Új hóbort vagy valós fenyegetés: az EDS anyagok a szennyvíztisztításban

1. Új hóbort vagy valós fenyegetés: az EDS anyagok a szennyvíztisztításban Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék Dr. Fleit Ernő egyetemi docens Sándor Dániel PhD hallgató

2. A probléma áttekintése „Late lessons from early warnings…” • Mik azok az EDS anyagok? • Hogy kezdődött? Megfigyelések a természetes vízi környezetben • Humán spermaszám és rákos megbetegedések • Az ösztrogének „tengere” – ráfogható mindez a környezetbe jutó EDS anyagokra? • Az ivóvízben megjelenő EDS anyagok és jelentőségük • Szennyvizekben megjelenő EDS anyagok és kezelhetőségük

3. Mik azok az EDS anyagok? A hormonháztartást megzavaró anyagoknak azokat az exogén anyagokat nevezzük, amelyek megzavarják a szabályozásban és a növekedésben szerepet játszó természetes hormonok termelését, kibocsátását, transzportját, kötödését, reakcióját, vagy kiürülését. (US EPA)

4. A probléma előtérbe kerülésének okai • Anyagok egyre nagyobb mennyiségét állítják elő, egyre számottevőbb mennyiségben kerülnek a természetbe, így az eddig elhanyagolhatónak számító szennyezések jelentőssé válnak. Ilyenek a lángfogó polibrómozott-bifeniléterek (PBDPE-k), biszfenol-A és benzinadalékok • Vegyületek káros hatásai sokáig ismeretlenek maradtak (pl. tributil-ón, alkilfenol-etoxilátok) • A kívánt anyagok méréséhez nem ált eddig rendelkezésre megfelelően érzékeny analitikai eljárás. Az antibiotikumok meghatározására a természetben például csak az LC/MS készülék alkalmas • A komponensek káros hatása részben már ismert, de a teljes kép megismeréséhez szükség van további vizsgálatokra (pl. atrazin hatása a tiroid hormonrendszerre) • Régebben az anyagok bevezetésekkor még nem voltak ilyen szigorúak a környezetvédelmi irányvonalak (pl. gyógyszerek, ftalátok).

5. A hormon funkciók a következők • nemi szervek kifejlesztése és működtetése (pl. szexuális dimorfizmus) • metabolizmus irányítása (pl. cukorháztartás, vérnyomás-szabályzás) • növekedés szabályozása (pl. pubertás elindítása, rovarok bebábozódása) • sejtszaporodás szabályozása specifikusan és az egész testre kiterjedten (pl. spermiumtermelés, hormonális rák, embrionális növekedés) • környezeti és egyéb stresszkeltő hatások kivédése (pl. immunrendszer irányítása, adrenalin kibocsátása)

6. A hormonális szabályozás jellemzői • Kémiai jelek közvetítik a hormonrendszerben az információt, ezért lassabb, de hosszantartó hatást eredményez. • A hormonok rendkívül kis mennyiségben már hatásosak, mivel „katalizátor” jellegűek

7. A hormonális szabályozás jellemzői • Egyes hormonok csak bizonyos életszakaszban (nemi érés, bebábozódás) vagy periodikusan, napszakonként vagy havonta fejtik ki hatásukat (menstruáció szabályzása), míg mások állandóan termelődnek (inzulin), adott esetben meg külső hatás váltja ki a véráramba bocsátást (pl. adrenalin)

8. A hormonokat a következő mirigyek termelik: • Agyalapi mirigy (pituitary gland) főleg a többi mirigy működését irányítja (lásd, Hormonális tengely), ezen kívül a tejtermelést, a vérnyomást és a veseműködést szabályozza • Pajzsmirigy (thyroid), metabolizmust • Mellék pajzsmirigy (parathyroid) vér kalcium szintjét • Mellékvese (adrenalin) só- és nátrium egyensúlyt, vérnyomást, cukorháztartást és az általános készenléti állapotot • Hasnyálmirigy (pancreas), vércukor szintet és az emésztést szabályozza • Tobozmirigy (pineal) bioritmust és a serdülőkor megindulását • Ivar, mirigyek (gonádok) az elődleges és a másodlagos nemi funkciókat determinálják.

9. Az EDS-k a következő pontokon fejthetik ki zavaró hatásukat • Hormonok szintézisében (feedback-mechanizmus) • Receptorokon, mint antagonisták, vagy agonisták • Transzport fehérjékéhez kötődve (hormontranszport)

10. Nemi hormonrendszer megzavarásának jelenségei

11. Dózis-hatás összefüggés • Valamilyen hormon jellegű anyag hatása nagyban függ annak koncentrációjától, az adagolás idejétől, a vizsgált egyed fajtájától, korától, a vizsgált szervtől, adagolás közegétől és az esetleges szinergetikus hatásoktól. • A feedback-mechanizmusok miatt az adagolt koncentrációkkal a hatás általában nem áll lineáris összefüggésben. • A dózis-hatás összefüggéseknél számításánál figyelembe kell venni, hogy a perzisztens anyagok koncentrációja a szervezetben sokkal nagyobb lehet a környezeti koncentrációnál a bioakkummláció és a biomagnifikáció miatt.

12. EDS anyagok típusai… • Alkilfenolok és származékaik • Ftalátok • Biszfenol-A és hasonló fenolok • PCB (poliklórozott-bifenilek) vegyületcsoport • Lángfogók, PBDE-k • Halogénezett többgyűrűs égetési melléktermékek (dioxinok) • Peszticidek • Gyógyszerek • Fémek és fémtartalmú vegyületek • Természetes anyagok (fitoösztrogének)

13. Az EDS anyagok egy lehetséges csoportosítása • Iparban és fogyasztásban használt anyagok (ftalátok, egyes élelmiszeripari adalékok); • Növényvédő szerek (lindán, DDT, atrazin); • Hormon készítmények (orális fogamzásgátló tabletták, pajzsmirigy gyógyszerek); • Ipari és fogyasztási melléktermékek (PAH, dioxin); • Természetes hormonok (fitoösztrogének); • Természetes hormonhatású anyagok (3-Ω-zsírsavak). • Természetes és mesterséges anyagok keveréke (szennyvizek)

14. Alkilfenolok és származékaik • Az alkilfenol-etoxilátokat (APE-k) főleg az iparban használják mint detergenst, emulzifikálót, és antioxidánst de számos kozmetikumnak is részei. • A környezetben gyakran előforduló 1-100 g/L, (ppb) koncentrációban kezelt csigák és kagylók nőstényeiből szupernők lettek, akár a legkisebb koncentrációban adott dózis esetén is, míg a hímek részben impotensekké váltak. • A felszíni-, az ivó- és a szennyvizekben, üledékekben és szennyvíziszapokban gyakran (0,6-45 g/L), (20-100 ng/L), (10-600 g/L), (0,1-2,4 mg/kg) és (250 mg/kg) koncentrációkban találhatóak • APE vegyületek az emberi szervezetbe főleg samponokból és műanyaggal való érintkezéssel kerülnek, az ivóvízből csak kisebb mértékben

15. Biszfenol-A • Több ezer tonna biszfenol-A kerül ki a természetbe évente, elsősorban mint epoxigyanták ipari mellékterméke, de műanyagadalékként, antioxidánsként és fogtömésekben, is alkalmazták. • A hagyományos szennyvíztisztítók csak kis mértékben távolítják el a biszfenol-A-t, de a membrán bioreaktorok és a nanoszűrés 70-100%-os eltávolítást eredményez. • A biszfenol-A környezeti szempontból sok tekintetben hasonlóan viselkedik az APE anyagokhoz.

16. Polibrómozott-difeniléterek • Jelenleg a polibrómozott-difeniéter (PBDE) vegyületek az egyik legsürgősebben megoldandó emerging pollutant-szennyezés. • PBDE-k különböző mértékben brómozott vegyületek keverékei, amelyeket lángfogóként használnak textil-, számítógép bútor-, és híradásiparban. 1999-ben a PBDE-kből 67 000 tonnát gyártottak. • A PBDE komponensek étellel, elsősorban halak fogyasztásával jutnak az emberi szervezetbe, de jelentős tétételt jelent a műanyagokból kipárolgó mennyiség is. • PBDE-k idegmérgek, EDS-k (tiroid) és rákkeltők. • Káros hatásaik miatt Kaliforniában és Svédországban már betiltották a PBDE keverékek árusítását.

17. Ftalátok • A ftalátokat műanyagokban, főleg PVC-ben használják lágyítóként, de parfümökben, mosószerekben, és kenőanyagokban is megtalálhatók. Ezen a lágyítók akár 70%-át is kitehetik a PVC-nek. • A dibutil-ftalátról és a butil-benzil-ftalátról megállapították, hogy gyengén ösztrogén EDC hatással rendelkeznek, sőt a dibutil-ftalát antiandrogén is. • Az EU-ban, a fenti káros hatások miatt a játékokban egyes ftalátokat egyáltalán nem, másokat 0,1% koncentrációig legális alkalmazni. Tervezik, hogy a játékokban és a bébiételekben a ftalátok előfordulása egyáltalán nem lesz engedélyezve (zero tolerance).

18. PCB, dioxinok • A poliklórozott-bifenilek (PCB-k) ipari termékek, amelyek főleg szigetelő és lángfogó tulajdonságaik miatt elektromos berendezésekben (kondenzátorok, fázisjavítók) és hidraulika olajokban kerültek használatra. • Ezek a vegyületek rendkívül perzisztensek, bioakkumulációra és biomagnifikációra hajlamosak. • Az EDC hatások jövőbeni kutatásai csak kis mértékben irányulnak a PCB-k hatására, mivel ezek az anyagok használatát betiltották, így koncentrációjuk csökken a természetben.

19. Peszticidek • A peszticidek alapvető célja hogy valamilyen biológiai hatást fejtsenek ki (rovarölő, atkaölő, gyomirtó, juvenilis hormon stb.), emiatt nem meglepő, hogy közülük számos anyag nem kívánt EDC hatással is rendelkezik. • A DDT és metabolitjai rendkívül perzisztensek, felezési idejük 60-100 év. Apolárisak, a vizekben főleg szilárdanyaghoz, élőlényekben zsírszövetekhez kötődnek. • Az alachlor esetében a szerrel dolgozó férfiak spermaszáma szignifikánsan lecsökkent bizonyítva a szer ösztrogén hatását.

20. Szteroidok I. • Több hormonrendszernek kulcsfontosságú elemei a szteroidok, közvetlenül (nemi hormonok, kortikoid szteroidok) vagy közvetve (immun- és tiroid rendszer). • Eredetük szerint lehetnek fitoszteroidok, emberből és állatból származó természetes szteroidok vagy mesterséges szteroidok. • A természetbe kikerült szteroidok megzavarhatják a halak és más vízi állatok szaporodását.

21. Szteroidok II. • Az 17-etinil-ösztradiol szintetikus ösztrogén, ami a fogamzásgátló antikoncipiens (antibébi) tabletták, és a postmenopausal gyógyszerek egyik hatóanyaga, már pg/ml szinten hatással volt egyes halakra. • A szteroidok az ipari szennyezésekhez (APE, DDT, PCB stb.) képest elenyésző mennyiségben kerülnek a vizekbe. Viszont súlyosbítja a helyzetet, hogy a női hormon szteroidok ösztrogenitása milliószorta erősebb az ipari ösztrogén szennyezőknél, így a vizek ösztrogenitásához a szteroidok is számottevően hozzájárulnak

22. Szteroidok III. • Hússal és tejtermékekkel is kerül az emberi szervezetbe természetes és mesterséges szteroid, mivel az állattartásban hozamnövelőként alkalmazzák ezeket a vegyületeket • Számos kozmetikum is tartalmaz nemi szteroidot, amelyek bőrön keresztül felszívódnak. • A szteroidok a szennyvíztisztítókban csak részben bomlanak el. Egy vizsgálat szerint az eleven iszapos szennyvíztisztítóban az átlagosan a beömlő ösztron (52 ng/L) 61 %-a, a 17-ösztradiol (12 ng/L) 87 %, az ösztratirol (80 ng/L) 95-%-a, és a 17-etinilösztadiol (3,0 ng/L) 85 %-a kerül eltávolításra. • Korszerű technológiák esetén 98%

23. Hangsúlyeltolódások • Kezdetben: szex hormonok (ösztrogének, androgének, antiösztrogének, stb.) – reprodukció 1930-as évek. • DDT- 1960. • 1970- szteroidok, hormonok. • Ma már: más endokrin rendszerek is (mellékvese, pajzsmirigy) • Más egyéb élettani rendszerek (immun, viselkedés, magzati fejlődés, stb.)

24. A vízi környezetben megfigyelt néhány „kedvezőtlen” hatás • Tojáshéj elvékonyodás és viselkedési zavarok madarakban (1950-60) • Interszex, hermafroditizmus halakban, puhatestűekben és emlősökben (1970) • Halak feminizációja

25. A vízi környezetben megfigyelt néhány „kedvezőtlen” hatás • Legkönnyebben észlelhetőek a közvetlenül a nemi hormonokat érő hatások, melyek a nemek átfordulásában, abnormális nemi viselkedésben és a nemek arányának eltolódásában érhetők tetten • A vörösvércsénél a PCB szennyezés hatására a hímeknél nagyobb szexuális aktivitás észleltek. • Más fajoknál a tojás összetörését (vadkacsa, gém), és a fészkek csökkent védelmét (sirály, sólyom) figyelték meg a PCB hatására.

26. A vízi környezetben megfigyelt néhány „kedvezőtlen” hatás • Az ösztrogén hatású klórozott peszticidekkel szennyezett Apopka tóban az aligátorok plazma-tesztoszteron szintje és péniszmérete egyharmadára csökkent, míg a nőstények ösztradiol szintje duplája volt a megszokott értékeknek • A tengeri csigákat (Prosbanch snail) ösztrogén bisfenol-A-val és oktilfenollal - a környezetben gyakran előforduló szennyezési koncentrációban (1-100 g/L, ppb) - kezeltek. A kezelés hatására (5-12 hónap) nőkből szupernők lettek, akár a legkisebb koncentrációban adott dózis esetén is.

27. A vízi környezetben megfigyelt néhány „kedvezőtlen” hatás • A nemi hormonrendszert megzavaró anyagok hermafroditizmust is okozhatnak, amely két csoportra osztható: valódi hermafroditák, amelyek mind két nem funkcióira képesek egyedek, és olyanok amelyek nem képesek szaporodásra. Az utóbbiban megkülönböztetünk imposex (eredetileg nőstény de hím ivarszerve is van) és intersex (eredetileg hím de női ivarszervei is van) típusokat.

28. A vízi környezetben megfigyelt néhány „kedvezőtlen” hatás • Az ösztrogének kis koncentrációkban csak vitellogenin termelést eredményeznek, nagyobb koncentrációban azonban a hímek már ikrát is raknak. Ikra állapotban és pubertás előtt adott ösztrogének a hím halakat funkcionális nőstényekké vagy hermafroditákká alakították.

29. Megfigyelt néhány „kedvezőtlen” hatás • Rágcsálókon végzett kísérletekben megállapították, hogy a ftalátok a spermiumtermeléshez szükséges karotin receptorokat is gátolják herékben [158]. Amennyiben a herék nem szálnak le (crytorchiism) embrionális állapotban, műtéti beavatkozás nélkül felnőttkori impotenciához vezet. • A fenti betegség és az emelkedett ftalátszint között, valószínűsített a kapcsolatot

30. Feltételezett humán hatások • Sperma minőség (aktív, mozgékony spermaszám) • Rejtett heréjűség • Hererák • Prosztatarák • Mellrák (férfiakban)

31. Feltételezett humán hatások • Akiket nagyobb koncentrációban, foglalkozási ártalomként vagy balesetben ért EDC-mérgezés egyértelműen bebizonyosodott a káros hatás. Hollandiai felmérések (836 pár) szerint a peszticiddel foglalkozó férfiaknál gyakoribb az impotencia, és nagyobb arányban születik lányuk, mint fiuk. • Súlyosabb problémákat tapasztaltak a harmadik világban, ahol a peszticideket szakképzetlen, védőfelszerelés nélküli idénymunkások, elsősorban nők kezelik.

32. Feltételezett humán hatások • A hormonjellegű xenobiotikumok több generáción keresztül tartó rákkeltő hatásaira a vetélés ellen adott dietil-sztibösztrol (DES) a legszemléletesebb példa. A terhesség alatt dietil-sztilbösztrol kezelésben részesült nőknél 335%-kal megnőtt a mellrákos esetek száma. • A pontos mérést nehezíttette, hogy a kezelés és a daganat kialakulása között akár 20 év is eltelhet.

33. Feltételezett humán hatások • Az impotencia ellenes szerek (viagra) hatása a természetre eddig teljesen ismeretlen, de a várható nagy forgalmuk és széles spektrumú hatásuk vizsgálatukat szükségessé teszik. • A viagra például nem csak a potenciát növeli, de szabályozza a ciklikus guanozin monofoszfát koncentrációját, ami az izmokra és a vérnyomásra hat.

34. Spermaszám – néhány adat és előzetes megállapítás • A hetvenes-nyolcvanas években publikált adatok szerint az elmúlt 50-60 évben az iparosodott világban a spermaszám folyamatosan csökkent • A sperma donorok elemzése szerint (Párizs) 2,2%-os éves csökkenés volt megfigyelhető (1973-1992)

35. Spermaszám (folytatás) • 1938-88 között jelentős csökkenés az USA-ban (évi 1,5%) • Európában évi 3,12% (1971-91) • Nincs csökkenés a nem-”nyugatosodott” országokban (1970-89) • Finnországban pl. 56,4 %→26,9-re csökkent a normál spermatogenezis aránya (1981-91 között)

36. Hererákos megbetegedések • Az előfordulási gyakoriság az USA-ban megháromszorozódott (25-35 éves fehér férfiakban) 1972-93 között • Hasonló növekedés az összes északi EU tagállamban (de pl. Dániában 5x olyan gyors a növekedés, mint Finnországban) • Angliában és Wales-ben 35%-os növekedés 1979-87 között

37. Például Norvégia…

38. Rákos megbetegedések Rákos esetek és a hormonok közti közvetlen kapcsolatot azonban nehéz bizonyítani a következők miatt: • A hormonok fiziológiás szintje és a már abnormális, zavart okozó szint között kicsi az eltérés • Egyes életperiódusokban (embrió, pubertás) a szervezet érzékenysége sokkal magasabb • Az egyes hatások rendszere, és a hormonok ehhez viszonyított szintje jelentősebb, mint egy bizonyos hormon abszolút koncentrációja • A különböző szövetek érzékenysége nagyságrendekkel eltér egymástól • A hormonhatás és a rák megjelenése között több évtizednyi lappangási idő is lehet.

39. Gyógyszermaradványok és hatásaik • Gyógyszermolekulák leginkább fogyasztásuk után, az emberi és állati szervezetből ürítve (széklet, vizelet) kerülnek a természetbe. • A beszedett gyógyszerek bizonyos hányada változatlan formában ürül az emberi szervezetből, más részük átalakulva, metabolit formájában. • A földrajzi eloszlásra jellemző, hogy a bővebb vízhozamú folyókban (pl. Duna) általában kisebb a gyógyszerek koncentrációja, mint a kis vízhozamú, de sűrűn lakott területeken átfolyóké (pl. Sajó, Séd).

40. Gyógyszermaradványok és hatásaik • Antibiotikumok a természetre és az emberekre legveszélyesebb környezeti szennyezők a gyógyszerek közül, mert az ilyen szennyezések nagyban hozzájárulnak a rezisztens patogén baktériumok kifejlődéséhez. • Különböző antibiotikumokat gyakran találták szennyvizekben egészen 3 0 g/L koncentrációig, de egy szennyvíztisztító lagúnában chlortetracycline-re 12000 g/L értéket is mértek már. Természetes vizekben 0,1-10 g/L, felszínalatti vizekben 0,01-2 ng/L koncentráció tartományban ivóvízben 0,01-0,05 de felismerhetők élelmiszerekben is. • Számos antibiotikum meglehetősen perzisztens, ráadásul konjugátumaik a természetben és a szennyvíztisztítókban visszaalakulhatnak anyavegyületté. A szennyvíztisztítók csak 60-90%-os hatásfokkal eliminálják ezeket.

41. Gyógyszermaradványok és hatásaik • Ezeket az anyagokat általában kemoterápia során kórházakban alkalmazzák, ezért pontszerű szennyezésként kimutathatóak a kórházak lefolyóiban. • Ezek általában nem specifikus alkilező ágensek, erősen rákkeltő, mutagén, és teratogén hatással, ami hangsúlyozottan indokolja szűrésüket szennyvizekből. Ráadásul a szennyvíztisztítók biofloráját is pusztítják, lebomlással szemben rezisztensek.

42. Kozmetikumok, tisztítószerek a természetben • A kozmetikumokat és a tisztítószereket nem vizsgálják olyan szigorúan, mint a gyógyszereket, annak ellenére, hogy az emberekkel bőrön át közvetlen kapcsolatba kerülnek. • A környezetre legveszélyesebbek a közepesen perzisztens és mérsékelten ösztrogén, a daphnia teszten mérgezőnek bizonyult szintetikus pézsma készítmények, amelyek nitro származékát több országban már betiltották. • A krémek gyakran használt antimikrobális hatású tartósító szeréről a parabénről is kimutattak gyenge ösztrogén hatást

43. Tehát mi a teendő? (jelenlegi konklúziók) • Természetes és szintetikus (antropogén) ösztrogének és alkilfenolok bizonyítottan jelen vannak a tisztított szennyvizekben – a SZVT tehát kulcspontja a védelemnek (vízi ökoszisztémák + humán egészségügy) • Ivóvizekben az „általános” detektálási tartomány: ng-pg/l (Németország)

44. További következtetések… • Erős bizonyítékok vannak a vízi ökoszisztémák károsodására az EDS anyagok kijutása következtében • Számos „markerben” megfigyelhető a humán egészségügyi hatás, azonban rendkívül nehezen bizonyítható ok-okozati összefüggés

45. Water Research cikkek témái az elmúlt 12 hónapban

46. Az eleveniszapos eljárás Előülepítő Utóülepítő EI reaktor Recirkulációs iszap Nyers iszap Fölösiszap Iszapkezelés

47. Az IWA keretében zajló kutatások (ACHSW) • Assessment and Control of Hazardous Substances in Water (spec. csoport) • 1991 Otsu (Japán) • 1995 Koppenhága • EDC munkaülés (Melbourne) 2002 • ECOHAZARD 1999 és 2003 (Aachen) • IWA Leading Edge Technologies (NL, 2003)

48. Az EDS anyagok jelenlegi K+F helyzete az EU-ban • 25 projekt (urban water cycle) • 11 Millió euró (2,75 milliárd HUF) • Analitikai módszerek fejlesztése • Szennyvíz és ivóvíz projektek

49. EU POSEIDON projekt (Assessment of Technologies for the Removal of Pharmaceuticals and Personal Care Products in Sewage and Drinking Water Facilities to Improve the Indirect Potable Water Reuse)

50. Mi a jelenlegi helyzet a szennyvíztisztításban? • Nyolcvanas évek: • Klórozott szénhidrogének • Klórozott fenolok • PCB, PAH, poláris vegyületek • 2000-től: • EDS, specifikus hormonok • Gyógyszermaradványok • Természetes toxinok