Zagrożenie dla środowiska przyrodniczego w związku z farmaceutykami  

Wzrastająca sprzedaż leków, pestycydów, plastików i innych chemicznych substancji organicznych, wiąże się z ich zwiększoną emisją dla środowiska. Wielkocząsteczkowe substancje organiczne, do których można zaliczyć większość farmaceutyków czy pestycydów mają nieraz tak skomplikowaną budowę, że organizm nie jest w stanie poradzić sobie z ich wchłonięciem i transformacją, przez co często mogą one wywoływać efekty toksyczne (kumulując się w organizmie) lub zostawać wyrzucane na zewnątrz (trafiając do środowiska). 

Szacuje się, że nawet 60-90% spożytych leków zostaje wydalona przez organizmy w postaci niezmienionej (wraz z moczem, kałem i wydzielinami ciała) lub w postaci równie groźnych dla środowiska metabolitów. Takie substancje stanowią ogromne zagrożenie szczególnie dla wód oraz gleb.

 

Do najczęściej wykrywanych leków w środowisku należą: 

 

• Leki na choroby sercowo - naczyniowe - głównie beta – blokery (przeciw nadciśnieniu tętniczemu – np. atenolol, propanolol i metoprolol) lub leki hipolipemiczne (obniżające poziom cholesterolu: kwas klofibrowy, bezafibrat, statyny);
• Leki na choroby układu pokarmowego i metabolizmu – głównie inhibitory pompy protonowej, leki przeciwcukrzycowe (np. metformina), leki hormonalne np. estrogeny w tabletkach antykoncepcyjnych (estron E1, estradiol E2, etynyloestradiol EE2) czy hormony tarczycy (tyroksyna).
• Leki na choroby ośrodkowego układu nerwowego – głównie leki psychotropowe, regulujące nastrój (np. karbamazepina, fluoksetyna),
• Leki na choroby krwi i układu krwiotwórczego – do tej grupy należą leki przeciwzakrzepowe (np. heparyna, streptaza, warfaryna).

• Leki na choroby układu oddechowego – głównie antybiotyki (cyproflaksyna, norfoksacyna, oflaksacyna, sulfametoksazol, tetracyklina, tripetoprim).

 

Spośród innych leków sprzedawanych na receptę, dominują niesteroidowe leki przeciwzapalne (ibuprofen, naproksen, kwas acetylosalicylowy, diklofenak, ketoprofen) oraz leki przeciwgorączkowe (np. paracetamol).

Szacowane spożycie leków przeciwbólowych nabywanych bez recepty może wynosić nawet kilkadziesiąt ton rocznie. Na przykład spożycie ibuprofenu w Anglii oszacowano na 162 tony, a w Polsce – 58 ton (Sosnowksa K. 2009). Warto podkreślić, że stosowanie leków, w tym także dostępnych bez recepty ma tendencję wzrostową.

Wraz ze zwiększaniem się zużycia leków wzrasta również poziom zanieczyszczenia środowiska farmaceutykami (Szymonik A. 2012).

 

Źródła aktywnych substancji farmaceutycznych (API, ang. active pharmaceutical ingredient) w środowisku:

 

• Wydalanie farmaceutyków z kałem lub moczem w postaci niezmienionej lub metabolitów;
• Niska skuteczność oczyszczania ścieków metodami konwencjonalnymi;
• Odpady i ścieki z placówek służby zdrowia (szpitale, przychodnie, apteki)
• Odpady i ścieki z przemysłu farmaceutycznego;
• Rolnictwo i weterynaria (nawozy naturalne zawierające farmaceutyki);
• Nieodpowiednia utylizacja leków i niska świadomość społeczna.

 

Skutki środowiskowe zanieczyszczenia farmaceutykami i ich metabolitami

 

Zanieczyszczenie środowiska farmaceutykami i ich metabolitami ma szerokie i poważne skutki dla ekosystemów wodnych i lądowych, a także dla zdrowia ludzi, dla których wody te są miejscem bytowania lub stanowią źródło wody spożywczej (Sosnowska K. 2009). Ryzyko dla organizmów wodnych jest niewątpliwie wyższe niż dla człowieka, gdyż są one narażone na ciągłą i wielopokoleniową ekspozycję bioaktywnych substancji, obecnych w wodach naturalnych, w stężeniach nawet o kilka rzędów wielkości wyższych niż w wodzie pitnej. Oto szczegółowy przegląd tych skutków:

 

Skutki dla ekosystemów wodnych

 

Wpływ na faunę wodną:

• Ryby: Farmaceutyki, zwłaszcza hormony i antybiotyki, mogą powodować zaburzenia endokrynologiczne u ryb, prowadząc do problemów z rozrodem, takich jak zmniejszenie liczby potomstwa i zmiana proporcji płci w populacjach. Obecność związków hormonalnych jest również szkodliwa z tego względu, że może wywierać negatywne skutki już na bardzo niskich poziomach stężeń, bliskich stężeniom występowania w środowisku wodnym.
• Bezkręgowce: Środki przeciwpasożytnicze i inne farmaceutyki mogą być toksyczne dla bezkręgowców wodnych, wpływając na ich przeżywalność i zdolność do rozmnażania się.

• Wpływ na mikroorganizmy:

• Bakterie i algi: Antybiotyki mogą zaburzać równowagę mikrobiologiczną w ekosystemach wodnych, co może prowadzić do zmniejszenia bioróżnorodności oraz zmian w procesach ekosystemowych, takich jak cykl azotu i rozkład materii organicznej.

• Bioakumulacja i biomagnifikacja:

• Farmaceutyki mogą gromadzić się w organizmach wodnych i kumulować w obrębie łańcucha pokarmowego, co prowadzi do ich koncentracji w organizmach drapieżników na wyższych poziomach troficznych, w tym również w ptakach i ssakach wodnych.

 

Skutki dla ekosystemów lądowych

 

Gleba i roślinność:

• Mikroorganizmy glebowe: Zanieczyszczenia farmaceutyczne mogą wpływać na populacje mikroorganizmów glebowych (przez zmniejszenie bioróżnorodności), zaburzając naturalne procesy takie jak rozkład materii organicznej i cykl składników odżywczych (zakłócenia w procesach bio-geochemicznych).
• Rośliny: Rośliny mogą pobierać farmaceutyki z gleby, co może prowadzić do fitotoksyczności oraz wpływać na zdrowie i wzrost roślin. Zaobserwowano przykładowo negatywny wpływ farmaceutyków (np. antybiotyków) na funkcjonowanie mikroorganizmów symbiotycznych, pomagających roślinom asymilować substancje odżywcze z gleby.

Zwierzęta lądowe:

• Zwierzęta dzikie i hodowlane: Kontakt z zanieczyszczoną wodą lub spożycie skażonej roślinności może prowadzić do bioakumulacji farmaceutyków w organizmach zwierząt, wpływając na ich zdrowie i zdolność do rozmnażania się.

 

Skutki dla zdrowia publicznego

 

Oporność antybiotykowa: 

Ekspozycja na antybiotyki w środowisku może przyczyniać się do rozwoju opornych szczepów bakterii, co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego. Oporne bakterie mogą przenosić się na ludzi, utrudniając leczenie infekcji bakteryjnych.

 

Na rynku farmaceutycznym jest dostępne ponad 150 różnych antybiotyków, jednak problem lekooporności sprawia, że koncerny farmaceutyczne są zmuszane do poszukiwania nowych rozwiązań i produkcji leków nowej generacji o zwiększonej aktywności przeciwbakteryjnej (Czerwiński J. 2015). Badania Kraupner i in. (2021) wykazały, że biofilm występujący w szpitalnych kanałach ściekowych narażony jest na stosunkowo wysokie stężenia antybiotyków i może sprzyjać rozprzestrzenianiu się opornych szczepów bakteryjnych, w przypadku, gdy fragmenty oderwanego biofilmu trafią do oczyszczalni ścieków. Badacze doszli do wniosku, że antybiotyki fluoro-chinolonowe i beta- laktamowe mogą sprzyjać wytworzeniu oporności na antybiotyki, podczas gdy inne związki również mogą się do tego przyczyniać (Kraupner N. 2021). Należy nadmienić, że lekooporne bakterie mogą przenosić geny oporności na inne bakterie, w tym na patogeny ludzkie.

 

Kontaminacja wody pitnej:

• Śladowe ilości farmaceutyków mogą przedostawać się do wód powierzchniowych i gruntowych, które są źródłem wody pitnej. Choć stężenia są zazwyczaj niskie, długotrwałe narażenie może mieć negatywne skutki zdrowotne, w tym wpływać na funkcje endokrynologiczne i reprodukcyjne.

 

Przykłady wpływu farmaceutyków na florę i faunę

Niewiele jest w dalszym ciągu badań określających długofalowy wpływ farmaceutyków na organizmy bytujące w wodzie lub wręcz obejmujące badaniem ich wpływ na całe ekosystemy, gdzie stwierdzane stężenia tych związków są na poziomie rzędu ng/L lub µg/L. Badania prowadzone w warunkach laboratoryjnych prowadzone są głównie na wysokich stężeniach tych związków, rzędu mg/L, co stanowi nieraz 100 – 1000 razy większe poziomy, niż te obserwowane w środowisku wodnym. Badania tego typu obejmują również stosunkowo krótki czas ekspozycji. Niemniej dla wielu grup organizmów udało się określić toksyczne poziomy, przy których następuje śmierć (efekty letalne),  lub zaburzenia funkcji życiowych, np. efekty subletalne, przejawiające się np. niewydolnością reprodukcyjną, trudnościami w poruszaniu się, co może sprawić, że mniejsze organizmy stają się łatwiejszym łupem dla drapieżników. Tego rodzaju oddziaływania mogą mieć konsekwencje dla całego ekosystemu, zmieniając zależności ekologiczne drapieżnik - ofiara, co w następstwie będzie wpływało na występowanie poszczególnych gatunków w przyrodzie oraz rodzaje chorób, jakie je dotykają. 

 

Przykładowe efekty toksyczne wobec organizmów wodnych i lądowych:

• Diklofenak wywiera silne działanie toksyczne np. dla fitoplanktonu (EC50=14,5 mg/L, 96h), ale również może gromadzić się w skrzelach i nerkach pstrąga tęczowego w stężeniu kilku µg/L. Współczynnik bio-koncentracji diklofenaku w organizmie pstrąga tęczowego (czas ekspozycji 28 dni) wynosił dla nerek 5-1000, zaś dla wątroby aż 10-2700.  Kilka lat temu stwierdzono równie śmiertelne działanie diklofenaku na sępy w Azji, które były narażone na jego działanie ze względu na spożycie mięsa bydła, które było nim leczone (Sosnowska K. 2009).
• Propanolol, lek z grupy beta-blokerów, wykazuje ostrą toksyczność wobec planktonu i sinic w stężeniach poniżej 1 mg/L oraz wpływa negatywnie na układ sercowo-naczyniowy i rozrodczość ryb (Sosnowska K. 2009). 
• Znany lek hipo-lipemiczny, klofibrat, uznawany jest natomiast za szczególnie szkodliwy dla ryb (LC50=7,7 mg/L. 96h) oraz planktonu (Sosnowska K. 2009). 
• Również leki psychotropowe, np. serotonina, czy karbamazepina mogą zaburzać układ nerwowy oraz hormonalny, wpływać na funkcje rozrodcze oraz działać neuro-teratogennie (śmiertelnie na układ nerwowy zarodka/ płodu) (Fent K. 2006). Stwierdzono, że ryby narażone na niskie stężenia niektórych leków przeciwdepresyjnych zmieniają swoje zachowanie, a co za tym idzie może to wpływać na ich zdolność przeżycia (Sosnowska K. 2009).
• Etynylo-estradiol (EE2), składnik współczesnych środków antykoncepcyjnych, już w stężeniu kilku ng/L wywołuje efekt estrogenny – zaburza gospodarkę hormonalną samców (np. ryb lub żab) prowadząc do ich feminizacji (nabywania cech żeńskich), wynikiem czego jest spadek płodności, zmiany patologiczne w budowie i funkcjonowaniu męskich organów płciowych oraz hermafrodytyzm (obecność narządów płciowych męskich i żeńskich u jednego osobnika) (Sosnowska K. 2009).

 

Zanieczyszczenia farmaceutyczne nigdy nie występują w środowisku samodzielnie. Zazwyczaj jeśli takie zanieczyszczenia pojawiają się w wodach, współistnieją z różnego typu innymi zanieczyszczeniami: innymi lekami czy z zanieczyszczeniami pochodzenia organicznego lub nieorganicznego. Badania toksyczności leków prowadzi się głównie dla konkretnego związku. Istnieje niewiele danych dotyczących toksyczności mieszanin farmaceutyków, a jeszcze mniej dotyczących możliwych wzajemnych oddziaływań takich mieszanin między sobą i różnymi innymi zanieczyszczeniami. 

 

Wpływ oddziaływań można określić jako: 

• synergistyczne, wtedy efekt toksyczny mieszaniny jest większy od sumarycznego efektu poszczególnych składników, 
• antagonistyczne, gdy efekt mieszaniny jest niższy, 
• neutralne, wówczas notuje się toksyczność tylko jednego składnika, 
• działanie addytywne, gdy efekty poszczególnych składników się sumują. 

Tak więc wpływ farmaceutyków i ich metabolitów wymaga dogłębnego poznania zwłaszcza w kontekście badania mieszanin i stanowi istotny element oceny stanu środowiska.

Przykładowo w jednym z badań wykazano znaczne zwiększenie toksyczności mieszaniny 4 farmaceutyków z grupy NLPZ (diklofenaku, ibuprofenu, naproksenu, kwasu acetylosalicylowego) względem planktonu, podczas gdy żaden z tych leków z osobna i w takim samym stężeniu nie wywołał skutków lub skutki były śladowe. Oznacza to, że leki występujące w stężeniach poniżej najwyższych stężeń, przy których nie obserwuje się niekorzystnych efektów (NOEC), w przypadku mieszaniny mogą taki skutek wywołać lub wzmagać działanie innych zanieczyszczeń (Fent K. 2006). 

 

Kiedy farmaceutyki trafiają do środowiska zaczynają działać w sposób trudny do przewidzenia, ponieważ oprócz substancji czynnych występują w środowisku również ich metabolity, które mogą być bardziej toksyczne dla organizmów. Należy podkreślić, że zarówno leki macierzyste, jak i ich metabolity podlegają w środowisku licznym przemianom fizycznym, chemicznym i biologicznym, takim jak biodegradacja, hydroliza, czy fotoliza. Do tego zachodzące w środowisku różne procesy biotyczne/abiotyczne zwykle skutkują powstaniem produktów transformacji o nowych nie poznanych właściwościach. Istnieje wiele substancji farmakologicznie czynnych i ich metabolitów, które charakteryzują się wysoką trwałością chemiczną i wolnym procesem rozkładu w środowisku wodnym, co powoduje, że substancje te ulegają akumulacji w ekosystemach, a ze względu na ich lipofilowość łatwo gromadzą się w tkankach organizmów wodnych. Istnieje wiele badań mówiących, że obecność farmaceutyków i ich metabolitów w środowisku, nawet w niskich stężeniach, może negatywnie oddziaływać na organizmy wodne i zakłócać równowagę biologiczną w ekosystemie. 

Przykładowo do najczęściej identyfikowanych metabolitów procesu biotransformacji popularnego ibuprofenu zaliczono jego hydroksylowane pochodne: 

• 1-hydroksyibuprofen, 
• 2-hydroksyibuprofen oraz 
• 1,2-dihydroksyibuprofen. 

W badaniach eksperymentalnych potwierdzono, że pochodne te charakteryzują się większą toksycznością niż związek macierzysty i mogą mieć poważny wpływ na organizmy biocenoz wodnych. To samo dotyczy diklofenaku. W testach na glonach udokumentowano sześciokrotnie bardziej toksyczne oddziaływanie produktów foto-transformacji diklofenaku w porównaniu z samym diklofenakiem. 

W piśmiennictwie istnieje jednak wyraźna luka w wiedzy na temat biologicznej aktywności metabolitów leków oraz ich możliwych interakcji z innymi lekami i związkami chemicznymi występującymi w środowisku, będących pochodzenia zarówno antropogenicznego, jak i naturalnego (np. substancje produkowane przez mikroorganizmy, metabolity roślin). Tego rodzaju mieszaniny mogą znacznie silniej działać na organizmy, w porównaniu ze związkami występującymi indywidualnie. 

 

Ryzyko, jakie stwarzają aktywne substancje farmaceutyczne (API) dla środowiska można ograniczyć na przykład poprzez:

• wprowadzenie ograniczeń w ich stosowaniu, 
• wdrożenie zaawansowanych technologii oczyszczania ścieków, 
• ograniczenie emisji na terenach składowisk odpadów; 
• usunięcie substancji czynnych w pierwotnych źródłach emisji. 

 

Ograniczenie emisji farmaceutycznych poprzez ograniczenie ich stosowania jest trudne do wykonania, ponieważ farmaceutyki stały się istotną częścią współczesnego społeczeństwa. Mimo, że wykazano skuteczność różnych technologii oczyszczania w eliminowaniu farmaceutyków ze ścieków (Verlicchi M 2015), wdrażanie zaawansowanych technologii oczyszczania na dużą skalę często wymaga dużych zasobów finansowych i zwiększa zużycie energii. Redukcja ładunków ze źródeł emisji pierwotnych może być znaczącym sposobem zmniejszenia obciążenia środowiska substancjami czynnymi farmaceutyków ze względu na ich stosunkowo wysokie stężenia tam obecne. Pomogłoby to w usunięciu większej masy substancji czynnej przy rozsądnych kosztach, ponieważ emisje nie są jeszcze rozcieńczone w dużej objętości innych ścieków.  Ocena możliwości wykonania tego typu działań wymaga jednak informacji na temat obecności substancji czynnych oraz skali zagrożenia (poziomów oznaczanych stężeń) w różnych źródłach emisji pierwotnej.

 

Podsumowanie

Przeprowadzone dotychczasowe badania dowodzą niski poziom eliminacji farmaceutyków w procesie oczyszczania ścieków i w konsekwencji ich uwalnianie do wód w postaci niezmienionej lub częściowo rozbitej na aktywne metabolity.

Zakres wiedzy dotyczącej losów pozostałości leków w środowisku, ich toksyczności i możliwych interakcji w strumieniu innych zanieczyszczeń obecnych w ściekach lub środowisku, pozostaje w dalszym ciągu niewystarczający, co uniemożliwia przeprowadzenie pełnej oceny ryzyka środowiskowego. Toksyczność leków w środowisku wodnym jest badana głównie w warunkach krótkotrwałych testów ekotoksykologicznych i na stężeniach nieraz wielokrotnie przekraczających poziomy realnego narażenia występujące w środowisku. Potrzebne są badania skutków ciągłej i wielopokoleniowej ekspozycji organizmów wodnych, szczególnie ryb, na śladowe ilości bioaktywnych zanieczyszczeń, które są w sposób ciągły wprowadzane do wód.

Należy zwrócić szczególną uwagę na produkty metabolizmu i przemian leków w środowisku, które mogą wykazywać większą toksyczność niż substancje pierwotne oraz możliwość synergistycznego oddziaływania mieszaniny farmaceutyków i innych zanieczyszczeń obecnych w środowisku wodnym. Ponadto, istotna jest eliminacja zanieczyszczeń u źródła oraz kampanie edukacyjne zwiększające świadomość społeczną ludzi z różnych branż. W przypadku farmaceutyków największy ich ładunek do środowiska niosą ścieki, zatem konieczne jest szersze poznanie losów leków oraz ich metabolitów obecnych w komunalnych i przyszpitalnych oczyszczalniach ścieków oraz wprowadzanie bardziej skutecznych technologii oczyszczania. 

Istniej również konieczność zwiększenia poziomu dokładności detekcji i możliwości identyfikacji API (setki różnych substancji czynnych farmaceutyków) w wodach wypływających z oczyszczalni, wodach naturalnych, a przede wszystkim w potencjalnych źródłach wody pitnej i wodzie wodociągowej. Wiąże się to z opracowaniem dokładniejszych metod analitycznych, pozwalających obniżyć granicę wykrywalności dla poszczególnych związków, wyeliminowaniem efektu matrycy oraz rozpowszechnieniem odpowiednich procedur analitycznych, aby były powszechnie dostępne dla eksploatatorów oczyszczalni. Istnieje również konieczność wdrożenia różnych technik oceny ryzyka poprzez porównanie zmierzonych stężeń z wartościami PNECs (ang. predicted no-effect concentrations), czyli przewidywanymi stężeniami nie wywołującymi negatywnych skutków w środowisku. 

 

Druga część artykułu - czytaj tutaj

 

Verlicchi M., Al Aukidy E., Zambello P. „What have we learned from worlwide experiences on the management and treatment of hospital effluetnt? - An overview and a discussion on perspectives.” Science of the Total Environment, 2015.

Kraupner N., Hutinel M., Schumacher K., A. Gray D., Genheden M., Fick J., Flach CF. „Evidence for selection of multi-resistant E. coli by hospital effluent.” Environment International, 2021.

Czerwiński J., Kłonica A., Ozonek J. „Pozostałości farmaceutyków w środowisku wodnym i metody ich usuwania.” Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, styczeń-marzec 2015: 27-42.

Sosnowska K., Styszko - Grochowiak K. Gołaś J.: „Leki w środowisku – źródła, przemiany, zagrożenia.” 2009: 395-404.

Szymonik A., Zagrożenie środowiska wodnego obecnością środków farmaceutycznych. 2012.

Fent K., Weston AA., Caminada D. „Ecotoxicology of human pharmaceuticals.” Aquatic Toxicology, 2006: 122-159.

 

Autor: Dr Marlena Wilk

Biolog, chemik środowiska rolniczego, ekspert w dziedzinie ekotoksykologii, od lat zajmujący się badaniem wpływu związków chemicznych (pestycydów, farmaceutyków, metali ciężkich, bisfenoli i in.) na środowisko i organizmy żywe. Twórca środowiskowej szczepionki bakteryjnej mającej na celu wspomóc eksploatatorów oczyszczalni ścieków w redukcji mikrozanieczyszczeń farmaceutycznych w ściekach. Marlena jest związana z działalnością URS od początków jej powstania.