Kontekst badania
Ścieki szpitalne stanowią jedną z najbardziej problematycznych frakcji ścieków komunalnych ze względu na wysokie stężenia farmaceutyków, w szczególności antybiotyków, obecność drobnoustrojów chorobotwórczych oraz genów oporności na antybiotyki. Liczne badania wskazują, że stężenia antybiotyków w ściekach szpitalnych mogą być wielokrotnie wyższe niż w ściekach bytowych, a konwencjonalne oczyszczalnie ścieków nie są projektowane z myślą o skutecznym usuwaniu tych związków. W konsekwencji antybiotyki są emitowane do środowiska wodnego, gdzie wywierają presję selekcyjną na mikroorganizmy oraz powodują subletalne i chroniczne efekty toksyczne u organizmów wodnych. Problem ten ma wymiar globalny i bezpośrednio wiąże się z narastającym kryzysem antybiotykooporności oraz zagrożeniami dla zdrowia publicznego i integralności ekosystemów wodnych
Cele i hipotezy
Celem pracy było przeprowadzenie krytycznego przeglądu aktualnej literatury naukowej dotyczącej zastosowania reaktorów beztlenowych w oczyszczaniu ścieków szpitalnych zawierających antybiotyki, ze szczególnym uwzględnieniem trzech często występujących klas związków: fluorochinolonów, sulfonamidów oraz diaminopirymidyn.
Autorzy koncentrują się na analizie mechanizmów biodegradacji zachodzących w warunkach beztlenowych, roli złożonych społeczności mikroorganizmów w transformacji tych związków oraz na ocenie skutków ekotoksykologicznych ścieków przed i po oczyszczaniu. Podstawowym założeniem przeglądu jest hipoteza, że procesy beztlenowe mogą stanowić bardziej efektywną alternatywę lub uzupełnienie klasycznych metod tlenowych w usuwaniu antybiotyków, przy jednoczesnym ograniczeniu ich toksyczności środowiskowej.
Metody badawcze
Praca ma charakter przeglądowy i opiera się na analizie szerokiego spektrum publikacji naukowych, obejmujących badania laboratoryjne, pilotażowe i pełnoskalowe, a także raporty międzynarodowych organizacji zajmujących się ochroną zdrowia i środowiska. Autorzy zestawiają dane dotyczące występowania antybiotyków w ściekach szpitalnych i wodach powierzchniowych, skuteczności ich usuwania w różnych konfiguracjach reaktorów beztlenowych oraz składu i adaptacji mikrobiomu odpowiedzialnego za procesy biodegradacyjne. Uwzględniono również wyniki testów ekotoksykologicznych prowadzonych na różnych grupach organizmów wodnych, co pozwala na powiązanie efektywności technologicznej z realnym ryzykiem środowiskowym.
Wyniki badań i ich interpretacja
Przeprowadzona analiza literatury jednoznacznie wskazuje, że skuteczność usuwania antybiotyków ze ścieków szpitalnych w warunkach beztlenowych jest silnie zróżnicowana i zależna od klasy chemicznej związku, jego właściwości fizykochemicznych oraz od konfiguracji technologicznej reaktora i struktury mikrobiologicznej biomasy. Najbardziej podatne na biodegradację beztlenową okazały się sulfonamidy oraz diaminopirymidyny, których struktura chemiczna sprzyja reakcjom redukcyjnym, O-demetylacji oraz rozrywaniu wiązań C–N i S–N. W przypadku tych grup obserwowano wysokie stopnie usunięcia, często przekraczające 70–90%, szczególnie w układach z długim czasem retencji biomasy i rozwiniętą strukturą biofilmu.
Diaminopirymidyny, reprezentowane głównie przez trimetoprim, wykazują relatywnie niską skłonność do sorpcji na osadach, co ogranicza znaczenie procesów fizycznego zatrzymywania, a jednocześnie sprzyja ich dostępności dla mikroorganizmów. Badania zestawione w przeglądzie wskazują, że beztlenowe szlaki metaboliczne prowadzące do demetylacji i transformacji pierścienia pirymidynowego są bardziej efektywne niż analogiczne procesy zachodzące w warunkach tlenowych. Co istotne, tempo biodegradacji trimetoprimu w warunkach beztlenowych koreluje dodatnio z aktywnością metanogenną, co sugeruje ścisłe powiązanie degradacji tego antybiotyku z funkcjonowaniem całego konsorcjum mikroorganizmów.
Sulfonamidy wykazują umiarkowaną do wysokiej podatności na biodegradację, jednak proces ten jest silnie zależny od stężenia związku, dostępności łatwo przyswajalnego węgla organicznego oraz od składu mikrobiomu. Autorzy zwracają uwagę, że w warunkach ko-metabolizmu, przy wysokim obciążeniu organicznym, skuteczność usuwania sulfonamidów znacząco wzrasta, co wskazuje na istotną rolę energii metabolicznej dostarczanej z innych substratów. Jednocześnie wysokie stężenia tych antybiotyków mogą działać toksycznie na kluczowe grupy mikroorganizmów beztlenowych, w szczególności bakterie acetogenne i archeony metanogenne, prowadząc do destabilizacji procesu.
Największym wyzwaniem technologicznym pozostają fluorochinolony, które charakteryzują się wysoką trwałością środowiskową, obecnością atomu fluoru w strukturze oraz silną sorpcją do osadów i materiałów biofilmowych. W przeglądzie podkreślono, że w wielu przypadkach obserwowane usunięcie fluorochinolonów wynika głównie z procesów adsorpcyjnych, a nie z rzeczywistej mineralizacji. Niemniej jednak istnieją dowody na to, że w specyficznych warunkach beztlenowych, zwłaszcza przy udziale procesów ko-metabolicznych i enzymów takich jak cytochrom P450, możliwa jest częściowa transformacja tych związków, obejmująca defluorynację, rozkład pierścienia piperazynowego oraz reakcje acetylacji.
Istotnym wynikiem przeglądu jest także podkreślenie roli struktury biomasy w reaktorach beztlenowych. Systemy z unieruchomioną biomasą, biofilmami oraz granulami sprzyjają rozwojowi zróżnicowanych społeczności mikroorganizmów i umożliwiają długi czas retencji komórek, co jest kluczowe dla degradacji związków trudno biodegradowalnych. Jednocześnie autorzy zaznaczają, że redukcja stężenia antybiotyku nie jest jednoznaczna z eliminacją zagrożenia ekologicznego, ponieważ produkty pośrednie biodegradacji mogą zachowywać aktywność biologiczną, a nawet wykazywać toksyczność porównywalną lub wyższą niż związek macierzysty.
Ograniczenia zakresu badawczego
Pomimo obiecujących wyników, autorzy identyfikują liczne bariery i ograniczenia. Jednym z najważniejszych problemów jest dominacja badań laboratoryjnych prowadzonych na syntetycznych ściekach lub pojedynczych antybiotykach, co nie odzwierciedla rzeczywistej złożoności ścieków szpitalnych. W warunkach rzeczywistych antybiotyki występują w postaci mieszanin, często wraz z innymi farmaceutykami, środkami dezynfekującymi, metalami ciężkimi i substancjami cytotoksycznymi, które mogą oddziaływać synergistycznie lub antagonistycznie na mikroorganizmy.
Istotnym ograniczeniem jest niedostateczna wiedza na temat długoterminowej stabilności procesów beztlenowych w obecności antybiotyków. Brakuje badań wielomiesięcznych i wieloletnich, jest brak danych dotyczących wpływu antybiotyków na rozprzestrzenianie się genów oporności w osadach beztlenowych oraz w odpływach z reaktorów. Autorzy wskazują również na ograniczenia metodologiczne związane z oceną skuteczności usuwania antybiotyków. W wielu badaniach skupiano się wyłącznie na redukcji stężenia związków macierzystych, pomijając identyfikację produktów transformacji oraz ocenę ich toksyczności. Brak standaryzowanych procedur łączących analizy chemiczne z testami ekotoksykologicznymi znacząco utrudnia porównywanie wyników i pełną ocenę ryzyka środowiskowego.
Dodatkową barierą są aspekty technologiczne i eksploatacyjne. W przypadku reaktorów membranowych, istotnym problemem pozostaje fouling, koszty energii oraz ograniczona trwałość elementów instalacji. W skali pełnotechnicznej wyzwaniem jest także integracja procesów beztlenowych z istniejącą infrastrukturą oczyszczalni oraz zapewnienie stabilnej pracy przy zmiennym składzie ścieków szpitalnych. W rezultacie autorzy podkreślają, że mimo dużego potencjału technologii beztlenowych, obecny stan wiedzy nie pozwala jeszcze na ich jednoznaczne rekomendowanie jako samodzielnego rozwiązania problemu antybiotyków w ściekach szpitalnych. Konieczne są dalsze, interdyscyplinarne badania obejmujące rzeczywiste ścieki, mieszaniny farmaceutyków, ocenę ekotoksyczności oraz długoterminowe monitorowanie stabilności procesów.
Wnioski
- Ścieki szpitalne są istotnym źródłem antybiotyków w środowisku wodnym, a ich skład chemiczny i wysokie stężenia farmaceutyków ograniczają skuteczność konwencjonalnych technologii oczyszczania.
- Reaktory beztlenowe wykazują wysoki potencjał w usuwaniu sulfonamidów i diaminopirymidyn, natomiast fluorochinolony pozostają związkami trudnymi do pełnej biodegradacji ze względu na ich trwałość i silną sorpcję.
- Efektywność biodegradacji antybiotyków w warunkach beztlenowych jest ściśle zależna od struktury chemicznej związków, warunków operacyjnych reaktora oraz składu i adaptacji społeczności mikroorganizmów.
- Obniżenie stężenia antybiotyków w ściekach nie zawsze oznacza redukcję ryzyka środowiskowego, ponieważ produkty transformacji mogą zachowywać aktywność biologiczną i toksyczność.
- Konieczne są dalsze badania prowadzone na rzeczywistych ściekach szpitalnych, obejmujące mieszaniny farmaceutyków oraz zintegrowaną ocenę skuteczności technologicznej i ekotoksykologicznej procesów beztlenowych.
Artykuł opublikowano w Biodegradation