Occurrence and removal of residues drugs in water environment
Wstęp
Dynamiczny rozwój przemysłu chemicznego w ostatnich latach, a szczególnie branży farmaceutycznej nie pozostał bez wpływu na zagrożenie zdrowia ludzi. Wzrost zużycia leków, a szczególnie leków dostępnych bez recepty (niesteroidowe leki przeciwzapalne i przeciwbólowe), spowodował ich przechodzenie do środowiska w coraz większym stopniu. W 2017 roku całkowita wartość rynku farmaceutycznego (w segmentach: apteczny Rx (refundowane i nierefundowane leki na receptę) i CH (leki i produkty dostępne bez recepty), szpitalny oraz sprzedaże wysyłkowe e-aptek, liczona w cenach detalicznych, wyniosła 38,3 mld zł, co oznacza wzrost o 4,9% czyli o 1,8 mld zł więcej niż w roku 2016. Segment leków i produktów dostępnych bez recepty (CH), stanowił 42,3% rynku aptek otwartych, wzrósł o 5,6%, czyli 723 mln zł w porównaniu do roku 2016 [17].
Ciągły wzrost wartości rynku farmaceutycznego (o 30% dla lat 2010-2020) przy 12% przyroście ludności w ww. latach będzie skutkował coraz większą liczbą farmaceutyków przedostających się do środowiska, co będzie wymuszało działania zmierzające do wprowadzenia do szerokiego stosowania skutecznych metod usuwania leków i ich metabolitów ze środowiska.
Sezonowość występowania
Przenikanie farmaceutyków do środowiska w postaci macierzystej bądź ich metabolitów charakteryzuje się dużą zmiennością zależną od miejsca (wyższe wartości stężeń farmaceutyków i metabolitów występują w dużych miastach) i czasu (pory roku) pobrania. Potwierdził to zespół badaczy z Kalifornii [43], analizując stężenie czternastu farmaceutyków, substancji zaburzających gospodarkę hormonalną człowieka i produktów do higieny osobistej. Potwierdzono wyższe stężenie paracetamolu, naproksenu i ibuprofenu w okresie zimowym niż letnim. Spowodowane to było zwiększonym zużyciem farmaceutyków w okresie zimowym, a także faktem, że w miesiącach letnich następuje szybsza degradacja farmaceutyków i ich metabolitów pod wpływem wyższej temperatury oraz to, że w przypadku substancji wrażliwych na światło słoneczne, reakcja fotolizy może powodować rozpad cząsteczek, szczególnie w wodach powierzchniowych.
Historia badań
Historia badań ilości pozostałości leków w środowisku jest stosunkowo krótka:
1981 – stwierdzenie obecności oraz ilościowe oznaczenie kwasu klofibrowego w próbkach środowiskowych (USA),
1997 – oznaczenie pozostałości farmaceutyków w ściekach szpitalnych (Niemcy),
1997 – badania dotyczące toksyczności antybiotyków w środowisku wodnym (Dania),
1998 – monitorowanie wód rzecznych i ścieków na obecność pozostałości farmaceutyków (Niemcy),
1998 – oznaczenie związków z grupy antybiotyków w różnych próbkach wody (Niemcy),
1999 – opracowanie metodyki analitycznej umożliwiającej stwierdzenie obecności estrogenów w wodach powierzchniowych (USA),
2002 – pierwsza metodyka jednoczesnego oznaczania pozostałości wielu farmaceutyków w próbkach środowiskowych (Dania),
2001-2002 – oznaczenie pozostałości farmaceutyków w wodach przeznaczonych do spożycia przez ludzi (Niemcy),
2003 – opracowanie odpowiednich modeli matematycznych do przewidywania stężenia i losu poszczególnych farmaceutyków w środowisku (Belgia),
2005 – oznaczanie pozostałości farmaceutyków w próbkach stałych (Hiszpania) [27].
Leki są biologicznie czynną grupą związków o negatywnym działaniu na różne ekosystemy. Raporty (np. tzw raport Posejdon) ujawniają dane, które potwierdzają powszechność występowania pozostałości leków w dopływie i odpływie z oczyszczalni ścieków, wodach powierzchniowych (rzekach, jeziorach, strumieniach), wodzie podziemnej, wodzie do picia, a nawet morskiej [26].
Niesteroidowe leki przeciwzapalne
Leki te są substancjami chemicznymi, aktywnymi biologicznie, modyfikującymi procesy biochemiczne zachodzące w organizmach ludzkich i zwierzęcych. Najwyższe ich stężenia w środowisku stwierdzono dla niesteroidowych leków przeciwzapalnych, takich jak:
Najlepiej zbadanym farmaceutykiem jest diklofenak. Szerokie zastosowanie diklofenaku jako środka przeciwbólowego, anty-artretycznego i przeciwreumatycznego dla ludzi i zwierząt uplasowało go jako jedno z głównych zanieczyszczeń farmakologicznych środowiska. W badaniach sprawdzono m.in. wpływ diklofenaku na pstrąga tęczowego, badania te wykazały zmiany zwyrodnieniowe w nerkach i skrzelach. Zmiany te, w znacznym stopniu pogarszają ogólny stan zdrowia i obniżają wydolność organizmu[32]. Diklofenak jest lekiem charakteryzującym się dużą trwałością i toksycznością. Skuteczność usuwania diklofenaku metodą osadu czynnego w dużej mierze zależy od początkowego stężenia. Przy stężeniu wynoszącym 1μg/ dm³ efektywność oczyszczania wynosi 71%, natomiast przy stężeniu ok 3μg/dm³ spada do 17% [45].
Inne farmaceutyki w środowisku
Do środowiska przenikają różnorodne grupy leków a ich oznaczanie oraz ich metabolitów wymaga standaryzacji procedur badawczych. Różne rodzaje metod usuwania farmaceutyków w oczyszczalniach ścieków wynikające z różnych technologii, czasu pobrania próbek i umiejscowienia geograficznego powodują znaczne różnice uniemożliwiające prawidłową ocenę zagrożeń powodowanych przez farmaceutyki i ich metabolity.
Często stosowanym antybiotykiem zarówno dla ludzi jak i zwierząt jest amoksycylina, która jest półsyntetyczną penicyliną o szerokim spektrum działania. Lek ten bardzo szybko ulega rozpadowi przez co nie stanowi zagrożenia dla środowiska. Dlatego też ważnym problemem jest kompleksowa identyfikacja leków i ich metabolitów w celu określenia metod ich usuwania i wpływu na środowisko.
Innym stosowanym antybiotykiem jest sulfametoksazol, lek o dużej trwałości, wydalany z moczem w postaci niezmienionej w ilości ok. 30% podanej dawki, podczas procesu oczyszczania ścieków usuwany w ok. 13% [18].
Zawartość farmaceutyków w środowisku i ich usuwalność
Pojawia się coraz więcej publikacji poruszających temat występowania leków i ich metabolitów w wodach powierzchniowych, podziemnych, wodzie do picia, a także w oczyszczalniach ścieków, co potwierdzono m.in. w Chinach, Korei, Indiach, Francji, Hiszpanii, Portugalii, Grecji oraz Szwecji [11], [12], [13], [16], [24], [21], [22].
Określana w publikacjach usuwalność farmaceutyków i ich metabolitów nie daje odpowiedzi na pytanie: czy usunięte leki podczas oczyszczania ścieków z wykorzystaniem osadu czynnego są usuwane poprzez ich rozpad czy następuje ich kumulacja w nadmiernym osadzie ściekowym. Biorąc pod uwagę fakt, że osady ściekowe są często wykorzystywane jako środek nawozowy (ze względu na ich różnorodny w składniki pokarmowe skład chemiczny), należy zadać pytanie o skuteczność usuwania ze ścieków, a tym samym z osadów leków i ich metabolitów, oraz czy pozostałości leków są wymywane do gleby i absorbowane przez rośliny.
Jak wynika z tabeli 3 występują znaczne wahania w skuteczności usuwania farmaceutyków wynikające z metody oczyszczania ścieków i sezonowości. Należy także podkreślić brak standaryzacji metod oznaczania farmaceutyków, co może powodować rozbieżność oznaczeń.
Dotychczas stosowane metody oczyszczania ścieków z zastosowaniem osadu czynnego nie zapewniają całkowitego i bezpiecznego dla środowiska usunięcia farmaceutyków.
Metody usuwania farmaceutyków z wody do picia i ścieków
W celu usunięcia pozostałości farmaceutyków w procesie produkcji wody do picia stosuje się metody:
–– filtracja powolna na filtrach piaskowych,
–– ozonowanie,
–– techniki oparte na procesie zaawansowanego utleniania (AOP’s),
–– utlenianie elektrochemiczne (EAOP’s),
–– adsorpcja na granulowanym węglu aktywnym (GAC),
–– techniki membranowe [30].
O ile dla oczyszczania wody do picia można stosować wiele różnorodnych bardzo skutecznych technik, to przy oczyszczaniu ścieków stosuje się konwencjonalne metody oparte na dwóch etapach oczyszczania: fizycznego i chemicznego. Tylko na kilku obiektach stosuje się bardziej zaawansowane metody oczyszczania, takie jak: ultrafiltracja, flokulacja, ozonowanie, zaawansowane utlenianie lub odwróconą osmozę czy nanofiltrację. Mimo wysokiej skuteczności metod zaawansowanych ich użycie jest ograniczone głównie z powodu mniejszej wydajności (w porównaniu do metod konwencjonalnych) oraz wysokich kosztów stosowania tych metod [10], [34].
Konwencjonalne metody oczyszczania ścieków z farmaceutyków i ich metabolitów w standardowych oczyszczalniach ścieków nie pozwalają na ich skuteczne biodegradowanie do dwutlenku węgla i wody bądź na ich pełną adsorpcję w osadach ściekowych.
Niestety przy tych metodach część farmaceutyków lub metabolitów trafia w postaci niezmienionej do środowiska [7]. W opracowaniu Kosjek i in. [22], przeprowadzono badania czterech najpopularniejszych farmaceutyków należących do grupy niesteroidowych leków przeciwzapalnych; diklofenak, ibuprofen, naproksen i ketoprofen. Badania przeprowadzono w słowackiej pilotażowej oczyszczalni ścieków, uzyskano wysoki stopień eliminacji ibuprofenu, naproksenu i ketoprofenu (< 87% ), natomiast skuteczność usuwania diklofenaku była dużo niższa i wynosiła 49 – 59%.
Diklofenak jest związkiem odpornym na destrukcję, również w przypadku użycia nowoczesnych silnych utleniaczy. W dalszej części artykułu przedstawiono wyniki badań autorów nad destrukcją diklofenaku, popularnego niesteroidowego leku przeciwzapalnego, w procesie utleniania go nadtlenodisiarczanem potasowym (PDS) aktywowanym jonami żelaza (II) i tlenkiem miedzi (II) oraz utleniania metodą chlor/UV. Reakcja destrukcji leku, w przypadku aktywacji jonami Fe(II) biegnie według mechanizmu rodnikowego generującego rodniki SO4*-. Natomiast reakcja PDS aktywowanego tlenkiem miedzi biegnie według nie do końca jeszcze wyjaśnionego mechanizmu, niemniej nie jest to mechanizm rodnikowy. Chlor natomiast, popularny niegdyś środek dezynfekujący, został odsunięty ze względu na tworzenie się szkodliwych, ubocznych produktów. Wraca jednak do łask w połączeniu z promieniowaniem UV [33]. Wyniki eksperymentów przedstawiono na rys. 8, 9 i 10. W przypadku zastosowania reakcji z PDS, porównawczo destrukcji poddawano również paracetamol.
Rezultaty jasno wskazują, iż w reakcji ww. leków z PDS aktywowanym jonami Fe(II) paracetamol ulega destrukcji w 70%, gdy taka sama ilość diklofenaku ulega destrukcji w ok. 30%.
Natomiast rezultaty osiągnięte w reakcji ww. leków z PDS aktywowanym CuO, wskazują iż paracetamol ulega niemal pełnej destrukcji (powyżej 90%) już w 15 minucie procesu, gdy taka sama ilość diklofenaku ulega nieznacznej destrukcji, w ilości ok. 10%.
Uzyskane wyniki wskazują, iż niezależnie od sposobu aktywacji PDS, diklofenak wykazuje relatywnie wysoką odporność na utlenianie.
Rysunek 10 przedstawia krzywą destrukcji diklofenaku w procesie utleniania chlor/UV – w porównaniu do działania na ten lek samym chlorem oraz samym promieniowaniem UV.
Również ten proces pokazuje dużą odporność diklofenaku na destrukcję – przy zastosowaniu bardzo wysokiego jak na standardy chlorowania stężenia chloru (0,211mmol/l), po godzinie trwania procesu pozostaje jeszcze ponad 20% leku. Badania wskazują na zerową wrażliwość diklofenaku na chlor i dużą odporność na promieniowanie UV (40% diklofenaku pozostaje po godzinie naświetlania).
Ostatnio coraz większym zainteresowaniem zaczynają cieszyć się bioreaktory membranowe, których niewątpliwą zaletą jest możliwość usuwania wielu rodzajów zanieczyszczeń organicznych [3].
Inną propozycją na oczyszczanie ścieków z farmaceutyków i metabolitów jest zastosowanie grzybów białej zgnilizny, które wydzielają oksydacyjne zewnątrzkomórkowe enzymy, takie jak: peroksydaza ligniny, peroksydaza manganu i lakaza. Metodą tą udało się wyeliminować ze środowiska takie trwałe zanieczyszczenia, jak: syntetyczne barwniki, WWA i PCB. Badano potencjalną zdolność tych grzybów do eliminacji takich farmaceutyków, jak: leki antydepresyjne, leki przeciwzapalne, leki przeciwpadaczkowe, uspokajające [30].
Podsumowanie
Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że oczyszczalnie ścieków oparte na konwencjonalnych procesach oczyszczania ścieków nie mogą zapewnić całkowitego, bezpiecznego dla środowiska usunięcia farmaceutyków i ich metabolitów.
Podczas oczyszczania leki mogą ulec biodegradacji do dwutlenku węgla i wody, ulec częściowemu metabolizmowi, przejść w postaci niezmienionej do środowiska lub ulec adsorpcji na osadzie ściekowym. Szczególnie ostatnie trzy przypadki wymagają ingerencji w proces oczyszczania. Znane są metody skutecznego oczyszczania wody z leków lecz są one zbyt kosztowne bądź zbyt zaawansowane technologicznie by móc je zastosować na skalę przemysłową. W dodatku wykazano, że niektóre popularne leki są odporne na działanie nawet silnych środków utleniających.
Badania wykazują znaczne różnice w skuteczności usuwania leków w zależności od ich rodzaju i budowy, ze względu na ilość związków należy jak najszybciej opracować metodę usuwania jak największej ilości leków i ich metabolitów w jednym procesie w celu ograniczenia ich przedostawania się do środowiska.
Konieczne jest opracowanie norm określających dozwolone i bezpieczne maksymalne stężenie farmaceutyków w wodzie zrzutowej i w osadach ściekowych. Z tego samego względu należy opracować szczegółowe procedury oznaczania farmaceutyków.
B I B L I O G R A F I A :
[1] Baranowska I., Kowalski B. A rapid UHPLC method for the simultaneous determination of drugs from different therapeutic groups in surface water and wastewater. Bull Environ Contam- Toxicol 2012, 89: 8-14.
[2] Baronti C., Curini R., D’Ascenzo G., Di Corcia A., Gentili A., Samperi R., (2000) 5059
[3] Bo L., Urase T., Wang X.,Biodegradation of trace pharmaceutical substances in wastewater by a membrane bioreactor, Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2009, Vol. 3, No. 2,236-240.
[4] Boleda MR, Galceran MT, Ventura F. Behavior of pharmaceuticals and drugs of abuse in a drinking water treatment plant (DWTP) using combined conventional and ultrafiltration and reverse osmosis (UF/RO) treatments. Environ Pollut 2011, 159: 1584-1591.
[5] Boroń M., Pawlas K. Pharmaceuticals in aquatic environment, Probl. Hig. Epidemiol. 2015,96(2), 357-363
[6] Carballa M., Omil F., Lema J.M., Llompart M., Garcia-Jares C., Rodriguez I., Gomez M., Ternes T., Water Res., 38 (2004) 2918.
[7] Czerwiński J., Kłonica A., Ozonek J., Pozostałości farmaceutyków w środowisku wodnym i metody ich usuwania, Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska I Architektury, 2015, 27–42.
[8] Daneshvar A, Svanfelt J, Kronberg L, et al. Winter accumulation of acidic pharmaceuticals in a Swedish River. Environ Sci Pollut Res 2010, 17: 908-916.
[9] Dudziak M., Luks-Betlej K., Ocena obecności estrogenów-steroidowych hormonów płciowych w wybranych wodach rzecznych w Polsce, Ochrona Środowiska 2004, 26, 21-24.
[10] Fatta-Kassinos D., Meric S., Nikolau A., Pharmaceutical residues in environmental waters and wastewater: current state of knowledge and future research, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2011, Vol. 399, 251–275.
[11] Flick J., Lindberg R.H., Tysklind M., Larsson D.G.J.,: Predicted critical environmental concentrations for 500 pharmaceuticals. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 2010.
[12] Gabet-Giraud V., Miege C., Choubert J.M., Martin Ruel S., Coquery M.,: Occurrence and removal of estrogensand beta blokers by various processes in wastewatertreament plants.”Sci. Total Eviron.” 19/2010.
[13] Gilart N., Marce R.M., Borrull F., Fontanals N., Determination of pharmaceuticals in wastewaters using solidphase extraction – liquid chromatography – tandem mass spectrometry, J.Sep. Sci 2012, 35, 875-882.
[14] Heberer T., Occurrence, fate and removal of pharmaceutical residues in the aquatic environment: a review of recent research data.”Toxicology Letters” 131/2012.
[15] Helenkar A, Sebők A, Zaray G, et al. The role of the acquisition methods in the analysis of the non-steroidal antiinflammatory drugs in Danube River by gas chromatography– mass spectrometry. Talanta 2010, 82: 600-607.
[16] Hrenando M.D., Gomez M.J., Aguera A., Fernandez- Alba A.R.: LC-MS analysis of basic pharmaceuticals (beta-blokers and anti-ulcer agent) in wastewater and surface water.”Trends in Analitycal Chemistry” 26/2007.
[17] IQVIA,Rynek farmaceutyczny w 2017 roku, Warszawa, styczeń 2018,
[18] Karthikeyan K.G., Meyer, Sci M.T., Total Environ., 361 (2006) 196
[19] Kasprzyk-Hordern B., Dąbrowska A., Vieno N., Kronberg L., Nawrocki J., Occurrence of acidic pharmaceuticals in the Warta River in Poland, Chem. Anal. 2007, 52, 289-303.
[20] Kasprzyk-Hordern B, Dinsdale RM, Guwy AJ. The removal of pharmaceuticals, personal care products, endocrine disruptors and illicit drugs during wastewater treatment and its impact on the quality of receiving waters. Water Res 2009, 43: 363-380.
[21] Khetan S.K., Collins T.J.,: Human pharmaceuticals in the Aquatic Environment: A Challenge to GreenChemistry.”Chem.Rev.”107/2007
[22] Kosjek T., Heath E., Kompare B.,: Removal of pharmaceutical residues in a pilot wastewater treatment plant.”Anal.Bioanal.Chem.” 387/2007.
[23] Kot-Wasik A., Dębska J., Namieśnik J., Pozostałości środków farmaceutycznych w środowisku przemiany, stężenia, oznaczenia, Chemia i Inżynieria Ekologiczna 2003, 10, 723-750.
[24] Liying J., Jun Y., Jianmeng C.: Isolation and characteristic of 17β-estradiol-degrading Bacillus spp.strains from activated sludge Biodegradation 9/2010.
[25] Luo Y., Guo W., Ngo H.H., Nghiem L.D., Hai F.I., Zhang J., Liang S.,Wang X.C., A review on the occurrence of micropollutants in the aquatic environment and their fate and removal during wastewater treatment, Science of the Total Environment, 2014, Vol. 473-474, 619-641
. [26] Magner J., Filipovic M., Alsberg T.,: Application of a novel solid phase extraction sampler and ultra performance liquid chromatography quadrupole- time-of-flighmass spectrometry for determination of pharmaceutical residues in surface sea water. “Chemosphre” 80/2010.
[27] Namieśnik J., Analityka pozostałości farmaceutyków w próbkach środowiskowych, Warszawa 2010
[28] Nikolaou A., Meric S., Fatta D., Occurrence patterns of pharmaceuticals in water and wastewater environments, Anal. Bioanal. Chem. 2007, 387, 1225-1234.
[29] Quintana J.B., Weiss S., Reemtsma T., Water Res., 39 (2005) 2654
[30] Rivera-Utrilla J., Sanchez-Polo M., Ferro-Garcia M.A., Prados-Joya G., Ocampo-Perez R., Pharmaceuticals as emerging contaminants and their removal from water. A review, Chemosphere, 2013, Vol. 93, 1268-1287.
[31] Roberts P.H., Thomas K.V., Sci. Total Environ., 356 (2006) 143.
[32] Schwaiger J., Ferling H., MallowU., Wintermayr H., Negele R.D.,: Toxic effects of the non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac.AQuat. Toxiol., 2004;68:141-150
[33] Sicher C., Garcia C., Andre K., Feasibility studies: UV/chlorine advanced oxidation treatment for the removal of emerging contaminants, Water Research 45, 6371-6380, 2011.
[34] Sires I., Brillas E., Remediation of water pollution caused by pharmaceutical residues based on electrochemical separation and degradation technologies: A review, Environment International 2012, Vol. 40, 212–229.
[35] Sosnowska K., Grochowiak-Styszko K., Gołas J., Leki w środowisku-źródła, przemiany, zagrożenia, Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, 2009.
[36] Szymonik A., Lach J., Zagrożenie środowiska wodnego obecnością środków farmaceutycznych, Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2012, t15/3, 249-263.
[37] Tauxe-Wuersch A., Alencastro L.F.D., Grandjean D., Tarradellas J., Water Res., 39 (2005) 1761.
[38] Ternes T.A., Water Res., 32 (1998) 3245.
[39] Thomas P.M., , Foster G.D., Environ J., Sci. Health, A, 39 (2004) 1969
[40] Togola A, Budzinski H. Multi-residue analysis of pharmaceutical compounds in aqueous samples. J Chromatogr A, 2008, 1177: 150-158.
[41] Valcárcel Y, González Alonso S, Rodríguez-Gil JL, et al. Analysis of the presence of cardiovascular and analgesic/ anti-inflammatory/antipyretic pharmaceutical in river – and drinking-water of the Madrid Region in Spain. Chemosphere2011, 82: 1062-1071.
[42] Wang L, Ying GG, Zhao JL, et al. Occurrence and risk assessment of acidic pharmaceuticals in the Yellow River, Hai River and Liao River of north China. Sci. Total Environ 2010, 408: 3139- 3147.
[43] Yu Y, Wu L, Chang AC,: Seasonal variation of endocrine disrupting compounds, pharmaceuticals and personal care products in wastewater treatment plants. Sci. Total Environ 2013, 442; 310-316.
[44] Zgoła-Grześkowiak A. Application of DLLME to isolation and concentration of non-steroidal anti- -inflammatory drugs in environmental water samples. Chromatogr. 2010, 72:671‑678
[45] Zhong D.F., Sun L., Liu L., Huang H.H.,: Microbial transformation of naproxen by Cunninghamella species. Acta Pharmacol. Sin.,2003;24:442-447.