Cesty k odmoření vod

Hnojiva, pesticidy, ale i běžná domácí chemie, kosmetika, léky. Tím vším lidé „obohacují“ vodu, aby se pak pracně snažili najít způsob, jak ji zase očistit. Jednou z nových možností jsou umělé bažiny.

Hovoří-li se o kontaminaci přírodních vod, ekosystému, většinou se myslí především různé havárie a úniky chemikálií z průmyslových a zemědělských výrob. To je ovšem velmi jednostranný pohled. Takové havárie jsou většinou jednorázové, zdroj kontaminace lze většinou nalézt a sanovat. Větším problémem se ovšem ukazuje být kontaminace chemikáliemi z běžné spotřební chemie, z produktů osobní péče, umělými sladidly a rovněž léčivy a jejich metabolity.

Uvědomíme-li si obrovskou biologickou aktivitu používaných farmaceutických preparátů, je celkem zřejmá jejich nebezpečnost pro životní prostředí a všechny organismy v něm žijící. Často se mluví o zvýšení rezistence bakterií vůči antibiotikům v důsledku dlouhodobého tlaku nízkých koncentrací antimikrobiálně působících látek. Tento efekt ale není jediný a zřejmě ani není nejvýznamnější. Do vod vstupuje řada dalších farmak a jejich metabolitů, z nichž některé jsou schopny fungovat jako tzv. endokrinní disruptory – látky. které způsobují při dlouhodobém působení i ve velmi nízkých koncentracích efekty odpovídající poruchám vylučování či působení steroidních hormonů. Výsledkem je většinou estrogenní efekt, který však není způsoben změnami v estrogen-receptorových interakcích, ale vlivem na řízení tvorby a vylučování steroidních látek v organismu.

Tím se tyto látky, které mimochodem nepocházejí jenom z oblasti farmak, ale i ze skupiny průmyslových aditiv či vonných složek parfémů, liší od přímého působení reziduí kontraceptiv, jejichž vliv na feminizaci ryb v kontaminovaných vodních tocích je prokázaný. Estrogennímu, či zprostředkovanému estrogennímu efektu se připisuje řada negativních vlivů na člověka i na přírodu – jako třeba předčasná puberta, snižovaní počtu spermií či změny v reprodukci a chování zvířat.

V některých případech dochází přímo k toxickému působení farmak ve volné přírodě. Běžné analgetikum-antipyretikum diklofenak se ukázalo téměř osudným populaci supa indického v Asii, když ptáci pozřeli maso dobytka léčeného právě touto sloučeninou. Ukázalo se, že diklofenak způsobuje u ptáků totální selhání ledvin a následnou smrt.

Léky tam a zase zpátky

Rezidua farmak a jejich metabolity se dostávají do přírody poměrně jednoduchou cestou. Léčivo nemůže být v organismu nijak zničeno, může být pouze metabolizováno na rozpustnější formu a vzniklé látky, mnohdy s přetrvávající biologickou aktivitou, jsou potom spolu se zbytky nezměněného léčiva vyloučeny převážně močí. Tak se dostávají do komunálních odpadních vod. Čistírny odpadních vod nejsou schopny většinu těchto látek zcela odstranit, a tak kontaminanty přecházejí do výstupní vody, která se zpravidla vypouští do řek. Tímto způsobem uvedená xenobiotika kontaminují primárně vodní systémy a vodní organismy, následně však dochází ke kontaminaci celého ekosystému ať už přímo vodou, nebo cestou kontaminace potravních řetězců.

Další závažný problém spočívá ve využití povrchové vody jako zdroje pro přípravu pitné vody. Zavedená technologie úpravy vody na pitnou nedokáže úplně odstranit rezidua farmak a ostatních antropogenních kontaminantů a zbytky farmak se tak vracejí s požitou vodou zpět do lidského organismu.

Spektrum farmak vyskytujících se v povrchových vodách je obrovské, stačí si jen uvědomit množství používaných preparátů a jejich spotřeby. Běžně se ve vodách stanovují látky ze skupiny nesteroidních protizánětlivých látek, analgetik-antipyretik jako paracetamol, ibuprofen, diklofenak. Přítomni jsou však i zástupci dalších skupin, třeba antidepresiv, perorálních antidiabetik, hypolipidemik, farmak určených k dekompenzaci hypertenze, významným polutantem v odpadních vodách nemocnic jsou i radiodiagnostická kontrastní činidla (iomeprol, ioprogen). Koncentrace nejsou nikterak vysoké, většinou v řádu nanogramů (10^-9 g)až mikrogramů (10^-6 g) v litru. Nicméně i tyto stopové koncentrace mohou při dlouhodobém působení vykazovat negativní vlivy na vyšší organismy.

Průměrná účinnost odstranění farmak z komunálních odpadních vod. Množství odstraněného léčiva značně závisí kromě použité technologie na vstupní koncentraci a ročním období. Snímek S. Smrček

Zapomínané metabolity

Zkoumání biologických efektů je ovšem velmi obtížné a vyžaduje extrémně dlouhodobé studie a pozorování. V současné době jsou některé účinky prokázané, některé jsou ještě na úrovni předpokladu. Tím spíše je ale nutné věnovat problematice velkou pozornost. Pro stanovování látek jsou vypracovány postupy především u Environmental Protection Agency USA (US-EPA) a v současné době se problematice intenzivně věnují i orgány EU. Poněkud zavádějící je současný přístup stanovování pouze mateřských farmak v životním prostředí. Každé léčivo opouští organismus také ve formě několika metabolitů, přičemž množství vylučované mateřské látky je zpravidla nejnižší. Například antiepileptikum karbamazepin, který je v přírodě velmi obtížně rozložitelný a je považován za ukazatele kontaminace vod farmaky, se vylučuje v původní formě močí jen ze tří procent, zbylých 97 procent je vyloučeno ve formě metabolitů. Bude tedy třeba věnovat pozornost i stanovování metabolitů, což poskytne reálnější obraz kontaminace.

Častá je rovněž otázka, jaká je přirozená rozložitelnost léčiv v životním prostředí. Ta závisí na struktuře sloučeniny, ale celkově jsou léčiva označována jako pseudo-perzistentní polutanty. A to proto, že i přes určitou rozložitelnost probíhá neustálý přísun dalších dávek z právě použitých farmak.

A také parfémy, dezinfekce, antioxidanty…

Léčiva však nejsou jedinými antropogenními polutanty. Spotřební chemie sice výraznou měrou přispívá ke zvýšení životního komfortu, na druhé straně však řada použitých látek přechází do životního prostředí. I když se výrobci snaží vyvíjet látky s vysokou rozložitelností v ekosystému, přece jen to vždy není úplně možné. Pomineme-li značná množství používaných tenzidů (saponátů), které jsou ve většině přirozeně rozložitelné, lze ve vodách nalézt třeba rezidua složek parfémů, přídavných dezinfekčních látek, UV filtrů z přípravků na opalování, bazénové chemie, antioxidantů nebo zpomalovačů hoření. U řady z těchto látek byl prokázán nebo je s vysokou mírou pravděpodobnosti předpokládán endokrinně disruptivní efekt.

Veřejnost a média často věnují pozornost agrochemikáliím, jako jsou insekticidy, herbicidy či fungicidy. V současné době se však již používají životnímu prostředí příznivější přípravky, takže jejich dopad by neměl být až tak dramatický. Otázkou je samozřejmě jejich míra účinnosti.

Málo probádaným fenoménem moderní doby je i otázka vlivu nanočástic, široce používaných v řadě chemických či kosmetických výrobků. Nanočástice jsou technologicky velmi atraktivní a jako aditiva je můžeme nalézt třeba i v zubních pastách či krémech. O jejich osudu v životním prostředí je známo jen velmi málo a jejich vliv je v centru pozornosti specializovaných mezinárodních pracovišť EU.

Jak to všechno spočítat?

V souvislosti s hodnocením kontaminace vody a životního prostředí vůbec je třeba především řešit otázku, jakým způsobem je technicky možné stanovovat stopové koncentrace polutantů. Není to záležitost jednoduchá a je i ekonomicky hodně náročná.

Metody instrumentální analýzy doznaly za poslední desetiletí úžasný rozvoj, hlavně co se týče citlivosti. Přesto však je většinou nemožná přímá analýza vzorků vody. Látky se většinou stanovují srovnáním se známými koncentracemi identických standardů. V praxi to znamená, že musí být rozpoznána odezva přístroje odpovídající dané látce a zároveň velikost tohoto signálu. Poměrně bohatá směs látek přítomných ve vodě proto musí být separována alespoň z hlediska možnosti identifikace odezvy hledané látky.

Nejčastěji se používají chromatografické metody jako je vysokoúčinná kapalinová chromatografie s vhodnou a dostatečně citlivou detekcí, kterou je především hmotnostní spektrometrie. Tato metoda také na rozdíl od klasické UV-spektroskopické detekce podává výrazně relevantnější informaci o identitě stanovené látky. Sloučeniny lze při této technice detegovat podle relativní molekulové hmotnosti, případně na základě jejich fragmentace na dceřiné ionty. V současné době se vyvíjejí i další metody na bázi biochemických metod (ELISA – Enzyme-linked immunosorbent assay), které využívají specifické imunochemické interakce stanovovaných látek.

Rostliny na pomoc

V souvislosti s výše uvedenými fakty vyvstává otázka, jakým způsobem naložit s kontaminací antropogenními polutanty v odpadních vodách. Současná technologie čistíren odpadních vod není schopna ani při použití biologického stupně čištění všechny tyto sloučeniny odstranit. Proto se intenzivně hledají metody možného dočišťování. Teoreticky lze sice nalézt řadu možných způsobů na bázi ultrafiltračních či sorpčních metod, technologickým problémem je ale obrovské množství vody protékající čistírnami. Například přítok odpadních vod na Ústřední čistírnu odpadních vod v Praze je zhruba 4000 litrů za vteřinu a systém vyčistí za rok přes 125 milonů krychlových metrů vody.

Jednou z možností, která je ostatně hojně používána hlavně v USA, je využití procesů takzvané fytoremediace. Jedná se o metody využívající rostlin k záchytu a akumulaci kontaminantů buďto prostým záchytem na povrch kořenového systému, nebo absorpcí do kořenové tkáně s následnou translokací do nadzemních částí rostlin.

Umělé mokřady nemusí být nevzhledné nádrže s protékající vodou. Zajímavým a estetickým řešením je parková úprava doplněná dalšími rostlinami a sloužící jako volně dostupná a oblíbená rekreační oblast. (Portland, Oregon, USA). Snímek S. Smrček

Technologicky se k její aplikaci využívají takzvané umělé mokřady, což si lze představit jako uměle konstruované bažiny či hydroponické vany, ve kterých rostou vhodné rostliny a kterými protéká kontaminovaná voda. Účinnost těchto systému sice není absolutní, ale přesto dokážou výrazně snížit kontaminaci, a to nejen organickými látkami, ale i těžkými kovy a nanočásticemi.

Základním problémem všech biologických metod, a to i biologického stupně klasických čistíren, je ale skutečnost, že může dojít k poklesu koncentrace sledovaného polutantu, ale ten může být enzymovými systémy biomateriálu přeměněn na látku jinou, které má výrazně jiné ekotoxikologické vlastnosti. Může se stát, že je výrazně jedovatější, než byla látka mateřská.

Z toho také vyplývá určitá nedokonalost současného hodnocení účinnosti čištění, kdy jsou sledovány identické látky na vstupu a výstupu bez dalších analýz možných transformovaných molekul. Z tohoto důvodu se právě v laboratořích Přírodovědecké fakulty UK v Praze zabýváme interakcemi rostlin s farmaky a metodami jejich záchytu v rostlinách.

V praxi to znamená sledovat nejen záchyt léčiv z vodných roztoků, ale i jejich přesun do nadzemních částí a studium biotransformací těchto polutantů rostlinnými enzymy, aby bylo možné posoudit toxicitu vznikajících produktů biotransformací.

K výzkumu se používá řada speciálních technik jako třeba využití radioaktivně značených léčiv, biochemické metody stanovení enzymů, pro posouzení identity metabolitů je třeba syntetizovat další látky, které jsou komerčně nedostupné. Tento výzkum má kromě metod čištění vod i další výstup, kdy lze posoudit, které plodiny lze bez nebezpečí pěstovat v kontaminovaných oblastech. Je zajímavé, že v mnohých případech se vzhledem k množství zachyceného polutantu objevují i rozdíly mezi jednotlivými kultivary.

Studium záchytu a transportu analgetika diklofenaku pomocí radioaktivně značeného analogu. Vlevo fotografie rostliny kultivované v přítomnosti radioaktivně značeného farmaka, vpravo rozložení radioaktivity pomocí přístroje Instant Imager (elektronická autoradiografie).Snímek S. Smrček

Antropogenní znečištění vod a životního prostředí vůbec je v současné době velmi atraktivním tématem. Rozhodně jej nelze podceňovat, na druhé straně však není třeba dělat katastrofické závěry. Rozhodně nehrozí, že dojde k feminizaci lidské populace, či že se za pár let zhroutí endokrinní systémy vyšších organismů v důsledku působení endokrinních disruptorů. Spíše je tento fakt výzvou k obezřetnosti a výzkumu možných důsledků a hledání cest k jejich minimalizaci.

Nelze snižovat spotřebu léčiv a dalších přípravků, které vytvářejí komfort odpovídající úrovni 21. století. Veškeré tyto snahy, i když se občas objevují, jsou zcela scestné. Řešení problému spočívá v hledání nových, lépe a kompletněji rozložitelných užitných chemikálií včetně posouzení jejich biotransformačních produktů a především v hledání nových cest dekontaminace ať už vod, nebo životního prostředí vůbec.