The occurrence and problems of residual antibiotics during wastewater treatment

Abstract

Jätevesien ja lietteiden sisältämät haitta-ainepitoisuudet, jotka johtuvat pääosin riittämättömistä puhdistusprosesseista, ovat olleet tutkinnan alla jo vuosikymmenten ajan mahdollisten ympäristöhaittojen vuoksi. Yksi näistä huolia aiheuttavista yhdisteryhmistä on antibiootit, joita määrätään säännöllisesti bakteeri-infektioiden hoitoon, ja jotka pystyvät kulkeutumaan ruuansulatuselimistön lävitse osittain muuttumattomana ja osittain metaboliitteina, päätyen lopulta jätevesiin. Jätevesien ja lietteiden mukana ympäristöön kulkeutuneiden antibioottien tarkkaa vaikutusta ei tiedetä, sillä pitoisuudet ovat pieniä, nanogrammoja litrassa, eivätkä akuutit toksisuuskokeet anna todellista kuvaa eliöiden altistumisesta. Koska jatkuvan jätevesi- ja lietevirran mukana nämä matalat pitoisuudet voidaan laskea pysyviksi, krooniset, jopa 80 vuotta kestävät altistumistutkimukset kattaisivat paremmin todellisuuden. Tämäntapaisten tutkimusten data on kuitenkin puutteellista tai olematonta. Suurin huolenaihe koskien antibioottien matalia pitoisuuksia on antibioottiresistenssiyden kehittyminen, sillä matalissa pitoisuuksissa taudinaiheuttajat voivat selvitä hengissä sekä resistenssin kehittyneet yksilöt yleistyä. Syntynyt resisntessigeeni (antibiotic-resistance genes, ARG) voi siirtyä horisontaalisella geeninsiirrolla bakteerista toiseen (antibiotic resistant bacteria, ARB), minkä seurauksena monien sairauksien hoito hankaloituisi ja kallistuisi. Tässä Pro Gradu –tutkielmassa kuvaillaan antibioottien käyttäytymistä ja niiden mahdollista riskiä edesauttaa antibioottiresistenttien bakteerikantojen syntymiseen jätevesijärjestelmissä aiheesta löytyvän kirjallisuuden mukaan. Lisäksi tutkittiin kolmen laajasti käytössä olevan antibiootin; siprofloksasiinin (CIP), trimetopriimin (TMP) sekä sulfametaksatsolin (SMX) pitoisuuksia Jyväskylän jätevesienpuhdistuslaitoksien jätevesistä sekä lietteistä. Tutkitut antibiootit havaittiin nestekromatografialaitteistolla, joka oli yhdistetty tandem massaspektrometriin (HPLC-MS/MS). Jätevesien pitoisuuksien perusteella CIP:sta katosi puhdistusprosessissa 80%, ja TMP kulki lähes täysin puhdistusprosessin läpi, kun taas SMX määrä oli lisääntynyt toisen laitoksen puhdistusprosessissa, mikä voi osittain johtua tämän metaboliatuotteiden muuntumisesta takaisin alkuperäiseksi antibiootiksi. CIP oli ainoa mitä havaittiin lietteessä, n. 730 μg kg-1. Tulokset ovat hyvin verrattavissa Suomessa mitattuihin pitoisuuksiin.

The concentrations of pollutants in wastewater and sludge, mainly due to inadequate cleaning processes, have been under investigation for decades due to their potential environmental damage. One of these groups of concerns is the antibiotics since they are regularly prescribed for the treatment of bacterial infections, and are able to pass through the digestive tract partly unchanged and partly as metabolites, eventually ending up in wastewater. The exact effect of antibiotics released into the environment with wastewater and sludge is unknown as the concentrations are small (ng L-1), acute toxicity tests do not give a true picture of the exposure of organisms. As these low concentrations can be assumed to be persistent due to the continuous flow of wastewater and sludge, chronic, up to 80-year exposure studies would better cover the reality. However, data from this type of study is incomplete or non-existent. The greatest concern about low levels of antibiotics is the development of antibiotic resistance, because at low concentrations pathogens can survive and the developed individuals that have the resistance become more common due to natural selection. The resulting resistance gene (antibiotic-resistance genes, ARG) can be transmitted by horizontal gene transfer from one bacterium to another (antibiotic resistant Bacteria, ARB), as a result of which the treatment of many diseases would be complicated and expensive. This Master’s thesis describes the behavior of antibiotics and their potential risk of contributing to the development of antibiotic-resistant bacterial strains in wastewater systems according to literature on the subject. In addition, three widely used antibiotics were investigated; ciprofloxacin (CIP), trimethoprim (TMP) and sulfamethoxazole (SMX) concentrations in effluents and slurries from wastewater treatment plants in Jyväskylä. The investigated antibiotics were detected by liquid chromatography apparatus connected to a tandem mass spectrometer (HPLC-MS / MS). Based on wastewater concentrations, 80% of the CIP disappeared in the purification process, and TMP was almost completely passed through the purification process, while the SMX rate had increased in the second plant purification process, which may be partly due to the conversion of this metabolic product back to the original antibiotic. CIP was the only one found in the slurry, about 730 μg kg-1. Results obtained in this project are similar to the ones measured in Finland.