Стероидные гормоны и их метаболиты в воде централизованных систем питьевого водоснабжения как экополлютанты

Обложка
  • Авторы: Венгерович Н.Г.1,2, Перелыгин В.В.2
  • Учреждения:
    1. Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины Министерства обороны Российской Федерации
    2. Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации
  • Выпуск: Том 3, № 2 (2021)
  • Страницы: 66-71
  • Раздел: Биологические науки
  • URL: https://journals.eco-vector.com/PharmForm/article/view/71495
  • DOI: https://doi.org/10.17816/phf71495
  • ID: 71495


Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе представлены сведения о наличии лекарственных препаратов и их метаболитов в воде централизованных систем питьевого водоснабжения. Обозначены основные группы лекарственных средств, встречающиеся в очищенной питьевой воде крупных городов. К основным группам препаратов, которые фиксируют в централизованной системе питьевого водоснабжения, стоит отнести: антидепрессанты (амитриптиллин), антибактериальные препараты различных групп (амоксициллин, ципрофлоксацин, тетрациклин, азитромицин), наркотические анальгетики (кокаин, морфин, их производные), психостимуляторы и бензодиазепины, гормоны (эстроген и его метаболиты эстрон и эстриол).

Отмечен высокий уровень потенциального риска для здоровья населения в связи с наличием в питьевой воде стероидных гормонов и их активных метаболитов. Дана формулировка понятию эндокринные дисрегулирующие комплексы. Подобные комплексы могут быть различного происхождения, но все они воздействуют на рецепторы к эстрогену и прогестерону, что приводит к нарушению гормональной регуляции, влияет на эндогенный синтез, транспорт, секреторную функцию.

С позиций экотоксикологии предложен дальнейший путь проработки проблемы наличия стероидных гормонов в питьевой воде: разработка теоретических подходов к обоснованию гигиенических нормативов по контролю наличия данных соединений в воде централизованных систем питьевого водоснабжения.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Фармацевтическая отрасль обеспечивает доступ населения к современным лекарственным препаратам и поддерживает стабильное развитие системы здравоохранения, что определяет ее высокую социальную значимость. Несмотря на некоторое замедление роста мирового фармацевтического рынка после 2010 года, сохраняется ежегодный прирост на 2–5%. По прогнозам, к 2025 году объем фармацевтического рынка составит 1,73 трлн долларов. В России на конец 2020 года отмечен рост продаж лекарственных препаратов как в аптечных учреждениях, так и при отгрузках в государственном сегменте фармацевтического рынка.

Растущее потребление лекарственных средств не могло не сказаться на состоянии окружающей среды. При этом основная экологическая нагрузка приходится именно на потребление, а не на производство и управление отходами фармацевтических производств [1].

Как правило, в крупных и средних городах производственные и хозяйственно-бытовые сточные воды сбрасываются в городскую водоотводящую сеть для последующей совместной очистки на очистных сооружениях. Несмотря на то, что на части очистных сооружений применяется не только механические и биологические, но и химико-биологические методы очистки, из-за сложной разветвленной структуры большинства лекарственных препаратов и их метаболитов, наличия в структуре молекул высокоактивных групп, эффективность существующих подходов к очистке в отношении подобных соединений остается крайне низкой.

ОБЗОР ФАКТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

За рубежом внимание на данную проблему обратили достаточно давно и, в качестве угрозы для здоровья человека, выделяют комплексное понятие «фармацевтические препараты и средства личной гигиены (PPCPs)», которое включает разнообразные группы органических химикатов [2].

К основным группам препаратов, которые фиксируют в централизованной системе питьевого водоснабжения, стоит отнести антидепрессанты (амитриптиллин), антибактериальные препараты различных групп (амоксициллин, ципрофлоксацин, тетрациклин, азитромицин), наркотические анальгетики (кокаин, морфин, их производные), психостимуляторы и бензодиазепины, гормоны (эстроген и его метаболиты эстрон и эстриол). Диапазон детектируемых концентраций ряда из них представлен в таблице 1.

 

Табл. 1. Лекарственные средства и их активные метаболиты, обнаруживаемые в питьевой воде / Table 1.

Pharmaceuticals and their active metabolites found in drinking water

Фармакологическая группа

Наименование

Диапазон концентраций

Источник

Нестероидные противовоспалительные средства

Диклофенак

3–256 мкг/л

[3, 4]

Ибупрофен

8–185 мкг/л

[3–6]

Парацетамол

12–180 мкг/л

[3, 5, 7, 8]

Антидепрессанты

Амитритиллин

1,4–3 мкг/л

[9]

Гормоны

Эстрадиол

0,5–259 нг/л

[10]

Эстрон

5–19 нг/л

[5, 6, 11, 12]

Гидроксиэстерон

3–30 нг/л

[13]

Бензодиазепины

Диазепам

10–23,5 мкг/л

[14]

Антибактериальные препараты

Сульфаниламид

183–300 мкг/л

[15]

Эритромицин

500–1900 нг/л

[16]

Ципрофлоксацин

6,5 мкг/л

[16]

Наркотические анальгетики

Кокаин

0,1–60 нг/л

[17, 18]

Метадон

0,1–1 нг/л

[19]

Морфин

12–20 нг/л

[19]

Психостимуляторы

Метамфетамин

1–40 нг/л

[17]

 

Как видно из представленных данных, концентрации обнаруживаемых лекарственных препаратов колеблются от порога обнаружения до достаточно существенных значений в 250-300 мкг/л для нестероидных противовоспалительных средств и антибактериальных препаратов. Стоит отметить, что существенный рост публикаций, посвященных данной проблеме, отмечается после 2007 года [20], что, вероятно, связано с распространением методов индикации в пробах воды следовых значений лекарственных препаратов и их метаболитов.

Основными источниками попадания лекарственных препаратов и их активных метаболитов в питьевую воду служат потребляемые населением фармацевтические препараты, удаляемые через канализацию стоки фармацевтических и медицинских организаций, а также побочная продукция сельского хозяйства, что в итоге образует сточные воды, проходящие через недостаточно эффективные системы очистки [21]. При этом несмотря на то, что каждое вещество или активный метаболит имеют специфический набор физико-химических свойств, существенная часть лекарственных средств обладает высокой селективностью и чрезвычайно высокой биологической активностью.

Ряд авторов сообщает об обнаружении в питьевой воде по всему миру более 30 различных фармацевтических препаратов [22]. Отмечена тенденция роста концентраций с увеличением плотности населения, что особенно актуально для крупных городов [2]. В биообъектах, живущих вблизи крупных городов, были обнаружены высокие концентрации антидепрессантов в тканях головного мозга и печени, что позволило авторам характеризовать данные вещества как циркулирующие в воде централизованных систем питьевого водоснабжения ксенобиотики.

Наибольшую угрозу, на наш взгляд, представляют стероидные гормональные препараты, которые, на фоне возрастающего потребления комбинированных оральных контрацептивов, практически, не подвергаются биотрансформации в организме человека и выводятся в окружающую среду в неизменном виде.

Влияние подобных соединений на биоценозы рек подробно описано в литературе и на сегодняшний день не вызывает сомнений [23]. В исследованиях показано, что концентрация в воде эстрогенов в диапазоне 1–10 нг/л приводит до 100% феминизации и гермафродитизму у рыб мужского пола [24, 25], существенно снижает популяцию [26]. Ряд авторов экстраполировал подобное воздействие и при оценках риска для здоровья человека [27].

Исследования сточных очищенных вод в Пенсильвании показали, что на всех очистных сооружениях определялся эстрон, эстрадиол, эстриол, эстетрол, гидроксиэстерон и другие эстрогены в концентрациях от 0,5 до 259 нг/л [28]. Подобные высокие концентрации подтверждаются в других исследованиях и городах [29, 30]. Показано [31], что эстрон имел самую частую встречаемость (более 90%) и концентрации в пределах 0,6-2,6 нг/л. Более чем в 80% случаев в пробах присутствовал эстрадиол и эстриол с концентрацией 0,8–19 нг/л. Прогестерон определялся не менее чем в 30% случаев в концентрациях более 9,4 нг/л.

Ряд авторов сообщает, что период полураспада эстрадиола и эстрона в воде составляет до 11 дней [32], что, учитывая постоянные высокие концентрации гормонов в отбираемых пробах, указывает на постоянное поступление их в окружающую среду.

С учетом отмеченных обстоятельств, на сегодняшний день формируется понятие эндокринные дисрегулирующие комплексы (endocrine disrupting compounds) [33]. Подобные комплексы могут быть различного происхождения, но все они воздействуют на рецепторы к эстрогену и прогестерону, что приводит к нарушению гормональной регуляции [34], влияет на эндогенный синтез, транспорт, секреторную функцию.

В ряде исследований эндокринные дисрегулирующие комплексы были обнаружены в детском питании, косметике, зубной пасте и бутилированной воде. К подобным комплексам относят не только производные эндогенных или синтетических гормонов, но и другие ксенобиотики, такие как триклозан, бисфенол А, нитрофенол, алкилфенол, хлорофенол и др. [35]. На различных стадиях очистки воды обнаружено разное количество эндокринных дисрегулирующих комплексов, однако в декларируемой очищенной питьевой воде сохраняется достаточное количество не только исходных соединений, но и более активных метаболитов [36].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день концентрации обнаружива- емых в пробах воды лекарственных средств и их активных метаболитов невысоки. И все же, по нашему мнению, детальному анализу необходимо подвергнуть те молекулы, которые обладают высокой биодоступностью и не участвуют в процессах пластического и энергетического обмена, действуют в достаточных дозах и концентрациях (в том числе, учитывая эффекты кумулятивного действия), способны существенно модифицировать течение нормальных физиологических процессов.

Особый интерес, на наш взгляд, приобретает экотоксикологический подход [37]. Использование методологии токсикологии, экотоксикодинамики и экотоксикокинетики позволит ответить на принципиальный вопрос: можно ли определить лекарственные препараты и их активные метаболиты как экотоксиканты. Важным при этом стоит считать определение количественных параметров, при которых экополлютант трансформируется в экотоксикант.

Более детальной проработке необходимо подвергнуть возможные пути миграции экополлютатов в окружающей среде: источники их появления, распределения в абиотических и биотических элементах окружающей среды, особенности абиотической и биотической трансформации. Несомненно, следует учитывать и возросшую нагрузку в условиях пандемии COVID-19. Большинство национальных стандартов содержат рекомендации по применению синтетических антибактериальных средств и стероидных противовоспалительных препаратов.

Законодательное регулирование и разработанные санитарные нормы по представленной проблеме отсутствуют не только в России. В последнее время в Германии и США принят или рассматривается ряд законов, контролирующих наличие наиболее активных лекарственных препаратов и их метаболитов в подверга- емой очистке воде. В странах Евросоюза признают, что наличие лекарственных препаратов и их метаболитов в воде подлежит более тщательному контролю.

Учитывая представленные фактические данные, считаем, что разработку теоретических подходов к обоснованию санитарных нормативов по контролю наличия стероидных гормонов в воде централизованных систем питьевого водоснабжения следует считать важной и высокоактуальной задачей, дальнейшее решение которой позволит контролировать и минимизировать возможные риски для здоровья населения.

 

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

Об авторах

Николай Григорьевич Венгерович

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины Министерства обороны Российской Федерации; Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: nikolai.vengerovich@pharminnotech.com
ORCID iD: 0000-0003-3219-341X
SPIN-код: 6690-9649
Scopus Author ID: 55639823300
ResearcherId: U-3467-2019

д-р мед. наук, заместитель начальника научного отдела Государственного научно-исследовательского испытательного института военной медицины Министерства обороны Российской Федерации, профессор кафедры промышленной экологии Санкт-Петербургского государственного химико-фармацевтического университета Министерства здравоохранения Российской Федерации

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Владимир Вениаминович Перелыгин

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladimir.pereligin@pharminnotech.com
ORCID iD: 0000-0002-0999-5644
SPIN-код: 3128-7451
Scopus Author ID: 13105602000
ResearcherId: AAV-6556-2020

д-р мед. наук, профессор, заведующий кафедрой промышленной экологии

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Прожерина, Ю. Фармацевтические отходы как новая экологическая проблема / Ю. Прожерина // Ремедиум. № 11. – 2017. – С. 14–19.
  2. Chopra, S. Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPSs) as Emerging Environmental Pollutants: Toxicity and Risk Assessment / S. Chopra, D. Kumar // Advances in Animal Biotechnology and its Applications. – 2018. – P. 337–353.
  3. Wiegel, S. Pharmaceuticals in the river Elbe and its tributaries / S. Wiegel, A. Aulinger, R. Brockmeyer [et al] // Chemosphere. – Vol. 57. – 2004. – P. 107–126.
  4. Teijуn G. Occurrence of emerging contaminants, priority substances (2008/105/CE) and heavy metals in treated wastewater and groundwater at Depurbaix facility (Barcelona, Spain) / G. Teijyn, L. Candela, K. Tamoh [et al] // Sci. Total Environ. – N. 408. – 2010. P. – 3584–3595.
  5. Kim, S.D. Occurrence and removal of pharmaceuticals and endocrine disruptors in South Korean surface, drinking, and waste water / S.D. Kim, J. Cho, I.S. Kim [et al] // Water Res. – 2007. – Vol. 41. – P. 1013–1021.
  6. Ferguson, E.M. Fluctuation in natural and synthetic estrogen concentrations in a tidal estuary in south-eastern Australia // E.M. Ferguson, M. Allinson, G. Allinson [et al.] // Water Res. – 2013. – Vol. 47. – P. 1604–1615.
  7. Fram, M.S. Occurrence and concentrations of pharmaceutical compounds in ground-water used for public drinking-water supply in California / M.S. Fram, K. Belitz // Sci. Total Environ. – 2011. – N. 409. – P. 3409–3417.
  8. Lуpez-Serna, R. Occurrence and distribution of multi-class pharmaceuticals and their active metabolites and transformation products in the Ebro River basin (NE Spain) / R. Lуpez-Serna, M. Petrović, D. Barcelу // Sci. Total Environ. – 2012. – N. 440. – P. 280–289.
  9. Togola, A. Multi-residue analysis of pharmaceutical compounds in aqueous samples / A. Togola, H. Budzinski // J. Chromatogr. – 2008. – P. 150–158.
  10. Atkinson, S. Estrogens from sewage in costal marine environments / S. Atkinson, A. Tarrant // Environmental Health Perspectives. – Vol. 111. – 2003. – P. 531–535.
  11. Brix, R. Analysis and occurrence of alkylphenolic compounds and estrogens in European river basin and an evolution of their importance as priority pollutants / R. Brix, C. Postigo, S. Gonzales [et al.] // Anal. Bioanal. Chem. – 2009. – N. 396. – P. 1301–1309.
  12. Arikan, O.A. Occurrence of antibiotic and hormones in a major agricultural watershed / O.A. Arikan, C. Rice, E. Codling // Desalination. – 2008. – N. 226. – P. 121–133.
  13. Hughes, S.R. Global synthesis and critical evaluation of pharmaceutical data sets collected from river systems / S.R. Hughes, P. Kay, L.E. Brown // Environ. Sci. Technol. – Vol. 47. – 2013. – P. 661–667.
  14. Zuccato, E. Presence of therapeutic drugs in the environment / E. Zuccato, D. Calamari, M. Natangelo [et al.]. – Lancet. – 2000. – N. 355. – P. 1789–1790.
  15. Kolpin, D. Urban contribution of pharmaceuticals and other organic wastewater contaminants to streams during differing flow conditions / D. Kolpin, M. Skopec, M. Meyer [et al.] // Sci. Total. Environ. – 2004. – N. 328.– P. 119–130.
  16. Vieno, N.M. Occurrence of pharmaceuticals in river water and their elimination in a pilot-scale drinking water treatment plant / N.M. Vieno, H. Harkki, T. Tuhkanen // Environ. Sci. Technol. – 2007. – Vol. 41. – P. 5077–5084.
  17. Huerta-Fontela, M. Occurrence of psychoactive stimulatory drugs in wastewaters in north-eastern Spain / M. Huerta-Fontela, M.T. Galceran, J. Martin-Alonso [et al.] // Science of the total environment. – 2017. – N. 397. – P. 31–40.
  18. Valcárcel, Y. Drugs of abuse in surface and tap waters of the Tagus River basin: Heterogeneous photo-Fenton process is effective in their degradation / Y. Valcárcel, F. Martínez, S. González-Alonso // Environment International. – 2012. – Vol. l41. – P. 35–43.
  19. Rosa Boleda, M. Evaluation of the presence of drugs of abuse in tap waters // M. Rosa Boleda, M. Huerta-Fontela, M. Yentura // Chemosphere. – 2011. – Vol. 84. – P. 1601–1607.
  20. Mompelat, S. Occurrence and fate of pharmaceutical products and by-products, from resource to drinking water / S. Mompelat, B. Le Bot, O. Thomas // Environmental International. –– 2009. – Vol. 35. – P. 803–814.
  21. Баренбойм, Г.М. Загрязнение поверхностных и сточных вод лекарственными препаратами / Г.М. Баренбойм, М.А. Чиганова // Вода: химия и экология. – 2012. – № 10. – С. 40–46.
  22. Kleywegt, S. Pharmaceuticals, hormones and bisphenol-A in untreated source and finished drinking water in Ontario, Canada – occurrence and treatment efficiency / S. Kleywegt, V. Pileggi, P. Yang [et al.] // Sci. Total. Environ. – 2011. – N 409. – P. 1481–1488.
  23. Robinson, I. Trends in the detection of pharmaceutical products, and their impact and mitigation in water and wastewater in North America / I. Robinson, G. Junqua, R. Van Coillie [et al.] // Anal. Bioanal. Chem. – 2007. – N. 387. – P. 1143–1151.
  24. Kolodziej, E.P. Dairy wastewater, aquaculture, and spawning fish as sources of steroid hormones in the aquatic environment / E.P. Kolodziej, T. Harter, D.L. Sedlak // Environmental Science & Technology. – 2004. – Vol. 38. – N. 23. – P. 6377–6384.
  25. Rodgers-Gray, T.P. Long-term temporal changes in the estrogenic composition of treated sewage effluent and its biological effects on fish / T.P. Rodgers-Gray, S. Jobling, S. Morris [et al.] // Environmental Science & Technology. – 2000. – Vol. 34. – P. 1521–1528.
  26. Sanderson, H. Assessment of the environmental fate and effects of ivermectin in aquatic mesocosms / H. Sanderson, B. Laird, L. Pope [et al.] // Aquat. Toxicol. – 2007. – Vol. 85. – P.229–240.
  27. Xaio-Yao, X. Analysis of estrogens in river water and effluents using solid-phase-extraction and gas chromatography–negative chemical ionization mass spectrometry of the pentafluorobenzoyl derivatives / X. Xaio-Yao, D.V. McCalley, J. McEvoy // Journal of Chromatography. – 2001. – N. 923. – P. 195–204.
  28. Chimchirian, R. Free synthetic and natural estrogen hormones in influent and effluent of three municipal wastewater treatment plants / R. Chimchirian, R. Suri, H. Fu // Water Environment Research. – 2007. – Vol. 79.– N. 9. – P. 969–974.
  29. Atkinson, S. Estrogens from sewage in costal marine environments / S. Atkinson, A. Tarrant // Environmental Health Perspectives. – 2003. – N. 111. – P. 531–535.
  30. Britt, E.E. Analyzing the ignored environmental contaminants / E.E. Britt // Environmental Science and Technology. – 2002. – Vol. 36. – N. 7. – P. 140–145.
  31. Velicu, M. Presence of steroid hormones and antibiotics in surface water of agricultural, suburban and mixed-use areas / M. Magdalena, R. Suri // Environ. Monit. Assess. – 2009. – N. 154. – P. 349–359.
  32. Jurgens, M.D. The potential for estradiol and ethinylestradiol degradation in English rivers / M.D. Jurgens, J.L. Smith, M. Hetheridge [et al.] // Environmental Toxicology and Chemistry. – 2002. – Vol. 21. – P. 480–488.
  33. Tijani, J. Pharmaceuticals, endocrine disruptors, personal care products, nanomaterials and perfluorinated pollutants: a review / J. Tijani, O. Fatoba, O. Babajide [et al.] // Environ. Chem. Lett. – 2016. – Vol. 14. – P. 27–49.
  34. Jackson, J. Sources of endocrine disrupting chemicals in urban wastewater / J, Jackson, R. Sutton // Sci. Total. Environ. – 2008. – N. 405. – P. 153–160.
  35. Fatoki O.S. Studies on the occurrence and quantification of phenolic endocrine disruptors in water / O.S. Fatoki, B.O. Opeolu // Sci. Res. Essay. – 2009. – Vol. 4. – N. 12. – P. 1415–1422.
  36. Ferraz, N. Specific immunoassays for endocrine disruptor monitoring using recombinant antigens cloned by degenerated prime PCR / N. Ferraz, G. CarneviNande, M. Rossotti [et al.] // Anal. Bioanal. Chem. – 2008 – N. 389. – P. 2195–2202.
  37. Куценко, С.А. Основы токсикологии: научно-методическое издание / С.А. Куценко. – СПб.: ООО «Издательство Фолиант», 2004. – 720 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Венгерович Н.Г., Перелыгин В.В., 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 76969 от 11.10.2019. 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах