Ежегодно в Балтийское море попадает около 2200 тонн остатков фармацевтических препаратов. Это количество намного превышает способность природы к самоочищению. Хотя остатки фармацевтических препаратов в воде в низких концентрациях не токсичны, их постоянное воздействие наносит вред живым организмам. Среди последствий – устойчивость к лекарствам, перемена пола рыб и масштабная гибель различных видов.

Группа ученых из Института химии Тартуского университета в сотрудничестве с польскими и датскими коллегами начала искать способ избавиться от лекарственных препаратов в сточных водах до того, как те попадут в Балтийское море. По словам Ивара Зеккера, эстонские исследователи изучают возможности биоразложения 31 различных фармацевтических остатков с помощью биопленки.

Как остатки фармацевтических препаратов попадают в море?

Если, например, в Индии и Латинской Америке лекарственные отходы попадают в реки в основном из-за отсутствия контроля за очисткой воды со стороны промышленности, то в Балтийском море таких крупных производств нет. По мнению Ивара Зеккера, у нас необходимо обратить внимание на ветеринарную медицину и самих потребителей препаратов.

"Возьмем, к примеру, болеутоляющие средства, которых только в Эстонии ежегодно потребляется порядка нескольких десятков тонн. Половина остатков этих лекарств попадает непосредственно в окружающую среду. Препарат делает свою дело в человеческом организме, а затем покидает его на 90% в неразложившемся виде. Именно поэтому проблема так широко распространена", – объясняет Зеккер.

Помимо остатков, выделяемых человеческим организмом, значительная часть фармацевтических препаратов попадает в окружающую среду из сельского хозяйства и ветеринарии. К ним относятся, например, эмамектин и ивермектин, которые используются для уничтожения вредителей и паразитов, и антибиотики, такие как тилозин.

В то время как сточные воды проходят через очистные сооружения, прежде чем попасть в окружающую среду, навоз, вносимый на поля в качестве удобрения, никогда не очищается от лекарственных отходов. Так, например, если корову лечат антибиотиками от мастита, часть остатков этих препаратов может попасть в организм человека с молоком, а часть – в природу в виде фекалий животных.

По словам Зеккера, чаще всего в Балтийском море оказываются остатки болеутоляющих средств, таких как ибупрофен и парацетамол, и антибиотиков, таких как сульфаниламиды. Значительным источником загрязнения являются также гормональные препараты. В последнее время выросла доля антидепрессантов, средств от гипертонии и сердечно-сосудистых заболеваний. Кроме того, в больших количествах встречаются остатки противодиабетических и противоэпилептических лекарств.

"В сточных водах в основном обнаруживаются обезболивающие, антибиотики и противовоспалительные. Некоторые из них имеют очень сложную структуру. Они содержат ароматические ядра и углеродно-фтористые связи. Природе очень сложно разрушить их путем самоочищения", – добавляет ученый.

Хотя при низких концентрациях остатки фармацевтических препаратов в море не являются токсичными, они создают множество проблем для водных обитателей. Например, в Балтийском море уже наблюдались смена пола рыб и генные мутации у микроорганизмов из-за остатков лекарств. Кроме того, постоянное воздействие фармацевтических отходов вызывает у организмов устойчивость к действующим веществам препаратов. Как следствие, эффективные в настоящее время лекарства в будущем могут перестать действовать, что создаст потребность в новых и более мощных средствах.

Остатки лекарств можно разлагать уже в сточных водах

Чтобы остановить поток остатков лекарств в Балтийское море, химики из Тартуского университета предлагают биоразлагать их в сточных водах. "Наша цель – разработать такие методы очистки, которые бы не слишком повышали стоимость воды. Одним из самых дешевых и простых в применении методов является бактериальная очистка, которая может удалять различные остатки фармацевтических препаратов с помощью биопленок", – объясняет Ивар Зеккер.

Зеккер и его коллеги пытаются разработать системы очистки воды на основе биологической переработки. Резервуар заполняется на 30-50% полиэтиленовыми элементами-носителями, на которых в течение нескольких месяцев выращиваются культуры бактерий из стоков. Они, в свою очередь, прикрепляются к биопленкам, то есть внеклеточным полимерным матричным агрегатам, создаваемым бактериями. Там формируется определенная зональность: в верхних слоях живут аэробные бактерии, то есть нуждающиеся в кислороде, а во внутренних слоях биопленки – анаэробные. Каждый слой играет свою роль в разложении лекарств.

Чтобы обеспечить бактериям достаточное количество кислорода для разложения остатков лекарства, воздух поэтапно нагнетается компрессором, начиная со дна системы. Когда в аэрации наступает перерыв и поступают новые стоки, чистая вода направляется в биопруд, где она подвергается доочистке с помощью растений или других процессов, и уже оттуда сбрасывается в природный водоем.

Хотя план ученых может показаться логичным на бумаге, Зеккер говорит, что быстрое и универсальное разложение всех остатков фармацевтических препаратов – далеко не простая задача. Если удасться удалить 70-80% всех остатков лекарств за несколько дней, то для полного разложения препарата в естественной среде может потребоваться несколько лет.

Чтобы ускорить процесс, ученые выращивают новые культуры микроорганизмов, которые смешивают с другими. "Например, мы вывели анаэробные бактерии, окисляющие нитрат аммония. Они принадлежат к семейству, которое эволюционировало на морском дне миллионы лет назад. Мы пытаемся использовать этот род для одновременного удаления азота и остатков фармацевтических препаратов вместе с денитрифицирующими бактериями", – поясняет Зеккер.

По словам химика, он и его коллеги с оптимизмом смотрят на будущее таких технологий. Например, они уже обнаружили, что эти бактерии можно использовать для разложения даже самых сложных остатков лекарств, таких как фторхинолоны.

Биологическая обработка сохраняет окружающую среду

По словам Ивара Зеккера, весь процесс очистки очень энергоэффективен, поскольку единственное потребление системы – это перекачка кислорода и перемешивание воды. Кроме того, разложение в биопленках более стабильно, чем в распространенных в настоящее время буферах активного ила. Например, если стоки промышленных предприятий с высокой концентрацией загрязняющих веществ попадают на водоочистные сооружения, культуры бактерий, выращенные на биопленке, могут с ними справиться.

Кроме того, по словам химика, система имеет очень низкую скорость образования биомассы, это означает на 90% меньше остаточного ила, который необходимо удалять на последующих этапах процесса. "То же самое можно сказать и о выбросах парниковых газов. Выделение закиси азота минимально", – добавляет Зеккер.

Хотя в настоящее время ученые изучают разложение различных остатков фармацевтических препаратов в лаборатории, Зеккер надеется, что в будущем биосистема может быть использована для очистки сточных вод целых муниципалитетов: "Сначала мы протестируем систему в лаборатории. Затем все это должно быть опробовано в каком-нибудь учреждении с высоким уровнем потребления лекарств, например, в больнице или доме престарелых, – говорит Ивар Зеккер.

После этого систему можно будет масштабировать до нескольких тысяч литров. Когда это будет сделано, по словам химика, можно будет говорить о целых городах или поселках, использующих такой метод очистки.