内分泌撹乱化合物(EDC)は、水生環境に対して実質的なリスクをもたらします。都市廃水処理プラントは地表水のエストロゲン効力に対する主要な貢献者です。このホワイトペーパーで提供方法論は、EDCの除去に関して、廃水処理プロセスの有効性と適合性の評価が可能になります。
Endocrine Disrupting Compounds pose a substantial risk to the aquatic environment. Ethinylestradiol (EE2) and estrone (E1) have recently been included in a watch list of environmental pollutants under the European Water Framework Directive. Municipal wastewater treatment plants are major contributors to the estrogenic potency of surface waters. Much of the estrogenic potency of wastewater treatment plant (WWTP) effluents can be attributed to the discharge of steroid estrogens including estradiol (E2), EE2 and E1 due to incomplete removal of these substances at the treatment plant. An evaluation of the efficacy of wastewater treatment processes requires the quantitative determination of individual substances most often undertaken using chemical analysis methods. Most frequently used methods include Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GCMS/MS) or Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (LCMS/MS) using multiple reaction monitoring (MRM). Although very useful for regulatory purposes, targeted chemical analysis can only provide data on the compounds (and specific metabolites) monitored. Ecotoxicology methods additionally ensure that any by-products produced or unknown estrogenic compounds present are also assessed via measurement of their biological activity. A number of in vitro bioassays including the Yeast Estrogen Screen (YES) are available to measure the estrogenic activity of wastewater samples. Chemical analysis in conjunction with in vivo and in vitro bioassays provides a useful toolbox for assessment of the efficacy and suitability of wastewater treatment processes with respect to estrogenic endocrine disrupting compounds. This paper utilizes a battery of chemical and ecotoxicology tests to assess conventional, advanced and emerging wastewater treatment processes in laboratory and field studies.
野生生物の生殖に関する健康上の化合物を内分泌かく乱の影響に関する懸念は、水枠組み指令(WFD)の下の「ウォッチリスト」の2つのエストロゲン様物質(エストラジオール及びエチニルエストラジオール)を配置するために、欧州連合(EU)をリードしてきました。 EDCは、天然および合成ステロイドエストロゲン、医薬品、農薬、および工業用化学物質や野生生物に関する既知の悪影響を消費者製品の成分を含む化学クラス、さまざまなを包含する。これらの化合物のいくつかは、潜在的に人間の健康1に影響を与える可能性があります 。
研究は、WWTPからの流出物は、2を魚にエストロゲンであることが示されている、結果として多くの水域は、魚類3にエストロゲンでもあります。これは最初の野生のオスの魚の血と高前で増加ビテロゲニン濃度(女性特有の卵黄タンパク質前駆体4)を示したイギリスの国民の調査を通して実証されました通常gonochoristic魚種5,6における半陰陽の価数(オス魚の精巣に卵および/ または女性の生殖管の開発)。
従来の下水処理は、一般的に溶解し、有機物を中断削除し、プライマリとセカンダリの両方の処理を行った予備スクリーニングからなる3段階のプロセスです。個々のEDCの除去の有効性は、物質の物理化学的特性にして適用処理プロセスの有効性に依存します。吸着および生物学的分解を介して、多くのEDCの除去には有意であるが不完全である可能性があります。三次処理、砂ろ過として、(例えば、オゾンなど)の高度な酸化を使用して高度処理のに対し、EDCの除去7を増加させるのに有効であることができ、または活性炭を完全に除去7の近くに達成するのに有効であることができます。
廃水処理旧姓のための新しい技術の評価EDCの除去で提案されたプロセスの有効性を決定するために、DS。対象となる化学物質の生態毒性試験と一緒に分析、in vivoおよびin vitroのバイオアッセイで使用することを含むテストのバッテリーは、この目的のために総合的なデータを提供します。規制目的のために非常に有用であるが、標的化学分析は、監視対象の化合物(及び特定の代謝産物)に関するデータを提供することができます。バイオアッセイは、さらに、それ以外の場合は8,9を未検出であろう副産物代謝産物および治療 で生成された廃水変換の副作用の「検出」を可能にします。本論文では、原油と下水処理水のエストロゲン効力を除去し、水を受信する際に高度な新興廃水処理プロセスの数の有効性を評価するための化学的および生態毒性の実験室アッセイのバッテリーの使用を記載しています。
廃水処理プラントは、EDCと地表水汚染の主要経路です。 、従来の高度なまたは新興の処理プロセスの内分泌活性の除去の有効性の評価は、化学的および生物学的アッセイの様々なを使用する必要があります。非標的および標的分析を用いて化学分析は、個々の成分の除去の有効性に関する定性的または定量的なデータを提供し、したがって、評価が環境基準に対して行わまたは分析の化合物または化合物の混合物のための効果濃度を予測しないことを可能にします。
治療後の物質の不完全な鉱化作用に起因する変換生成物の生成と廃水中の未知の生物学的に活性な成分の存在だけでは、化学試験の有用性を制限します。 in vivoおよび分析化学者との併用のin vitroバイオアッセイでの組み合わせRYスクリーニングは、新興の排水処理プロセスによるEDCの除去の有効性を決定するための有用なツールボックスを提供します。伝統的な水質パラメータおよび他の毒性学的および微生物学的エンドポイントと一緒に行ったこれらのテストは、現在および新興の排水処理技術の重要な評価を可能にします。
ベースのエストロゲン画面( 例えば 、YES)は、化学物質や廃水のエストロゲン効力を決定するためのin vitroアッセイだけではないという酵母を注意することが重要です。安定にトランスフェクトされた哺乳動物細胞に基づくアッセイの数は、例えば、ER-CALUX 27およびヒト乳癌細胞又は子宮頸部腫瘍細胞と28hERα-たHeLa-9903はそれぞれ、あまりにも開発されてきました。 YESが類似哺乳類細胞ベースのアッセイと比較され、再現性の同等の高いレベルを有することが見出された、真陽性および真陰性のエストロゲン識別率29、althoぐふ時々 27わずかに感受性が低いことが考えられています。酵母ベースのレポーターアッセイの1つの利点は、それほど厳しくバイオ制御対策や滅菌技術を必要とする哺乳動物細胞培養での豊富な経験のないラボでYESをより容易に(YES必要に応じて作業台の上に行うことができます)、採用することができるということです。ヒトの細胞に基づくアッセイはまた、YESで使用される標準的なインキュベーターとマイクロプレートリーダーに比べてCO 2インキュベーターとルミノメーターを必要とします。業種を強調-二つの酵母ベースのエストロゲンレポーターアッセイ(YES、 サッカロマイセス・セレビシエおよびA-YES、Arxulaのadeninivorans)は、現在、ISO 19040「水のエストロゲンポテンシャルの決意と排水水質」の検証のための研究室間のコースを受けていますこれらの技術への関心。
潜在的な汚染を含んで記載されている方法の多くの制限があります。フィールドや実験室環境からまたはヒトの汚染( 例えば、可塑剤、界面活性剤、パーソナルケア製品)によって発信エストロゲン様物質とサンプリング、試料保存および分析中のサンプル。 YESアッセイ(または他の細胞ベースのレポーターアッセイ)における汚染のこのタイプは、バックグラウンドを上昇し、アッセイの使用に影響を与えます。ペットボトルに格納された水サンプルまたは溶媒が簡単に偽陽性を引き起こす可能性があります。 LCMS / MSとYESアッセイの両方が検出可能なレベルにエストロゲンを濃縮するためにSPEを必要とする偽陰性も懸念されています。マトリックスは、SPE吸着剤と溶出溶媒の選択は、抽出効率溶出化合物の種類に影響を与えることができます。高極性及び塩基性化合物は、難吸着剤によって保持されるように、このプロトコールに記載された条件を使用して抽出するためのC18 SPEカートリッジを使用して、負のバイアスを生成することができます。また、このプロトコルは、メタンから溶出YESの溶離液の再構成を必要としますオールは、揮発性化合物の損失をもたらす出資者の窒素を乾燥するまで蒸発によりエタノールへ。その結果、プロトコルは、試験した試料の過小評価エストロゲン活性を提供することができます。彼らは、抽出されていないか、またはそれらが蒸発により失われるため、未知または予期しない化合物は、見逃される可能性があるとして、YESアッセイを検討する際にこれらの制限は特に重要です。また、LCMS / MS技術は、標識された内部標準の使用は回復のために補正することができます。このアプローチはYESアッセイで使用することができません。
流出物のin vivo試験の重大な制限は、in vitroの方法に比べて評価のために必要とされる高コストと時間が含まれます。現在、エストロゲン活性を検出するために魚の胚試験の使用が制限されます。しかし、将来のアプリケーションを持っている可能性があり、魚の胚30を 、輝くエストロゲン応答遺伝子導入を生産するといくつかの成功がありました。このprotocで使用ファットヘッドミノー(オール)一般的な実験の種であり、男性の魚でVTGの誘導は、エストロゲン暴露と流出廃水のエストロゲン22または他のエストロゲン様化合物または混合物31の定量化可能な測定値の十分に立証されたバイオマーカーです。内分泌かく乱化学物質のためのOECDテストガイドラインは、VTGは、すべての3種におけるエストロゲン暴露の敏感なバイオマーカーであることで、大人のファットヘッドミノー、メダカとゼブラフィッシュ32,33を使用して検証されています。しかし、VTG誘導は直接ひどく陰陽ゴキブリ3に見られるように、生殖障害に相関し、したがって、排水曝露の生態影響しません。一方、ゴキブリは、それらの大きなサイズ、長い世代時間(2〜3年は、性的成熟に達するために)、生殖スタイルに生態毒性の研究のための古典的な「実験室の種」ではありません。グループ産卵(繁殖)が中以外(年に一度行われ、雌から雄性を識別するための難しさ産卵期)。しかし、この通常gonochoristic種は非常にうまくによるエストロゲン排水廃液の下流、オスの魚は彼らの内分泌学に( 例えば 、女性特有の彼らの血中ビテロゲニンの存在)および組織病 理学(ovotestisの複数形の摂動を示した発見に、英国で研究されています-精巣および/ または雌の生殖管)5,6に卵を開発。したがって、これらのプロトコルの将来の応用として、ローチ(または類似種)は排水の質(および減少エストロゲン)に真の改善が進んで処理された排水を受ける河川に見られているかどうかを示すために有用な野生センチネル種である可能性があります。彼らはまた、パイロット規模プラント7の技術的改良の流出物を監視するために配管システムの端部に用いることができます。 生体内排水評価でで使用する種検討する場合に比べて、実験室の種を使用して、比較的迅速かつ制御されたテストの間にトレードオフが存在します長いフィールド基づいていますが、在来種を使用してテストし、より環境に関連します。しかし、in vivoでの評価において 、このようなコスト高であり、唯一の化学分析およびin vitroアッセイを使用して評価を次のテストの最終セットとして考慮されるべきです。
記載されたプロトコル内の重要なステップは、準備とサンプルやガラス製品の取り扱いを含むプラスチックやとサンプルの接触を制限するなどの環境汚染物質からのサンプルの汚染を避けるために( すなわち、ボトルやサンプリング装置は、適切な界面活性洗浄剤で前処理する必要があります)偽陽性を生成することができる他の材料。水槽や魚露光システムを設計し、構築するとき、これは同様に重要です。理想的には水槽(住宅ストック及びエクスポージャーの間)は、最小限の汚染リスクが低い吸着32を有する材料から構築されるべきです。ステンレス鋼は、流出物または水保持タンクに使用することができます。ガラス構造のタンクを水槽に好適であるのに対し、(これはまた、魚の容易観察を提供するように)。低グレードのプラスチックパイプまたはチューブの使用は、32を避けるべきである、PVC 34とABS 'が適切に味付け」の場合に使用することができ、 すなわち、使用前に少なくとも12時間、希釈水を実行中の任意の汚染物を浸出するために放置しました。医療グレードのシリコンチューブはタンクに化学薬品や排水/希釈水の蠕動ポンプの送達のために、私たちの施設で正常に使用されています。だけでなく、水泳システムの構築と運営にエストロゲン汚染を考えると、魚の食生活を考えることも重要です。多くの可否魚食品は、魚のエストロゲンであることが見出されています。したがって、以前の研究のこれらのタイプでそれらを使用する(ベレスフォードら 14を参照してください、酵母エストロゲン画面で、 例えば )活性のために任意の食品をテストすることが重要です。
トラブルシューティング品質保証サンプルは、複数の旅行、研究室を含む、溶媒ブランクは偽陽性と偽陰性の結果を排除するためにポジティブコントロールと実際のサンプルと一緒に分析している場合は簡略化されて記載された化学分析YESまたはアッセイプロトコールの。陽性( 例えば 、EE2)と負(希釈水のみ)コントロールも常に(期待生物バイオマーカーまたはエンドポイント( すなわち 、VTGまたは組織病 理学)の感度を確認し、任意の予想外の汚染を検出することができるようにインビボアッセイにおいて使用されるべきです例えば、実験のセットアップ、ダイエット、または希釈水)から。プロトコル内の任意の変更は、任意の調査を実施する前に検証する必要があります。
WWTP流出液を経由して環境に入るエストロゲン化合物の規制強化で、より効果的な排水処理技術を開発する必要があること心に描くです。この原稿賛辞で説明するテストのバッテリー生態毒性および化学的評価試験は、通常、廃水処理工場排水放電に適用されます。そのため、テストの総合的なバッテリーのこのタイプの将来のアプリケーションは、特定の規制エストロゲン様化学物質および全体的な生物学的活性の両方を除去するための最良の方法を考慮し、最も生態学的に安全な設計を実現するために、排水技術開発者、およびプラントオペレータを有効にする必要があります。
The authors have nothing to disclose.
Projects presented in this paper were funded by Severn Trent Water and Brunel University London. The authors would like to thank Alan Henshaw and John Churchley for providing field and laboratory assistance. T.J.C. thanks the Heinz Endowments for support. M.R.M. thanks the Steinbrenner Institute for a Steinbrenner Doctoral Fellowship and Carnegie Mellon University for a Presidential Fellowship.
Wellwash Versa plate washer | Thermo Scientific | 5165010 | |
Plate reader | Molecular Devices | SpectraMax 340PC | |
Incubator | Memmert | INB 400 | 37oC incubation required for carp assay |
Fisherbrand whirlimixer | Fisher Scientific | 13214789 | |
Icemaker | Scotsman | AF80 | |
12-Channel F1 digital multichannel pipette | Thermo Scientific Finnpipette | 4661070 | |
ELISA kits | Biosense Laboratories | V01018401-096 (Fathead minnow) V01003402-096 (Carp) |
|
Microfuge tubes, 0.5ml | Alpha labs | LW2372 | |
Microfuge tubes, 1.5ml | Alpha labs | LW2375 | |
Sulphuric acid, 95-98% | Sigma-Aldrich | 258105 | |
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Histology | |||
Tissue processor | Leica Biosystems | TP1020 | |
Wax dispenser | Thermo Scientific Raymond Lamb | E66HC | |
Metal embedding mold | Leica Biosystems | Various | |
Hot plate | Thermo Scientific Shandon | 3120063 | |
Cold plate (EG1150 C) | Leica Biosystems | 14038838037 | |
Heated forceps (EG F) | Leica Biosystems | 14038835824 | |
Microtome | Leica Biosystems | RM2235 | |
Paraffin section floatation bath | Electrothermal | MH8517 | |
Slide drying bench | Electrothermal | MH6616 | |
Stainmate automated stainer | Thermo Scientific Shandon | E103/S10L | |
Cassettes, Histosette II, biopsy | Simport | M493 | |
Paraffin wax | Thermo Scientific Raymond Lamb | W1 | |
Histo-Clear II | National Diagnostics | HS-202 | |
IMS (ethanol mix), IDA99 | Tennants | ID440 | |
Polysine adhesion slides | Thermo Scientific Gerhard Menzel | J2800AMNZ | |
Cover slips, 22x50mm | VWR | 631-0137 | |
Histomount | National Diagnostics | HS-103 | |
Haematoxylin Harris GURR | VWR | 351945S | |
Eosin, 1%, aqueous | Pyramid Inovation | S20007-E | |
Fisherbrand slide boxes | Fisher Scientific | 11701486 | |
Microtome blades, MB35 | Thermo Scientific Shandon | 3050835 | |
Bouin’s solution | Sigma Aldrich | HT10132-1L | |
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Yeast screen | |||
Flow cabinet | Labcaire Systems Ltd | SC12R | |
Cooled incubator | LMS Cooled Incubator | 303 | |
Incubator | Memmert | INB 400 | |
Shaker | Grant | PSU-10i | |
Fisherbrand whirlimixer | Fisher Scientific | 13214789 | |
Plate shaker | Heidolph Titramax 100 | 544-11200-00 | |
12-Channel F1 digital multichannel pipette | Thermo Scientific Finnpipette | 4661070 | |
12-channel pipette, electronic | Sartorius | 735441 | |
96-well flat-bottom microplates | MP Biomedicals Thermo Scientific Nunc Sarstedt |
76-232-05 260860 82.1581.001 |
We have found that these multiwell plates all produce low backgrounds |
HPLC grade water | Rathburn | RH1020 | |
Absolute ethanol | Hayman Kimia | F200238 | |
Potassium phosphate monobasic anhydrous | Sigma-Aldrich | P-5655 | |
Ammonium sulphate | Sigma-Aldrich | A-2939 | |
Potassium hydroxide, pellets | Sigma-Aldrich | P-1767 | |
Magnesium sulfate, anhydrous | Sigma-Aldrich | M-2643 | |
Iron (III) sulfate | Sigma-Aldrich | 307718 | |
L-Leucine | Sigma-Aldrich | L-8912 | |
L-Histidine | Sigma-Aldrich | H-6034 | |
Adenine | Sigma-Aldrich | A-2786 | |
L-Argenine, hydrochloride | Sigma-Aldrich | A-6969 | |
L-Methionine | Sigma-Aldrich | M-5308 | |
L-Tyrosine | Sigma-Aldrich | T-8566 | |
L-Isoleucine | Sigma-Aldrich | I-7403 | |
L-Lysine, hydrochloride | Sigma-Aldrich | L-8662 | |
L-Phenylalanine | Sigma-Aldrich | P-5482 | |
L-Glutamic acid | Sigma-Aldrich | G-8415 | |
L-Valine | Sigma-Aldrich | V-0513 | |
L-Serine | Sigma-Aldrich | S-4311 | |
Thiamine, hydrochloride | Sigma-Aldrich | T-1270 | |
Pyridoxine | Sigma-Aldrich | P-5669 | |
D-Pantothenic acid, hemicalcium salt | Sigma-Aldrich | P-5155 | |
Inositol | Sigma-Aldrich | I-5125 | |
d-Biotin | Sigma-Aldrich | B-4639 | |
D-(+)-Glucose anhydrous; mixed anomers | Sigma-Aldrich | G-7021 | |
L-Aspartic acid | Sigma-Aldrich | A-4534 | |
L-Threonine | Sigma-Aldrich | T-8441 | |
Copper (II) sulfate, anhydrous | Sigma-Aldrich | C-1297 | |
Chlorophenolred-b-D galactopyranoside (CPRG) | Sigma-Aldrich | 10884308001 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G-2025 | |
17 β-Estradiol | Sigma-Aldrich | E-8875 | |
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Steroids | |||
Acetone | Rathburn | ||
Acetonitrile | Rathburn | ||
Ammonia solution | Rathburn | ||
Ethylacetate | Rathburn | ||
Copper(II) nitrate. | Sigma-Aldrich | ||
Acetone | Rathburn | ||
Dichloromethane | Rathburn | ||
2, 4, 16, 16-d4-17b-estradiol | CDN Isotopes | ||
2, 4, 16, 16-d4-estrone | CDN Isotopes | ||
2, 4, 16, 16-d4-17a-ethynyl oestradiol. | CDN Isotopes | ||
17b-estradiol | Sigma-Aldrich | ||
Estrone | Sigma-Aldrich | ||
17a-ethynyl oestradiol. | Sigma-Aldrich | ||
Hexane | Rathburn | ||
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | ||
Methanol | Sigma-Aldrich | ||
Sodium hydrogen carbonate | Sigma-Aldrich | ||
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | ||
Styrene divinyl benzene cartridge (Isolute ENV+) solid phase extraction cartridge (200 mg/6 ml) | Biotage | ||
Isolute aminopropyl solid phase extraction cartridge (500 mg/6 ml) | Biotage | ||
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Fish study | |||
orange-white silicon manifold tubing 0.63 bore pk 6 | watson marlow | 982.0063.000 | |
straight connectors for 0.5/0.8 bore pk 20 | watson marlow | 999.2008.000 | |
pumsil silicon tubing 0.8 bore 15m | watson marlow | 913.A008.016 | |
200 series multi-channel persitaltic pump | watson marlow | 205CA | |
Silicone tubing x15m (dosing tanks) | vwr | SFM1-3250 | |
silicone tubing x 15m (large for inflow/outflow) | vwr | SFM1-5450 | |
2.5L glass winchester pk 4 | Fisher Scienctific | BTF-505-050B | |
magnetic stir bar 51x8mm pk 10 | Fisher Scienctific | FB55595 | |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate (MS222) | sigma aldrich | E10521-10G | |
17α-Ethynylestradiol | sigma aldrich | E4876-100MG | |
Absolute ethanol | Hayman Kimia | F200238 | |
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
SPE | |||
1/8 inch PTFE tubes 'straws' colour coded pk4 | sigma aldrich | 57276 | |
disposable liners for manifold | sigma aldrich | 57059 | |
filtration tubes without frits 6ml pk 30 | sigma aldrich | 57242 | |
reservior adaptors pk 12 | sigma aldrich | 57020-U | |
stainless steel weight for manifold pk 4 | sigma aldrich | 57278 | |
male luer plug for manifold pk12 | sigma aldrich | 504351 | |
SPE Vacuum Manifold | sigma aldrich | 57265 | |
stop cocks for extraction mainfold (supelco) pk 12 | waters | WAT054806 | |
Sep-Pak Plus C18 cartridge box 50 | waters | WAT020515 | |
Methanol HPLC grade 2.5L | fisher scientific | M/4056/17 | |
7ml glass vials with lids (58x17mm) pk 399 | fisher scientific | TUL-520-031K | |
Absolute ethanol | Hayman Kimia | F200238 | |
vacuum pump e.g. VP Series Vacuum Pump | Camlab | 1136915 |