Vliv chemikálií přítomných ve výtocích z čistíren odpadních vod na ryby

Ing. Bc. Kateřina GRABICOVÁ

Doctoral thesis

Effects of chemicals present in sewage treatment plants´ effluents on fish

Abstract:

There are many compounds that are used or produced by humans, e.g. pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) which are used in large quantities around the world. These compounds end up in waste waters and enter sewage treatment plants (STPs). But not all of these compounds are removed during the treatment processes in STP and they enter the aquatic environment via sewage effluents. The thesis is focused especially on evaluation of presence and potential toxicological effects of PPCPs in aquatic environment. The risk assessment for a single compound is usually based on laboratory experiments. The first tested compound was verapamil, a pharmaceutical for lowering blood pressure and treatment of cardiac diseases. Two types of tests were carried out, an acute one with high concentration levels and a sub-chronic one with levels that included environmentally relevant concentration. After the exposure, common carp larvae and embryos showed malformation and edemas and the heart rate was decreased. According to 96hLC50, the verapamil could be classified as a harmful or toxic substance. The second tested substance was UV filter 2 phenylbenzimidazole-5-sulfonic acid which was found at relatively high concentrations in south Bohemian surface waters. In spite of very low bioconcentration of PBSA in fish, activities of 7-ethoxyresorufin-O-deethylase, 7-methoxyresorufin-O-deethylase and 7-penthoxyresorufin-O-deethylase in exposed rainbow trout were increased which indicate that activity of cytochromes P450 were affected even in environmentally relevant concentration. In a real aquatic system, fish are exposed to waters which contain not only a single pollutant but a mixture of them. A consequent experiment was carried out on rainbow trout caged in effluent for 13 days from STP in Gothenburg, the second biggest STP in Sweden. The concentration of selected antidepressants was measured in different fish tissues and plasma. Citalopram, sertraline and venlafaxine were found in fish brain and liver. As these antidepressants are used for the treatment of psychical disorders, behavior of fish could be affected. The limitations of these experiments, even with real water with a mixture of chemicals, are that fish are stressed in aquaria or cages and the exposure via the food chain is not included. Benthic organisms are an important part of fish diet. The impact of pollution on benthic organisms is often studied. However, there is limited knowledge about the bioaccumulation of pharmaceuticals in the benthos and consequently in fish. Therefore bioaccumulation in Hydropsyche and Erpobdella was studied. These organisms were collected in non-polluted and in effluent affected localities. Antibiotics azithromycin and clarithromycin, cardio-vascular drug verapamil, antifungal drug clotrimazole and antidepressants citalopram and sertraline were found in Hydropsyche. Cardio-vascular drug valsartan, antidepressant sertraline, anti-inflammatory drug diclofenac and antifungal drug clotrimazole were found in Erpobdella. Passive sampling is an integrative sampling method which allows the obtaining of time average concentration over period of few weeks. POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Samplers) are used for sampling of polar compounds. It also can mimic bioconcentration. Based on the field experiments, the sampling rate for individual pharmaceuticals and illicit drugs was calculated. Twenty-one localities in the Czech Republic were sampled by POCIS and the water concentration of psychoactive drugs was estimated. Further research is necessary to make POCIS passive sampling a more precise tool for monitoring pharmaceutical and drug contents in aquatic environments.

Abstract:

Farmaka a látky každodenní potřeby (tzv. personal care products, PPCP), patří mezi chemikálie, které jsou používané či vyráběné po celém světě ve velkém množství. Tyto látky jsou vyloučeny či vyhozeny do odpadu a společně s odpadní vodou vstupují do čistíren odpadních vod (ČOV). Ne všechny látky jsou v několika stupňovém čistícím procesu odstraněny a prostřednictvím výtoků z ČOV se dostávají do životního prostředí. Tato disertační práce je zaměřena na PPCP na jejich přítomnost ve vodním prostředí a na zjišťování jejich možného vlivu na vodní organismy. Hodnocení rizik plynoucích z přítomnosti cizorodých látek ve vodním prostředí je obvykle založeno na laboratorních studiích. V rámci této práce bylo první testovanou látkou léčivo verapamil, který je hojně předepisován k léčbě srdečních nemocí a na snížení krevního tlaku. K testování tohoto léčiva byly použity dva typy testů akutní s vysokými koncentracemi a subchronický, kde byla testována i koncentrace odpovídající reálným koncentracím této látky ve vodním prostředí. Embrya a larvy kapra obecného (Cyprinus carpio) vystavené působení verapamilu vykazovaly deformace a otoky těl. Bylo pozorováno i snížení tepové frekvence. Podle stanovené hodnoty 96hLC50 může být verapamil zařazen mezi škodlivé či jedovaté látky. Další testovanou látkou byla 2-fenylbenzimidazole-5-sulfonová kyselina (PBSA). Tato kyselina patří do skupiny UV filtrů používaných např. v opalovacích krémech a, jak bylo v rámci naší terénní studie zjištěno, vyskytuje se v povrchových vodách jižních Čech v relativně vysokých koncentracích. I přesto, že biokoncentrace PBSA v tkáních a plazmě pstruha duhového (Oncorhynchus mykiss) byla nízká, aktivita 7-ethoxyresorufin-O-deethylasy, 7-methoxyresorufin-O-deethylasy a 7-penthoxyresorufin-O-deethylasy u exponovaných ryb byla zvýšená, z čehož vyplývá, že byla ovlivněna aktivita cytochromů P450, a to i koncentrací PBSA běžně stanovovanou v povrchových vodách. Ryby žijící ve volné přírodě jsou však vystaveny působení různorodých směsí chemických látek. V následné studii byl proto použit přístup, kdy byl pstruh duhový vystaven přímo působení výtoku z ČOV v Göteborgu, druhé největší ČOV ve Švédsku. Pozornost byla zaměřena na výskyt antidepresiv v krevní plazmě a tkáních ryb po jejich 13 denní expozici. Citalopram, sertraline a venlafaxine byly nalezeny v mozku a játrech těchto ryb. Protože se tato léčiva používají k léčbě depresí a jiných psychických poruch, je možno předpokládat, že může být také ovlivněno i chování ryb vystavených působení těchto látek. Akvarijní a klecové experimenty jsou však pro ryby stresující a navíc nezohledňují příjem cizorodých látek potravou. Důležitou součástí potravy ryb jsou bentické organismy. Je mnoho studií, které se zabývají vlivem znečištění na bentické organismy, ale tyto studie jsou obvykle zaměřeny na biodiverzitu či ovlivnění biomasy. Dalším cílem práce bylo zjistit, zda se léčiva kumulují v tělech bentických organismů. Byly studovány dva druhy bentických druhů, larvy chrostíků (Hydropsyche sp.) a pijavky (Erpobdella octoculata). V larvách chrostíků došlo ke kumulaci antibiotik azithromycinu a clarithromycinu, kardiovaskulárního léčiva verapamilu, protiplísňového léčiva klotrimazolu a antidepresiv sertralinu a citalopramu. V pijavkách byly nalezeny valsartan (kardiovaskulární léčivo), diklofenak (protizánětlivé léčivo) a také, stejně jako v larvách chrostíků, sertraline a klotrimazol. Velmi perspektivní metodou používanou ke vzorkování životního prostředí je pasivní vzorkování. V reálných podmínkách byla provedena a ověřena kalibrace pasivních vzorkovačů. Pasivní vzorkovače POCI

Abstract:

S (Polar Organic Chemical Integrative Samplers) byly použity ke vzorkování 21 lokalit České republiky pro stanovení psychoaktivních farmak. Pro využití pasivních vzorkovačů jako exaktní metody pro sledování farmak a drog ve vodním prostředí je zapotřebí dalšího výzkumu.

Keywords

farmaka a látky každodenní potřeby, biokoncentrace, bioakumulace, test toxicity, ryby, bentické organizmy, výtok z čistírny odpadních vod, environmentální koncentrační hladina, pasivní vzorkování

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 9. 2014

Accessible from:: 9. 9. 2014

Thesis defence

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery