Czy wzrastające użycie antydepresantów zagraża środowisku?
Nowa metoda usuwania antydepresantów z wody – biochar z obierków ziemniaczanych jako ekologiczne rozwiązanie
Venlafaksyna (VEN), powszechnie stosowany lek przeciwdepresyjny z grupy inhibitorów wychwytu zwrotnego serotoniny i noradrenaliny (SNRI), stał się przedmiotem rosnącego niepokoju środowiskowego. Według najnowszych badań, zużycie antydepresantów w 18 krajach europejskich wzrosło dramatycznie – ze średnio 30,5 dawki dziennej na 1000 mieszkańców w 2000 roku do 75,3 dawki w 2020 roku, co oznacza wzrost o 147%. Rekordowe spożycie odnotowano w Islandii (153 dawki), a następnie w Portugalii (131), Wielkiej Brytanii (108 w 2017 r.), Szwecji (105) i Hiszpanii (87), podczas gdy Łotwa miała najniższe – 20 dawek. Najwyższy wzrost odnotowano w Grecji – 247% od 2000 roku (z 19 do 66 dawek na 1000 mieszkańców dziennie w 2020 r.). Ten znaczący trend przekłada się na zwiększoną obecność leków i ich metabolitów w ściekach, a następnie w wodach powierzchniowych, pitnych, a nawet morskich.
Czy biochar z odpadków ziemniaczanych to nowa nadzieja dla oczyszczania wody?
Naukowcy z Grecji opracowali innowacyjną metodę usuwania venlafaksyny z wody, wykorzystując biochar wytworzony z obierków ziemniaczanych jako katalizator w zaawansowanych procesach utleniania (AOP). To podejście jest szczególnie interesujące z perspektywy gospodarki o obiegu zamkniętym, ponieważ wykorzystuje odpady przemysłu spożywczego, które stanowią 15-40% początkowej masy ziemniaków i szybko ulegają rozkładowi, powodując zanieczyszczenie środowiska.
W badaniu porównano efektywność biocharu uzyskanego w trzech różnych temperaturach pirolizy: 400°C, 600°C i 800°C. Wbrew oczekiwaniom, najwyższą skuteczność w degradacji venlafaksyny wykazał biochar wytworzony w najwyższej temperaturze (PPBC800), mimo że charakteryzował się stosunkowo niską powierzchnią właściwą. Biochar PPBC800 umożliwił całkowitą degradację venlafaksyny w ciągu 120 minut, podczas gdy materiały wytworzone w niższych temperaturach wykazały minimalną aktywność katalityczną.
Co szczególnie istotne dla potencjalnych zastosowań praktycznych, system PPBC800/nadpersiarczany wykazał wysoką efektywność w szerokim zakresie pH (3-9), co jest kluczowe dla rzeczywistych zastosowań w oczyszczaniu wody. Obecność jonów nieorganicznych (wodorowęglanów i chlorków) oraz materii organicznej (kwasów humusowych) miała minimalny wpływ na degradację venlafaksyny, co sugeruje odporność metody na typowe składniki wód naturalnych.
Jak nietypowy mechanizm utleniania wpływa na degradację venlafaksyny?
Czy mechanizm degradacji venlafaksyny w tym systemie jest typowy dla innych procesów utleniania? Badania z użyciem substancji wygaszających i spektroskopii EPR wskazują na nietypowy, mieszany mechanizm z dominacją ścieżek nierodnikowych, gdzie główną rolę odgrywa tlen singletowy i powierzchniowy transfer elektronów. Jakie znaczenie ma to odkrycie dla opracowywania innych metod oczyszczania wody?
Analiza przy użyciu chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrią mas (LC-HRMS) pozwoliła na identyfikację pięciu produktów transformacji venlafaksyny, w tym N-desmethylvenlafaksyny, O-desmethylvenlafaksyny i N-tlenku venlafaksyny. Interesujące jest, że wszystkie wykryte produkty transformacji wykazały niższą toksyczność niż związek macierzysty, co potwierdza bezpieczeństwo ekologiczne proponowanej metody.
“Podwyższone poziomy VEN w organizmie są zdolne do uszkodzenia nerek i wątroby oraz potencjalnie wywoływania padaczki, co negatywnie wpływa na organizm i codzienne funkcjonowanie” – ostrzegają badacze, podkreślając znaczenie skutecznego usuwania tych związków z wód.
Czy odkrycia laboratoryjne mają znaczenie dla zdrowia publicznego?
Ocena cyklu życia (LCA) produkcji biocharu wykazała, że wyższe temperatury pirolizy, choć zapewniają lepszą wydajność katalityczną, wiążą się również z większym śladem środowiskowym. Systemy wykorzystujące gaz ziemny jako źródło energii konsekwentnie wykazywały niższe wartości potencjału zubożenia abiotycznego (ADP) w porównaniu z systemami opartymi na energii elektrycznej z europejskiej sieci.
To badanie ma istotne implikacje dla ochrony zdrowia publicznego. Lekarze powinni być świadomi, że przepisywane przez nich leki mogą trafiać do środowiska wodnego i potencjalnie wpływać na zdrowie całych populacji. Czy można wyobrazić sobie sytuację, w której pacjenci leczeni na depresję są jednocześnie narażeni na niewielkie, ale chroniczne dawki tych samych leków w wodzie pitnej?
Jakie jest znaczenie tych odkryć dla praktyki klinicznej? Po pierwsze, podkreślają one potrzebę holistycznego podejścia do ochrony zdrowia, które uwzględnia wpływ leków na środowisko. Po drugie, wskazują na potrzebę współpracy między lekarzami, farmaceutami i inżynierami środowiska w celu opracowania strategii minimalizujących narażenie populacji na leki obecne w wodzie.
Czy biochar przewyższa tradycyjne technologie oczyszczania?
W szerszym kontekście, badanie to stanowi krok w kierunku zrównoważonych, przyjaznych dla środowiska technologii oczyszczania wody, które mogą chronić zarówno ekosystemy wodne, jak i zdrowie ludzkie. Dla lekarzy oznacza to nową perspektywę na przepisywane leki – nie tylko jako środki lecznicze dla indywidualnych pacjentów, ale także jako potencjalne zanieczyszczenia środowiskowe wymagające odpowiedzialnego zarządzania.
Wyniki badań z zastosowaniem biocharu z obierków ziemniaczanych są szczególnie obiecujące w porównaniu z innymi metodami usuwania venlafaksyny, takimi jak UV/H₂O₂, UV/chlor, fotokataliza z TiO₂, foto-Fenton czy elektroperokson. Chociaż w literaturze opisano różne systemy wykorzystujące nadpersiarczany (np. Fe²⁺/cysteina/PS, PTFE-rGO/PS, CNT@Ni-Fe/Al₂O₃-cp-PVDF/PS), wiele z nich opiera się na metalach przejściowych i/lub wymaga kwaśnego pH oraz stosuje skomplikowane konfiguracje z membranami, co zwiększa koszty i złożoność operacyjną. Metoda oparta na biocharze z odpadów roślinnych oferuje prostszą obsługę, szersze zastosowanie w zakresie pH i lepsze dopasowanie do zasad gospodarki o obiegu zamkniętym.
Badacze podkreślają, że biochar uzyskany w temperaturze 800°C, mimo niewielkiej powierzchni właściwej (zaledwie 2,5 m²/g), wykazuje wysoką aktywność katalityczną. “Wyższa wydajność katalityczna biocharu PPBC800 może wynikać z nieznacznego wzrostu powierzchni właściwej, mniejszego rozmiaru krystalitów i wyższej zawartości węgla grafitowego, co prawdopodobnie ułatwiało reakcje z udziałem elektronów” – wyjaśniają naukowcy.
Interesujące są również wyniki dotyczące wpływu pH na degradację venlafaksyny. Najwyższą efektywność procesu zaobserwowano przy pH 3, ale system wykazał wysoką tolerancję na zmiany pH, utrzymując stabilną wydajność degradacji w zakresie pH 7-9, co jest kluczowe dla zastosowań praktycznych. Czy ta odporność na zmiany pH może być kluczowym czynnikiem decydującym o zastosowaniu metody w rzeczywistych systemach oczyszczania wody?
Jakie są toksykologiczne konsekwencje transformacji leków?
Badanie mechanizmu degradacji venlafaksyny przyniosło nieoczekiwane odkrycia. Testy z zastosowaniem substancji wygaszających (metanol, tert-butanol, azydek sodu) oraz pomiary EPR wykazały, że proces nie jest zdominowany przez typowe dla nadpersiarczanów mechanizmy rodnikowe. Zamiast tego, główną rolę odgrywa tlen singletowy (¹O₂) oraz powierzchniowo-mediowany transfer elektronów. Ta obserwacja ma istotne implikacje dla projektowania przyszłych systemów oczyszczania wody opartych na biocharze.
Analiza produktów transformacji venlafaksyny dostarcza cennych informacji o szlakach jej degradacji. N-desmethylvenlafaksyna (VEN_TP263b) okazała się najbardziej obfitym produktem transformacji, wykazującym ciągły i stabilny wzrost stężenia w czasie. Natomiast VEN_TP293 (N-tlenek venlafaksyny) osiągnął maksymalne stężenie w ciągu pierwszych 120 minut eksperymentu, po czym nastąpił jego szybki spadek, co sugeruje, że ulega on dalszym przemianom. VEN_TP291 osiągnął maksymalne poziomy w środkowej części eksperymentu, wskazując, że może powstawać jako wtórny produkt transformacji. Wreszcie, VEN_TP263a (O-desmethylvenlafaksyna) została wykryta początkowo w niskim stężeniu, ale gwałtownie wzrosła w ciągu pierwszych 15 minut. Te obserwacje mogą mieć znaczenie dla zrozumienia losów venlafaksyny w środowisku wodnym.
Ocena toksyczności produktów transformacji przy użyciu modelu ECOSAR wykazała, że wszystkie wykryte produkty przemiany wykazują niższą toksyczność niż związek macierzysty. Wartości toksyczności ostrej dla większości produktów transformacji oraz wartości toksyczności chronicznej dla VEN_TP291 zostały sklasyfikowane jako “szkodliwe” dla ryb, dafni i zielonych alg. Jednak w porównaniu z samą venlafaksyną, ryzyko ekotoksykologiczne jest znacznie zmniejszone.
Dla lekarzy istotne może być zrozumienie, że produkty transformacji leków mogą wykazywać odmienne właściwości farmakologiczne i toksykologiczne niż związki macierzyste. W przypadku venlafaksyny, jej główne metabolity (O-desmethylvenlafaksyna i N-desmethylvenlafaksyna) są farmakologicznie aktywne i przyczyniają się do działania terapeutycznego leku. Obecność tych związków w wodzie pitnej może więc potencjalnie wpływać na osoby je spożywające.
Czy zrównoważone technologie mogą ograniczyć ślad środowiskowy?
Ocena cyklu życia (LCA) produkcji biocharu z obierków ziemniaczanych ujawnia interesujący kompromis między efektywnością katalityczną a wpływem środowiskowym. Biochar wytworzony w temperaturze 800°C, choć najbardziej efektywny w degradacji venlafaksyny, wiąże się również z najwyższymi emisjami gazów cieplarnianych i zużyciem energii. Przy zastosowaniu energii elektrycznej z europejskiej sieci, emisje przekraczają 2,1 kg CO₂-eq/kg biocharu, w porównaniu do zaledwie 0,23 kg CO₂-eq przy zastosowaniu gazu ziemnego.
Badacze podsumowują: “Biochar wytworzony w temperaturze 800°C, który wykazał najwyższą wydajność, charakteryzował się również największym śladem środowiskowym, wskazując na potrzebę przyszłych badań nad opracowaniem strategii zapewniających zintegrowaną ocenę materiałów, technologii i systemów w oparciu zarówno o wydajność, jak i ślad środowiskowy.”
To badanie stanowi istotny krok w kierunku zrównoważonych, przyjaznych dla środowiska technologii oczyszczania wody z farmaceutyków. Dla lekarzy oznacza to potrzebę szerszego spojrzenia na przepisywane leki – nie tylko jako środki terapeutyczne dla indywidualnych pacjentów, ale również jako potencjalne zanieczyszczenia środowiskowe wymagające odpowiedzialnego zarządzania.
Jak wyniki badań wpływają na praktykę kliniczną?
Rozważając implikacje kliniczne przedstawionych badań, warto podkreślić, że obecność leków psychotropowych w wodzie pitnej może mieć szczególne znaczenie dla pacjentów przyjmujących już te substancje. Czy możliwe są interakcje między przepisanymi dawkami a śladowymi ilościami tych samych związków lub ich metabolitów obecnymi w wodzie? To pytanie pozostaje otwarte i wymaga dalszych badań.
Istotnym aspektem omawianego badania jest również analiza mechanizmu degradacji venlafaksyny na poziomie molekularnym. Badania FTIR wykazały obecność grup funkcyjnych zawierających tlen (C=O, C-O) oraz wiązań aromatycznych C=C w biocharze wytworzonym w 800°C. Te właściwości powierzchniowe prawdopodobnie odgrywają kluczową rolę w aktywacji nadpersiarczanów i generowaniu reaktywnych form tlenu, które prowadzą do degradacji venlafaksyny.
“Kombinacja funkcjonalności utlenionych i domen węgla sprzężonego może ułatwiać powierzchniowo-mediowany transfer elektronów do nadpersiarczanów, umożliwiając szlak nierodnikowy, który wytwarza ¹O₂ obok ograniczonej chemii SO₄•⁻ i •OH” – wyjaśniają badacze, wskazując na unikalny mechanizm działania biocharu PPBC800.
Z perspektywy praktyki klinicznej, ważnym aspektem jest również wpływ różnych warunków wodnych na degradację venlafaksyny. Badacze przetestowali metodę zarówno w wodzie ultraczystej, jak i w rzeczywistych matrycach wodnych – wodzie butelkowanej (BW) i ściekach (WW). Co ciekawe, matryca BW przyspieszyła degradację venlafaksyny, podczas gdy matryca WW umiarkowanie ją hamowała. Po 120 minutach w systemie PPBC800/SPS, 100% venlafaksyny zostało zdegradowane w wodzie ultraczystej, w porównaniu do 65% w ściekach.
Czy leki w wodzie pitnej zagrażają zdrowiu pacjentów?
Analiza produktów transformacji venlafaksyny dostarcza również cennych informacji o potencjalnych zagrożeniach związanych z obecnością tych związków w środowisku. VEN_TP263b (N-desmethylvenlafaksyna) i VEN_TP275 wykazały najwyższą toksyczność wśród wszystkich wykrytych produktów transformacji, choć nadal niższą niż związek macierzysty. Wartości toksyczności ostrej dla większości produktów transformacji zostały sklasyfikowane jako “szkodliwe” dla ryb, dafni i zielonych alg według wytycznych Globalnie Zharmonizowanego Systemu Klasyfikacji i Oznakowania Chemikaliów (GHS).
Dla lekarzy istotne może być zrozumienie, że produkty transformacji leków mogą wykazywać odmienne właściwości farmakologiczne i toksykologiczne niż związki macierzyste. W przypadku venlafaksyny, jej główne metabolity (O-desmethylvenlafaksyna i N-desmethylvenlafaksyna) są farmakologicznie aktywne i przyczyniają się do działania terapeutycznego leku. Obecność tych związków w wodzie pitnej może więc potencjalnie wpływać na osoby je spożywające.
Warto również zauważyć, że problem obecności farmaceutyków w wodzie nie ogranicza się do antydepresantów. Badania wykazały obecność wielu innych klas leków, w tym antybiotyków, leków przeciwbólowych, hormonów i leków sercowo-naczyniowych, w wodach powierzchniowych i pitnych na całym świecie. Jakie mogą być długoterminowe konsekwencje zdrowotne ekspozycji na tę “koktajlową mieszankę” leków w niskich stężeniach?
Z punktu widzenia zdrowia publicznego, opracowanie skutecznych metod usuwania farmaceutyków z wody staje się coraz bardziej naglącą potrzebą. Metoda oparta na biocharze z obierków ziemniaczanych oferuje kilka istotnych zalet: wykorzystuje odpady rolnicze jako surowiec, działa efektywnie w szerokim zakresie pH, nie wymaga dodawania metali ani skomplikowanych układów membranowych, i prowadzi do powstania mniej toksycznych produktów transformacji.
Badanie to otwiera również drzwi do szerszych rozważań na temat odpowiedzialnego przepisywania leków. Czy lekarze powinni uwzględniać potencjalny wpływ środowiskowy przy wyborze terapii? Czy możliwe jest opracowanie “zielonych” leków, które byłyby łatwiej biodegradowalne lub usuwalne z wody? Jaką rolę mogą odegrać lekarze w minimalizowaniu zanieczyszczenia środowiska farmaceutykami?
Czy biochar to ekologiczna alternatywa dla oczyszczalni?
Autorzy badania podkreślają, że “chociaż często zgłasza się szybsze usuwanie w przypadku systemów wspomaganych energetycznie lub zawierających metale, zwykle wymagają one wąskiej kontroli pH lub bardziej złożonych konfiguracji. W przeciwieństwie do tego, przedstawiony bezmetalowy proces, oparty na waloryzacji odpadów biomasy do biocharu, zachowuje aktywność przy prawie neutralnym pH z jedynie niewielkim hamowaniem przez powszechne składniki matrycy; w połączeniu z brakiem zewnętrznych nakładów energii i dodanych metali, jest to zgodne z zasadami gospodarki o obiegu zamkniętym i oferuje niskokosztową, ekologiczną opcję z zastosowaniem w realistycznym oczyszczaniu wody.”
To holistyczne podejście do problemu zanieczyszczenia wody lekami, łączące aspekty zdrowotne, środowiskowe i ekonomiczne, może stanowić model dla przyszłych badań i rozwiązań w dziedzinie ochrony zdrowia publicznego.
Jak temperatura i struktura wpływają na działanie biocharu?
W badaniu szczegółowo scharakteryzowano również właściwości fizykochemiczne biocharu otrzymanego w różnych temperaturach. Analiza XRD wykazała, że PPBC400 charakteryzuje się szerokim pikiem o niskiej intensywności w zakresie 2θ ~22-25°, wskazującym na amorficzne struktury węglowe. Dodatkowo, piki dyfrakcyjne przy 28,2°, 40,3°, 49,9°, 66,24° i 73,61° są indeksowane do KCl. Wzrost temperatury pirolizy do 600°C (PPBC600) prowadził do powstania ostrych pików dyfrakcyjnych, szczególnie przy 2θ 28-32°, 34°, 47° i 56°, ujawniających powstawanie dodatkowych nieorganicznych faz krystalicznych, takich jak KCl, K₂CO₃, CaO i CaCO₃. Przy najwyższej temperaturze pirolizy (PPBC800) intensywność i ostrość pików dyfrakcyjnych jeszcze bardziej wzrosła, sugerując zwiększoną krystaliczność pozostałości nieorganicznych.
Analiza morfologii powierzchni biocharu z obierków ziemniaczanych za pomocą SEM wykazała, że PPBC400 charakteryzuje się stosunkowo gładką i gęstą powierzchnią, z małą liczbą widocznych porów lub pęknięć. Wzrost temperatury kalcynacji do 600°C prowadził do większej heterogeniczności powierzchni, z tworzeniem porów i chropowatości. PPBC800 wykazywał wyraźnie rozdrobnioną i porowatą strukturę. Te zmiany morfologiczne odzwierciedlają postępującą karbonizację i degradację materii organicznej wraz ze wzrostem temperatury, potencjalnie zwiększając generowanie rodników i efektywność degradacji.
Badania kinetyki degradacji venlafaksyny wykazały, że proces ten podąża za modelem reakcji pseudo-pierwszego rzędu. Wraz ze wzrostem dawki biocharu z 250 do 750 mg/L, pozorna stała szybkości (kapp) wzrosła z 0,0131 do 0,0585 min⁻¹. Podobnie, zwiększenie stężenia nadpersiarczanu sodu (SPS) z 250 mg/L do 500 mg/L prowadziło do zwiększenia efektywności degradacji VEN z 86% do 100% po 120 minutach reakcji, co skutkowało 2,5-krotnym wzrostem wartości kapp.
Podsumowanie
Przedstawione badanie dotyczy innowacyjnej metody usuwania antydepresantów z wody przy użyciu biocharu wytworzonego z obierków ziemniaczanych. Wzrost zużycia antydepresantów w Europie o 147% w ciągu 20 lat spowodował znaczące zanieczyszczenie wód tymi substancjami. Biochar wytworzony w temperaturze 800°C (PPBC800) wykazuje najwyższą skuteczność w degradacji venlafaksyny, osiągając 100% skuteczność w ciągu 120 minut. Metoda działa efektywnie w szerokim zakresie pH i jest odporna na obecność typowych składników wód naturalnych. Mechanizm degradacji opiera się głównie na tlenie singletowym i powierzchniowym transferze elektronów. Wszystkie produkty transformacji venlafaksyny wykazują niższą toksyczność niż związek macierzysty. Ocena cyklu życia wykazała, że wyższa temperatura pirolizy, choć zapewnia lepszą wydajność, wiąże się z większym śladem środowiskowym. Metoda stanowi ekologiczne i ekonomiczne rozwiązanie problemu zanieczyszczenia wód farmaceutykami, zgodne z zasadami gospodarki o obiegu zamkniętym.
