Daniel Wolecki, Jolanta Kumirska, Piotr Stepnowski
Katedra Analizy Środowiska, Wydział Chemii, Uniwersytet Gdański
strony wersji drukowanej: 59-62




Rozwój, o ile nie występuje wraz ze słowem „zrównoważony”, niesie ze sobą niemal tyle samo zagrożeń co korzyści. W dobie XXI wieku, gdzie innowacyjność oraz postęp są podwaliną wszelkich działań, coraz szerzej i z większym rozmachem mówi się o konsekwencjach tychże działań. Nie inaczej dzieje się z chemią analityczną, a ściślej analizą chemiczną środowiska, gdzie dostrzeżono wzrastające zagrożenie ze strony substancji stosowanych jako farmaceutyki [1]. Za szczególnie niebezpieczne uznaje się takie substancje, które wykazują równolegle następujące właściwości [2]:

  1. trwałość w środowisku i odporność na procesy degradacji zachodzące w nim,
  2. dużą i zgodną z rozwojem wzrastającą konsumpcję,
  3. wysoką aktywność biologiczną, np. teratogenność, mutagenność, ekotoksyczność,
  4. zdolność do biomagnifikacji,
  5. powinowactwo do elementów środowiska (gleba, woda) i dużą mobilność.
Używając terminu „farmaceutyki” odnosimy się do ogromnej grupy liczącej niemal 4000 związków chemicznych posegregowanych w klasy różniące się właściwościami fizykochemicznymi [3]. Spośród farmaceutyków stosowanych w medycynie wyróżniono kilka grup szczególnie niebezpiecznych dla środowiska.

Leki głównie dostępne bez recepty należące do najczęściej stosowanych farmaceutyków [4]. Wśród nich można wyróżnić: diklofenak, naproksen, ketoprofen czy kwas acetylosalicylowy. Stosowane są na szeroką skalę w wielu chorobach jako leki przeciwzapalne lub/i leki przeciwbólowe.

W środowisku pod wpływem mikroflory tylko w w niewielkim stopniu ulegają procesowi rozkładu [5].

β-blokery
Leki te są szeroko stosowane w leczeniu chorób związanych z układem krążenia, między innymi arytmii czy choroby niedokrwiennej serca. Ich usuwanie w procesie oczyszczania ścieków wciąż jest na poziomie niezadowalającym [4].

Antybiotyki i chemioterapeutyki
Pod względem chemicznym antybiotyki i chemioterapeutyki stanowią najbardziej zróżnicowaną grupę, z której można wyróżnić: chinolony, makrolidy, sulfonamidy czy tetracykliny.
Wzrastające stężenie tych związków w środowisku prowadzi do powstawania lekoopornych szczepów bakterii [4].

Związki wykazujące działanie hormonów (ang. Endocrine Disrupting Chemicals – EDC)
Estrogeny, zarówno te naturalne jak i otrzymywane syntetycznie, przedostają się do środowiska z wydalanym moczem. Już niewielkie stężenie może przyczynić się do zaburzeń w prawidłowym funkcjonowaniu ekosystemów lub spowodować zakłócenia w pracy układu hormonalnego organizmów bytujących na danym obszarze [4].

Stopień zróżnicowania oraz mnogość substancji stosowanych jako terapeutyki nakłada na zespoły analityczne wyzwanie praktycznie ciągłego doskonalenia oraz odkrywania nowych metod
analitycznych. Spośród już istniejących wiele zasługuje na miano przełomowych, jednakże wyzwań nie ubywa, lecz przybywa.

Źródła i sposoby rozprzestrzeniania się farmaceutyków stosowanych w medycynie w środowisku
Większość farmaceutyków jest wydalana z organizmu ludzkiego w postaci metabolitów, część w postaci niezmienionej [6]. Za główne źródło farmaceutyków w środowisku uważa się szeroko rozumiany przemysł farmaceutyczny. Ścieki będące ubocznym produktem procesu technologicznego mogą stanowić ogromne źródło tych substancji. Stosowane metody oczyszczania ścieków przemysłowych nie pozwalają na zadowalające usunięcie tej grupy związków. Zastosowanie biologicznego układu oczyszczania ścieków jest w znacznej mierze nieskuteczne z powodu silnego wpływu, między innymi antybiotyków, na szczepy bakteryjne obecnych w osadzie czynnym [4]. Innym, niezwykle istotnym źródłem leków w środowisku, są szeroko rozumiane placówki ochrony zdrowia (w głównej mierze szpitale). Leki stosowane w celach terapeutycznych wydalane są wraz z moczem i/lub kałem, a następnie systemem kanalizacji trafiają do oczyszczalni ścieków, gdzie najczęściej nie są w pełni usuwane. Farmaceutyki wykazujące wyższe powinowactwo do fazy polarnej będą pozostawały w ściekach oczyszczonych, natomiast leki mniej polarne mogą zostać zatrzymane w szlamie ściekowym. Zarówno w jednym jak i w drugim przypadku związki te przedostają się do ekosystemu wodnego i/lub lądowego [2]. Istotnym źródłem leków może być także ich nieprawidłowa utylizacja. Z badań statystycznych przeprowadzonych w Stanach Zjednoczonych wynika, że aż 54% społeczeństwa wyrzuca niewykorzystane leki do śmieci [2].

Stały nadzór oraz monitorowanie środowiska wodnego jest zatem bardzo ważnym zadaniem laboratoriów analitycznych zajmujących się ochroną środowiska. Dobrym uzupełnieniem takich analiz jest poznanie i zrozumienie sposobów rozprzestrzeniania i zachowywania się farmaceutyków w środowisku [6].

Najbardziej pożądaną z punktu widzenia środowiskowego reakcją jest reakcja degradacji wszelkich substancji stanowiących zagrożenie dla środowiska. Istotnym aspektem jest również to, aby substancje powstające w procesie rozpadu zanieczyszczeń nie powodowały jeszcze silniejszego skażenia środowiska. Procesy bioakumulacji czy biomagnifikacji sprawiają, że mobilność w środowisku spada, jednak tylko pozornie. Farmaceutyki zatrzymane w organizmach wodnych mogą działać nie tylko toksycznie na gospodarzy, ale też stanowią zagrożenie dla ich konsumentów (ludzi i zwierząt).

Farmaceutyki zidentyfikowane w organizmach wodnych
Na przestrzeni ostatnich dziesięciu lat opublikowano wyniki licznych badań poświęconych rybom jako głównym przedstawicielom organizmów wodnych. Zaniedbane zostały jednak organizmy będące na początku łańcucha troficznego, które niekiedy stanowią główny pion „odbiorczy” zanieczyszczeń w środowisku wodnym.

Mowa tu o mięczakach oraz skorupiakach, które odżywiają się tym, co zawieszone w wodzie. W 2011 roku Wille et al. [7] opublikował wyniki badań poświęconych farmaceutykom zidentyfikowanym w organizmie małża z gatunku Mytilus edulis zamieszkującego wybrzeże Belgii. Badania trwały sześć miesięcy i wykazały występowanie między innymi kwasu salicylowego w ilości 288 ng/g (LOQ 10 ng/g), propranololu (β-bloker) o stężeniu 63 ng/g (LOQ 1 ng/g) oraz karbamazepiny (lek psychotropowy) w ilości 4 ng/g (LOQ 1 ng/g) [7].

Cztery lata później D. Barcelo wraz z zespołem badawczym ogłosił wyniki badań dla trzech gatunków małż, u których zidentyfikowano 11 rodzajów farmaceutyków [8]. Zespół badawczy stwierdził, że we wszystkich trzech gatunkach najwyższe stężenie osiągnęła wenlafaksyna należąca do leków przeciwdepresyjnych. Zarówno u gatunku Crassostrea gigas oraz Mytilus galloprovincialis stężenie azytromycyny wyniosło odpowiednio 3,0±0,1 ng/g i 2,9±0,2 ng/g [8]. Spośród chemioterapeutyków u gatunków Crassostrea gigas oraz Chamelea gallina, zidentyfikowano odpowiednio ronidazol w ilości 1,8±0,9 ng/g oraz 1,0±0,7 ng/g. Stężenia pozostałych chemioterapeutyków takich jak: metronidazol, sulfametoksazol czy dimetridazol znajdowały się poniżej granicy wykrywalności [8].

Stosowane metody ekstrakcji leków z organizmów wodnych
Z całej procedury analitycznej obejmującej: wstępne przygotowanie próbki, ekstrakcję i oczyszczanie próbek, analizę reprezentatywnych próbek oraz analizę statystyczną uzyskanych wyników to właśnie proces wstępnego przygotowywania próbki oraz etapy ekstrakcji i oczyszczania są najczęstszą przyczyną znacznej utraty analitów. Odpowiedni dobór metody ekstrakcyjnej oraz parametrów tego procesu są kluczowe dla otrzymania miarodajnych wyników.
Jako metodę najczęściej wykorzystywaną do wstępnego przygotowywania próbek pochodzących z organizmów wodnych (małż) wskazuje się liofilizację w około -50 °C oraz homogenizację w moździerzu [7-10]. Następnie, w zależności od rodzaju oznaczanych farmaceutyków, wykorzystuje się: ekstrakcję za pomocą cieczy wspomaganą ciśnieniem (ang. Pressurized Liquid Extraction, PLE) [10], ekstrakcję wspomaganą ultradźwiękami (ang. Microwave-Assisted Extraction, MAE) [8] lub, coraz bardziej popularną, ekstrakcję  QuEChERS (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe) [9]. Niemal we wszystkich przypadkach etap analizy końcowej poprzedzony jest procesem oczyszczania. W przypadku organizmów wodnych (szczególnie mięczaków) jest to istotny element procedury analitycznej. Wśród najszerzej stosowanych technik oczyszczania wyróżnia się ekstrakcję do fazy stałej (ang. Solid Phase Extraction, SPE) oraz jej odmianę, w której sorbent luźno przemieszcza się wraz z próbką- dyspersyjną ekstrakcję do fazy stałej (Dispersive-Solid Phase Extraction, dSPE). W wielu przypadkach – o ile jako analizy końcowej nie stosuje się układu ze spektrometrią masową - za wystarczające przyjmuje się samo wirowanie lub sączenie [8].

Wyzwanie analityczne
Rozwijający się przemysł farmaceutyczny oraz wynikające z tego zagrożenia dla środowiska nakładają na zespoły badawcze nie lada wyzwanie ciągłego unowocześniania miarodajnych metod oznaczania leków w różnorodnych matrycach środowiskowych oraz w organizmach żywych. Niniejsza praca, poświęcona problemowi obecności farmaceutyków w organizmach wodnych oraz metodom ich oznaczania, stanowi swoiste przygotowanie do wdrożenia w ramach programu TANGO1 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju wyników badań projektu bazowego. Celem tych prac - wykonywanych przy współudziale Instytutu Oceanografii Polskiej Akademii Nauk - będzie opracowanie nowej i miarodajnej metody oznaczania wybranych niesteroidowych leków przeciwzapalnych oraz hormonów estrogennych w małżach i zastosowanie jej do analizy próbek rzeczywistych pobranych z Morza Bałtyckiego. Do analiz końcowych zastosowana zostanie metoda oparta na chromatografii gazowej połączonej ze spektrometrią mas (GC-MS) [11]. Zrealizowane prace będą miały charakter pionierskich badań w tej tematyce dla tego akwenu morskiego.

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu TANGO1;  umowa nr TANGO1/268806/NCBR/2015


Bibliografia:

[1] Hirsch R., Ternes T., Haberer K., Kratz K.- L.: Occurence of antibiotics in the aquatic environment. The Science of the Total Environment, 225, 109 – 119 (1999)

[2] Guzik U., Hupert-Kocurek K., Mazur A., Wojcieszyńska D.: Biotransformacja wybranych niesteroidowych leków przeciwzapalnych w środowisku. Bromatologia i Chemia Toksykologiczna, 46, 105 – 112 (2013)

[3] Szymonik A., Lach J.: Zagrożenie środowiska wodnego obecnością środków farmaceutycznych. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 15, 249 – 263 (2012)

[4] Koszowska A., Ebisz M., Krzyśko – Łupicka T.: Obecność farmaceutyków i środków kosmetycznych w środowisku wodnym jako nowy problem zdrowia środowiskowego. Medycyna Środowiskowa - Environmental Medicine, 18, 62 – 69 (2015)

[5] Szymonik A., Lach J.: Obecność farmaceutyków w wodach powierzchniowych i przeznaczonych do spożycia. Proceedings of ECOpole, 7, 735-743 (2013)

[6] Kot – Wasik A., Dębska J., Namieśnik J.: Przemiany, stężenia i oznaczanie pozostałości środków farmaceutycznych w środowisku. Politechnika Gdańsk, Wydział Chemii, Katedra Chemii Analitycznej, roz. 34, 724 – 745.

[7] Wille K., Kiebooms J. A. L., Claessens M., Rappé K., Vanden Bussche J., Noppe H., Van Praet N., De Wulf E., Van Caeter P., Janssen C. R., De Brabander H. F., Vanhaecke L.: Development of analytical strategies using U-HPLC-MS/MS and LC-ToF-MS for the quantification of micropollutants in marine organisms. Analitycal and Bioanalytical Chemistry, 400, 1459 – 1472 (2011)

[8] Alvarez-Muñoz D., Huerta B., Fernandez-Tejedor M., Rodríguez-Mozaz S., Barceló D.: Multi-residue method for the analysis of pharmaceuticals and some of their metabolites in bivalves. Talanta, 136, 174 – 182 (2015)

[9] Núñez M., Borrull F., Fontanals N., Pocurull E.: Determination of pharmaceutical in bivalves using QuEChERS extraction and liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Analitycal and Bioanalytical Chemistry, 407, 3841 – 3849 (2015)

[10] G.McEneff L., Barron B., Kelleher B., Paull B. Quinn: The determination of pharmaceutical residues in cooked and uncooked marine bivalves using pressurised liquid extraction, solid-phase extraction and liquid chromatography-tandem mass spectrometry. Analitycal and Bioanalitycal Chemistry, 405, 9509 – 9521 (2013)

[11] Migowska N., Caban M., Stepnowski P., Kumirska J.: Simultaneous analysis of non-steroidal antiinflammatory drugs and estrogenic hormones in water and wastewater samples using gas chromatographymass spectrometry and gas chromatography with electron capture detection. Science of the Total Environment, 441, 77–88, (2012)