1. Wstęp
Odkrycie antybiotyków uważa się za jeden z przełomów w medycynie. Pozwoliły opanować wiele chorób, jednak wraz z nimi pojawiły się nowe zagrożenia. Antybiotykooporność powoduje tysiące zgonów na świecie [1]. Jednym z głównych przyczyn jej powstania jest nadkonsumpcja chemioterapeutyków, a co za tym idzie zanieczyszczenie nimi wód i gleby. Również inne farmaceutyki, jak np. niesteroidowe leki przeciwzapalne, są oznaczane w wodach [2] powodując m.in. zmiany martwicowe w tkankach ryb [3], jednak wydaje się, że to antybiotyki, ze względu na swój mechanizm działania, stanowią największy problem.
| Streszczenie Podstawowym źródłem zanieczyszczeń wody antybiotykami jest przemysł farmaceutyczny, szpitale, zakłady weterynaryjne oraz gospodarstwa domowe. Duże zagrożenie zanieczyszczeniami antybiotyków i ich metabolitów stwarzają także hodowle zwierząt. Stosowanie profilaktycznych dawek antybiotyków w hodowli drobiu, bydła i trzody chlewnej jest dużo większe niż w celach leczniczych. W uprawach roślin, owoców i hodowli pszczół też stosuje się antybiotyki w celach profilaktycznych, są to np. oksytetracyklina czy streptomycyna. Nawożenie pól odchodami zwierzęcymi, które zawierają bardzo wysokie stężenie antybiotyków w formie pierwotnej prowadzi do ich obecności w środowisku naturalnym. Dodatkowym przekaźnikiem antybiotyków do wód powierzchniowych i gruntowych mogą być składowiska odpadów, zbiorniki z gnojowicą, przydomowe zbiorniki bezodpływowe ścieków oraz źle utylizowane przeterminowane leki. Największe stężenia zanotowano w ściekach poprodukcyjnych z zakładów farmaceutycznych. Biodegradacja antybiotyków w osadzie czynnym odbywa się dzięki obecności mikroorganizmów, które biorą udział w fermentacji osadu ściekowego. Duże znaczenie w kwestii rozkładu antybiotyków w wodach powierzchniowych ma fotodegradacja promieniami UV. Bardzo ważną rolę w oczyszczaniu bierze udział węgiel w formie węgla aktywnego, nanorurek węglowych oraz grafenu. |
| Abstract The basic source of these pollutants is the pharmaceutical industry, hospitals, veterinary clinics and households. High risk of con-tamination of antibiotics and their metabolites is created by breeding. The use of prophylactic doses of antibiotics in breeding poul-try, cattle and pigs is much greater than for medicinal purposes. In plant, fruit and bee breeding, antibiotics are also used for prophylactic purposes, e.g. oxytetracycline, streptomycin. Fertilization of fields with animal feces, which contain a very high concen-tration of antibiotics in their original form, leads to their presence in the natural environment. An additional transmitter of antibi-otics to surface and groundwater may be landfills, slurry tanks, household septic tanks with outflow of sewage and badly utilized out-of-date medicines. The highest concentrations were recorded in post-production sewage from pharmaceutical plants. Biodegra-dation in the activated sludge is due to the presence of microorganisms that are involved in the fermentation of sewage sludge. The UV decomposition is of great importance for the decomposition of antibiotics in surface waters. Coal in the form of activated carbon, carbon nanotubes and graphene is very important in purification. Key words: antibiotics, sources of pollution, degradation of antibiotics, antibiotics in waters |
2. Źródła zanieczyszczeń wód gruntowych, powierzchniowych i pitnych antybiotykami
Szczególnym zagrożeniem jest przedostawanie się antybiotyków do wód. Wraz z rozwojem cywilizacyjnym to zagrożenie wzrasta. Podstawowym źródłem tych zanieczyszczeń jest przemysł farmaceutyczny, szpitale, zakłady weterynaryjne oraz gospodarstwa domowe.
Przekaźnikiem antybiotyków do wód powierzchniowych i gruntowych mogą być składowiska odpadów, zbiorniki z gnojowicą, przydomowe zbiorniki bezodpływowe ścieków. Natomiast do ścieków przedostają się przeterminowane leki, źle utylizowane, które bywają wrzucane do kanalizacji.
Przebadane próbki pobrane ze ścieków oczyszczonych pochodzących z oczyszczalni w Szwecji wskazały obecność trimetoprimu do 470 ng/l, sulfametoxazolu do 130 ng/l, metronidazolu do 80 ng/l, natomiast przebadana woda z jezior Malaren i Saltsjo wykazała obecność norfloksacyny, ofloksacyny i trimetoprimuw stężeniu do 10ng/l [4].
Analizy ścieków pochodzących ze szpitali, m.in. w Wietnamie, Szwecji, Niemczech i Szwajcarii, pod kątem zawartości antybiotyków wykazały obecność cyprofloksacyny i norfloksacyny w stężeniach odpowiednio 1,1÷44 µg/l i 0,9÷17 µg/l [5].
Duże zagrożenie zanieczyszczeniami antybiotykami i ich metabolitami stwarzają hodowle zwierząt. W Islandii i Norwegii w 2012 r. w hodowli zwierząt zużyto 7 982 tony preparatów antybakteryjnych. W Polsce w 2014 r. sprzedano 581 ton antybiotyków do stosowania w medycynie weterynaryjnej. Antybiotyki stosowane w tak dużych ilościach kumulują się w tkankach i mięsie. W celu zapewnienia bezpieczeństwa i zdrowia konsumentów w Unii Europejskiej zostały ustalone maksymalne poziomy pozostałości (MRL– maximum residue limit) antybiotyków w produktach pochodzenia zwierzęcego, wyrażone w mg/kg masy w stanie surowym.
W tab. 1 przytoczono dane z Głównego Inspektoratu Weterynarii w Warszawie przedstawiające maksymalne stężenia antybiotyków akumulujących się w mięsie. Jeżeli te poziomy zostaną przekroczone mięso nie nadaje się do spożycia [6-8].
Stosowanie profilaktycznych dawek antybiotyków w hodowli drobiu, bydła i trzody chlewnej jest dużo większe niż w celach leczniczych. W hodowli zwierząt stosuje się, często nielegalnie, antybiotyki jako stymulatory wzrostu (tzw. ASW), które działając na patogeny układu pokarmowego w tym enterokoki – wywołujące przewlekły nieżyt jelit – wpływają na lepsze wchłanianie substancji odżywczych i tym samym na szybki przyrost masy zwierząt.
Tab. 1. Maksymalne poziomy pozostałości antybiotyków w mięsie [7]
Od 1 stycznia 2007 roku w Unii Europejskiej obowiązuje całkowity zakaz stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu. Antybiotyki mogą być podawane zwierzętom tylko w uzasadnionych przypadkach [6].
Nastawienie hodowców na zysk i niska ocena konsekwencji w długotrwałym stosowaniu preparatów bakteriobójczych przyczyniają się do nadużywania leków nawet bez oznak chorobowych. Przedstawiciele środowisk rolniczych twierdzą, że do eliminacji antybiotyków z tkanek zwierzęcych wystarczy dawkowanie leków zgodnie ze wskazaniami, stosowanie zasad właściwej praktyki weterynaryjnej i hodowlanej oraz przestrzeganie okresów karencji po podaniu antybiotyku. Jednak przeprowadzone badania na temat degradacji leków w tkankach zwierzęcych i możliwości ich kumulowania nasuwają myśl o konieczności dokładnego monitorowania i wprowadzenia odpowiednich regulacji prawnych [7].
Obowiązek prowadzenia dokumentacji lekarsko-weterynaryjnej przez lekarzy weterynarii nakłada na nich ustawa o ochronie zdrowia zwierząt oraz zwalczaniu chorób zakaźnych zwierząt. Ale rolnicy produkty lecznicze dodają do paszy bez spełnienia odpowiednich wymagań [9].
Antybiotyki w paszy, dodawane są bez nadzoru, bez odpowiednich wymagań i bez skontrolowania dawkowania ze względu na nierównomierne rozmieszanie ich w paszy. Stanowi to poważne zagrożenie zdrowia ludzi i zwierząt. Dodawanie leków do wody wiąże się z podobnym ryzykiem. Główny Lekarz Weterynarii zwiększa nadzór nad legalnymi punktami posiadającymi i stosującymi produkty lecznicze, a z przeanalizowanych ankiet wynika, że bardzo duży odsetek rolników ma dostęp do leczniczych produktów weterynaryjnych poza zakładem leczniczym dla zwierząt. Nie można tego zweryfikować, gdyż kontrole lekarzy wolnej praktyki przeprowadza inspektor farmaceutyczny z Wojewódzkiego Inspektoratu Weterynarii [7].
W latach 2017-2019 Główny Inspektorat Weterynarii planował wdrożenie planu ograniczenia stosowania środków przeciwbakteryjnych, by mieć większą kontrolę nad zużyciem tych środków oraz wdrożenie dobrych praktyk dla lekarzy weterynarii. Od 2014 roku Inspekcja Weterynaryjna monitoruje oporność na leki bakterii odzwierzęcych: Salmonella, E coli, Campylobakter. Wyniki tej kontroli wyraźnie wskazują na wzrost oporności drobnoustrojów na antybiotyki u bakterii zoonotycznych i komensalnych. Monitoring będzie kontynuowany do 2020 r. wraz z Państwową Inspekcją Sanitarną, która włączyła się w badania w 2015 r. [6-8, 10].
Hodowle ryb, małży i krewetek działające na wybrzeżach takich krajów, jak USA, Kanada, Norwegia, Chile, Chiny, Tajlandia, Wietnam czy Taiwan w sposób niekontrolowany stosują dodawanie wprost do wody dużych ilości antybiotyków. Corocznie w tych hodowlach jest dodawane tysiące ton leków przeciwbakteryjnych, których bardzo duże stężenia zalegają w osadach dennych i przedostają się do wód stykających się bezpośrednio z farmami ryb, a wraz z prądami mogą zanieczyszczać także nieskażone wody.
Przykładem stosowania dużych ilości antybiotyków mogą być hodowle łososia w Chile. Państwo to wyróżniło się w produkcji dużej ilości białka zwierzęcego, a tym samym doprowadziło do zanieczyszczenia wód przy jego granicach.
W uprawach roślin, owoców i hodowli pszczół także stosuje się antybiotyki w celach profilaktycznych, np. oksytetracyklinę lub streptomycynę.
Antybiotyki stosowane w leczeniu ludzi są bardzo często stosowane również w rolnictwie. Nawożenie pól odchodami zwierzęcymi, które zawierają bardzo wysokie stężenie antybiotyków w formie pierwotnej prowadzi do ich obecności w środowisku naturalnym. Dane opublikowane przez Europejską Agencję Leków wskazują, że Polska zajmuje drugie miejsce w stosowaniu antybiotyków u zwierząt, a rosnąca oporność drobnoustrojów na leki sugeruje podjęcie działań w kierunku wyeliminowania profilaktycznego podawania leków zdrowym zwierzętom [6, 11].
Dodatkowym przekaźnikiem antybiotyków do wód powierzchniowych i gruntowych mogą być składowiska odpadów, zbiorniki z gnojowicą, przydomowe zbiorniki bezodpływowe ścieków oraz źle utylizowane przeterminowane leki. Największe stężenia zanotowano w ściekach poprodukcyjnych z zakładów farmaceutycznych: enrofloxacin – 900 µg/l, norfloxacin – 420 µg/l, ofloxacin – 160 µg/l, lomefloxacin, enoxacin na poziomie 300 µg/l i ciprofloxacin – 3 µg/l [12].
Stężenia antybiotyków w wodach powierzchniowych wahają się od kilku do kilkudziesięciu ng/l. Wartości stężeń przedstawione w tab. 2 i 3są uzależnione od odległości źródłazanieczyszczenia, położenia kraju oraz przyjętej metody analitycznej. Podczas badań stwierdzono zmiany stężeń antybiotyków, na które wpływ miała głównie częstotliwość stosowania antybiotyków i czynniki środowiskowe. Obecność antybiotyków w środowisku wodnym może prowadzić do lekooporności bakterii. Na algi zielone i cyjanobakterie toksycznie wpływa tetracyklina, a streptomycyna hamuje wzrost roślin wodnych i powoduje wybielanie chloroplastów [4].
Tab. 2. Stężenia antybiotyków w wodach powierzchniowych Europy [13]
Tab. 3. Stężenia antybiotyków występujące w wodach powierzchniowych na świecie [13]
3. Degradacja antybiotyków
Istnieje wiele metod rozkładu antybiotyków, ale niewiele z nich osiąga 100-procentową skuteczność. Biodegradacja w osadzie czynnym odbywa się dzięki obecności mikroorganizmów, które biorą udział w fermentacji osadu ściekowego. Stopień oczyszczenia zależy od wielu czynników – stężenia leku, temperatury, odczynu pH, wilgotności, natężenia promieniowania słonecznego, zawartości kwasów huminowych, zdolności sorpcyjnych, składu chemicznego środowiska, obecności innych źródeł węgla, obecności materii nieorganicznej, dostępności tlenu i mikroorganizmów, które wspomagają proces biodegradacji [5, 8, 10].
Dostające się do środowiska antybiotyki ulegają fotodegradacji, hydroksylacji, dekarboksylacji oraz hydrolizie katalizowanej enzymami bakteryjnymi [14, 15].
Duże znaczenie w kwestii rozkładu antybiotyków w wodach powierzchniowych ma fotodegradacja promieniami UV. Tetracykliny, chinolony i sulfonamidy ulegają fotodegradacji ze względu na strukturę, która umożliwia pochłanianie światła słonecznego.
Fotokataliza jest technologią opartą na świetle chemicznym. Degradacja antybiotyków tą metodą polega na utlenianiu zanieczyszczonych roztworów poprzez ich naświetlanie z zawiesiną fotokatalizatora. Podczas eksperymentu degradacji fotokatalitycznej ampicyliny, jony żelaza, wapnia i fosforanowe działają jak katalizator. Reakcja została sprawdzona na przykładzie rozpadu ampicyliny [14-17].
Ding i wsp. badali modyfikację fotokatalizy z wykorzystaniem próżni tlenowej w celu poprawy skuteczności degradacji antybiotyków [18].
Bardzo ważną rolę w oczyszczaniu bierze udział węgiel w formie węgla aktywnego, nanorurek węglowych oraz grafenu. W procesie adsorpcji węgiel jest sorbentem i na jego powierzchni gromadzi się nadmiar substancji. Wszystkie materiały zbudowane z węgla cechuje budowa z mikroporamio dużej objętości, korzystnym rozkładzie i dużej zdolności adsorpcyjnej. Materiały na bazie węgla są uważane za najbardziej skuteczne w usuwaniu antybiotyków z roztworów wodnych. Węgiel może być wykorzystywany w formie granulowanej, formowanej i pylistej. Granulat węgla aktywnego stosowany jest w filtrach w zakładach uzdatniania wody [16, 19-22].
Antybiotyki są szczególną grupą farmaceutyków, a ich nadużywanie, prowadzące do wytworzenia się u bakterii antybiotykooporności, może mieć katastrofalne skutki. Dlatego zwrócenie uwagi na to zagrożenie i poszukiwanie nowych rozwiązań wydaje się być niezwykle istotne dla zachowania zdrowia ludzi.
4. Literatura
[1] Domagała, Marta; Wanot, Bartosz. Antybiotyki w wodach–mechanizm działania, antybiotykooporność, Technologia Wody, 2019, 2 (64): 56-61. [2] Wanot, Bartosz; Domagała, Marta. Zanieczyszczenia wody niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi (NLPZ). Technologia Wody, 2018, 6 (62): 52-57. [3] Domagała, Marta; Wanot, Bartosz. Wpływ niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ) na środowisko wodne oraz metody ich usuwania z wód. Technologia Wody, 2019, 1 (63): 46-49. [4] Szymonik, Anna; Lach, Joanna. Zagrożenie środowiska wodnego obecnością środków farmaceutycznych. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2012, 15: 249-263. [5] Zhang, Lili, et al. Degradation of paracetamol by pure bacterial cultures and their microbial consortium. Applied microbiology and biotechnology, 2013, 97.8: 3687-3698. [6] Zalewska, M., et al. Skutki nadużycia antybiotyków w chowie zwierząt. Przegląd Hodowlany, 2017, 85.6. [7] Stec, Marcin. Antybiotyki w hodowli organizmów wodnych. Słupskie Prace Biologiczne, 2015, 12: 209-216. [8] Giedrojc-Brzana, U.; Kosek-Paszkowska, Katarzyna; Rudy, Andrzej. Problemy Inspekcji Weterynaryjnej przy nadzorowaniu stosowania antybiotyków w leczeniu zwierząt gospodarskich. Życie Weterynaryjne, 2017, 92.01. [9] Dz.U.2018.0.1967 t.j. – Ustawa z 11 marca 2004 r. o ochronie zdrowia zwierząt oraz zwalczaniu chorób zakaźnych zwierząt. [10] Rozanska, H.; Osek, Jacek. Prawne i praktyczne aspekty kontroli pozostałości substancji przeciwbakteryjnych w mleku. Życie Weterynaryjne, 2016, 91.06. [11] Koszowska, Aneta; Ebisz, Marcin; Krzyśko-Łupicka, Teresa. Obecność farmaceutyków i środków kosmetycznych w środowisku wodnym jako nowy problem zdrowia środowiskowego. Environ Med, 2015, 18: 62-69. [12] Wanot, Bartosz. Obecność antybiotyków w wodach jako jedna z przyczyn lekooporności. Technologia Wody, 2017, 5 (55): 14-19. [13] Bartoszewicz, Maria; Michalska, Małgorzata; Cieszyńska, Monika. Antybiotykooporność bakterii heterotroficznych jako skutek zanieczyszczenia środowiska. Medycyna Środowiskowa – Environmental Medicine, 2014, 17.4: 38-46. [14] Bielas, Sylwia; Lach, Joanna. Zanieczyszczenie środowiska wodnego antybiotykami. Technologia Wody, 2014, 3 (35): 23-29. [15] Popowska, Magdalena. Antybiotykooporność w środowisku naturalnym-przyczyny i konsekwencje. Kosmos, 2017, 66.1: 81-91. [16] Zabłotni, Agnieszka; Jaworski, Adam. Źródła antybiotyków w środowiskach naturalnych i ich rola biologiczna. Advances in Hygiene & Experimental Medicine/Postepy Higieny i Medycyny Doswiadczalnej, 2014, 68. [17] Makowski, Andrzej, et al. Fotokatalityczna degradacja ampicyliny w roztworach wodnych. Proceedings of ECOpole, 2009, 3. [18] Ding, Jie, et al. Z-scheme BiO1-xBr/Bi2O2CO3 photocatalyst with rich oxygen vacancy as electron mediator for highly efficient degradation of antibiotics. Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 205: 281-291. [19] Warszewska, Martyna; Zima, Anna. Skuteczność użycia sorbentu w procesie uzdatniania wody podczas awaryjnego skażenia paracetamolem. [20] Yu, Fei, et al. Adsorptive removal of antibiotics from aqueous solution using carbon materials. Chemosphere, 2016, 153: 365-385. [21] Ahmed, Muthanna J. Adsorption of quinolone, tetracycline, and penicillin antibiotics from aqueous solution using activated carbons. Environmental toxicology and pharmacology, 2017, 50: 1-10. [22] Boroń, Marta; Pawlas, Krystyna. Farmaceutyki w środowisku wodnym – przegląd literatury. Problemy Higieny i Epidemiologii, 2015, 96.2: 357-363.dr n. med. Bartosz Wanot, Uniwersytet Humanistyczno-Przyrodniczy im. Jana Długosza w Częstochowie, Instytut Wychowania Fizycznego, Turystyki i Fizjoterapii
mgr Marta Domagała, Akademia Polonijna, Instytut Zdrowia i Pielęgniarstwa
 | Artykuł pochodzi z dwumiesięcznika „Technologia Wody”; 3/2019 (65). Tekst zamieszczony został za zgodą autorów i wydawcy – Wydawnictwa Seidel-Przywecki Sp. z o.o. – w formie opublikowanej w czasopiśmie. |
fot. na otwarcie sozosfera.pl (zdjęcie ilustracyjne)
