CC BY
523
УДК 574.2
DOI: 10.24411/1728-323X-2020-13023
ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
И. Н. Лыков, д. б. н, профессор, научный руководитель Института естествознания Калужского государственного университета им. К. Э. Циолковского, [email protected]
Глобальное использование фармацевтических препаратов постоянно растет и приводит к загрязнению вод ксенобиотическими соединениями с широким спектром биологической активности. Большинство фармацевтических препаратов, широко используемых в медицине, ветеринарии и быту, постоянно сбрасываются в бытовые сточные воды в неизмененном виде или в виде активных метаболитов. К таким препаратам относятся гормоны, антибиотики, анальгетики, антидепрессанты и противоопухолевые препараты. Очистные сооружения не способны эффективно удалять эти соединения из сточных вод, что способствует их миграции в пресноводные экосистемы. Обладая длительным периодом полураспада, фармацевтические препараты могут накапливаться в окружающей среде, достигая биологически активных уровней. Присутствие фармацевтических препаратов в водных экосистемах может привести к непредсказуемым экологическим последствиям и реакциям, а также может оказать негативное влияние на здоровье человека.
В российской научной литературе очень мало внимания уделяется проблеме загрязнения окружающей среды фармацевтическими препаратами. Поэтому в этой обзорной статье обсуждаются основные источники фармацевтических препаратов и их метаболитов, судьба этих соединений в водной среде, их влияние на здоровье человека и водные биоценозы.
The global use of pharmaceuticals is constantly growing and leads to water contamination with xenobi-otic compounds with a wide range of biological activity. Most pharmaceuticals that are widely used in medicine, veterinary medicine and everyday life are constantly discharged into domestic wastewater unchanged or in the form of active metabolites. These medications include hormones, antibiotics, analgesics, antidepressants, and antitumor medications. Treatment plants are not able to effectively remove these compounds from wastewater, which contributes to their migration to freshwater ecosystems. With a long half-life, pharmaceuticals can be accumulated in the environment, reaching biologically active levels. The presence of pharmaceuticals in aquatic ecosystems can lead to unpredictable environmental consequences and reactions and can also have a negative impact on human health.
In the Russian scientific literature, very little attention is paid to the problem of environmental pollution by pharmaceuticals. Therefore, this review article discusses the main sources of pharmaceuticals and their metabolites, the fate of these compounds in the aquatic environment, their impact on human health and aquatic bio-cenoses.
Ключевые слова: фармацевтические препараты, загрязнение, здоровье человека, водные организмы.
Keywords: pharmaceuticals, pollution, human health, aquatic organisms.
Фармацевтические препараты и их метаболиты с широким спектром метаболической активности обнаруживаются в возрастающих концентрациях, как в водных, так и в наземных экосистемах. Присутствие фармацевтических препаратов в этих экосистемах может привести к непредсказуемым экологическим последствиям и оказать негативное влияние на здоровье человека. Поэтому фармацевтическое загрязнение окружающей среды стало международной проблемой, которая требует должного внимания.
По данным различных источников общее потребление фармацевтических субстанций в мире превышает 3 млн т в год [1—2]. Наиболее часто лекарственные средства используются для лечения заболеваний сердца и сердечно-сосудистой системы, почек и мочеполовой системы, печени, желчного пузыря, позвоночника, опорно-двигательного аппарата, легких и дыхательной системы.
Россия входит в десятку стран с самым большим объемом потребления лекарственных средств. Однако по доле рынка лекарственных средств в ВВП Россия еще уступает большинству развитых стран. Но фармацевтический бизнес в России показывает перспективный рост (рис. 1). К 2030 году он будет иметь 15—18 % доли в общем объеме производства с доходностью до 2,8 млрд долл. США в год [3].
Основными источниками загрязнения окружающей среды являются фармацевтические предприятия, бытовые, больничные и промышленные сточные воды, больничные отходы, а также животноводство.
Многочисленные исследования свидетельствуют о высокой концентрации различных фармацевтических препаратов в элементах фармацевтических производств и в водных экосистемах [4]. Сточные воды фармацевтических производств
2011 2013 2015 2017 2019 2021 2023 2025 Объем мирового рынка -»- Объем рынка России |
Рис. 1. Перспективы роста мирового и российского рынков
могут содержать более 100 различных фармацевтических препаратов [4, 5]. Исследования различных авторов показали, что в этих стоках концентрация фармацевтических препаратов может достигать нескольких сотен и даже тысяч мг/дм3 [5, 6]. Трансформация некоторых фармацевтических препаратов, содержащихся в сточных водах, может привести к появлению соединений, проявляющих большую токсичность и повышенную стойкость, чем исходные.
Важнейшим источником загрязнения окружающей среды лекарственными средствами являются физиологические выделения животных и человека. Почти 900 млн т навоза, источником которого являются домашние птицы и скот, содержат гормоны и антибиотики, которые скармливают животным, чтобы они росли быстрее и не болели. Некоторые из этих гормонов и антибиотиков неизбежно попадают в окружающую среду [7, 8]. Поэтому повторное использование твердого и жидкого навоза скота в сельском хозяйстве в качестве удобрений может способствовать рассеиванию фармацевтических препаратов в почве и при определенных условиях в водоемах [8].
Фармацевтические препараты, используемые населением, поступают с мочой и калом в виде исходных соединений (от 30 до 90 % перораль-ной дозы) и ряда их метаболитов (в результате неполного метаболизма) в г ородскую канализацию, а отсюда в прилегающие водоемы [4, 9, 10]. В результате физиологической экскреции ежегодное количество разнообразных лекарственных препаратов, попадающих в окружающую среду, составляет сотни тысяч тонн. Например, во Франции такой распространенный антибиотик, как амоксициллин, потребляется в количестве около 515 т в год. При уровне его экскреции 60 % в канализационные сети Франции ежегодно попадает около 303 т этого антибиотика в пересчете на чистое активное вещество [11]. В России амокси-циллин потребляется в количестве около 250 т в год, а в сточные воды ежегодно попадает 147 т.
Глобальное использование фармацевтических препаратов в первую очередь приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод ксеноби-отическими соединениями с широким спектром биологической активности. Фармацевтические препараты были обнаружены в водных системах во всем мире из-за низкой эффективности удаления на очистных сооружениях или отсутствия очистных сооружений [12, 13]. По данным различных авторов концентрации фармацевтических препаратов в поверхностных водах колеблются от нескольких нг/дм3 до мкг/дм3 и коррелируют с плотностью населения в зоне проведения
исследования [6, 14]. Большинство из этих фармацевтических препаратов выводится из организма человека в активном состоянии. Спектр таких препаратов включает антидепрессанты, гормоны, антигистаминные и психиатрические препараты. Имеются данные о присутствии фармацевтических препаратов в грунтовых водах, в морских прибрежных водах [9, 13].
Современные очистные сооружения не предназначены для удаления фармацевтических препаратов из воды. Поэтому очищенные сточные воды являются важным путем миграции фармацевтических препаратов в поверхностные и подземные воды. Исследования польских ученых показали присутствие кетопрофена (до 46 нг/дм3), парацетамола (до 83 нг/дм3) и проксена (до 21 нг/дм3) в грунтовых водах пригорода Гданьска [15].
Несмотря на низкую эффективность очистки сточных вод от активных фармацевтических продуктов, определенное количество фармацевтических соединений все же удаляется. Например, некоторые исследования показывают, что традиционные методы очистки сточных вод приводят к снижению количества ибупрофена и напроксена на 90 % [10, 13, 16].
Фармацевтические препараты, попадающие в водную среду, могут подвергаться трансформации, в результате которой появляются соединения, обладающие большей токсичностью и повышенной стойкостью. При этом концентрация в воде продуктов трансформации может быть даже выше, чем исходных соединений.
Другим путем удаления фармацевтических препаратов из воды является сорбция донными отложениями. Остатки фармацевтических препаратов могут накапливаться в активном иле, часть которого используется в качестве удобрения. Это способствует дальнейшему распространению фармацевтических препаратов в окружающей среде.
В работах различных авторов присутствует неопределенность в отношении негативного воздействия на человека остаточных количеств фармацевтических препаратов в питьевой воде. Но в отличие от неопределенности в отношении воздействия на здоровье человека имеется достаточно доказательств влияния фармацевтических препаратов на гидробионты, особенно на рыб. Например, показано, что такие нестероидные противовоспалительные препараты, как дикло-фенак, напроксен и ибупрофен, накапливаются в рыбе [17, 18]. Концентрация ибупрофена, определяемая в рыбе, была в 100—1000 раз выше, чем в соответствующих пробах воды [19]. Воздействие антидепрессантов способствует снижению защитной реакции некоторых видов рыб при
встрече с хищниками. Биоаккумуляция антидепрессантов была обнаружена в перифитоне, у бентических беспозвоночных, и двустворчатых моллюсках [20, 21].
Многочисленные исследования показали, что эстроген и подобные ему химические вещества, оказывают феминизирующее действие на самцов рыб и моллюсков, что может изменять соотношение между мужскими и женскими особями [22]. Источниками эстрогена являются противозачаточные таблетки и гормональные препараты, а также естественный эстроген, который выделяют женщины. Соединения 17-этинилэстрадиола используются в медицинской практике в качестве аналога стероидного эстрогена и впоследствии высвобождаются в бытовые сточные воды, а затем через очистные сооружения в окружающую среду.
Большой медико-экологической проблемой является присутствие антибиотиков в окружающей среде, что способствует увеличению количества антибиотикорезистентных бактерий в бытовых сточных водах, сточных водах животноводства, поверхностных и подземных водах. Мировой объем производства антибиотиков для животноводства оценивается в 4 млрд долл. в год, что составляет около 45 % от общего выпуска антибиотиков. Наибольшие объемы применения антибиотиков в качестве добавки к питанию крупного рогатого скота, свиней и птицы отмечены в Китае, США и Бразилии (рис. 2). Вследствие государственного регулирования количество антибиотиков, используемых в различных странах в качестве пищевых добавок для сельскохозяйственных животных, планируется значительно снизить к 2030 году. Это уменьшает масштаб проблемы, но не исключает ее полностью.
К ОА
Щ Сельское хозяйство [й] Медицина
I Пищевая промышленность Ш Бытовая химия
Рис. 3. Масштабы использования антибиотиков в различных сферах экономики
Поскольку антибиотики плохо адсорбируются в кишечнике животных, большинство из них выводится в неизмененном виде с фекалиями и мочой. Учитывая тот факт, что во многих странах использование отходов животноводства в качестве удобрения является обычной практикой, усиливается обеспокоенность по поводу потенциального загрязнению антибиотиками окружающей среды. Это в свою очередь способствует появлению все большего количества антибиоти-ко-резистентных видов патогенных микроорганизмов за счет горизонтального переноса генов устойчивости к антибиотикам. Антибиотики широко используются также в медицине, пищевой промышленности и бытовой химии (рис. 3).
Представленные данные наглядно указывают на то, что фармацевтическое загрязнение водных объектов в различных странах мира представляет собою важную медико-экологическую и медико-социальную проблему. Но в России практически отсутствуют исследования по оценке фармацевтического загрязнение водных объектов, в то время как Россия является шестым по величине фармацевтическим рынком в Европе. Мониторинг водного загрязнения фармацевтическими препаратами и их метаболитами в России не регламентирован, также как допустимые концентрации в водных объектах. Все это определяет необходимость углубленного исследования проблемы фармацевтического загрязнения окружающей среды в России.
Библиографический список
1. Global Use of Medicines in 2020. Report by the IMS Institute for Healthcare Informatics. 2015. www.theimsinstitute.org.
2. Statista, 2016, Revenue of the worldwide pharmaceutical market from 2001 to 2015 (in billion U. S. dollars). Retrieved from https://www.statista.com/statistics/263102/ pharmaceutical-market-world wide-revenue-since-2001/
3. Обзор тенденций на глобальном и российском фармацевтическом рынке. https://frprf.ru/file/Farm.pdf
4. Lindberg R. H., Ostman M., Olofsson U. et al. Occurrence and behaviour of 105 active pharmaceutical ingredients in sewage waters of a municipal sewer collection system // Water Res. 2014. V. 58. Р. 221—229. doi: 10.1016/j.watres.2014.03.076.
5. Cardoso O., Porcher J. M., Sanchez W. Factory-discharged pharmaceuticals could be a relevant source of aquatic environment contamination: review of evidence and need for knowledge // Chemosphere. 2014. V. 115. Р. 20—30.
6. World Health Organization. Pharmaceuticals in drinking-water; 2011. http://www.who.int/water_sanitation_health/publica-tions/2011/pharmaceuticals/en/
7. Van Boeckel T. P., Brower C., Gilbert M. et al. Global trends in antimicrobial use in food animals // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. V. 112. Р. 5649—5654.
8. Obimakinde S., Fatoki O., Opeolu B. et al. Veterinary pharmaceuticals in aqueous systems and associated effects: an update // Environ. Sci. Pollut. Res. 2017. V. 24 (4). Р. 3274—3297.
9. Celiz M. D., Tso J., Aga D. S. Pharmaceutical metabolites in the environment: analytical challenges and ecological risks // Environ. Toxicol. Chem. 2009. V. 28. Р. 2473—2484.
10. Fatta-Kassinos D., Meric S. Nikolaou A. Pharmaceutical residues in environmental waters and wastewater: current state of knowledge and future research // Anal. Bioanal. Chem. 2011. V. 399. Р. 251—275. doi: 10.1007/s00216-010-4300-9.
11. Situation report on the active substance Amoxicillin. ANSM-DI-INSMP. 2016. www.ansm.sante.fr original application
12. Chander V., Singh P., Sharma B., Upadhyay K., Singh R. Environmental and health hazards due to pharmaceutical effluents // Int. J. Phar. Rev. Res. 2014. № 4. Р. 100—103.
13. Verlicchi P., A., Aukidy M, Zambello E. Occurrence of pharmaceutical compounds in urban wastewater: removal, mass load and environmental risk after a secondary treatment-a review // Sci. Total Environ. 2012. V. 429. Р. 123—155. doi: 10.1016/ j.scitotenv.2012.04.028.
14. Bruce G., Pleus R., Snyder S. A. Toxicological relevance of pharmaceuticals in drinking water // Environ. Sci. Tech. 2010. V. 44. Р. 5619—5626.
15. Caban M., Lis E., Kumirska J., Stepnowski P. Determination of pharmaceutical residues in drinking water in Poland using a new SPE-GC-MS(SIM) method based on Speedisk extraction disks and DIMETRIS derivatization // Sci Total Environ. 2015. V. 538. Р. 402—411. doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.08.076.
16. Maq'eta Cesen, Jozef Stefan, Tina Kosjek, Jozef Stefan, Maria Laimou-Geraniou. Occurrence of cyclophosphamide and ifosfamide in aqueous environment and their removal by biological and abiotic wastewater treatment processes // The Total Environment. 2015. V. 527—528. Р. 465—473.
17. Tomas Brodin, Susanna Piovano, Jerker Fick et al. Ecological effects of pharmaceuticals in aquatic systems—impacts through behavioural alterations // Philos. Trans. R.. Soc. Lond. Biol. Sci. 2014. V. 369. Р. 1656. https://doi.org/10.1098/rstb.2013.0580
18. Brozinski J. M., Lahti M., Meierjohann A. et al. The anti-inflammatory drugs diclofenac, naproxen and ibuprofen are found in the bile of wild fish caught downstream of a wastewater treatment plant // Environ. Sci. Technol. 2013. V. 47 (1). Р. 342—348. doi: 10.1021/es303013j.
19. Jeffries K. M., Brander S. M., Britton M. T. et al. Chronic exposures to low and high concentrations of ibuprofen elicit different gene response patterns in a euryhaline fish // Environ. Sci. Pollut. 2015a. V. 22 (22). Р. 17397—17413. doi: http:// dx.doi.org/10.1007/s11356-015-4227-y
20. Corcoran J., Winter M. J., Tyler C. R. Pharmaceuticals in the aquatic environment: a critical review of the evidence for health effects in fish // Crit. Rev. Toxicol. 2010. V. 40. Р. 287—304.
21. Du B., Haddad S.P., Scott W. C. et al. Pharmaceutical bioaccumulation by periphyton and snails in an independent stream during an extreme drought // Chemosphere. 2015. V. 119. Р. 927—934.
22. Sumpter J. P. Feminized responses in fish to environmental estrogens // Toxicol. Lett. 1995. V. 82—83. Р. 737—742.
PHARMACEUTICAL ENVIRONMENTAL POLLUTION
I. N. Lykov, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Professor, Scientific Director of the Institute of Nature Science, Tsiolkovsky Kaluga State
University. [email protected]. Kaluga, Russia
References
1. Global Use of Medicines in 2020. Report by the IMS Institute for Healthcare Informatics. 2015. Electronic resource available at: www.theimsinstitute.org.
2. Statista, 2016, Revenue of the worldwide pharmaceutical market from 2001 to 2015 (in billion U. S. dollars). Retrieved from https://www.statista.com/statistics/263102/ pharmaceutical-market-world wide-revenue-since-2001/
3. Obzor tendencij na globalnom i rossijskom farmacevticheskom rynke. [Overview of the trends in the global and Russian pharmaceutical markets]. Electronic resource available at: https://frprf.ru/file/Farm.pdf [in Russian].
4. Lindberg R. H., Ostman M., Olofsson U. et al. Occurrence and behaviour of 105 active pharmaceutical ingredients in sewage waters of a municipal sewer collection system. Water Res. 2014. Vol. 58. Р. 221—229. doi: 10.1016/j.watres.2014.03.076.
5. Cardoso O., Porcher J. M., Sanchez W. Factory-discharged pharmaceuticals could be a relevant source of aquatic environment contamination: review of evidence and need for knowledge. Chemosphere. 2014. Vol. 115. Р. 20—30.
6. World Health Organization. Pharmaceuticals in drinking-water; 2011. Electronic resource available at: http://www.who.int/ water_sanitation_health/publications/2011/pharmaceuticals/en/
7. Van Boeckel T. P., Brower C., Gilbert M. et al. Global trends in antimicrobial use in food animals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. Vol. 112. Р. 5649—5654.
8. Obimakinde S., Fatoki O., Opeolu B. et al. Veterinary pharmaceuticals in aqueous systems and associated effects: an update. Environ. Sci. Pollut. Res. 2017. Vol. 24 (4). Р. 3274—3297.
9. Celiz M. D., Tso J., Aga D. S. Pharmaceutical metabolites in the environment: analytical challenges and ecological risks. Environ. Toxicol. Chem. 2009. Vol. 28. Р. 2473—2484.
10. Fatta-Kassinos D., Meric S. Nikolaou A. Pharmaceutical residues in environmental waters and wastewater: current state of knowledge and future research. Anal. Bioanal. Chem. 2011. Vol. 399. Р. 251—275. doi: 10.1007/s00216-010-4300-9.
11. Situation report on the active substance Amoxicillin. ANSM-DI-INSMP. 2016. Electronic resource available at: www.ansm.sante.fr original application
12. Chander V., Singh P., Sharma B., Upadhyay K., Singh R. Environmental and health hazards due to pharmaceutical effluents. Int. J. Phar. Rev. Res. 2014. No 4. Р. 100—103.
13. Verlicchi P., A., Aukidy M, Zambello E. Occurrence of pharmaceutical compounds in urban wastewater: removal, mass load and environmental risk after a secondary treatment-a review. Sci. Total Environ. 2012. Vol. 429. Р. 123—155. doi: 10.1016/ j.scitotenv.2012.04.028.
14. Bruce G., Pleus R., Snyder S. A. Toxicological relevance of pharmaceuticals in drinking water. Environ. Sci. Tech. 2010. Vol. 44. Р. 5619—5626.
15. Caban M., Lis E., Kumirska J., Stepnowski P. Determination of pharmaceutical residues in drinking water in Poland using a new SPE-GC-MS(SIM) method based on Speedisk extraction disks and DIMETRIS derivatization. Sci Total Environ. 2015. Vol. 538. Р. 402—411. doi: 10.1016/j.scitotenv.2015.08.076.
16. Maq'eta Cesen, Jozef Stefan, Tina Kosjek, Jozef Stefan, Maria Laimou-Geraniou. Occurrence of cyclophosphamide and ifos-famide in aqueous environment and their removal by biological and abiotic wastewater treatment processes. The Total Environment. 2015. Vol. 527—528. Р. 465—473.
17. Tomas Brodin, Susanna Piovano, Jerker Fick et al. Ecological effects of pharmaceuticals in aquatic systems — impacts through behavioural alterations. Philos. Trans. R. Soc. Lond. Biol. Sci. 2014. Vol. 369. Р. 1656. https://doi.org/10.1098/rstb.2013.0580
18. Brozinski J. M., Lahti M., Meieq'ohann A. et al. The anti-inflammatory drugs diclofenac, naproxen and ibuprofen are found in the bile of wild fish caught downstream of a wastewater treatment plant. Environ. Sci. Technol. 2013. Vol. 47 (1). Р. 342—348. doi: 10.1021/es303013j.
19. Jeffries K. M., Brander S. M., Britton M. T. et al. Chronic exposures to low and high concentrations of ibuprofen elicit different gene response patterns in a euryhaline fish. Environ. Sci. Pollut. 2015a. Vol. 22 (22). Р. 17397—17413. doi: http:// dx.doi.org/10.1007/s11356-015-4227-y
20. Corcoran J., Winter M. J., Tyler C. R. Pharmaceuticals in the aquatic environment: a critical review of the evidence for health effects in fish. Crit. Rev. Toxicol. 2010. Vol. 40. Р. 287—304.
21. Du B., Haddad S. P., Scott W. C. et al. Pharmaceutical bioaccumulation by periphyton and snails in an independent stream during an extreme drought. Chemosphere. 2015. Vol. 119. Р. 927—934.
22. Sumpter J. P. Feminized responses in fish to environmental estrogens. Toxicol. Lett. 1995. Vol. 82—83. Р. 737—742.
