Płynący problem: Leki w wodach słodkich

Farmaceutyki w środowisku

Farmaceutykami określa się wszelkiego rodzaju produkty lecznicze wytwarzane w celu zapobiegania i leczenia chorób ludzi i zwierząt. Kluczowym składnikiem, który odpowiada za właściwości terapeutyczne każdego leku, jest substancja czynna. To właśnie dzięki niej farmaceutyki działają jako leki: mają wpływ na funkcjonowanie organizmów żywych i wywołują u nich określony efekt biologiczny. Obecnie w medycynie wykorzystuje się ponad 4000 bioaktywnych związków chemicznych [1]. Według szacunków, ich światowe zużycie stale rośnie, a w skali roku sięga już kilkuset tysięcy ton [2]. Faktem jest również to, że przemysł farmaceutyczny to jedna z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysłu. Globalne trendy nie pozostawiają zatem wątpliwości, że problem zanieczyszczenia środowiska farmaceutykami będzie narastał.

Obecność leków w środowisku wodnym nie jest nowym zjawiskiem, natomiast jego powszechność i skalę odkryliśmy stosunkowo niedawno. Już w latach siedemdziesiątych w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy wykryto obecność farmaceutyku w oczyszczonych ściekach. Był nim kwas klofibrowy – organiczny związek chemiczny, którego estry są lekami regulującymi poziom cholesterolu we krwi. Także na początku XX wieku, agencja naukowo-badawcza U.S. Geological Survey po raz pierwszy odnotowała obecność związków organicznych (w tym leków) w próbkach wód powierzchniowych [1]. Aktualnie, leki z niemalże każdej grupy terapeutycznej, są regularnie wykrywane w wodach słodkich na całym świecie, w stężeniach od kilku nanogramów (jedna miliardowa grama) na litr [ng/l] do kilkuset mikrogramów (jedna milionowa grama) na litr [µg/l] [3, 4]. Farmaceutyki, jako leki, mają zazwyczaj silne działanie biologiczne w bardzo małych stężeniach.

Oczyszczalnie nie oczyszczają – u źródła problemu

 Jednym z najważniejszych źródeł przedostawania się farmaceutyków do środowiska naturalnego są ścieki. Wśród nich można wymienić ścieki bytowo-gospodarcze, szpitalne oraz ścieki przemysłowe pochodzące z zakładów farmaceutycznych [5]. Przyjmowane przez pacjentów leki nie są zazwyczaj w pełni metabolizowane i częściowo są wydalane wraz z moczem i kałem w niezmienionej, aktywnej formie. Co więcej, niektóre leki nawet w postaci metabolitów, czyli przetworzone przez organizm (głównie wątrobę), pozostają aktywne biologicznie. Dodatkowa pula farmaceutyków trafia do systemów kanalizacyjnych z powodu braku wiedzy na temat ich prawidłowej utylizacji. Nadal jedną z powszechnie stosowanych praktyk pozbywania się przeterminowanych lub niepotrzebnych leków jest spuszczanie ich w toalecie [6]. W konsekwencji, pozostałości farmaceutyków oraz ich metabolity są bezpośrednio i stale wprowadzane do wód za pośrednictwem odpływów z oczyszczalni ścieków.

 Konwencjonalne metody oczyszczania mają głównie na celu usuwanie zanieczyszczeń mikrobiologicznych, a nie chemicznych. Liczne badania wykazały, że tradycyjne oczyszczalnie ścieków nie są w stanie całkowicie eliminować tak specyficznej grupy zanieczyszczeń, jaką są farmaceutyki oraz ich metabolity [7]. Badania wykonane na różnych próbkach wód powierzchniowych potwierdzają ogromną rolę zrzutów wody oczyszczonej w zwiększaniu puli zanieczyszczeń farmaceutykami. Analizy te wykazują podwyższone stężenia leków w próbkach wód rzecznych pobieranych w pobliżu zrzutów z oczyszczalni, a niekiedy jednoznacznie klasyfikują miejskie oczyszczalnie ścieków jako główne źródło zanieczyszczeń wód powierzchniowych na danym obszarze [8, 9]. Jako, że część związków chemicznych łatwo ulega adsorpcji, czyli przyczepiania się do cząstek stałych, nie sposób również pominąć kwestii osadu ściekowego, który po procesach obróbki bywa wykorzystywany jako nawóz do rekultywacji gleb. Obecne w osadzie pozostałości farmaceutyczne przenikają do gleby, a następnie mogą spływać z pól do pobliskich strumieni.

Docelowe działania ochrony środowiska powinny skupiać się na maksymalnym ograniczeniu transmisji zanieczyszczeń z oczyszczalni m. in. poprzez unowocześnienie infrastruktury wodno-ściekowej oraz wdrożenie wysoce wydajnych metod oczyszczania. Jednak wprowadzenie takich rozwiązań wymaga czasu i nakładów finansowych. Na ten moment zadaniem priorytetowym powinna być ocena zagrożeń, jakie niosą ze sobą zanieczyszczenia, dopóki zmiany te nie zostaną powszechnie wprowadzone w życie. W ramach wspomnianej oceny zagrożeń niezbędne jest prowadzenie regularnego monitoringu stężeń farmaceutyków w środowisku naturalnym. Należy zauważyć, że większość państw nie prowadzi takiego monitoringu, dlatego dane dotyczące pozostałości farmaceutycznych w wodach śródlądowych pochodzą głównie z opracowań naukowych, a nie publicznych instytucji monitorujących stan środowiska (np. Wody Polskie, czy regionalne dyrekcje ochrony środowiska w naszym kraju). Brak odgórnej kontroli stanu wód w połączeniu ze wzrostem użycia leków, budzi obawy dotyczące bezpieczeństwa ekosystemów słodkowodnych. Powstaje zatem pytanie, czy farmaceutyki w stężeniach występujących w środowisku mogą zagrażać organizmom wodnym?

Chroniczna ekspozycja, czyli… temat rzeka

Do oceny wpływu substancji chemicznych na organizmy wodne często wykorzystuje się tzw. testy toksyczności ostrej. W tych testach wyznacza się takie parametry jak EC50, czyli stężenie substancji, które wywołuje określony niekorzystny efekt (poza śmiercią) u 50% testowanych organizmów, oraz LC50, która jest stężeniem substancji powodującym śmierć 50% testowych organizmów. Testy toksyczności ostrej wykorzystują bardzo wysokie stężenia substancji, aby szybko wywołać efekt toksyczny, lub zbliżone do dawek klinicznych jakie podaje się pacjentom. Stężenia substancji wykorzystywane do obserwacji toksyczności ostrej są zwykle kilkudziesięciokrotnie wyższe od stężeń, jakie oznacza się w wodach w naturze. Prawdopodobieństwo wystąpienia ostrego wpływu farmaceutyków na organizmy wodne jest niewielkie (z wyjątkiem skrajnych przypadków np. wycieku podczas awarii instalacji). Z tego powodu prognozowanie skutków zanieczyszczenia wód jedynie na podstawie danych z testów toksyczności ostrej jest trudne i obarczone dużym błędem. Dlaczego? W badaniach toksyczności kluczowy jest czas oddziaływania związku chemicznego na organizm, czyli czas narażenia.

Niektóre wody powierzchniowe regularnie otrzymują zrzuty wód oczyszczonych,
a wraz z nimi mieszankę różnorodnych farmaceutyków. Część związków ulega rozkładowi m. in. w procesach fotodegradacji (rozpadu cząstek pod wpływem światła, głównie ultrafioletu), czy degradacji mikrobiologicznej, gdy są „zjadane” przez bakterie czy grzyby. Jednak stały transfer, np. z oczyszczalni ścieków, może na dłużej utrzymywać ich stężenie w wodzie. Nawet jeśli stężenia te nie osiągają poziomu oddziaływania biologicznego, część farmaceutyków ma potencjał do bioakumulacji, czyli gromadzenia się w tkankach organizmów żywych. Kiedy akumulacja obejmuje łańcuch pokarmowy, określana jest jako biomagnifikacja. Jest to proces, w którym substancje chemiczne gromadzą się w łańcuchu pokarmowym, zwiększając swoje stężenie wraz z każdym kolejnym poziomem troficznym. Oznacza to, że nagromadzenie tych substancji, np. w przeliczeniu na masę ciała organizmu, rośnie w kolejnych ogniwach łańcucha pokarmowego. Ten proces może prowadzić do skoncentrowania substancji szkodliwych na bardzo wysokich poziomach, zwłaszcza w organizmach na szczycie łańcucha pokarmowego jak drapieżniki. W takiej sytuacji, związki mogą osiągnąć takie stężenie w tkankach docelowych, które wywołuje niekorzystne efekty, podczas gdy ich poziomy w próbkach wód nie wzbudzają obaw dotyczących bezpieczeństwa biocenoz wodnych. To zjawisko podkreśla potrzebę holistycznego podejścia do oceny zanieczyszczenia środowiska lekami i wymaga obszernych badań interdyscyplinarnych, ponieważ w pewnych warunkach istnieje ryzyko niedoszacowania skutków ich obecności.

Opracowania naukowe dostarczają pewnych dowodów eksperymentalnych na to, że pozostałości farmaceutyczne mogą wpływać na rozwój i funkcjonowanie organizmów wodnych. Długotrwałe narażenie na bardzo małe ilości prowadzi do zmian na poziomie biochemii komórki. Konkretnym przykładem mogą być modyfikacje w aktywności antyoksydantów, czyli związków naturalnie wytwarzanych przez komórkę w celu ochrony przed działaniem wolnych rodników tlenowych. Powstawanie wolnych rodników jest naturalnym procesem towarzyszącym oddychaniu tlenowemu, dlatego też przeciwdziałające mechanizmy wyewoluowały bardzo wcześnie w historii życia na Ziemi. Jeśli powstaje zbyt dużo wolnych rodników, a system antyoksydacyjny nie działa na tyle wydajnie, by mógł je szybko neutralizować, w komórce dochodzi do poważnych uszkodzeń. Taki stan określa się mianem stresu oksydacyjnego. Ekspozycja na ksenobiotyki (w tym leki) sprzyja kumulowaniu się aktywnych form tlenu i prowadzi do stresu oksydacyjnego w komórkach, potęgując w czasie skutki ich toksyczności [10]. Udowodniono także, iż środowiskowe dawki leków mogą istotnie wpływać na wzrost organizmów wodnych, co można obserwować na różnych poziomach łańcucha pokarmowego. Na przykład, ekspozycja glonów jednokomórkowych (producentów pierwotnych; Rys. 1) wpływa na wzrost i funkcjonowanie organizmów je zjadających, co obrazuje pośredni wpływ zanieczyszczeń na organizmy, które są wyżej w łańcuchu pokarmowym [11]. Wykazano również, że śladowe ilości farmaceutyków są toksyczne dla rozwielitek – wodnych bezkręgowców planktonowych rodzaju Daphnia – powszechnych konsumentów I-rzędu w wodach słodkich (Rys. 2). Narażenie na niektóre leki np. ibuprofen skutkuje zakłóceniem prawidłowego rozwoju embrionów Daphnia, wywołując widoczne deformacje ciała osobników nowo narodzonych [12]. To z kolei może wpływać na ewolucję populacji, a nawet dynamikę całych ekosystemów, ponieważ rozwielitki często stanowią dominującą grupę zooplanktonu jeziornego.

Ryby, jako kręgowce będące na szczycie łańcucha pokarmowego w ekosystemach słodkowodnych, mogą być grupą szczególnie wrażliwą na zanieczyszczenie, nie tylko ze względu na wysokie miejsce zajmowane w łańcuchu pokarmowym skutkujące kumulowaniem się zanieczyszczeń w ich ciałach. Farmaceutyki zwykle działają na te szlaki fizjologiczne, które są ewolucyjnie konserwowane u różnych grup organizmów. Ryby, ze względu na bliższe pokrewieństwo genetyczne do ludzi, dzielą więcej wspólnych szlaków metabolicznych, które są docelowym miejscem działania farmaceutyków. Istnieją eksperymentalne dowody na to, że środowiskowe stężenia leków powodują u ryb zmiany rozwojowe, zaburzenia neurologiczne oraz zaburzenia hormonalne i w konsekwencji np. zmiany ich zachowania. Zakłócenia w zachowaniu zwierząt obejmują np. relację drapieżnik (ryba) – ofiara (Daphnia) [13]. Niektóre związki, nawet w ilości nieprzekraczającej kilkunastu ng/l, powodują obserwowalne zmiany w zachowaniach antydrapieżniczych u ryb, a także wpływają na proces uczenia się [14, 15]. Ponadto badania zwracają uwagę na czas regeneracji (czas niezbędny do ustąpienia skutków narażenia), który jest ważnym czynnikiem w kontekście rewitalizacji środowisk słodkowodnych [16].

           Podsumowując, mimo powiększającej się wiedzy na temat toksyczności różnych substancji, ogrom czynników, od których zależny jest końcowy efekt narażenia, utrudnia przewidywanie rzeczywistych zagrożeń. Dane z badań laboratoryjnych nie odzwierciedlają w pełni realnego wpływu leków, szczególnie, że są prowadzone najczęściej dla pojedynczych farmaceutyków. Wody słodkie wraz z oczyszczonymi ściekami przyjmują mieszaninę różnych związków, które oddziałują ze sobą i mogą wzajemnie potęgować toksyczne działania. Biorąc pod uwagę rosnący wpływ działalności człowieka, a także pogarszający się stan wód słodkich, zanieczyszczenie lekami staje się znaczącym czynnikiem w kontekście ochrony różnorodności biologicznej ekosystemów wodnych.

---

Autorki:
mgr Marta Grabska – absolwentka Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie.
dr Małgorzara Grzesiuk – adunkt w Katedrze Biochemii i Mikrobiologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Zajmuje się ekotoksykologią i ekologią wód słodkich.

Recenzja – zespół redakcyjny Nauki dla Przyrody

Bibliografia:

[1] Szymonik, A., & Lach, J. (2012). Zagrożenie środowiska wodnego obecnością środków farmaceutycznych. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 15(3), 249-263.
[2] Klimaszyk, P., & Rzymski, P. (2018). Water and aquatic fauna on drugs: what are the impacts of pharmaceutical pollution?. Water Management and the Environment: Case Studies, 255-278.
[3] Hughes, S. R., Kay, P., & Brown, L. E. (2013). Global synthesis and critical evaluation of pharmaceutical data sets collected from river systems. Environmental science & technology, 47(2), 661-677.
[4] Osorio, V., Larrañaga, A., Aceña, J., Pérez, S., & Barceló, D. (2016). Concentration and risk of pharmaceuticals in freshwater systems are related to the population density and the livestock units in Iberian Rivers. Science of the Total Environment, 540, 267-277.
[5] Kot-Wasik, A., Jakimska, A., & Śliwka-Kaszyńska, M. (2016). Occurrence and seasonal variations of 25 pharmaceutical residues in wastewater and drinking water treatment plants. Environmental monitoring and assessment, 188, 1-13.
[6] Aryal, A., Anuba, P. A., Arun, G. R., & Sarumathy, S. (2023). A review on status of drug disposal practice of unused and expired drugs among different countries. Journal of Applied Pharmaceutical Science, 13(4), 045-052.
[7] Wontorska, K., & Wąsowski, J. (2018). Problematyka usuwania farmaceutyków w procesach oczyszczania ścieków. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 1, 36-42.
[8] Lenart-Boroń, A., Prajsnar, J., Guzik, M., Boroń, P., & Chmiel, M. (2020). How much of antibiotics can enter surface water with treated wastewater and how it affects the resistance of waterborne bacteria: a case study of the Białka river sewage treatment plant. Environmental Research, 191, 110037.
[9] Zuccato, E., Castiglioni, S., Bagnati, R., Melis, M., & Fanelli, R. (2010). Source, occurrence and fate of antibiotics in the Italian aquatic environment. Journal of hazardous materials, 179(1-3), 1042-1048.
[10] Yuxuan, Z., Peiyong, G., Yanmei, W., Xiaoyan, Z., Meixian, W., Simin, Y., … & Haitao, S. (2019). Evaluation of the subtle effects and oxidative stress response of chloramphenicol, thiamphenicol, and florfenicol in Daphnia magna. Environmental toxicology and chemistry, 38(3), 575-584.
[11] Grzesiuk, M., Spijkerman, E., Lachmann, S. C., & Wacker, A. (2018). Environmental concentrations of pharmaceuticals directly affect phytoplankton and effects propagate through trophic interactions. Ecotoxicology and environmental safety, 156, 271-278.
[12] Grzesiuk, M., Pijanowska, J., Markowska, M., & Bednarska, A. (2020). Morphological deformation of Daphnia magna embryos caused by prolonged exposure to ibuprofen. Environmental pollution, 261, 114135.
[13] Grzesiuk, M., Gryglewicz, E., Bentkowski, P., & Pijanowska, J. (2023). Impact of fluoxetine on herbivorous zooplankton and planktivorous fish. Environmental Toxicology and Chemistry, 42(2), 385-392.
[14] Saaristo, M., McLennan, A., Johnstone, C. P., Clarke, B. O., & Wong, B. B. (2017). Impacts of the antidepressant fluoxetine on the anti-predator behaviours of wild guppies (Poecilia reticulata). Aquatic toxicology, 183, 38-45.
[15] Grzesiuk, M., Grabska, M., & Pawelec, A. (2024). Fluoxetine may interfere with learning in fish. Environmental Toxicology and Pharmacology, 105, 104358.
[16] Grzesiuk, M., & Pawelec, A. (2021). Fluoxetine results in misleading conclusions on fish behavior. Ecology and Evolution, 11(14), 9707-9714.