ETH Library Biotransformation of amine- containing micropollutants in activated sludge PH-dependency and biotransformation reactions Doctoral Thesis Author(s): Gulde, Rebekka K. Publication date: 2015 Permanent link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-010602038 Rights / license: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information, please consult the Terms of use. DISS. ETH NO. 23108 BIOTRANSFORMATION OF AMINE-CONTAINING MICROPOLLUTANTS IN ACTIVATED SLUDGE: pH-DEPENDENCY AND BIOTRANSFORMATION REACTIONS A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by REBEKKA KAROLINA GULDE Dipl.-Chem., Karlsruher Institut für Technologie born on 18.08.1984 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. Kristopher McNeill, examiner PD Dr. Kathrin Fenner, co-examiner Prof. Dr. Damian E. Helbling, co-examiner Prof. Dr. Christopher P. Higgins, co-examiner 2015 Dank Mein grösster Dank gilt meiner Betreuerin Kathrin Fenner. Sie hat mir die Möglichkeit gegeben meine Dissertation zu einem sehr spannenden und umweltrelevanten Thema durchzuführen. Das Themengebiet der Umweltchemie war für mich als Diplomandin mit Hintergrund in der Theoretischen Chemie neu und ich bin sehr dankbar für diese Möglichkeit und ihr Vertrauen. Viele gemeinsame Diskussionen haben nicht nur zu diesererfolgreichenArbeitgeführt,sondernauch,dassich,wieichfinde,dieFähigkeiten gelernt habe, die man einem Doktor zuspricht. Besonders geschätzt habe ich zudem, dass Kathrin mir zum einen die Freiheit gegeben hat selbst herauszufinden wie und was die nächsten Schritte sind, mich zum anderen aber sehr intensiv betreut hat z. B. beim Schreiben der wissenschaftlichen Texte. A huge thank you goes to Damian Helbling. While he was still at Eawag, Damian taught me nearly everything about the experimental work. His door was always open and during many discussions with him (including late nights over beer), I learned a lot about the different aspects of science. Furthermore, I am very thankful for his exhaustive feedback to our manuscripts from overseas. They were crucial for the development of a consistent storyline. Finally, thank you for coming over the great ocean to my exam. I would also like to thank my Doktorvater Kris McNeill and my external co-examiner Chris Higgins for being members of my committee. Des Weiteren möchte ich all denen Danken, die ausserdem direkt zu der vorliegen- den Arbeit beigetragen haben: Andreas Scheidegger für seine Unterstützung bzgl. der statistischen Auswertung mit Bayessischer Inferenz; Ulf Meier für die Entwick- lung der non-target Methode mit Sieve und der Aufklärung einiger Strukturen; Emma Schymanksi für viele wertvolle Diskussionen über Strukturaufklärung, die gemeinsame i Dank Entwicklung der Levels, die vieles vereinfachen, die Durchsicht aller 101 (!) Struktur- deutungen, und die Aufnahme der Daten in MassBank; Hans-Peter Kohler für die sehr intensive Diskussion der Biotransformationsreaktionen; Samuel Derrer für die Synthese einiger TP-standards; Daniel Rentsch für das Messen und Interpretieren der NMR- Daten; und Adriano Joss sowie Jennifer Schollee für wertvolle Diskussionen über die vorliegende Arbeit. Während meines Doktorats durfte ich vier Semesterarbeiten und zwei Masterarbeiten (mit)betreuen, die nicht nur zum wissenschaftlichen Verständnis beigetragen haben, sondern durch die ich auch viel über das Betreuen an sich lernen konnte. Mein her- zlicher Dank geht an Pascal Wallimann, Rebekka Schwaninger/Teichler, Johanna Otto und Ulf Meier. Im Speziellen möchte ich Ulf für seine Treue über drei Arbeiten hinweg danken. Ein ganz besonderer Dank geht an Jennifer Schollee. Durch die vielen Diskussio- nen mit Jen über diverse Aspekte unserer Arbeiten, des ganzen Themengebiets sowie der Wissenschaft an sich hatte ich das Gefühl die Wissenschaft tatsächlich zu leben. Ausserdem möchte ich Dir für die Korrektur meiner englischen Texte danken. Ich bin sehr dankbar, dass ich diese Arbeit innerhalb des sehr unterstützenden und angenehmen Umfelds der Uchem Abteilung bzw. der ganzen Eawag durchführen kon- nte. Viele verschiedene Personen haben mich innerhalb meiner Arbeit unterstützt, zu einer hervorragenden Atmosphäre beigetragen, haben mir lustige Stunden im Büro oder Labor verschafft oder sind über die Arbeit hinaus Freunde geworden, die ich an Abenden, Wochenenden und in den Ferien nicht mehr missen möchte. Ein herzliches Dankeschön geht an Alfi, Andrea, Anne, Aurea, Birgit, Christa, Christian, Christoph, Devon, Diogo, Fred, Heinz, Irene, Jana, Jelena, Jen, Jonas, Jürgen, Juliane, Kov, Laura, Luba, Marc, Martin Loos, Marita, Matze, Michele, Michi, Nico, Nicole, Philipp, Richi, RoKi, Sabine, Sarah, Supergötti, Stefan, Stephie, Thomas, Tobi, Yuije und viele mehr! Ausserdem gibt’s noch ein Leben neben der Arbeit. Deshalb möchte ich meiner Familie danken, die mich bei allen meinen Vorhaben immer unterstützt hat. Ein grosses Danke dafür an: Mama, Papa, Andrea, Benny, Micha, Flori, Christine, Manu, Susi, Marlene, Kilian, Johanna, Louis und Tamino. Ganz besonders dankbar bin ich Tamino dafür, dass Du bei uns warst! Wegen Dir habe ich kaum eine schlaflose Nacht wegen dieser ii Dank Doktorarbeit verbracht. Du hast mir gezeigt was wirklich wichtig ist. Den Lindy Hop Tänzern möchte ich für den fröhlichen Ausgleich danken, allen voran Sue, Roli, David und Mirjam. Auch der regelmässige Yogaunterricht hat sehr zum Ausgleich beigetragen. Bedanken möchte ich mich zudem bei all denen, die mir beim Umbau meiner Bude geholfen haben sowie allen anderen, die ich ich zu meinen Fre- unden zählen darf. Zum Schluss möchte ich noch Tobi danken. Du hast Dir viele langweilige Details meiner Arbeit angehört, mich trotzdem lecker bekocht und mir viele schöne Stunden der Ablenkung bereitet. iii Dank iv Table of contents Summary vii Zusammenfassung xi 1 Introduction 1 1.1 Behavior of micropollutants during wastewater treatment . . . . . . . 2 1.1.1 Removal efficiencies and influencing factors during activated sludge treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Transformation reactions during activated sludge treatment . . 5 1.2 Pertinent structural features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.1 Why focus on one specific functional group? . . . . . . . . . . 6 1.2.2 The amine functional group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Methodological approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.1 Compound selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.2 Laboratory-based batch experiments . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.3 Chemicalanalysisbasedonliquid-chromatographyhigh-resolution tandem mass spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 pH-dependent biotransformation of ionizable organic micropollutants in activated sludge 13 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1 Micropollutant selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 Biotransformation test system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.3 Analytical method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.4 Estimation of kinetic parameters . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.1 Operating conditions in pH-controlled batch experiments . . . . 23 2.3.2 Concentration time series and kinetic parameter estimation . . 24 v Table of contents 2.3.3 Interpretation of pH-dependence of biotransformation rate con- stants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4 Interpretation of sorption coefficients . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.5 Environmental relevance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3 Systematicexplorationofbiotransformationreactionsofamine-containing micropollutants in activated sludge 35 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 Micropollutant selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.2 Biotransformation test system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.3 Analytical method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.4 Transformationproductidentificationbysuspectandnon-target screening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.5 Structure elucidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.6 Assignment of biotransformation reactions . . . . . . . . . . . 41 3.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1 Biotransformation reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.1.1 N-oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3.1.2 α-C-hydroxylationandsubsequentN-dealkylation,ox- idation to amides, or dehydration to iminium species . 49 3.3.1.3 N-acylation of secondary and primary amines . . . . . 51 3.3.1.4 Further biotransformation reactions . . . . . . . . . . 54 3.3.1.5 Metabolic logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.2 Implications for pathway prediction . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3.3 Environmental relevance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4 Conclusions and outlook 61 4.1 pH-dependent biotransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2 Biotransformation reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4 Proposal for a research project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Appendix A: supporting information to Chapter 2 69 Appendix B: supporting information to Chapter 3 89 Appendix C: list of abbreviations 301 Literature 305 Curriculum vitae 319 vi Summary A variety of organic micropollutants (MPs) enter wastewater treatment plants (WWTPs). Conventional activated sludge (CAS) treatment is one of the most im- portant treatment steps to reduce the MP load to receiving water bodies. However, the removal of MPs during wastewater treatment is often not complete, and can lead to the formation of stable transformation products (TPs). Evidence is increasing that the receiving aquatic ecosystems are negatively affected by anthropogenic chemicals. To reduce the risk originating from the mixture of countless MPs and their TPs which are discharged from WWTPs, wastewater treatment can either be adjusted to yield a better removal of MPs, or prevalent MPs that have a high risk potential (either them- selves or through TPs) can be restricted or banned by authorities. Both approaches rely on a better understanding of what influences the removal of MPs and which TPs are formed during activated sludge treatment. Several studies that tried to investi- gate these processes for a limited set of structurally diverse MPs have shown that studying MPs with a confined set of structural features is a necessary complement to obtain a more fundamental understanding and, hence, more predictive power. The amine functional group is highly abundant in wastewater-relevant MPs and most of the amine-containing MPs are polar organical compounds. The pH-dependent speciation of these compounds is an important aspect also relevant for many other functional groups in polar organic MPs. For these compounds, the most relevant removal process during CAS treatment is biotransformation, whereas sorption is known to be of minor importance. Therefore, thefollowingresearchquestionswereaddressedwithinthisthesis: Howdoes pH influence biotransformation and what kind of biotransformation reactions occur for amine-containing MPs during activated sludge treatment? vii