Растворившиеся

Чем грозит лекарственное загрязнение водоемов

Мы пока редко задумываемся, сколько в сточных водах лекарственных препаратов, например, антибиотиков. Они попадают туда с выделениями людей, принимавших лекарства, или с отходами разных производств. Очистка не удаляет эти вещества из стоков полностью. Прогресс, конечно, есть, но и развитие год от года молекулярной биологии, генной инженерии, синтетической химии резко увеличило размах применения лекарств, особенно нового поколения. Масштабы использования лекарств в животноводстве и птицеводстве также велики. По данным маркетингового исследования компании Research Techart, в России на животных ежегодно расходуется около 3,5 тысячи тонн антибиотиков.
При таком количественном и качественном росте применения фармацевтической продукции неизбежно ее попадание в окружающую среду. Это создает угрозу флоре и фауне, способствует формированию резистентности к антибиотикам у обитающих в водоемах бактерий, что чрезвычайно опасно и для человека: если такие микроорганизмы патогенны, то вызываемые ими болезни становится все сложнее лечить. Поэтому природоохранные ведомства всех стран, как правило, предписывают очищать сбросы воды от таких лекарств, а ученые ищут лучшие способы решения этой задачи.
В России работы по изучению лекарственного загрязнения вод начались в 2009 году: Институт водных проблем РАН проводил, например, рекогносцировочные исследования в интересах предприятия «Мосводоканал» ради создания общей методологии обнаружения лекарств, выявления метаболитов, поиска их исходных субстратов, а также методологии расчетного определения фармакологической активности ксенобиотиков, формально не являющихся лекарствами.
В рамках недавно прошедшего вебинара из цикла Must know, проводимого ИВП РАН, «Поиску» удалось побеседовать со старшим научным сотрудником лаборатории охраны вод этого института, кандидатом географических наук Марией КОЗЛОВОЙ. Она — одна из первых среди отечественных ученых, кто занялась проблемой лекарственного загрязнение природных и сточных вод.
— Основными источниками попадания лекарств в воду служат коммунально-бытовые стоки и от сельхозпредприятий, включая рыбные фермы, поскольку от 30 до 90% объема лекарств выводятся с продуктами жизнедеятельности. Определенную лепту в этот поток вносит, конечно, сама индустрия лекарств (при недостаточной очистке стоков, при аварийных ситуациях и пр.): медицинские и аптечные учреждения (при неправильной утилизации медицинских отходов), исследовательские центры, где создают и изучают новые лекарства, — рассказывает Мария Алексеевна. — Неконтролируемое поступление лекарственных препаратов в окружающую среду может приводить к их негативному влиянию на биоту и человека. Вот почему необходимо определять содержание в окружающей среде лекарств и их метаболитов, продуктов их превращений, выявлять реальные источники этой беды, обеспечивать очистку окружающей среды, в том числе вод от лекарств, и развивать систему соответствующих законодательных и нормативных актов.
— Первые ваши исследования по этой теме были поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований?
— Да, я выиграла двухгодичный «Мой первый грант» РФФИ в 2018-м и за три года провела экспедиционные исследования по выявлению лекарственных загрязнений источников питьевого водоснабжения Москвы. Работа шла в зонах сброса сточных вод крупных населенных пунктов или промышленных предприятий: города Дмитров, Дубна, Конаково, Тверь, Истра, Звенигород. При этом оказалось, что в Звенигороде такие исследования вообще проводили впервые. В пробах обнаружили целый ряд лекарственных веществ, сравнили концентрации препаратов, динамику их появления летом и зимой. Для всех выявленных соединений провели оценку их действия на людей и некоторые виды гидробионтов. Работы показали, что обнаруженные соединения проявляют или могут проявлять различные виды серьезного токсического воздействия. Например, цитотоксичность (напроксен, сульфаметоксазол), эмбриотоксичность (офлоксацин, кофеин, эритромицин, триметоприм, атенолол), образование кожных язв (напроксен, сульфаметоксазол) и т. д.
— Звучит пугающе, а ведь Московский регион — крупнейший потребитель питьевой воды в России.
— Да, и его основным ресурсом служат поверхностные воды, которые аккумулируются в каскадах водохранилищ двух систем: Волжской и Москворецкой. При этом качество воды в них и основных водостоках Московской, Тверской и Смоленской областей по удельному комбинаторному индексу загрязненности в 2018 году относилось к 3-му, 4-му и даже 5-му классам, то есть к сильно и даже к экстремально загрязненным. Испорчены они были в основном соединениями азота и фосфора, взвешенными и органическими веществами, нефтепродуктами, фенолами, тяжелыми металлами, а также лекарствами, в том числе антибиотиками.
По данным ИВП РАН, в 2009-2014 годах в водах Московского региона превалировали три антибиотика: в донных отложениях — ампициллин, в воде — тетрациклин и ципрофлоксацин. При этом ампициллин и ципрофлоксацин выявляли преимущественно в зоне сброса очищенных сточных вод, а тетрациклин — в месте расположения крупной птицефабрики. В 2016-м и 2019 годах отбор проб производили только в зонах сброса очищенных коммунальных сточных вод. Анализ не выявил тогда загрязнения исследуемых образцов гентамицином и левомицетином, но отметил присутствие эритро-, кларитро-, рокситро- и азитромицина как в летний период, так и в феврале 2019 года, причем зимой — с более высоким содержанием в пробах.
— Ваши находки опасны для населения?
— Обнаруженные концентрации антибиотиков сопоставимы с теми, которые фиксируются и в зарубежных странах. Но даже низкое, но постоянное их содержание в природных водах способно оказывать негативное воздействие на биоту и человека, причем многие исследования фиксируют развитие бактериальной устойчивости и возникновение перекрестной резистентности между различными классами антибиотиков по отношению к человеку. Кроме того, можно предположить, что, постоянно сосуществуя с патогенными микроорганизмами в водной среде, антибиотики делают их менее восприимчивыми к лекарствам, что чревато снижением эффективности действия антибактериальных средств при инфекционных заболеваниях.
— А кроме Москвы проводились ли подобные экспедиции в других городах-миллионниках?
— Честно говоря, о регулярных исследованиях в других регионах мне не известно. Контроль за содержанием лекарственных соединений в рамках государственного мониторинга водных объектов в России сегодня не ведется, поэтому налаживать регулярные обследования силами федеральных органов власти (например, Росгидромета), а не только отдельных научных организаций крайне важно. Для конкретного перечня лекарственных препаратов необходимо разработать способы их определения и установить нормативы максимального их содержания в природных водах. Нужны методы прогнозирования содержания антибиотиков в воде и донных отложениях, учитывающие специфику природных гидрологических процессов.
— Существует ли возможность снизить объем поступления лекарств в водную среду нашей страны сегодня?
— Нет одного надежного метода, позволяющего эффективно очистить воду от любых лекарств. Кроме того, на каждую станцию очистки или водоподготовки поступает вода со своим характерным составом, который тоже необходимо учитывать.
Именно поэтому в мировой практике водоочистки и водоподготовки принято использовать комбинированные методы. Так, в исследовании для удаления пяти выбранных лекарственных препаратов (амоксициллина, гидрохлортиазида, метопролола, напроксена и фенацетина), растворенных в различных водных системах, была использована двухступенчатая система очистки. В начале в качестве первой ступени применялась мембранная ультра- и нанофильтрация, а далее фильтрат и вещества, не пропущенные мембраной, доочищались с помощью химического окисления озоном или хлором. Позже для предобработки было использовано химическое окисление (озонирование, озонирование с последующим окислением перекисью водорода, УФ или УФ с последующим окислением перекисью водорода) с дальнейшей нанофильтрацией.
Получасовое УФ-облучение с последующей нанофильтрацией оказалось достаточно эффективным — удалось удалить до 80% загрязнителей. Комбинирование озонирования с последующей нанофильтрацией также показало высокую степень эффективности (до 70%). Незначительную степень очистки от лекарств дает фильтрование через песочные фильтры. Однако при использовании фильтров с биологически активированным углем (БАУ), например, в экспериментах, проводимых на станции очистки сточных вод в Австралии, практически все анализируемые лекарственные соединения подвергались очистке до концентраций ниже предела обнаружения (0,01 мкг/л).
Согласно исследованиям, проведенным корейскими учеными, фильтрация с использованием гранулированного активированного угля способна эффективно удалять из воды гидрофобные соединения и некоторые микрополлютанты, к числу которых можно отнести кофеин (до концентрации 10 нг/л), ибупрофен, дилантин, карбамазепин.
— А что у нас?
— Читала, что исследователи из РХТУ совместно с коллегами из Jamia Millia Islamia (Центральный университет Нью-Дели, Индия), а также учеными Германии, ЮАР и Саудовской Аравии предложили новый вариант получения недорогого и эффективного абсорбента для извлечения антибиотиков из сточных вод, который был бы дешевле и экологичнее синтетических аналогов и удобнее в использовании, чем самый распространенный сегодня натуральный абсорбент — активированный уголь. В качестве основы для нового абсорбента ученые взяли распространенный в природе минерал — монтмориллонитовую глину. Ее молекулярная структура такова, что она расслаивается в присутствии жидкости, в частности, воды, и в зазоры между слоями очень удобно заходить различным молекулам. Это, с одной стороны, объясняет высокую абсорбирующую способность глины, а с другой, — дает большие возможности для ее модификации с помощью разных реагентов.
Для создания абсорбента ученые смешали порошок глины с модифицирующим раствором, содержащим соединения алюминия и кобальта. Степень очистки составила свыше 95%. Абсорбент удалось использовать многократно без потери его эффективности. С активированным углем это было бы невозможно.
Конечно, проблема лекарственного загрязнения требует изучения. Мы еще очень многого не знаем. Например, как ведут себя те или иные вещества в окружающей среде, какие факторы сильнее влияют на их естественную деструкцию, при каких условиях они сорбируются во взвеси и пр. Нам нужно работать в тесном контакте не только с экологами, но и с химиками-аналитиками, биологами, токсикологами и другими специалистами. Проблему в России нужно решать, и определяя отношение к ней на законодательном уровне.

Андрей СУББОТИН