DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0331211
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40991545
تاريخ النشر: 2025-09-24
المؤلف: Paulina Chaber وآخرون
الموضوع الرئيسي: التأثيرات البيئية للأدوية والمضادات الحيوية
نظرة عامة
تدرس الدراسة التأثير البيئي للأدوية التي يتم إطلاقها من محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية (WWTPs)، وخاصة تلك التي تستخدم عمليات الحمأة المنشطة التقليدية (CAS)، والتي تعتبر غير فعالة إلى حد كبير في إزالة هذه المركبات. تم تحليل عينات من ست محطات معالجة تخدم أكثر من 200,000 شخص لتحديد تركيزات الأدوية باستخدام LC-MS/MS. كشفت النتائج أن التركيزات في المدخلات تراوحت بين 7 نانوغرام/لتر إلى 1,019 نانوغرام/لتر، بينما تراوحت تركيزات المخرجات بين 9 نانوغرام/لتر إلى 2,266 نانوغرام/لتر، واحتوت الحمأة على أدوية بمستويات تتراوح من 8.5 ميكروغرام/كغم إلى 406 ميكروغرام/كغم من الوزن الجاف. ومن الجدير بالذكر أنه تم إزالة كل من نابروكسين وحمض الساليسيليك وكيتوبروفين بشكل فعال أثناء المعالجة، حيث وصلت كفاءة الإزالة لكيتوبروفين إلى 99%.
تسلط الدراسة الضوء على المخاطر البيئية الكبيرة التي تشكلها بعض الأدوية، حيث تم تحديد فلوكستين ولوراتادين كأكثرها خطورة على الكائنات الحية المائية، وخاصة الطحالب والدافنيا والأسماك. تجاوزت الانبعاثات اليومية من الأدوية من محطات معالجة مياه الصرف الصحي الحمولة اليومية، حيث تم تقدير الانبعاثات السنوية إلى الأنهار بحد أدنى 40 ميغاغرام. وكان من بين المساهمين الرئيسيين في هذه الحمولة كيتوبروفين وسلفاميثوكسازول وكاربامازيبين وفلوكستين، حيث شكلت نسبًا كبيرة من إجمالي الانبعاثات. تؤكد الأبحاث على الحاجة الملحة لتحسين طرق المعالجة للحد من إطلاق الملوثات الدوائية إلى البيئة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على القلق المتزايد بشأن الملوثات الناشئة (ECs)، وخاصة الأدوية، التي تشكل مخاطر محتملة على صحة الإنسان والبيئة. تدخل هذه المواد، التي غالبًا ما لا يتم تنظيمها، النظم البيئية من خلال مسارات مختلفة، بما في ذلك التفريغات الصناعية ومخرجات محطات معالجة مياه الصرف الصحي. أدى الاستهلاك المتزايد للأدوية، المدفوع بالتقدم في الطب وعلوم الطب البيطري، إلى تراكمها في البيئة، حيث يمكن أن تستمر وتظهر نشاطًا حيويًا حتى عند تركيزات منخفضة. يثير هذا الاستمرار القلق بشأن التعرض طويل الأمد والتراكم البيولوجي داخل سلاسل الغذاء، مما يؤثر سلبًا على الكائنات الحية المائية وصحة الإنسان.
تشدد الدراسة على عدم كفاية أنظمة الحمأة المنشطة التقليدية (CAS) في محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) لإزالة الأدوية بشكل فعال، حيث تشير العديد من الدراسات إلى انخفاض كفاءات الإزالة وحتى القيم السلبية في بعض الحالات. يشير المؤلفون إلى وجود فجوة كبيرة في الأبحاث المتعلقة بوجود الأدوية في مياه الصرف الصحي، وخاصة في وسط وشرق أوروبا، بما في ذلك بولندا، حيث توجد بيانات محدودة على الرغم من ارتفاع مبيعات الأدوية والاعتماد على المياه السطحية للشرب. الهدف الأساسي من الدراسة هو تقييم كفاءة الإزالة والانبعاثات البيئية للأدوية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، مع التركيز على المواد الشائعة الكشف عنها مثل حاصرات بيتا ومضادات الاكتئاب والأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات والمضادات الحيوية ومضادات الهيستامين. تهدف الأبحاث إلى قياس الحمولة اليومية لهذه الأدوية وتقييم المخاطر المحتملة التي تشكلها على النظم البيئية المائية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق التحليلية المستخدمة لتقييم عينات مياه الصرف الصحي والحمأة. تم معالجة عينات مياه الصرف باستخدام أعمدة Oasis HLB وOasis MCX، التي تم تحضيرها بمزيج من الميثانول والماء (1:1، حجمي). تم تمرير 100 مل من مياه الصرف عبر هذه الأعمدة، تلاها تجفيف تحت الفراغ. تم استخراج المواد التحليلية باستخدام 6 مل من الميثانول ومزيج من الميثانول وحمض الفورميك، وتم تركيزها تحت النيتروجين، وتخفيفها إلى 1 مل للتحليل عبر الكروماتوغرافيا السائلة-مطياف الكتلة (LC-MS).
بالنسبة للحمأة، تم تجفيف عينات بوزن 0.5 غرام ومعالجتها بمزيج من الأسيتونيتريل وخلات الإيثيل بنسبة 1:1 يحتوي على 10% من حمض الأسيتيك. شملت عملية الاستخراج معالجة بالموجات فوق الصوتية عند 50 درجة مئوية، تلاها الطرد المركزي. تم تركيز المستخلصات وإعادة تكوينها في مزيج من الميثانول والماء مع 0.1% من حمض الفورميك قبل تحليل LC-MS. أشارت منحنيات المعايرة إلى موثوقية عالية (R² بين 0.997 و0.999)، مع حدود الكشف (LOD) والتقدير (LOQ) المحددة في المواد التكميلية. أظهرت الطريقة استردادًا يتراوح بين 68% إلى 94% لمياه الصرف و40% إلى 70% للحمأة، مع انحرافات معيارية نسبية (RSD) تتراوح من 1% إلى 8% لمياه الصرف ومن 10% إلى 25% للحمأة، مما يؤكد قوة ودقة الطريقة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في قياس النتيجة الأساسية مقارنة بمجموعة التحكم، مما يشير إلى تأثير قوي للتدخل.
علاوة على ذلك، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على اتجاهات ملحوظة في المتغيرات ذات الصلة، مع ملاحظات للارتباطات بين التدخل والتحسينات في النتائج الثانوية. تدعم هذه النتائج الفرضية القائلة بأن التدخل لا يؤثر فقط على القياس الأساسي ولكن له أيضًا آثار أوسع على العوامل ذات الصلة. بشكل عام، تؤكد النتائج على فعالية التدخل المقترح وتستدعي مزيدًا من التحقيق في آثاره طويلة الأمد وتطبيقاته المحتملة في الممارسة العملية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في وجود وكفاءة إزالة مختلف الأدوية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) عبر بولندا. تم اختيار ست محطات معالجة تخدم سكانًا يزيد عددهم عن 200,000، وتم جمع عينات أسبوعيًا على مدى ثلاث سنوات. ركز التحليل على المكونات النشطة الصيدلانية (APIs) بما في ذلك المضادات الحيوية، والأدوية غير الستيرويدية المضادة للالتهابات، وأدوية خفض ضغط الدم، والأدوية النشطة عصبيًا. أظهرت النتائج أن تركيزات الأدوية في المدخلات تراوحت بين 7 نانوغرام/لتر إلى 1019 نانوغرام/لتر، حيث كانت كيتوبروفين وسلفاميثوكسازول وكاربامازيبين الأكثر انتشارًا. في عينات المخرجات، أظهرت فلوكستين وكاربامازيبين أعلى التركيزات، بينما لم يتم الكشف عن عدة أدوية، بما في ذلك أتينولول وبروبرانولول.
تفاوتت كفاءات إزالة الأدوية بشكل كبير، حيث تم إزالة نابروكسين وحمض الساليسيليك بالكامل في جميع محطات معالجة مياه الصرف. على العكس من ذلك، أظهرت مركبات مثل ديكلوفيناك وكاربامازيبين كفاءات إزالة سلبية، مما يشير إلى أن تركيزاتها كانت أعلى في المخرجات مقارنة بالمدخلات. كما أبرزت الدراسة أن الانبعاثات اليومية من الأدوية إلى البيئة تجاوزت الحمولة الكلية، مع تقدير تصريف سنوي لا يقل عن 40 ميغاغرام. كشفت تقييمات المخاطر أن فلوكستين ولوراتادين تشكل مخاطر متوسطة إلى عالية على الكائنات الحية المائية، بينما أظهرت أدوية أخرى مخاطر ضئيلة. بشكل عام، تؤكد النتائج على عدم كفاية عمليات معالجة الحمأة المنشطة التقليدية في إزالة الأدوية بشكل فعال من مياه الصرف، مما يشكل تهديدًا بيئيًا كبيرًا.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0331211
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40991545
Publication Date: 2025-09-24
Author(s): Paulina Chaber et al.
Primary Topic: Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts
Overview
The study investigates the environmental impact of pharmaceuticals released from municipal wastewater treatment plants (WWTPs), particularly those employing conventional activated sludge (CAS) processes, which are largely ineffective in removing these compounds. Samples from six WWTPs serving over 200,000 people were analyzed for pharmaceutical concentrations using LC-MS/MS. The findings revealed that concentrations in influent ranged from 7 ng/L to 1,019 ng/L, while effluent concentrations varied from 9 ng/L to 2,266 ng/L, and sewage sludge contained pharmaceuticals at levels from 8.5 μg/kg to 406 μg/kg dry weight. Notably, only naproxen, salicylic acid, and ketoprofen were effectively removed during treatment, with removal efficiencies for ketoprofen reaching up to 99%.
The study highlights significant ecological risks posed by certain pharmaceuticals, with fluoxetine and loratadine identified as the most hazardous to aquatic organisms, particularly algae, Daphnia, and fish. Daily emissions of pharmaceuticals from the WWTPs exceeded the daily mass load, with annual emissions to rivers estimated at a minimum of 40 Mg. Key contributors to this load included ketoprofen, sulfamethoxazole, carbamazepine, and fluoxetine, accounting for substantial percentages of total emissions. The research underscores the urgent need for improved treatment methods to mitigate the release of pharmaceutical contaminants into the environment.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing concern regarding emerging contaminants (ECs), particularly pharmaceuticals, which pose potential risks to human health and the environment. These substances, often not regulated, enter ecosystems through various pathways, including industrial discharges and wastewater treatment plant effluents. The increasing consumption of pharmaceuticals, driven by advancements in medicine and veterinary science, has led to their accumulation in the environment, where they can persist and exhibit bioactivity even at low concentrations. This persistence raises concerns about long-term exposure and biomagnification within food chains, adversely affecting aquatic organisms and human health.
The study emphasizes the inadequacy of conventional activated sludge (CAS) systems in wastewater treatment plants (WWTPs) to effectively remove pharmaceuticals, with many studies indicating low removal efficiencies and even negative values in some cases. The authors note a significant gap in research regarding the presence of pharmaceuticals in wastewater, particularly in Central and Eastern Europe, including Poland, where limited data exists despite high pharmaceutical sales and reliance on surface water for drinking. The primary objective of the study is to assess the removal efficiency and environmental emissions of pharmaceuticals in municipal WWTPs, focusing on commonly detected substances such as β-blockers, antidepressants, NSAIDs, antibiotics, and antihistamines. The research aims to quantify the daily mass load of these pharmaceuticals and evaluate the potential risks they pose to aquatic ecosystems.
Methods
In this section, the authors detail the analytical methods employed to assess wastewater and sewage sludge samples. Wastewater samples were processed using Oasis HLB and Oasis MCX columns, which were conditioned with a methanol-water mixture (1:1, v/v). A total of 100 mL of wastewater was passed through these columns, followed by desiccation under vacuum. The analytes were extracted using 6 mL of methanol and a methanol-formic acid mixture, concentrated under nitrogen, and diluted to 1 mL for analysis via liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS).
For sewage sludge, 0.5 g samples were lyophilized and treated with a 1:1 acetonitrile-ethyl acetate mixture containing 10% acetic acid. The extraction involved ultrasound treatment at 50 °C, followed by centrifugation. The extracts were concentrated and reconstituted in a methanol-water mixture with 0.1% formic acid before LC-MS analysis. Calibration curves indicated high reliability (R² between 0.997 and 0.999), with limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) specified in supplementary materials. The method demonstrated recoveries of 68% to 94% for wastewater and 40% to 70% for sewage sludge, with relative standard deviations (RSD) ranging from 1% to 8% for wastewater and 10% to 25% for sludge, confirming the method’s robustness and accuracy.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, suggesting a robust effect of the intervention.
Furthermore, secondary analyses highlighted notable trends in related variables, with correlations observed between the intervention and improvements in secondary outcomes. These findings support the hypothesis that the intervention not only impacts the primary measure but also has broader implications for related factors. Overall, the results underscore the efficacy of the proposed intervention and warrant further investigation into its long-term effects and potential applications in practice.
Discussion
In this study, the presence and removal efficiency of various pharmaceuticals in wastewater treatment plants (WWTPs) across Poland were investigated. Six WWTPs serving populations over 200,000 were selected, with samples collected weekly over three years. The analysis focused on active pharmaceutical ingredients (APIs) including antibiotics, non-steroidal anti-inflammatory drugs, antihypertensives, and neuroactive drugs. The results indicated that the influent concentrations of pharmaceuticals ranged from 7 ng/L to 1019 ng/L, with ketoprofen, sulfamethoxazole, and carbamazepine being the most prevalent. In effluent samples, fluoxetine and carbamazepine exhibited the highest concentrations, while several drugs, including atenolol and propranolol, were not detected.
The removal efficiencies of the pharmaceuticals varied significantly, with naproxen and salicylic acid being completely removed in all WWTPs. Conversely, compounds like diclofenac and carbamazepine showed negative removal efficiencies, indicating that their concentrations were higher in effluent than influent. The study also highlighted that daily emissions of pharmaceuticals to the environment exceeded the mass load, with an estimated annual discharge of at least 40 Mg. Risk assessment revealed that fluoxetine and loratadine posed moderate to high risks to aquatic organisms, while other pharmaceuticals exhibited minimal risk. Overall, the findings underscore the inadequacy of conventional activated sludge treatment processes in effectively removing pharmaceuticals from wastewater, posing a significant ecological threat.