znanost 13.12.2016 10:00

S pomočjo električne energije do učinkovite in okolju prijazne razgradnje ostankov zdravil v okolju

Ljubljana, 13. decembra - Uporaba zdravil se zaradi staranja prebivalstva povečuje, njihova raba in izpust v okolje pa se odraža v negativnih učinkih na okolje in organizme, pa tudi ljudi. Ker obstoječe čistilne naprave niso bile načrtovane za odstranjevanje obstojnih organskih spojin, kot so ostanki zdravilnih učinkovin, so raziskovalci v okviru projekta LIFE PharmDegrade predstavili tehnološko rešitev elektrokemijske oksidacije, kjer ostanke zdravil iz vode odstranjujejo s pomočjo elektrike.

Ljubljana.
Raziskovalka na Fakulteti za farmacijo UL Anita Klančar.
Foto: STA

Ljubljana.
Pilotni objekt na Golniku, ki so ga postavili v okviru projekta LIFE PharmDegrade.
Foto: Arhel

Ljubljana.
Raziskovalka na Fakulteti za farmacijo UL Anita Klančar.
Foto: STA

Ljubljana.
Raziskovalka na Fakulteti za farmacijo UL Anita Klančar.
Foto: STA

Ljubljana.
Vodja raziskovalne skupine v podjetju Arhel in koordinatorka projektov LIFE Maja Zupančič Justin.
Foto: STA

Ljubljana.
Pilotni objekt na Golniku, ki so ga postavili v okviru projekta LIFE PharmDegrade.
Foto: Arhel

Ljubljana.
Pilotni objekt na Golniku, ki so ga postavili v okviru projekta LIFE PharmDegrade.
Foto: Arhel

Ljubljana.
Tehnologija, ki so jo v podjetju Arhel razvili v okviru projekta LIFE PharmDegrade.
Foto: Arhel

Kot je dejala koordinatorka projekta v podjetju Arhel Maja Zupančič Justin, je v humani medicini evropskih držav v uporabi okoli 3000 različnih farmacevtskih učinkovin iz različnih farmakoloških skupin. S staranjem prebivalstva se raba zdravil na prebivalca povečuje in se giblje med starejšo populacijo od 5 do 10 vrst različnih zdravil na posameznika.

Ostanki zdravilnih učinkovin v vode vstopajo kot posledica uporabe v humani in veterinarski medicini, z nepravilnim odlaganjem neuporabljenih zdravil, dodatni viri pa so lahko tudi odpadne vode iz bolnišnic, farmacevtske industrije ter deponije odpadkov.

Ostanki zdravil so lahko kompleksne in biološko težko razgradljive molekule, kar pomeni, da njihova biološka razgradnja oz. mineralizacija v okolju poteka zelo počasi, zato po čiščenju ostajajo v komunalni vodi. V nekaterih primerih lahko v procesu čiščenja nastajajo njihovi razgradni produkti, ki so lahko za okolje enako ali bolj škodljivi kot izvorne spojine. Za njihovo razgradnjo tako potrebujemo naprednejše postopke čiščenja vode, poudarja Zupančič Justinova.

V Arhelu postavili pilotno čistilno napravo s tehnologijo elektro-oksidacije

V okviru projekta so ob obstoječi čistilni napravi na Golniku, v katero se stekajo vode iz bližnje bolnišnice, postavili pilotno čistilno napravo, ki vključuje v zadnji stopnji čiščenja elektrokemijsko oksidacijo, ki se odvija v elektrolitskih celicah.

Elektrokemijska razgradnja ostankov zdravil v pilotni napravi temelji na proizvodnji hidroksilnih radikalov z uporabo različnih elektrod, kot so denimo z borom dopirane diamantne elektrode ter mešane kovinsko oksidne elektrode. Tovrstni elektrodni materiali omogočajo tvorbo hidroksilnih radikalov neposredno iz vode zgolj s pomočjo električne energije.

Pri čiščenju odpadne vode, posebej pri naprednejših postopkih, je namreč pogosto potrebno vodi dodajati določene snovi, kot je denimo peroksid, ozon, ali obsevati z UV, da oksidacija organskih molekul hitreje poteče. "Gre za to, da smo cel sistem naravnali tako, da bi ga v končni fazi lahko napajala tudi sončna energija. S pomočjo elektrike lahko dosegamo razgradnjo težko razgradljivih organskih molekul brez dodajanja kemikalij," je dejala Zupančič Justinova.

Po njenih besedah hidroksilni radikali sodijo med najučinkovitejše oksidante in so sposobni razgraditi praktično vsa znana organska onesnažila in mikroorganizme. Kompleksne organske molekule v vodi, kot so ostanki zdravil, se ob njihovi prisotnosti razgradijo do ogljikovega dioksida in vode, ali na manjše molekule, ki so manj strupene in nadalje lažje biološko razgradljive. Hkrati so hidroksilni radikali kratko obstojni in s tem nenevarni za okolje, saj je njihovo delovanje omejeno na elektrolitsko celico.

Odvijanje kemijskih reakcij se prične s potopitvijo elektrod v elektrolit, ki je v tem primeru odpadna voda, in s povezavo na generator napetosti. Za varnost izvedbe reakcij so elektrode vgrajene v ohišje - elektrolitsko celico, skozi katero črpajo vodo. V okviru projekta so v podjetju razvili tudi tokovni generator, ki samodejno prilagaja napetost na anodi, tako da ne glede na električne lastnosti tekočine v elektrolitski celici skoznjo teče konstanten tok.

Razvoj analitskih metod za določanje ostankov farmacevtikov v vodah

Ker so koncentracije ostankov zdravil v okolju prisotne v mikrokoličinah ali nanokoličinah, jih imenujemo tudi mikroonesnaževala. Že nizke koncentracije pa lahko negativno vplivajo na okoljske organizme in zdravje ljudi. Mnoge raziskave namreč potrjujejo njihovo neposredno strupenost za vodne organizme, povzročanje sprememb dednega materiala, motenj delovanja žlez z notranjim izločanjem in naraščanja splošne rezistence mikrobov na antibiotike.

Prisotnost in pomen ostankov zdravil v okolju sta bila dolgo podcenjena tudi zaradi pomanjkanja ustreznih postopkov priprave vzorcev in analitskih metod, je pojasnila raziskovalka na fakulteti za farmacijo Anita Klančar. Na Katedri za biofarmacijo in farmakokinetiko Fakultete za farmacijo so zato v okviru projekta LIFE PharmDegrade razvili analitsko metodo za zaznavanje nizkih koncentracij onesnažil v vodah s poudarkom na ostankih zdravil.

Kot je pojasnila Klančarjeva, sta za natančno ugotavljanje koncentracij v okoljskih vzorcih potrebna visoko občutljiva instrumentalna metoda ter ustrezna obdelava vzorca, za kar se uporablja ekstrakcija na trdem nosilcu.

V okviru projekta so razvili tudi analizno metodologijo, ki jim omogoča sočasno spremljanje več kot 100 zdravilnih učinkovin. Za identifikacijo in kvantifikacijo tarčnih spojin v odpadnih vodah so uporabili tekočinsko kromatografijo, sklopljeno s tandemsko masno spektrometrijo, ter kombinacijo predhodnega čiščenja in koncentriranja vzorcev s principom ekstrakcije na trdem nosilcu.

Raziskave na 19 čistilnih napravah, ki so jih preiskovali v obdobju od marca do septembra 2016, so pokazale, da se ostanki zdravil v okolju pojavljajo relativno pogosto. V vzorcih so zaznali več kot polovico od 111 preučevanih učinkovin, kar 35 oz. približno tretjino učinkovin pa so zaznali v vseh vzorcih. Glavni predstavniki so zdravila z delovanjem na živčevje, zdravila za zdravljenje bolezni srca in ožilja ter za sistemsko zdravljenje infekcij.

Kot je še pojasnila Klančarjeva, je ključni problem ostankov zdravilnih učinkovin v okolju pomanjkanje študij, ki bi lahko opredelile celoten problem. V prihodnosti bi bilo potrebno poleg same prisotnosti ostankov zdravil v okolju opraviti tudi toksikološke teste, s katerimi bi raziskali tudi vpliv na okolje in okoljske organizme in kasneje tudi vpliv na človeka.

Projekt LIFE PharmDegrade oz. razgradnja farmacevtikov v odpadnih vodah domov za ostarele in bolnišnic, ki je potekal med septembrom 2014 in novembrom 2016, sta sofinancirala evropski finančni instrument LIFE in ministrstvo za okolje in prostor.

LIFE Stop CyanoBloom

Hkrati s projektom LIFE PharmDegrade pa so v podjetju zaključili tudi projekt LIFE Stop CyanoBloom, v okviru katerega so razvili robotsko lovilo, ki omogoča hitro zaznavanje prekomernega razraščanja cianobakterij v jezeru in hkrati tarčno kontrolo njihove nadaljnje rasti.

Merilna oprema nameščena na plovilu omogoča izvajanje on-line meritev različnih parametrov vode s poudarkom na zaznavanju in razločevanju alg in cianobakterij. Na tak način se občutno hitreje pridobi podatke o prostorskih in časovnih spremembah fitoplanktona v jezeru, kot to omogočajo laboratorijske meritve s posamičnim jemanjem vzorcev vode.

Druga pomembna inovacija na plovilu je elektrolitska celica, ki omogoča tvorbo hidroksilnih radikalov neposredno iz vode, ki selektivno delujejo na cianobakterijske celice v fitoplanktonu in hkrati omogočajo inaktivacijo njihovih toksinov.