan der Workshop „STOFF-IDENT & openMASP“ statt. Als Teilnehmer des Workshops konnten Vertreter namhafter Hersteller chemisch analytischer Geräte und Wissenschaftler aus dem Bereich der chemischen Analytik aus Deutschland und dem deutschsprachigen Ausland begrüßt werden. Insgesamt waren 40 Teilnehmer anwesend. In Bereich „STOFF-IDENT“ wurde der aktuelle Entwicklungsstand der Datenbank vorgestellt und wertvolle Anregungen für die Weiterentwicklung eingeholt. Vor allem das Feedback der wissenschaftlichen Besucher war für die Vertreter vom hohen Interesse. Die Projektpartner des LfU und der TUM zeigten erste Anwendungsszenarien von STOFF-IDENT und anderen Tools, wie z.B. die Berechnung des RTI-Index, um spektrometrische Daten vergleichbar zu machen.
