Umweltrelevante Arzneimittelwirkstoffe

Nach den bestehenden europäischen Bestimmungen gilt ein Arzneimittelwirkstoff potenziell als  umweltrelevant, wenn er in Konzentrationen von mehr als 0,1 Mikrogramm pro Liter (µg/L) in Oberflächengewässern vorkommen kann. Stoffe, die nachweislich karzinogen, mutagen oder reproduktionstoxisch sind, werden davon unabhängig zunächst stets als potenziell umweltrelevant eingestuft. Auf Basis von Messungen in Gewässern gelten nach diesen Kriterien vor allem Analgetika wie Diclofenac und Ibuprofen, Antibiotika wie Roxythromycin und Sulfamethoxazol, Antiepileptika wie Carbamazepin und Primidon, Antihypertonika wie Metoprolol und Sotalol als potenziell umweltrelevant. Zudem werden häufig auch Röntgenkontrastmittel wie Iopromid oder Amidotrizoesäure in Flüssen gemessen.

Bis heute wurden mehr als 150 verschiedene Arzneimittelwirkstoffe in deutschen Gewässern gefunden. Dabei handelt es sich fast ausschließlich um Arzneimittel, die vor 1993 auf den Markt gekommen sind, also zu einem Zeitpunkt, als eine Umweltrisikobewertung bei der Zulassung noch nicht zwingend vorgeschrieben war. Dass bisher nicht mehr als 150 der über 3.000 auf dem deutschen Markt verfügbaren Wirkstoffe in der Umwelt gefunden wurden, hat verschiedene Gründe. Wegen der Komplexität der Moleküle fehlen zum einen oft die labortechnischen Nachweismöglichkeiten. Zum anderen kann ein bestimmter Stoff im menschlichen Körper soweit abgebaut werden, dass nur noch seine Stoffwechselprodukte ausgeschieden werden. Weitere Gründe können eine sehr geringe Verbrauchsmenge und eine schwache Persistenz sein.

Ein Arzneimittelwirkstoff, der im Trinkwasser in Konzentrationen von weniger als 0,1 µg/L vorkommt, bedarf nach einer Empfehlung der deutschen Trinkwasserkommission derzeit keiner weiteren gesundheitlichen Bewertung – mit Ausnahme von unmittelbar gentoxischen Stoffen, die bereits ab 0,01 µg/L geprüft werden sollten. Bisher wurden in deutschen Trinkwasserproben 23 verschiedene Wirkstoffe nachgewiesen. Davon wurden acht in Konzentrationen oberhalb von 0,1 µg/L gemessen. Dazu gehören die Analgetika Phenazon, Propyphenazon und Naproxen, die Röntgenkontrastmittel Amidotrizoesäure und Iopamidol, sowie die Lipdisenker Clofibrinsäure und Fenofibrat.

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Ökotoxikologie von Humanarzneimittelwirkstoffen

Arzneimittelwirkstoffe können bereits bei heute in den Gewässern gemessenen Konzentrationen ökotoxikologisch relevant sein. Das zeigt das Beispiel des in den meisten hormonellen Kontrazeptiva eingesetzten Wirkstoffs 17?-Ethinylöstradiol (EE2). In Oberflächengewässern kommt EE2 in Konzentrationen von wenigen Nanogramm pro Liter vor – diese extrem geringe Konzentration erklärt sich vor allem aus der geringen Verbrauchsmenge des Wirkstoffs von etwa 50 kg pro Jahr in Deutschland. Wie verschiedene Studien zeigen konnten, trägt EE2 wegen seins hohen östrogenen Potenzials in diesen Konzentrationen wesentlich zur Verweiblichung von männlichen Fischen bei. In der Natur ist dies besonders dann der Fall, wenn die Tiere in der Nähe von Kläranlagenabläufen leben.

Der Wissensstand zu möglichen Gefährdungen von Tieren und Pflanzen durch das Vorkommen von Arzneimittelwirkstoffen in der aquatischen Umwelt ist derzeit noch begrenzt. Ökotoxikologische Studien für Wirkstoffe, die auch in Gewässern gemessen wurden, liegen erst in etwa 70 Fällen vor. Der Hauptgrund dafür ist, dass nur Langzeitstudien aussagekräftige Ergebnisse liefern können. Solche chronischen Studien sind aber zeit- und kostenintensiv. Festgestellt werden kann, dass die meisten der bisher untersuchten Arzneimittelwirkstoffe für Wasserlebewesen erst bei Konzentrationen akut toxisch sind, die deutlich oberhalb heutiger Messwerte in Gewässern liegen. Von den 70 eingehender untersuchten Wirkstoffen konnte für 19 ein Umweltrisiko festgestellt werden: Ihre maximal gemessene Umweltkonzentration liegt deutlich über der Wirkschwelle für den empfindlichsten untersuchten Organismus. Mit zwölf Wirkstoffen bilden die Antibiotika dabei die größte Gruppe.

Bei der Interpretation dieser Befunde ist zu berücksichtigen, dass die Umweltrisikobewertung von Arzneimittelwirkstoffen vor grundlegenden Schwierigkeiten steht. Besonders das Problem der Gemischwirkungen spielt dabei eine Rolle. Tiere und Pflanzen sind in der Umwelt zumeist mehreren Arzneimittelwirkstoffen und anderen Chemikalien gleichzeitig ausgesetzt. Haben die Substanzen den gleichen Wirkmechanismus, addieren sich dabei nach dem aktuellen Forschungsstand die Wirkungen der einzelnen Stoffe. Unklar ist bis heute, wie solche Gemischwirkungen bei der Risikobewertung angemessen berücksichtigt werden können. Das gleiche gilt für die zahlreichen Abbauprodukte von Arzneimittelwirkstoffen, die im menschlichen Körper, in der Kläranlage oder in den Gewässern selbst entstehen. Über ihre toxikologischen Eigenschaften ist so gut wie nichts bekannt.

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Humantoxikologie bei subtherapeutischen Dosen

Arzneimittelwirkstoffe sind humantoxikologisch weitaus besser untersucht, als die meisten anderen chemischen Substanzen. Deshalb kann nach einstimmiger Expertenmeinung heute nahezu ausgeschlossen werden, dass der Genuss von belastetem Trinkwasser akute Gesundheitsgefährdungen durch solche Arzneimittelnebenwirkungen auslöst, die im Rahmen der klinischen Studien abgeprüft wurden.

Der Grund sind die extrem niedrigen Konzentrationen von wenigen Nanogramm pro Liter (ng/L), mit denen Arzneimittelwirkstoffe im Trinkwasser vorkommen können: Mit dem Konsum von zwei Litern Wasser, das mit einem bestimmten Wirkstoff belastet ist, wird eine Dosis aufgenommen, die mindestens um den Faktor 1.000 geringer ist, als die Plasmakonzentration, bei der für diesen Stoff eine therapeutische Wirkung eintritt. Dies lässt sich an einem Beispiel illustrieren. Das Analgetikum Diclofenac wurde in einzelnen Trinkwasserproben mit bis zu 6 ng/L gemessen. In 70 Jahren würde ein Mensch bei zwei Litern Wasser am Tag, so insgesamt nur ein Hundertstel der therapeutischen Tagesdosis für Diclofenac (etwa 25 Milligramm pro Liter) aufnehmen.

Bei der Interpretation dieser Abschätzungen ist zu berücksichtigen, das noch weitgehend unerforscht ist, inwieweit auch im Bereich extrem kleinen Dosen bisher unbekannte Gesundheitsgefährdungen auftreten könnten. Dabei spielen besonders mögliche chronische Effekte durch die lebenslange Aufnahme kleinster Stoffmengen und Gemischwirkungen eine Rolle. Zudem darf nicht außer Acht gelassen werden, dass Arzneimittel in der Regel nicht an besonders empfindlichen Bevölkerungsgruppen wie Kindern, multi-morbiden Personen oder Senioren getestet werden. Eine umfassende humantoxikologische Risikoabschätzung für Arzneimittelrückstände im Trinkwasser ist beim heutigen Wissenstand daher noch nicht möglich.

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Grüne und nachhaltige Pharmazie

Eine Grundidee der grünen oder nachhaltigen Pharmazie ist es, Arzneimittelwirkstoffe durch gezielte Eingriffe in die Molekülstruktur so zu verändern, dass sowohl ihre Abbaubarkeit in der Umwelt als auch ihre Funktionalität optimiert werden. Ob ein neuer Wirkstoff in der Umwelt schnell abgebaut oder in ökologisch unbedenkliche Bruchstücke zerlegt wird, spielt bei der Arzneimittelentwicklung heute noch kaum eine Rolle. Vorrang hat vielmehr die hohe Wirksamkeit des Stoffes bei gleichzeitig möglichst geringen Nebenwirkungen. Die Wirkstoffmoleküle werden daher gezielt auf Stabilität optimiert um sicherzustellen, dass sie die gewünschte Wirkung im menschlichen Körper entfalten können, ohne vorher abgebaut zu werden.

Gute Anwendungseigenschaften und schnelle Abbaubarkeit in der Umwelt lassen sich jedoch zur optimalen Funktionalität eines Wirkstoffs verbinden. Das gelingt, wenn berücksichtigt wird, dass es von den gegebenen Bedingungen am Aufenthaltsort des Moleküls abhängt, ob es schnell oder langsam abgebaut wird. Zu diesen Bedingungen gehören Lichteinfall, pH-Wert, Temperatur oder Art und Anzahl der vorhandenen Mikroorganismen. Entscheidend ist nun: Diese Bedingungen unterscheiden sich im menschlichen Körper und in der Umwelt erheblich. Ist für ein Molekül bekannt, welche seiner Teilstrukturen besonders günstig für die erwünschten Anwendungseigenschaften beim Menschen und welche besonders ungünstig für einen schnellen Abbau in der Umwelt sind, kann es im Sinne der grünen Pharmazie gezielt optimiert werden.

Ein Beispiel zeigt, dass die Entwicklung von grünen Arzneimittelwirkstoffen grundsätzlich möglich ist. Das Zytostatikum 5-Fluorouracil (5-FU) erweist sich in standardisierten Tests als nicht biologisch abbaubar. Seine biologische Schlüsselkomponente, das sogenannte Uracil, ist dagegen leicht biologisch abbaubar. Das 5-FU-Molekül unterscheidet sich vom Uracil-Molekül jedoch nur durch ein Fluoratom an seiner Ringstruktur. Offenbar ist es also dieses Fluoratom, das die biologische Abbaubarkeit von 5-FU negativ beeinflusst. Dieser Sachverhalt wird durch einen Vergleich mit den strukturell ähnlichen, aber nicht fluorierten Zytostatika Gemcitabin und Cytarabin bestätigt. Beide sind in denselben Tests sehr viel besser biologisch abbaubar als 5-FU. im Vergleich zu 5-FU weisen sie aber  zudem auch verbesserte Anwendungseigenschaften auf.

Grüne und nachhaltige Pharmazie umfasst über die Entwicklung von grünen Wirkstoffen hinaus weitere Aspekte entlang des Lebenszyklus eines Arzneimittels.   

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Fachpublikationen zum Thema Arzneimittelrückstände in Gewässern

Hier finden Sie ausgewählte Fachpublikationen, mit denen Sie sich im Detail über alle wissenschaftlichen Fakten zum Thema Arzneimittelrückstände in Gewässern informieren können. Die Seite wird regelmäßig mit aktuellen Ergebnissen aus der laufenden Forschung aktualisiert.

  • pills: Pharmazeutische Rückstände in der aquatischen Umwelt – eine Herausforderung für die Zukunft. Emschergenossenschaft, Essen, 2012
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  • Axel Bergmann, R. Fohrmann und F.-A. Weber: Zusammenstellung von Monitoringdaten zu Umweltkonzentrationen von Arzneimitteln. Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, Oktober 2011
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  • Hermann H. Dieter*, K. Götz, K. Kümmerer, B. Rechenberg und F. Keil: Handlungsmöglichkeiten zur Minderung des Eintrags von Humanarzneimitteln und ihren Rückständen in das Roh- und Trinkwasser. Umweltbundesamt, Institut für sozial-ökologische Forschung, Berlin/Frankfurt am Main, August 2010
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  • Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV NRW): Eintrag von Arzneimitteln und deren Verhalten und Verbleib in der Umwelt – Literaturstudie. Recklinghausen 2007
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  • Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU): Arzneimittel in der Umwelt. Stellungnahme. Berlin 2007
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  • Bund/Länderausschuss für Chemikaliensicherheit (BLAC): Arzneimittel in der Umwelt. Auswertung der Untersuchungsergebnisse. Berlin 2003
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