Kontekst badania
Artykuł stanowi przegląd aktualnego stanu wiedzy na temat skuteczności różnych metod dezynfekcji ścieków szpitalnych w kontekście eliminacji bakterii opornych na antybiotyki (ARB), degradacji genów oporności na antybiotyki (ARGs) oraz usuwania pozostałości substancji czynnych leków przeciwdrobnoustrojowych. Autorzy umiejscawiają swoje rozważania w kontekście narastającego problemu antybiotykooporności, uznawanego przez Światową Organizację Zdrowia za jedno z najpoważniejszych zagrożeń dla zdrowia publicznego. Zwracają uwagę, że ścieki pochodzące ze szpitali, w odróżnieniu od ścieków komunalnych, cechują się szczególnie wysokim ładunkiem zarówno antybiotyków, jak i drobnoustrojów wielolekoopornych (MDRB), co sprzyja rozprzestrzenianiu mechanizmów oporności w środowisku wodnym.
Cele i hipotezy
Celem pracy było porównanie efektywności wybranych metod dezynfekcji ścieków szpitalnych — takich jak promieniowanie UV, ozonowanie, chlorowanie oraz zaawansowane procesy utleniania (AOPs) — pod kątem ich zdolności do redukcji ARB, degradacji ARGs oraz eliminacji antybiotyków i ich produktów przemiany. W artykule przeanalizowano także skutki uboczne tych technologii, zwłaszcza w odniesieniu do środowiskowego ryzyka wtórnego zanieczyszczenia oraz powstawania produktów ubocznych o działaniu toksycznym.
Metody i materiał
Niniejszy przegląd systematyczny został opracowany zgodnie z wytycznymi PRISMA-ScR (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses extension for Scoping Reviews). Celem metodologicznym było zebranie, selekcja i analiza aktualnych danych naukowych dotyczących skuteczności fizykochemicznych metod dezynfekcji ścieków szpitalnych w eliminacji bakterii opornych na antybiotyki (ARB), genów oporności (ARGs) oraz pozostałości antybiotyków i ich produktów przemiany (TPs).
Wyszukiwanie literatury przeprowadzono w dwóch bazach danych: PubMed oraz Google Scholar, obejmując publikacje opublikowane w latach 2002–2023. Proces selekcji źródeł objął cztery etapy: (1) identyfikację, (2) przesiewanie, (3) ocenę kwalifikowalności oraz (4) końcowy dobór publikacji do analizy. Do przeszukiwania wykorzystano zestaw złożonych słów kluczowych, obejmujących m.in.: disinfection, antimicrobial resistance, ozonation, chlorination, UV, hospital wastewater, które dostosowywano do specyfiki każdej z baz.
W celu zwiększenia kompletności przeglądu, autorzy przeprowadzili również wyszukiwanie uzupełniające, obejmujące analizę cytowań wstecznych i dalszych (backward and forward citation tracking), a także ręczne przeszukiwanie bibliografii wybranych publikacji. W wyniku selekcji do analizy włączono 145 artykułów naukowych oraz dwa źródła internetowe. Zidentyfikowane rekordy zaimportowano do programu Mendeley, a duplikaty zostały usunięte. Proces selekcji publikacji oparto na wcześniej określonych kryteriach włączenia i wykluczenia, analizując najpierw tytuły i streszczenia, a następnie pełne wersje tekstów zakwalifikowanych publikacji.
Efektem zastosowanej metodyki było zgromadzenie przekrojowej bazy danych literaturowych dotyczących różnych technologii oczyszczania ścieków szpitalnych, ich mechanizmów działania, efektywności eliminacji ARB i ARGs oraz wpływu na antybiotyki i środowisko wodne. Uzyskane dane umożliwiły przeprowadzenie jakościowej analizy porównawczej efektywności poszczególnych metod oraz ich potencjalnych skutków ubocznych, z uwzględnieniem ich uwarunkowań operacyjnych, technologicznych i środowiskowych.
Rezultaty badań i ich interpretacja
Analiza danych literaturowych zawartych w przeglądzie pozwala na sformułowanie kompleksowej oceny skuteczności fizykochemicznych metod dezynfekcji ścieków szpitalnych w kontekście ograniczania ryzyka środowiskowego i zdrowotnego wynikającego z obecności bakterii opornych na antybiotyki (ARB), genów oporności na antybiotyki (ARGs) oraz pozostałości farmaceutyków. Wyniki wskazują jednoznacznie, że żadna z powszechnie stosowanych metod nie zapewnia pełnej skuteczności we wszystkich analizowanych kategoriach, przy czym zauważalne są istotne różnice między metodami pod względem zakresu eliminacji i podatności poszczególnych klas zanieczyszczeń.
Promieniowanie UV, jako jedna z najbardziej rozpowszechnionych metod dezynfekcji, wykazało dobrą skuteczność w inaktywacji komórek bakteryjnych, osiągając redukcję ARB rzędu 3–5 log przy dawkach rzędu 20–40 mJ/cm². Natomiast degradacja materiału genetycznego – w tym ARGs – była wyraźnie mniej efektywna i wymagała znacznie wyższych dawek (nawet kilkunastokrotnie większych), co istotnie ograniczało opłacalność tej metody. Dodatkowo, skuteczność UV była silnie zależna od fizykochemicznych właściwości ścieków, zwłaszcza mętności oraz obecności substancji absorbujących promieniowanie. Odnotowano również zjawisko fotoreaktywacji materiału genetycznego oraz możliwość odbudowy populacji ARB w warunkach przechowywania po dezynfekcji, co kwestionuje trwałość efektu mikrobiologicznego.
Ozonowanie, jako metoda generująca reaktywne formy tlenu (ROS), uzyskało wysokie wskaźniki eliminacji zarówno bakterii (do 99,9%), jak i genów oporności (redukcja na poziomie 85–98% dla wybranych ARGs). Ozon wykazywał wyższą skuteczność wobec bakterii Gram-ujemnych, co tłumaczono większą przepuszczalnością ich błony zewnętrznej. Redukcja ARGs, takich jak mecA, sul1, blaTEM, czy intI1, potwierdzała efektywność procesu nawet w krótkich czasach kontaktu, jednak skuteczność ta była istotnie zależna od ładunku materii organicznej (DOC) w ściekach. Zauważono również przypadki wzrostu liczby kopii niektórych ARGs po ozonowaniu, co tłumaczono niecałkowitą degradacją materiału genetycznego oraz możliwością jego uwolnienia do środowiska w formie wolnego DNA. Ograniczeniem metody ozonowania pozostaje również możliwość generowania ubocznych produktów o wysokiej toksyczności (aldehydy, związki bromowane), zwłaszcza w obecności substancji organicznych i jonów bromkowych.
Chlorowanie, jako najtańsza i najbardziej rozpowszechniona metoda dezynfekcji, wykazywało umiarkowaną skuteczność wobec ARB (redukcje na poziomie 80–90% dla wybranych patogenów), ale znacznie niższą skuteczność w odniesieniu do ARGs. W wielu badaniach nie odnotowano istotnej redukcji genów oporności (np. blaTEM, blaCTX-M), a nawet obserwowano ich wzrost po procesie dezynfekcji. Co więcej, chlorowanie mogło sprzyjać poziomemu transferowi genów oporności (HGT), czego mechanizm upatruje się w selekcyjnym ciśnieniu środowiskowym oraz obecności uszkodzonego, ale funkcjonalnego materiału genetycznego. Chlorowanie może również przyczyniać się do indukcji oporności u patogenów, np. poprzez wzrost odporności Pseudomonas aeruginosa na podchloryn sodu oraz antybiotyki. Wysokie ryzyko powstawania toksycznych produktów ubocznych (chlorofenole, trihalometany) dodatkowo obniża ocenę tej metody pod względem bezpieczeństwa środowiskowego.
Najbardziej obiecujące wyniki odnotowano dla grupy zaawansowanych procesów utleniania (AOPs), w tym szczególnie dla procesów opartych na kombinacji UV i H₂O₂, UV i Cl₂, UV i O₃, a także dla procesu foto-Fentona. W tych konfiguracjach osiągano nie tylko wysoką redukcję ARB (>99%), ale również znaczące obniżenie liczby kopii ARGs (do 98%) oraz skuteczne usunięcie antybiotyków, takich jak amoksycylina, ciprofloksacyna czy cefazolina. Mechanizm działania AOPs opiera się na generowaniu silnie utleniających rodników hydroksylowych (•OH) i siarczanowych (SO₄•⁻)
Wyniki potwierdzają potrzebę wprowadzenia zintegrowanych strategii oczyszczania, opartych na analizie cyklu życia (LCA) oraz optymalizacji parametrów procesu dla poszczególnych lokalizacji i typów zanieczyszczeń. Wskazują również, że efektywność procesów dezynfekcji powinna być oceniana nie tylko na podstawie zdolności do redukcji liczby żywych komórek bakteryjnych, ale także pod kątem rzeczywistej degradacji materiału genetycznego i substancji czynnych farmaceutyków. Ograniczenie liczby jednostek ARB bez równoczesnego zniszczenia ARGs może bowiem prowadzić do dalszego rozprzestrzeniania oporności poprzez poziomy transfer genów w środowisku wodnym.
Interpretując rezultaty, autorzy podkreślają również, że skuteczność każdej z technologii jest silnie warunkowana przez właściwości ścieków szpitalnych, które są wysoce heterogeniczne pod względem składu chemicznego i mikrobiologicznego. Wysoka zawartość substancji organicznych, obecność metali ciężkich, antybiotyków o różnej strukturze chemicznej oraz duża różnorodność mikroflory sprawiają, że techniki skuteczne w warunkach laboratoryjnych mogą nie być równie efektywne w zastosowaniach rzeczywistych. W szczególności dotyczy to metod wrażliwych na interferencje matrycowe, takich jak UV, które tracą skuteczność w przypadku wysokiej mętności cieczy, lub chlorowania, którego produkty uboczne są trudne do przewidzenia w złożonych układach chemicznych.
W świetle przedstawionych danych autorzy konkludują, że konieczne jest dalsze rozwijanie oraz pilotażowe wdrażanie wieloetapowych, zintegrowanych systemów dezynfekcji, które łączą fizykochemiczne i biologiczne podejścia. Kluczowe znaczenie ma także prowadzenie badań długoterminowych nad losami genów oporności i metabolitów leków po przejściu przez systemy oczyszczania oraz ich wpływem na środowisko wodne i zdrowie publiczne. Takie podejście powinno uwzględniać zarówno skuteczność mikrobiologiczną, jak i toksykologiczną oraz ekologiczną efektywność proponowanych rozwiązań technologicznych.
Ograniczenia zakresu badawczego
Pomimo licznych pozytywnych wyników, analizowane technologie dezynfekcji ścieków szpitalnych wykazują istotne ograniczenia, zarówno technologiczne, jak i środowiskowe. Wiele badań zostało przeprowadzonych w warunkach laboratoryjnych lub półtechnicznych, co ogranicza możliwość bezpośredniego przeniesienia wyników na skalę rzeczywistą. Rzeczywiste ścieki szpitalne cechują się zmiennym i złożonym składem, który może obniżać skuteczność metod, szczególnie promieniowania UV, którego działanie jest ograniczane przez mętność i obecność substancji absorbujących światło.
Kolejnym istotnym ograniczeniem jest brak standaryzacji stosowanych metod analitycznych i markerów genetycznych, co utrudnia porównanie efektywności między badaniami. W przypadku niektórych metod, zwłaszcza chlorowania, wykazano możliwość wtórnego wzrostu liczby ARGs w wyniku stresu oksydacyjnego oraz selekcji bardziej opornych szczepów. Ponadto, zarówno chlorowanie, jak i ozonowanie mogą prowadzić do powstawania toksycznych produktów ubocznych, których wpływ na środowisko wodne nie jest dostatecznie poznany.
Wysoka skuteczność niektórych zaawansowanych procesów utleniania (AOPs) wiąże się z koniecznością precyzyjnego doboru parametrów procesowych, a także z kosztami instalacyjnymi i operacyjnymi, co może ograniczać ich dostępność w warunkach rzeczywistych. Ostatecznie, żadna z metod nie zapewnia pełnej eliminacji wszystkich analizowanych zanieczyszczeń — ARB, ARGs i farmaceutyków — co podkreśla potrzebę stosowania systemów zintegrowanych oraz dalszych badań w skali rzeczywistej.
Wnioski
Żadna z dostępnych metod dezynfekcji ścieków szpitalnych nie zapewnia pełnej eliminacji ARB, ARGs oraz pozostałości antybiotyków, co wskazuje na konieczność stosowania podejść wieloetapowych lub łączenia technologii. Metody zaawansowanej oksydacji (AOPs), w tym szczególnie UV/H₂O₂, UV/Cl₂, UV/O₃ oraz proces foto-Fentona, wykazują najwyższą skuteczność w jednoczesnej redukcji ARB, degradacji ARGs oraz usuwaniu antybiotyków, przy stosunkowo niskim ryzyku środowiskowym. Tradycyjne metody, takie jak chlorowanie i ozonowanie, mimo wieloletniego stosowania, mogą generować toksyczne produkty uboczne i nie gwarantują trwałego efektu w zakresie degradacji materiału genetycznego. Skuteczność każdej metody jest silnie zależna od parametrów operacyjnych (dawka, czas kontaktu, pH, temperatura) oraz charakterystyki ścieków, co wymaga indywidualnej optymalizacji procesów. Brak standaryzacji metod badawczych i markerów genetycznych utrudnia bezpośrednie porównanie wyników oraz wnioskowanie o uniwersalnej skuteczności poszczególnych technologii. Zastosowanie metod zintegrowanych i ich dostosowanie do lokalnych warunków środowiskowych i infrastrukturalnych powinno stanowić podstawę nowoczesnych strategii zarządzania ściekami szpitalnymi. Dalsze badania w skali rzeczywistej są niezbędne do walidacji laboratoryjnych wyników i oceny długoterminowego wpływu stosowanych technologii na środowisko i zdrowie publiczne.
Artykuł opublikowano w Journal of Hazardous Materials.