Farmaceutika a látky z kosmetických produktů jako polutanty ve vodních ekosystémech PPCPs – Pharmaceuticals and Personal Care Products Co jsou PPCPs? látky používané pro osobní zdraví nebo kosmetické účely a látky používané v zemědělství pro zlepšení růstu a zdraví hospodářských zvířat tisíce různých chemických látek mnoho z nich má vysokou biologickou aktivitu neexistují limity pro PPCPs ve vodním prostředí regulované polutanty představují jen velmi malou frakci z velkého množství chemických stresorů, kterým jsou vodní organismy běžně a kontinuálně vystaveny humánní a veterinární léčiva diagnostické látky (např. kontrastní látky pro vyšetření) potravinové doplňky (např. vitamíny) chemikálie z přípravků osobní spotřeby jako voňavky (např. musky) látky do opalovacích krémů (např. 4-methylbenzyliden kafr, oktokrylen) “inertní“ ingredience používané ve výrobě PPCPs (např. parabeny) Hlavní skupiny PPCPs a jejich použití PPCPs - farmaka • humánní farmaka – diagnostika, ošetření (léčba/zmírnění), prevence onemocnění, změna struktury/funkce lidského těla • veterinární farmaka – ochrana zdraví zvířat, léčba, ovlivnění reprodukčních procesů a produkce (např. růstové doplňky) • biologicky aktivní • často velmi hydrofilní • často nesnadno rozložitelné  látky environmentálně zajímavé, potenciálně nebezpečné • často opticky aktivní (optické izomery: terapeutický účinek vs. nežádoucí efekty) Charakteristika léčiv • v ČR v roce 2007 registrováno 51 232 variant léků a léčebných přípravků (asi 1200 aktivních látek) • v UK v roce 2000 registrováno více než 3 000 aktivních látek • kromě aktivních látek léky obsahují i pomocné látky, plniva, pigmenty, vosky, tmelící látky • kromě léčiv se ve zdravotnictví používají např. i diagnostické látky, dezinfekce • biodegradabilita (fotodegradabilita, oxidace vzdušným O2, ......) silně závisí na typu látky • ??? interakce látek v toxických koktejlech • ??? dlouhodobé toxické účinky nízkých koncentrací • pomocí analytických technik umíme spolehlivě detekovat a kvantifikovat okolo 200 látek Roční spotřeba některých skupin předepisovaných léčiv v různých zemích Kotyza J., Soudek P., Kafka Z., Vaněk T., Chemické Listy 103, 540-547 (2009) 10 preparátů s největším distribučním objemem v ČR Ročně v ČR prodáno přes 73 t paracetamolu nebo 140 t ibuprofenu Spotřeba některých farmak a jejich vylučování Německo PPCPs – přípravky denní spotřeby • většinou nemají žádnou biochemickou aktivitu (kromě potravinových doplňků) • na rozdíl od farmak mohou být uvolňovány do ovzduší (např. mošusové látky) • většina látek používána jako aktivní složky nebo konzervační látky v kosmetice, toaletních potřebách nebo vůních • mohou sloužit jako prevence onemocnění (např. látky v opalovacích krémech) PCPs vyrobené v Německu (1993) Zdroje PPCPs v prostředí emise z výroby, přepravy, skladování (minimální) lidská aktivita (koupání, holení, plavání aj.) exkrece po aplikaci léčiv u lidí a zvířat (vylučování močí a výkaly) používání veterinárních léčiv (především antibiotika a steroidy) zemědělství rezidua z nemocnic nezákonné drogy  zvýšené užívání se stárnutím populace problém – nadužívání léčiv nesprávná likvidace léčiv (bezprostřední odstranění nadbytečných léků z domácností) „Ty červené jsou na nemoc, ty modré potlačují vedlejší účinky těch červených a ty zelené potlačují vedlejší účinky těch modrých“ Osud v ŽP PPCPs na základě odolnosti v životním prostředí : •látky lehce odbouratelné (např. kyselina acetylsalicylová) •látky stálé a hydrofilní (bezafibrát) •látky stálé a lipofilní (ofloxacin) Nejnebezpečnější z hlediska ochrany prostředí jsou látky z poslední skupiny - může dojít k začlenění do potravních řetězců příslušnost látek do skupin - dle souhrnu jejích fyzikálněchemických vlastností, nejvíce pak rozpustnost, Kow, pK a KH (Henryho konstanta). chemické, biochemické, fotochemické a termické reakce látky – vznik meziproduktů a metabolitů vedoucích k sekundárnímu znečištění Osud PPCPs v prostředí Farmaka pro humánní medicínu Farmaka pro veterinární medicínu Exkrece (odpadní vody z nemocnic) Exkrece (odpadní vody z domácností) Komunální odpad (nevyužité léky) Exkrece Čistírna odpadních vod Popelnice Hnůj, kompost Zpracování kalů Povrchová voda Skládka Upravený kal Půda Podzemní voda Pitná voda Výroba farmak Vodní mikroflóra Upraveno podle: T.Heberer, Toxicology Letters 131, 5 – 17 (2002) Expoziční cesty veterinárních a humánních farmak v prostředí PPCPs označovány jako „emerging pollutants“ patří mezi významné sloučeniny znečišťující některé složky životního prostředí dostávají se zejména do vodního ekosystému detekovány v povrchových i spodních vodách, odpadních vodách, na skládkách, v půdách a sedimentech Výskyt PPCPs v prostředí Nejvíce sledované skupiny léčiv: • humánní – analgetika a protizánětlivé látky, antibiotika, orální kontraceptiva, cytostatika, antiepileptika, betablokátory, hypolipidemika, RTG-kontrastní média, hormony a různé sloučeniny a metabolity • veterinární – antibiotika, antiektoparazitika, desinficiencia • aktivní substance (léky/metabolity) nalezeny ve všech složkách prostředí (1ng/kg - 1mg/kg) • výskyt v daném místě přímo úměrný spotřebě Povrchové vody • nejvíce kontaminovaná složka ŽP • dolní toky a delty - velké aglomerace, velké množství ČOV, velký průtok vody Podzemní vody • původ nalezených látek - lokální zdroje znečištění (skládky, ČOV, kanalizace apod.) Rozšíření v ŽP Půdy a sedimenty • aplikace stabilizovaných čistírenských kalů • sorpce na částice půdy - degradace • průsaky do spodních vod Situace v ČR • minimum informací • horní toky řek Santos L.H.M.L.M et al., Journal of Hazardous Materials 175, 45-95 (2010) Relativní zastoupení látek detegovaných v ŽP (183 článků z let 1996-2009) Skupiny PPCPs detekované v povrchových vodách, odpadních vodách a čistírnách odpadních vod Výskyt farmak a pohlavních hormonů v environmentálních vzorcích PPCPs v pitné vodě • jiná studie - v pitné vodě detekován diklofenak, kyselina klofibrová, propyfenazon PPCPs v povrchových vodách • 139 lokalit ve 30 státech USA (urbanizace, chov hospodářských zvířat) • detekováno 82 z 95 stanovovaných kontaminantů (farmaka, hormony a další látky znečišťující vodní prostředí) • nejčastěji detekované látky: koprostanol (fekální steroid), cholesterol (rostlinný a živočišný steroid), N,N-diethyltoluamid (repelent proti hmyzu), kofein (stimulant), triclosan (antimikrobiální dezinfekční prostředek), tri(2-chlorethyl)fosfát (retardanty hoření), 4-nonylfenol (metabolit detergentu) Naměřené koncentrace 30 nejčastěji detekovaných kontaminantů. PPCPs v povrchových vodách Frekvence detekce kontaminantů rozdělených dle použití (A) a jejich procentuální podíl na celkové naměřené koncentraci (B). PPCPs v povrchových a odpadních vodách • rozsáhlá studie zaměřená na ČOV (v USA) • 78 ze 110 stanovovaných látek nalezeno alespoň v jednom vzorku • počet detekovaných látek ve vzorku: 2 (referenční lokalita) – 50 (výpusť ČOV) • př. detekovaných látek: dezinfekční prostředky (triclosan), antibiotika (sulfamethoxazol), mošusové látky (tonalid), antihistaminika (difenhydramin), antiepileptika (karbamazepin) PPCPs v povrchových a odpadních vodách 0 10 20 30 40 50 60 70 80 chlorinated fire retardants (3) fecaland plantsterols (4) nonprescription drugs (9) prescription drugs (notantibiotics)(10) flavors and fragrances (11) household w astew atercom pounds (6) detergents and degradates (8) industrialwastew atercom pounds(16) pesticides (9) antibiotics (25) PA H s (9) AverageFrequency ofDetection(%) Frekvence detekce skupin látek klasifikovaných podle použití Závěry studie: farmaka a další chemikálie z odpadních vod projdou přes ČOV, míra jejich odstranění závisí na čistírenské technologii nedostatečné čištění zvyšuje přítomnost látek v prostředí koncentrace nad ČOV jsou většinou nízké – tzn. tyto látky nejsou běžně rozšířené koncentrace pod ČOV klesají se vzdáleností – ale s různou rychlostí pro různé látky • komunální ČOV mají velmi nízkou účinnost při odstraňování některých léčivých látek a jejich metabolitů (nízké koncentrace) Procesy • Fotodegradace - hlavní mechanismus degradace léčiv ve vodním tělese – přímá fotolýza - absorpční spektrum molekuly, intenzita záření, zákal – radikálový rozpad - vliv hydroxylového (·OH), alkylperoxidového ·RO2 radikálu a atomárního kyslíku ČOV a povrchové vody • Sorpce – absorpce dovnitř aktivovaného kalu - interakce hydrofobních skupin (alifatických a aromatických) s biomembránou buněk – adsorpce na povrch aktivovaného kalu - pozitivně nabitá centra xenobiotik se záporně nabitým povrchem biomasy • Biodegradace – metabolická přeměna léčiv mikroorganismy v aktivovaném kalu • Chemická oxidace – vznik ·OH radikálu z H2O2 vlivem UV záření – ozonizace vody ČOV - moderní procesy • Membránové procesy – nanofiltrace a reverzní osmóza - xenoestrogeny – separace léčiv z moči pacientů • Aktivní uhlí – adsorpce a spálení - karbamazepin • Fytoremediace – kořenové čistírny odpadních vod Kotyza et al. Chemické Listy 103, 540-547 (2009) ČOV v Německu (poblíž Frankfurtu nad Mohanem) Účinnost odstraňování různých farmak v ČOV Účinky PPCPs v životním prostředí PPCPs mohou stejně jako ostatní chemické látky představovat riziko pro životní prostředí působení farmak prostřednictvím buněčných receptorů již při nízkých koncentracích → nepříznivé účinky při interakci s necílovými receptory v ekotoxikologii stanovovány především akutní efekty PPCPs výskyt PPCPs v prostředí v nízkých koncentracích → mírné efekty → akumulace mírných efektů → výrazné efekty dvě skupiny farmak, kterým byla věnována největší pozornost, jsou antibiotika (možný vývoj rezistence) a steroidní hormony (překryv s ED) pro množství ostatních skupin farmak a PCPs se ví velmi málo o jejich potenciálu negativního působení EC50s vybraných farmak v biotestu s D. magna, D. subspicatus a Lemna minor Inhibice bioluminiscence šesti léky proti zánětům v testech ToxAlert 100® a Microtox® Účinky léčiv ve vodních ekosystémech Farmaka jsou designována tak, aby měla určitou biologickou aktivitu. Je známo velmi málo o účincích léčiv ve vodním prostředí. Účinky farmak a jejich metabolitů jsou v podstatě stejné jako účinky dalších xenobiotik v prostředí např:  účinky proti bakteriím, houbám, vyšším organismům  inhibice enzymů  vliv na signální dráhy endogenních látek  porušení funkce membrán a redoxního potenciálu  endokrinní disrupce  teratogennní, karcinogenní a embryotoxické účinky  ovlivnění chování  nespecifické účinky – nepolární narkóza  další Účinky některých PPCPs antibiotika •kontaminace vod používaných na pití, zavlažování, rekreační účely •potenciál vyvolat bakteriální rezistenci na ATB •negativní vliv na důležité bakterie v ekosystému steroidní farmaka – endokrinní disrupce (viz. přednáška ED) blokátory vápníkových kanálů (kardiovaskulární léčiva) – inhibice aktivity spermií u některých vodních organismů β-blokátory (kardiovaskulární léčiva) – inhibice růstu řas, mušlí, schopnost akumulace mošusové látky - bioakumulace a perzistence, některé velmi toxické genotoxická léčiva (použití především v nemocnicích) paracetamol (analgetikum a antipyretikum) • chronické účinky na vodní organismy už v koncentracích, nalézaných v povrchových vodách • vyvolává oxidativní stres Látky snižující obsah krevních tuků Fibráty • aktivace specifického transkripčního faktoru ze skupiny nukleárních receptorů - PPARs (peroxisome proliferator activated receptors) • zastavení embryonálního vývoje necílových organismů zastavením dělení buněk (v µM koncentracích pozorováno u ryb (Danio rerio) a obojživelníků) • Danio rerio - expozice klofibrátu 0,5 - 1 mg.L-1 v larválním stadiu - změny morfologických charakteristik, letargie • karas zlatý (Carasius auratus) - 14 denní expozice gemfibrizilu 1,5 µg. L-1 - více než 50% pokles hladiny testosteronu • vysoká perzistence metabolitů (kyselina klofibrová) v ŽP - tato látka detekována i v pitných vodách a v Severním ledovém oceánu • snížení koncentrace cholesterolu a triglyceridů v krvi Statiny • inhibice enzymu HMG-CoA - zpětnovazebná kontrola syntézy cholesterolu • nedostatek informací o ekotoxicitě; pouze aktivní látky simvastatin a atorvastatin • 96h test na krevetě (Palaemonetes pugio) - simvastatin - LC50 (larva) = 1,18 mg.L-1 a LC50> 10 mg.L-1 , na buchance (Nitocra spinipes) - 96h LC50 = 0.81 mgL-1 • koncentrace statinů v neupr. čistírenském kalu 4-117ng.L-1, v povrchové vodě 1 ng. L-1 Nesteroidní protizánětlivé léky • slabé kyseliny reversibilně či ireversibilně inhibující cyklooxygenázy COX-1 a COX-2 vliv na syntézu prostaglandinů - signalizační molekuly v zánětlivých procesech • u ptáků mají prostaglandiny vliv na tvorbu vaječné skořápky Diklofenak • nejnebezpečnější analgetikum ve vodním prostředí, koncentrace v povrchových vodách v jednotkách μg/l, nízká účinnost odstraňování, bioakumulace ve tkáních, účinky u ryb už od koncentrace 1 μg/l, poškození funkce žaber a ledvin, vliv na krvetvorbu • akutní toxicita pro vodní organismy při 100 µg.L-1 • chronická toxicita - pstruh duhový (Oncorhynchus mykiss), 28 dní, 1 µg.L-1 cytologické změny na játrech, ledvinách a žábrách, při 5 µg.L-1 - léze na ledvinách a skřelích, vysoká bioakumulace v játrech • 25 µg.L-1 - znatelná redukce růstu fytoplanktonu Ibuprofen • zvětšená játra a zvýšená produkce vajíček u ryb (Medaka japonská - Oryzias latipes), vitelogeneze - ovlivnění životaschopnosti a produkce VTG u ryb, reprodukce při chronickém působení u ryb • test na Daphnia magna - redukce populací kolem koncentrací 80 µg.L-1 • okřehek (Lemna minor) - 7 dní, 1 - 1 000 µg.L-1, inhibice růstu Cytostatika • karcinogeny, mutageny a teratogeny • nízká spotřeba (Německo 200 – 400 kg/ rok) vs. vysoké zdravotní riziko • nízká biodegradabilita, vysoké biologické poločasy – (ifosfamid, voda, methanogenní podmínky – 120 dní) • baktericidní účinky (synergismus s antibiotiky) – vliv na samočistící schopnost vodních toků – snížení účinnosti ČOV • vysoké koncentrace v moči pacientů Antiepileptika • karbamazepin – karcinogen pro myši, u savců neprokázána mutagenní aktivita – LC50 (Danio rerio) = 43 µg.L-1, EC50 (Daphnia magna) = 92 µg.L-1 – snížená aktivita blešivce potočního (Gammarus pulex) při 1 - 10 ng.L-1 – závažné poškození jater, ledvin a žaber u kapra - 20 µg.L-1 – vysoké koncentrace v sedimentech • látky ovlivňující CNS - snížení neuronální aktivity – blokáda napěťově řízených iontových kanálů pro Na - karbamazepin – zvýšení inhibičního účinku GABA - benzodiazepiny – neurodegenerace způsobená apoptózou při vývoji mozku Antidepresiva • inhibice zpětného vychytávání serotoninu ze synaptické štěrbiny • vliv na reprodukční schopnosti a chování korýšů • antidepresivum Fluoxetin – toxický pro fytoplankton – nalezen v tělech ryb v Texasu (0,1 mg/kg) – v koncentracích 5 µg.L-1 během 4 týdnů ovlivnil hladinu estradiolu a způsobil vývojové abnormality u Medaky Japonské • antidepresivum Fluovoxamin – v koncentraci 0,32 µg.L-1 vyvolává tření a předčasné dozrávání oocytů u škeble Dreissena polymorpha Dezinfekční prostředky • kvartérní amonné soli – kationaktivní baktericidy – působí inhibičně na růst grampozitivních a gram-negativních bakterií, na plísně, kvasinky a i některé prvoky – řadí se mezi nejběžnější konzervační a dezinfekční prostředky – spotřeba 777 t Belgie, 21 450 t Francie, 28 892 t UK (1997) – úroveň v nemocničních odpadních vodách - jednotky mg/l – úroveň na výtoku z komunálních ČOV – setiny až desetiny mg/l – poškození vodních mikroorganismů v nízkých koncentracích – benzalkonium chlorid IC50 (aktivovaný kal) = 10 mg/l – inhibiční efekt na denitrifikační bakterie už při 1 – 2 mg/l – vznik rezistentních kmenů AVERMECTINová antiparasitika Ivermectin – antiparasitika pro velké chovy, stáda  používáno 2x za sezonu pro ovce/krávy  Likviduje 100% parazitů v ovcích  Dostává se do hnoje - likviduje 80-90% larev much  Vysoké koncentrace v hnoji  Perzistentní v půdě (poločas života 30 dní)  Může se splachy dostávat do povrchové vody - vysoce toxický pro vodní hmyz Moxidectin – domácí použití ? Expozice vodních organismů expozice ve vodním prostředí – jakákoli chemikálie, která se dostane do vodního prostředí z odpadních vod nebo splachů, může vést k dlouhodobé trvající multigenerační expozici akvatických organismů látky, které kontinuálně vstupují do vodního prostředí, se v podstatě stávají „persistentními“ polutanty i pokud jsou jejich poločasy života relativně krátké – jejich zásoba je kontinuálně doplňována  pseudo-persistentní látky https://www.youtube.com/watch?v=0wBWaVyzr2Q (18 min) Expozice mnoha xenobiotikům ve stopových množstvích pod známou hladinou účinku (NOEC) Potenciální ekotoxikologická významnost  Potenciální aditivní účinky řady látek působících stejným mechanismem. Kombinací koncentrací individuálních látek je překročena hladina pro účinek.  Možné interakce působení, zejména synergismus, kde kombinovaný účinek překračuje sumu účinků individuálních látek.  Hormese – účinky pod domnělou NOEC. Paradoxní křivky dávka-odpověď tvaru „U“. – protektivní účinek podprahových koncentrací způsobený aktivací obranných mechanismů • toxickou látkou indukovaná ztráta tolerance • nedostatek znalostí o toxických účincích ultra-stopových koncentrací • nedostatek znalostí o účincích léků na necílové receptory (organismy) – biochemické mechanismy studovány zejména pro terapeutický účinek • rozdílná citlivost organismů směrnice EPMA (European Medicines Agency) z roku 2006 • fáze I - odhad PEC (predicted environmental concentration) v povrchové vodě – údaje o zastoupení látky na trhu, maximální terapeutická dávka na osobu, množství odpadní vody na osobu, ředící faktor apod. – pokud PEC < 10 ng.L-1 látka považována za málo rizikovou – pokud K0W (rozdělovací koeficient oktanol - voda) > 4,5 - screening na PBTs – hranice 10 ng.L-1 neplatí pro vysoce specifické a vysoce účinné látky !!!!!! Hodnocení nebezpečnosti • fáze II - pokud PEC > 10 ng.L-1 – test biodegradability - sorpce na aktivovaném kalu, určení K0W, transformační test v systému voda - sediment – ovlivnění aktivovaného kalu - inhibiční respirační test – test na Daphnia magna a řasový test - určení PNEC (predicted no-effect concentration) – pokud PEC/PNEC < 1 - látka málo riziková, pokud PEC/PNEC > 1 - látka považována za rizikovou Látky s prokázaným toxickým účinkem v koncentracích pod 10 ng.L-1 Hodnocení nebezpečnosti Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010) Látky s prokázaným toxickým účinkem v koncentracích nad 10 ng.L-1 Hodnocení nebezpečnosti Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010) Látky s prokázaným toxickým účinkem v koncentracích nad 100 ng.L-1 Hodnocení nebezpečnosti Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010) Odhad vysoce rizikových látek (účinnost pod 10 ng.L-1) na základě MOA (mode of action) konceptu • krok I - určení mechanismu účinku – z dokumentace o registraci léčiva - povinné toxikologické testy – látky s málo specifickým mechanismem obvykle málo nebezpečné – nutná znalost konkrétního receptoru Hodnocení nebezpečnosti • krok II - určení stupně podobnosti mezi lidským receptorem a příslušným receptorem v cílovém organismu – látky interagující s receptory s vysokým stupněm homologie a vysokou účinností nebezpečné – důležitá je zejména homologie vazebného místa Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010) • krok III - určení významu receptorem regulovaného biochemického procesu – dělení a proliferace buňky – řízení vývoje organismu, hormonální činnosti, rozmnožování, ovlivnění imunity a nervové činnosti – u rostlin vliv na fotosyntézu Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010) HC = high concern = riziková látka Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010) Látky s vysokým rizikem působit v koncentracích pod 10 ng.L-1 Chrysten V. et al., Aquatic Toxicology 96, 167-181 (2010) Látky s nízkým rizikem působit v koncentracích pod 10 ng.L-1