Nové typy polutantů ve vodních ekosystémech For more discussion, see: http://epa.gov/nerlesd1/chemistry/pharma/critical.htm Prevalence/Distribution of Xenobiotic Occurrence Radionuklidy Pesticidy Organické toxické odpady (např. formaldehyd, fenoly) Živiny (zejména fosfáty a dusičnany) Oleje a olejové disperzanty Patogeny Farmaka, nové typy polutantů Kovy (např. Cd, Zn, Pb, Hg) Organochlorované látky Plyny (např. chlor, amoniak) Polycyklické aromatické uhlovodíky a jejich deriváty Splašky a zemědělská hnojiva Detergenty Anionty (např. sulfidy, sulfáty, kyanidy) Kyseliny a zásady Kategorie polutantů vyskytujících se ve vodách Odpadní vody 1. městské (splaškové) 2. průmyslové (+ odpadní vody ze zemědělských závodů); Odpadní vody  hnilobné  toxické  s anorganickými kaly  s tuky, oleji a ropnými látkami  oteplené  radioaktivní  s patogenními mikroby  kyselé důlní vody Zdroje znečištění vodních ekosystémů Splachy ze zemědělství Splachy ze znečištěných povrchů Dálkový transport, kyselé deště 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) Roční spotřeba některých skupin předepisovaných léčiv v různých zemích 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.) nesprávná likvidace léčiv (bezprostřední odstranění nadbytečných léků z domácností) 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 Osud PPCPs v prostředí 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 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 Účinnost odstraňování různých farmak v ČOV ČOV v Německu (poblíž Frankfurtu nad Mohanem) 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  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) antidepresiva – vliv na reprodukční schopnosti a chování korýšů blokátory vápníkových kanálů – inhibice aktivity spermií u některých vodních organismů antiepileptika – neurodegenerace způsobená apoptózou při vývoji mozku mošusové látky - bioakumulace a perzistence, některé velmi toxické genotoxická léčiva (použití především v nemocnicích) Účinky některých PPCPs β-blokátory (kardiovaskulární léčiva) – inhibice růstu řas, mušlí, schopnost akumulace mošusové látky - bioakumulace a perzistence, některé velmi toxické ibuprofen – ovlivnění životaschopnosti a produkce VTG u ryb, reprodukce při chronickém působení u ryb paracetamol •chronické účinky na vodní organismy už v koncentracích, nalézaných v povrchových vodách •vyvolává oxidativní stres 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 PPCPs – endokrinní disrupce ČOV a endokrinní disrupce • klece s pstruhy umístěny v řece pod výpustí ČOV a dále po toku (do vzdálenosti 14 km) • sledována hladina vitelogeninu u samců • koncentrace VTG významně zvýšena ještě ve vzdálenosti 4,5 km za výpustí ČOV 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 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“.