Biologický vliv antropogenních polutantů přítomných v recipientech komunálních odpadních vod

MSc. Thai Giang PHAM

Disertační práce

Biological effects of anthropogenic pollutants present in recipients of treated sewage water

Abstract:

Čističky odpadních vod jsou považovány za hlavní nástroj, který zajistí vyčištění odpadních vod vypouštěných z čističek odpadních vod (ČOV) do životního prostředí. Bylo však zjištěno, že vyčištěné odpadní vody vypouštěné z ČOV obsahují širokou škálu znečišťujících látek. Kromě toho byl průběžně zjišťován výskyt některých nově identifikovaných polutatnů ze skupiny farmak a prostředků osobní hygieny (PPCP). Tyto sloučeniny mají obvykle bioaktivní účinky, ale jejich způsob působení na necílové vodní organismy není dostatečně prodstudován, zvláště pokud se vyskytují ve složitých směsích. Tyto skutečnosti vedly ke zvýšeným obavám z vlivu odtoku ČOV na vodní ekosystém. V této práci byla studována široká škála kontaminantů se zaměřením na sledování PPCP při využití pasivního vzorkování a hmotnostní spekrofotometrie. Dva druhy volně se vyskytujících organismů, kapr obecný (Cyprinus carpio) a pstruh potoční (Salmo trutta m. Fario), byly využity jako modelové organismy pro různé typy recipientů (stojatá a tekoucí voda) pro zkoumání vlivu odtoku ČOV na vodní organismy. U obou typů recipientů ovlivňují výtokové vody ČOV hydrochemické parametry, jako je teplota a obsah živin, které následně ovlivňují život vodních organismů. V obou typech recipientů byla zároveň zjištěna přítomnost široké škály PPCP. V rybníku Čežarka bylo identifikováno 62 a v Živném potoce 53 PPCP patřících do různých skupin léčiv zahrnujících antibiotika, psychoaktivní látky, antihypertenzních léčiva, zneužívaných drog apod. Nejvyšší koncentrace PPCP dosahovala v Čezarce 14000 ng/POCIS a Živném potoce 3860 ng/POCIS, což je 45krát až 36krát více než v kontrolních lokalitách. Kvůli změněným životním podmínkám, jako je teplota a obsah živin, rostly ryby v prostředí ovlivněném ČOV rychleji než ryby v kontrolních lokalitách. Změny v hodnotách biomarkerů však naznačují nepříznivé biochemické vlivy u ryb v lokalitách ovlivněných ČOV. Zvýšená intenzita detoxikačních procesů byla pozorována v souvislosti s nárůstem CYP1A a CYP3A, jejichž aktivita korelovala s celkovou koncentrací PPCP v lokalitách ovlivněných ČOV. U exponovaných ryb byly pozorovány příznaky narušení endokrinního systému, které se projevily zvýšením koncentrace vitellogeninu v krevní plazmě, změnou exprese genu vitellogeninu v jaterní tkáni, nepravidelnou strukturou tkání gonád a změnou období tření. Navzdory pospaným nepříznivým příznakům byla zaznamenána přirozená reprodukce, avšak vliv na její průběh není dosud dostačně prostudován. Biochemické parametry, které odrážejí stresové podmínky (parametry oxidativního stresu) a vnitřní rovnováhu organismu (biochemické a hematologické parametry), také naznačují ovlivnění zdraví ryb způsobené znečišťujícími látkami z ČOV. Kromě toho změny ve složení mikroorganismů nebyly pozorovány pouze ve vodním prostředí, ale také ve střevě ryb žijících v lokalitách ovlivněných ČOV. Zvýšení celkového obsahu tuku, ale zároveň nižší množství omega-3 mastných kyselin bylo pozorováno ve svalech ryb z postižených lokalit. Toto zjištění otvírá prostor pro studie zaměřené na hodnocení vlivu ČOV na kvalitu rybího masa. Tato práce popisuje vliv vypouštění odpadních vod z ČOV na vodní organismy v reálném prostředí dvou modelových recipientů. Přestože ryby na konci experimentu vykazovaly dobrý zdravotní stav a kondici, přítomnost široké škály znečišťujících látek ve vodě a změny biochemických parametrů studovaných ve dvou experimentech naznačují, že je třeba provést více opatření ke snížení přítomnosti znečišťujících látek v odpadních vodách před vypuštěním do životního prostřed

Abstract:

Sewage treatment plant (STP) plays the important role to protect aquatic environment from anthropogenic pollution. However, recently, STP effluent discharge has been reported to contain a wide range of contaminants. Moreover, emerging contaminants such as PPCPs have been detected continuously. These compounds are commonly bioactive and their mode of action to non-target aquatic organism is unknown, especially, when they are present in a complex mixture. Therefore, concern about the effect of STP effluent on aquatic ecosystem has been raised. In this thesis, a wide range of emerging contaminants was measured with focus on pharmaceutical and personal care products (PPCPs) using polar organic chemical integrative samplers (POCISs) and mass-spectrometry approach. Two native organisms, common carp (Cyprinus carpio) and brown trout (Salmo trutta m. fario) which are representative to each receiving aquatic recipients (static water - Cezarka pond and running water - Zivny stream) were used as models to investigate the effect of STP effluent on aquatic organisms. In both recipients, STP effluent discharge changed the hydrochemical factors such as temperature and nutrients which consequently impact aquatic organisms. Wide range of PPCPs was detected in each type of recipients. 62 and 53 PPCPs were detected in Cezarka pond and Zivny stream; they belong to different groups such as antibiotic, psychoactive compound, hypertension drugs, illicit drugs and etc. The highest concentration of total PPCPs in Cezarka pond and Zivny were 14000 ng/POCIS and 3860 ng/POCIS which is 45 and 36-folds higher than in control areas, respectively. Due to the favor condition such as temperature and nutrient factor, fish from STP affected recipients grown faster than fish from the control sites. However, change of biomarkers suggests toxic signs in fish from both STP affected area. In fact, the increasing detoxifying processes were seen with elevation of CYP1A and CYP3A, reflecting the variation of total PPCPs concentrations in STP affected area. The endocrine disruption signs were investigated in fish from STP affected sites with elevation of vitellogenin concentration in blood plasma/ vitellogenin gene expression in hepatic tissue, irregular structure in gonad tissue, and postpone of spawning season. Despite ongoing natural reproduction, the effect on final spawning success was not sufficiently studied. Additionally, biochemical parameters reflecting stress condition (oxidative stress parameters) and internal equilibrium (blood biochemical and hematological parameters), also showed the disturbance of fish health which may be linked to pollutants from STP effluent. Moreover, the changes of microorganism composition were not only evident in lotic environment but also in intestine of fish from STP affected site. Elevation of total fat content but lower amount of omega-3 fatty acids were observed in muscle of fish from affected site. This finding suggests that further studies related to meat quality are needed. This thesis reflects the effect of STP effluent discharge to aquatic environment in a realistic condition. Although fish were externally in good condition at the end of the experiment, wide range of emerging pollutant compounds in water and changes of biochemical endpoint investigated in the two experiments suggest that more measures need to be applied to further reduce the pollutants from STP before discharged to natural condition.

Keywords

odpadní voda, ČOV, polutanty, vodní organismy, biomarkery, endokrinní disrupce, detoxikační enzymy

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 6. 9. 2018

Obhajoba závěrečné práce

JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH

Fakulta rybářství a ochrany vod

Doktorský studijní program / obor:
Zootechnika / Rybářství