Možnosti remediace půd kontaminovaných rezidui léčiv a jejich metabolitů

Zuzana Hejlová

Bachelor's thesis

Possibilities of remediation of soils contaminated by drug residues and their metabolites

Abstract:

Tato práce si kladla za cíl zmapovat cesty vstupu léčiv do životního prostředí, popsat jejich vliv na necílové organismy a identifikovat nejvhodnější remediační techniky pro odstranění těchto léčiv z odpadních vod a půd. Práce se zaměřila především na vysoce biologicky aktivní látky, konkrétně cytostatika a hormonální přípravky. V první části práce byla pozornost věnována mechanismu účinku těchto léčiv, vzniku jejich metabolitů i cestám vstupů do životního prostředí. Byly popsány procesy čištění odpadních vod a zhodnocena kontaminace půd rezidui těchto léčiv. Cytostatika působí cytotoxicky a mohou vést ke vzniku nádorů a nezvratným změnám buněk necílových organismů. Estrogen z hormonální antikoncepce je jedním z nejpotentějších endokrinních disruptorů, proto i jeho stopová koncentrace způsobuje poruchy sexuálních funkcí či změny pohlaví, což vede k významné nerovnováze postižených populací. Ve druhé části práce byly mapovány možnosti remediace půd, a to především bioremediace a pokročilé oxidační procesy. Pro cyklofosfamid a ifosfamid, dvě léčiva ze skupiny cytostatik, byla zjištěna maximální hodnota biodegradace 72 %. Při kombinaci metod biodegradace a pokročilých oxidačních procesů bylo dosaženo až 99% účinnosti odstranění těchto léčiv z testovaných vzorků odpadních vod. Existují i cytostatika, jako azathioprin a etoposid, u kterých byla pozorována 100% účinnost odstranění z odpadní vody při procesu biodegradace nemocničních odpadních vod v bioreaktoru naočkované kulturou houby Trametes versicolor. Naopak pro cyklofosfamid a ifosfamid byla hodnota biodegradace ve stejných podmínkách minimální. K biodegradaci estrogenů může docházet již v procesu čištění v aktivačních nádržích, a to za činnosti bakterií např. rodu Cornybacterium, Sphingomonas, Novosphingum, Comamonas, Rhodococcus či Pseudomonas. Dalším příkladem bioremediace estrogenů je zelená řasa rodu Nanochloris, která prokázala až 60% účinnost degradace estradiolu a ethylinestradiolu během sedmi dní působení v čistírně odpadních vod. Účinnost bioremediace půd kontaminovaných syntetickými estrogeny v laboratoři a in situ se však může lišit vlivem faktorů půdního prostředí, jako je osmolarita, pH, salinita, zdroje uhlíku či další znečištění půdy. V závěru práce byla pozornost věnována pokročilým oxidačním procesům, které využívají energii syntetického UV záření či sluneční energii pro produkci velmi reaktivních forem kyslíku, schopných ničit širokou škálu organických sloučenin. Tyto procesy jsou často dražší než konvenční biologické čištění odpadních vod, ale v konečném důsledku umožňují průběh bioremediace i tam, kde by předtím nebyla účinná, a v kombinaci obou těchto metod spočívá velký potenciál odstranění škodlivých organických sloučenin z půd a vod.

Abstract:

The aim of this thesis was to map the routes of entry of pharmaceuticals into the environment, to describe their impact on non-target organisms and identify the most appropriate remediation techniques for the removal of these pharmaceuticals from wastewater and soils. The thesis focused mainly on highly biologically active substances, precisely cytostatics and hormonal substances. In the first part of the paper, attention was paid to the mechanism of action of these drugs, the formation of metabolites and the routes of entry into the environment. The processes of wastewater treatment were described and the contamination of soils with residues of these drugs was evaluated. Cytostatics are cytotoxic and can lead to tumour formation and irreversible changes in the cells of non-target organisms. Estrogen from hormonal contraceptives is one of the most potent endocrine disruptors, therefore even trace concentrations of estrogen cause sexual dysfunction or sex changes, leading to significant imbalances in affected populations. In the second part of the thesis, soil remediation options were mapped, especially bioremediation and advanced oxidation processes. A maximum biodegradation value of 72 % was found for cyclophosphamide and ifosfamide, two drugs from the cytostatic group. When biodegradation and advanced oxidation processes were combined, up to 99% removal efficiency was achieved. There are also cytostatics, such as azathioprine and etoposide, for which 100% removal efficiency from wastewater was observed in the biodegradation process of hospital wastewater in a bioreactor inoculated with a culture of the fungus Trametes versicolor. On the contrary, for cyclophosphamide and ifosfamide, the biodegradation value was minimal under the same conditions. Biodegradation of estrogens may already occur in the treatment process in the activation tanks, under the action of bacteria such as Cornybacterium, Sphingomonas, Novosphingum, Comamonas, Rhodococcus or Pseudomonas. Another example of estrogen bioremediation is the green alga Nanochloris, which has demonstrated up to 60% degradation efficiency of estradiol and ethylenestradiol within seven days of exposure in a wastewater treatment plant. However, the bioremediation efficiency of soils contaminated with synthetic estrogens in the laboratory and in situ may vary due to soil environmental factors such as osmolarity, pH, salinity, carbon sources or other soil contamination. The paper concluded with a focus on advanced oxidative processes that use the energy of synthetic UV or solar energy to produce highly reactive oxygen species capable of destroying a wide range of organic compounds. These processes are often more expensive than conventional biological wastewater treatment, but ultimately allow bioremediation to proceed where it would not have been effective before, and in the combination of these two methods lies great potential for removing harmful organic compounds from soils and waters.

Keywords

cytostatika, estrogen, léčiva, odpadní vody, pokročilé oxidační procesy, remediace

Keywords

estrogen, pharmaceuticals, wastewater, advanced oxidation processes, remediation, cytostatics

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 22. 5. 2023
• Supervisor: doc. Ing. Petr Kačer, Ph.D.
• Reader: Tereza Kačerová, Ing., externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme / field:
Public Administration in Agriculture and Landscape Management / Public Administration in Agriculture and Landscape