Active pharmaceutical ingredients in aqueous matrices : an integrated approach for assessing effects

Abstract

Η παρουσία ενεργών φαρμακευτικών συστατικών (ΕΦΣ) στο περιβάλλον είναι αποδεδειγμένη από τα μέσα της δεκαετίας του 90 και οφείλεται στη δυσκολία απομάκρυνσης τους στους βιολογικούς σταθμούς επεξεργασίας λυμάτων. Οι δυνητικές αρνητικές επιδράσεις λόγω της συμπτωματικής έκθεσης οργανισμών σε ΕΦΣ απασχολούν σήμερα την επιστημονική κοινότητα. Η πληθώρα ΕΦΣ που χρησιμοποιούνται ταυτοχρόνως και σε συνδυασμό με τη συνεχή βιοτική ή αβιοτική μετατροπή του κάθε ΕΦΣ στο περιβάλλον, οδηγεί στην παρουσία πολυσύνθετων μειγμάτων στο περιβάλλον. Η παρούσα διατριβή είναι από τις πρώτες προσπάθειες, μεταξύ άλλων, της διερεύνησης των επιπτώσεων των πολυσύνθετων μειγμάτων ΕΦΣ σε βιολογικά συστήματα. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας μια σειρά βιοδοκιμών αναπτύχθηκαν για τη διερεύνηση της οξείας τοξικότητας, της χρόνιας τοξικότητας, της γονοτοξικότητας, της βιοαποικοδοσιμότητας και της οιστρογονικότητας. Εξετάστηκαν δέκα διαφορετικές βιοδοκιμές χρησιμοποιώντας οργανισμούς από τα τροφικά επίπεδα των παραγωγών, των καταναλωτών και των αποικοδομητών. Ονομαστικά εξετάστηκαν τα εξής: βιοδοκιμές χρόνιας τοξικότητας με Pseudokirchneriella subcapitata και Lepidium sativum, βιοδοκιμές οξείας τοξικότητας με Daphnia magna και Artemia salina γονοτοξική βιοδοκιμή κυτταροχαλασίνης-Β εκτίμησης μικροπυρήνων βιοδοκιμές οξείας και χρόνιας τοξικότητας με Vibrio fischeri, βιοδοκιμές χρόνιας τοξικότητας με Pseudomonas putida, βιοδοκιμή βιοαποικοδόμησης τύπου κλειστού δοχείου και βιοδοκιμή εκτίμησης οιστρογονικότητας με γενετικά τροποποιημένο ζυμομύκητα. Η παρούσα διατριβή έχει τρεις κύριους ερευνητικούς στόχους. Ο πρώτος στόχος είναι η διερεύνηση των επιδράσεων των λυμάτων στην πιο πάνω σειρά βιοδοκιμών με την παράλληλη παρακολούθηση των φυσικοχημικών παραμέτρων τους. Οι ασθενείς συσχετίσεις μεταξύ των φυσικοχημικών παραμέτρων και των αποτελεσμάτων από την εκτίμηση των επιπτώσεων υποδηλώνουν ότι η παρακολούθηση των «παραδοσιακών» φυσικοχημικών παραμέτρων δεν είναι ικανοποιητική για να επεξηγηθεί η αυξημένη τοξικότητα που εντοπίστηκε κυρίως κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Μια μέθοδος ομαδοποίησης (cluster analysis) οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η ποιότητα των λυμάτων σε κάθε σταθμό που ελέγχθηκε είναι διαφορετική, αναγνωρίζοντας επίσης τις κυριότερες χημικές παραμέτρους για την ποιοτική τους κατηγοριοποίηση. Ο δεύτερος στόχος ήταν ο έλεγχος των επιπτώσεων των ΕΦΣ. Τα οκτώ ΕΦΣ που διερευνήθηκαν ήταν η ατενολόλη, μετοπρολόλη, προπρανολόλη, δικλοφενάκη, ιβουπροφένη, ερυθρομυκίνη, οφλοξακίνη και σουλφαμεθοξαζόλη. Αυτά τα ΕΦΣ επιλέγησαν λόγω των αυξημένων συγκέντρωσεών τους στο περιβάλλον. Η εκτίμηση των ΕΦΣ έγινε στο κάθε συστατικό ξεχωριστά καθώς και σε μείγματα αυτών. Η μέθοδος χαρακτηρισμού των κινδύνων που εφαρμόστηκε αναγνώρισε ότι η προπρανολόλη και η οφλοξακίνη εμπεριέχουν κινδύνους για τα φύκη και τα βακτήρια που μελετήθηκαν, αντίστοιχα. Η μέθοδος Chou-Talalay χρησιμοποιήθηκε για την ποσοτικοποίηση των ανταγωνιστικών κυρίως επιδράσεων των μειγμάτων που εξετάστηκαν. Η δράση αυτή ενισχύθηκε όταν τα μείγματα ΕΦΣ βρίσκονταν σε μήτρα επεξεργασμένων λυμάτων, υποδηλώνοντας ότι σε πραγματικές μήτρες, ενισχυτικές και κατασταλτικές ουσίες συνυπάρχουν και ενδεχομένως αλληλεπιδρούν. Δεν εμφανίστηκε οξεία τοξικότητα μετά από την έκθεση στα μείγματα των ΕΦΣ. Ο τρίτος στόχος ήταν να διερευνηθούν οι επιδράσεις παραπροϊόντων οξείδωσης των ΕΦΣ. Η φωτολυτική και φωτοκαταλυτική επεξεργασία φωτοευαίσθητων ενεργών φαρμακευτικών ουσιών, όπως η οφλοξακίνη, μπορεί να οδηγήσει στη μείωση της πρότυπης ουσίας και στην παράλληλη δημιουργία παραπροϊόντων οξείδωσης με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στην συγκεκριμένη περίπτωση τα παραπροϊόντα οξείδωσης που αναγνωρίστηκαν μπορούν να οδηγήσουν σε μειωμένη χρόνια τοξικότητα και αυξημένη γονοτοξικότητα. Τέλος, η δυνατότητα βιοαποικοδόμησης των παραπροϊόντων, ενώ βρέθηκε να είναι πολύ χαμηλή, μπορεί να ενισχυθεί στην παρουσία οξικού νατρίου, η οποία αποδίδεται σε ένα είδος συμμεταβολισμού, το οποίο χρήζει περαιτέρω διερεύνησης στο μέλλον.

The occurrence of active pharmaceutical ingredients (APIs) in the environment has been well-documented since the mid-1990s due to their incomplete removal at the sewage treatment plants (STPs). The possible adverse effects to unintentionally exposed organisms preoccupy, nowadays, the scientific community. Since a broad range of APIs is used and consequently released into the environment and each API is subjected to continuous biotic and abiotic transformation, APIs are present in the environment as multi-component mixtures. This dissertation is among the first research efforts to investigate amongst others, the effects of multi-component mixtures of APIs to biological systems. In the framework of this study a battery assay was developed for the investigation of acute toxicity, chronic toxicity, genotoxicity, biodegradability and estrogenicity. Ten different bioassays using organisms from the trophic levels of producers, consumers and decomposers were evaluated. Namely, the bioassays were the Pseudokirchneriella subcapitata and Lepidium sativum chronic toxicity tests, the Daphnia magna and Artemia salina acute toxicity tests, the Cytokinesis-block micronucleus cytome genotoxicity test, the Vibrio fischeri acute and chronic toxicity tests, the Pseudomonas putida chronic toxicity test, the Closed Bottle biodegradability test and the yeast estrogen screen. Three underlining objectives were set to fulfill the purpose of this dissertation. The first was to investigate the effects of wastewater to the battery assay. Physicochemical parameters were monitored in parallel. The weak correlations between the physicochemical parameters and the results obtained from the assessment of the effects indicate that the “traditional” parameters are not sufficient to explain the toxicity observed mainly during summer periods. A hazard classification identified freshwater microorganisms to be the most affected. A clustering approach demonstrated that the quality of the wastewater of each STP is different due to significant difference between the values of the physicochemical parameters investigated. The second objective was to assess the effects of APIs. Eight APIs were investigated namely, atenolol, metoprolol, propranolol, diclofenac, ibuprofen, erythromycin, ofloxacin and sulfamethoxazole. These APIs were selected due to their occurrence at higher concentrations in wastewater of Cyprus. The APIs were assessed as single compounds and in various combinations using selected bioassays from the battery assay. A risk characterization approach identified propranolol and ofloxacin as having significant risk for algae and bacteria, respectively. The Chou-Talalay method was applied to quantify the predominantly antagonistic effects of mixtures. No acute effects were found from the exposure to the investigated mixtures of APIs. Wastewater was found to decrease the toxicity of the APIs, suggesting that in a multi-component mixture, both stimulating and inhibiting substances, coexist and potentially interact. The third objective was to increase our understanding on the effects of transformation products of APIs. The photolytic and photocatalytic treatment of photolabile APIs, like ofloxacin, may result to a reduction of the concentration of the parent compound and, at the same time, to the formation of oxidation by-products, with different characteristics. These transformation products were identified through advanced chromatographic analysis. During the treatment applied, the by-products formed led to a decrease of the chronic toxicity and an increase of the genotoxicity. (...)