A természetes ösztrogén vegyületek városi szennyvízrendszerekben

Átírás

1 VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK 3.5 A természetes ösztrogén vegyületek városi szennyvízrendszerekben Tárgyszavak: ösztrogének; szennyvíztisztítás; analitikai módszerek. A szennyvízkezelő berendezések (STP, sewage treatment plant) folyókba kerülő elfolyásai tartalmazhatnak ösztrogén vegyületeket, amelyek hím halakban bioszintézist indukálnak, de a madarak, a hüllők és az emlősök belső elválasztású szaporító szervei is megsérülhetnek. A belső elválasztású rendszert károsító vegyületek közül a természetes és mesterséges ösztrogének már a ng/l, más vegyületek a µg/l koncentrációtartományban aktívak. Toxicitásvizsgálattal azonosították az STP elfolyásainak ösztrogén aktivitását legjobban befolyásoló szteroid ösztrogén vegyületeket. Németországi STP elfolyásaiban a xenobiotikus ösztrogének 0,7 4%-át alkotják a teljes ösztrogén mennyiségnek. Az emberi szervezetből történő kiválasztódást követően a szennyvízcsatorna-hálózatba kerülő ösztrogének biológiailag kevésbé aktív konjugált (glukuronid és szulfát) formában vannak jelen. A szabad ösztrogének jelenléte az STP elfolyásaiban és a folyókban azt jelzi, hogy az ösztrogén metabolitok feltehetően a szennyvízkezelés során visszaalakulnak aktív formává. A széklettel nagy mennyiségben ürülő Escherichia coli képes a β-glukuronidáz enzim szintetizálására, amely felelős a fenti átalakulás végbemeneteléért. A nyugati országokban nagy mennyiségű háztartási szennyvizet kezelnek eleveniszapos STP-ben, ezért vizsgálni kell, hogy ezek a rendszerek kémiai reaktorként hatnak-e a szabad ösztrogének keletkezésében vagy szerepük van az eltávolításukban. A szabad és konjugált ösztrogének mennyiségének a szennyvízben való elemzése során 1993-ban radioimmunológiai vizsgálattal max. 141 ng/l szabad ösztradiolt () mértek a nyers szennyvízben. Gázkromatográffal összekapcsolt tömegspektrométerrel (GC/MS) határoztak meg

2 vizes környezetben szabad ösztrogéneket. Ez az eljárás érzékenyebb és szelektívebb, de munka- és időigényes, és a konjugált ösztrogének esetében enzimatikus hidrolízis végrehajtására is szükség van ben kidolgoztak egy szilárd fázisú extrakción (SPE) alapuló analitikai eljárást három természetes ösztrogén (ösztriol /E3/, ösztradiol // és ösztron //), valamint az etinil-ösztradiol /E/ szintetikus ösztrogén koncentrációjának a meghatározására Róma városának hat nagy, eleveniszapot felhasználó STP-jének betáplálásában és elvezetésében. Az STP-be belépő szabad ösztrogének mennyisége közel azonos volt azzal az értékkel, amely egy ideális népesség körében választódik ki a teljes bomlást követően ben egy japán szennyvízkezelő berendezésben az koncentráció nőtt, ami arra utalt, hogy az ösztrogén bomlása végbemegy a szennyvízkezelés során ben a szennyvíz eleveniszapos kezelése során az E3 95%-át, az 87%-át, az E 85%-át, az 61%-át távolították el. A harminc esetből négynél az koncentrációja az elvezetésben nagyobb volt, mint a betáplálásban. Még 1987-ben megfigyelték, hogy az a terhességük utolsó szakaszában levő nők vizeletében elsősorban ösztronszulfát formájában (-3S) választódott ki. Ennek alapján 2001-ben feltételezték, hogy a szabad rendellenes viselkedésének oka a szállítás során eredeti formájában maradó -3S bomlása volt. Az STP elvezetésében található egy része az szennyvízkezelés közbeni oxidációjából származhat. Feltételezték, hogy ha az eleveniszap nem tartalmaz elegendő aril-szulfatáz enzimet, az -3S egy része áthalad a kezelő rendszeren, és belép az elfolyást fogadó vízrendszerbe. A kísérletek A vizsgálatok során E3, és ösztrogéneket és azok glukuronid (G), valamint szulfát (S) származékaikat használták fel. 73 nőtől (akik közül 50 nő éves volt, rendszeres menstruációs ciklussal, 22 nő éves volt, a menopauza időszakában, 1 nő pedig 6 hónapos terhes volt) 24 órán át gyűjtött vizeletet vettek, amelyet a vizsgálatok végrehajtásáig 4 o C-on tároltak. A vizsgálatba bevont nők kiválasztása a vizsgált, 250 fős lakóközösség női népesség eloszlásának megfelelő volt. A lakóközösségből elvezetésre kerülő szennyvízből 6 és 22 óra között gyűjtött mintákat vettek, négy napon át, a szennyvizet gyűjtő tartálynál.

3 A Rómában található hat, eleveniszapos STP betáplálásából és elvezetéséből 24 órás gyűjtött mintát vettek havonta, három hónapon át, szeptember december között. A szennyvízkezelő berendezésekben elsősorban háztartási szennyvizet kezeltek, és egyik berendezésben sem alkalmaztak szűrést a kezelt szennyvíz elvezetése előtt. Az üvegpalackokban vett vízmintákat 1%-os formaldehiddel kezelték, és az extrakció végrehajtásáig sötétben tárolták. A konjugált ösztrogének három szabad formájukká történő átalakulásának a sebességét laboratóriumban vizsgálták. A vízmintákat nyolc részre osztották és mindegyik adagba 25 µg/l-t tettek a nyolc konjugált ösztrogén valamelyikéből, majd az oldatokat sötétben, 20±2 o C-on folyamatosan keverve tárolták. Időközönként az oldatokból 25 ml-t kivettek és elemezték. Mintát készítettek 5 ml (10 ml desztillált vízzel hígított) vizeletből, 50 ml, a rothasztó tartálynál vett szennyvízből, 100 ml kezeletlen szennyvízből és 250 ml kezelt szennyvízből. A korábban kidolgozott extrakciós/ tisztítási eljárást módosították: a szabad ösztrogének elúciója után az SPE patront megfordították, és a konjugált ösztrogéneket 20 ml, 10 mm Na-acetátot tartalmazó metilén-klorid/metanol (60:40 %(V/V)) oldattal újra eluáltatták. Az oldószer eltávolítása után a maradékot 200 µl, belső standardokat (17α-ösztradiol a nem konjugált és C8-LAS a konjugált ösztrogének esetén) tartalmazó víz/metanol (50:50 %(V/V)) elegyével összekeverték, majd az extraktumokat folyadékkromatográffal elemezték. A detektálást turbo ionforrással ( 4,5 V) felszerelt tömegspektrométerrel végezték. A mintákat 300 o C-on tartották, porlasztó, szárító és ütköztető gázként nitrogént alkalmaztak. A szabad ösztrogéneket frakcionálták. A konjugált ösztrogének elválasztását gradiens elúcióval hajtották végre, A fázisként acetonitrilt, B fázisként vizet alkalmazva. A minták mennyiségi vizsgálatát SMR (selected reaction monitoring) hajtották végre. A szabad ösztrogének esetén az adatokat két retenciós ablakban helyezték el, míg a konjugált ösztrogének esetében 5 retenciós ablakot alkalmaztak. Az mintákat külső standardok alkalmazásával elemezték. A standard oldatokat 8 koncentrációban készítették el, az értékelés során a mintáknak a felvett csúcsok alatti területét a belső standardok által felvett területhez viszonyították.

4 1. táblázat Az ösztrogének visszanyerésének hatásfoka 5, 50, 100 és 250 ml vizelet, háztartási szennyvíz, a szennyvízkezelő berendezés betáplálásában és elfolyásában vett mintákból A kapott eredmények értékelése Ösztrogén vegyület E3-3G Visszanyerés (%), zárójelben a relatív standard deviáció értéke 81 (5) A vízminták esetében az ösztrogének visszanyerését a korábban vizsgált vízmintákhoz történő, ismert és megfelelő térfogatú standard oldatok adagolásával hajtották végre. Mintánként 5 vizsgálatot végeztek, a kapott eredmények az 1. táblázatban szerepelnek. A nők vizeletében korábban E3-16G 77 (6) végrehajtott konjugált E3-3S 96 (3) ösztrogén koncentráció mérés -3G 83 (5) eredményeit a 2. táblázat mutatja. Az eredmények szerint a -17G 76 (6) -3S 94 (4) kiválasztott, a római lakóterületre vonatkozóan reprezentatív -3G 84 (7) csoport esetében 106, 14 és 32-3S 98 (4) µg konjugált E3, és választódott ki naponta a nők vi- E3 87 (5) 88 (4) zeletében. Szabad ösztrogént 91 (5) csak a terhes nő vizeletében mutattak ki (21 µg/nap, E3). A várakozásoknak megfelelően az ösztron-szulfátok mennyisége kevesebb volt a nők vizeletében, mint az ösztrogén glukuronidoké. Az ösztron-szulfátok 23, 20 és 22%-át alkották a menstruáló, a változó korban levő és a terhes nők vizeletében kiváló ösztrogén származékoknak. A konjugált ösztrogéneket ekvivalens szabad ösztrogén mennyiségben kifejezve a menstruáló nők naponta 14 µg E3-t, 7,5 µg -t és 14 µg -et választanak ki a vizelettel. Ezek az értékek nagyobbak korábbi vizsgálatokban nyert értékeknél, és megerősítik, hogy az mennyisége a vizeletben 50%-a az E3 és az mennyiségének. Az -3S mennyisége a nem terhes nők vizeletében a 25%-át adta az összes vegyületnek, ugyanakkor 48%-ra nőtt a terhes nő vizeletében ben végzett vizsgálat során az -3S mennyisége jelentősen nagyobb volt a terhes nők vizeletében, mint az -3G. A jelen vizsgálat során a terhes nő vizeletében kimutatott ösztron-szulfátok mennyisége jó

5 egyezést mutatott az 1980-ban végzett hasonló vizsgálatok eredményével (E3-3S = 890 µg/nap, -3S = 66 µg/nap, -3S = 641 µg/nap.) 2. táblázat Az ösztrogének mennyiségének alakulása a nők vizeletében. A korábbi vizsgálati eredmények összefoglalása Vizsgálat éve Ösztrogén vegyület 1982 E3-3G E3-16G -3G 1986 E E E3-3G E3-16G 1996 E3 Átlagérték 41 µg/l 19 µg/l 36 µg/l 4,6 µg/nap 2,6 µg/nap 7,1 µg/nap 4,8 µg/nap 3,5 µg/nap 8 µg/nap 9,2 µg/l 8,1 µg/l 4,8 µg/nap 3,5 µg/nap 7 µg/nap A sárgatest jelenlétének fázisa (µg/l) A tüszőérés fázisa Megjegyzés 1,1 l napi vizeletmennyiség esetén naponta 41 és 24 µg E3 és választódott ki a tüszőérés fázisában, amely 73 és 47 µg/napra nőtt a sárgatest jelenlétének a fázisában 23 nem terhes fiatal nő vizeletének vizsgálata 12 menstruáló nő vizeletének vizsgálata 9 menstruáló nő reggeli első vizeletének vizsgálata 150 nő vizeletének vizsgálata Meghatározták a szabad és a konjugált ösztrogének koncentrációját a 250 fős lakóközösséget elhagyó szennyvíz tartályában, amelynek vizében - a vizelettel ellentétben - jelentős mennyiségű szabad ösztrogén volt jelen ben beszámoltak arról, hogy az össz-ösztrogén 5 10%-a a széklettel eltávozik, a székletben található ösztrogének 85 90%-a szabad formában van jelen. A székletben található szabad ösztrogének tehát csak kis részét adják a tartályban található szabad ösztrogén menynyiségnek, az ösztrogének bomlása a szennyvízcsatorna-hálózatban gyorsabban végbement, amint az várható volt. Ez a tartályban található, a konjugált vegyületek biológiai átalakításához alkalmazott Escherichia coli és más baktériumok nagy koncentrációjával magyarázható. Az ösztron-szulfátok 22%-át adták a nők vizeletében kiválasztott összkonjugált ösztrogén mennyiségnek. Ez az érték 55%-ra nőtt a tartályban,

6 ahol ezáltal az ösztron-szulfátok koncentrációja nagyobb volt, mint az ösztrogén glukuronidoké. A glukuronid vegyületek tehát hajlamosabbak a baktériumok által történő lebontásra, mint a szulfátok ban kimutatták, hogy az Escherichia coli nagy mennyiségű β-glukuronidáz enzimet képes szintetizálni, ugyanakkor gyenge aril-szulfatáz aktivitással rendelkezik. Az ösztrogének háztartási szennyvízben történő bomlási sebességének a meghatározására laboratóriumi biológiai lebontási vizsgálatokat végeztek. Az ösztrogének 8 konjugált formáját egyenként 25 µg/l menynyiségben hozzáadták a gyűjtőtartályból vett eredeti vízmintákhoz. A koncentrációk időbeli változásából megállapítható, hogy akklimatizációs időre a baktériumoknak az A-gyűrűs ösztrogén-glukuronidok lebontásához nem volt szükségük, és a kiindulási koncentráció 10%-os csökkentése volt megfigyelhető 2,5 óra elteltével. A két D-gyűrűs ösztrogénglukuronid kezdetben ellenállt a biológiai lebontásnak, de közel egy nap múlva ösztrogén-glukuronidokat nem mutattak ki a mintákban. Az ösztron-szulfátok ezzel szemben a glukuronátoknál jobban ellenálltak a biológiai lebomlásnak, feltehetően a háztartási szennyvíz kis arilszulfatáz aktivitása miatt. 10 órás késleltetési fázis után a baktériumok hidrolizálták az -3S-t és az -3S-t, amelyek koncentrációja 2,5 nap után 50%-ra csökkent. E két vegyület esetében a hidrolízis 6 nap után befejeződött. A szulfátok közül az E3-3S volt a legellenállóbb a baktériumokkal szemben: a késleltetési fázis 70 óra, a felezési idő 5 nap volt, és a vegyület 8 nap után eltűnt a rendszerből. Végezetül meghatározták a hat, Rómában üzemelő eleveniszapos STP-be belépő és a távozó áramok szabad és a konjugált ösztrogén tartalmát. Ugyanezekben a berendezésekben két évvel ezelőtt az átlagos koncentrációk a betáplálásban és az elvezetésben 80/3, 12/1,4 és 52/19 ng/l E3, és, a hat STP átlagos teljesítménye 95, 87 és 61% volt az E3, és az esetén. Ezek az értékek közel azonosak voltak az ismételt eredményekkel (3. táblázat). A szabad ösztrogén/konjugált ösztrogén koncentrációarány a rothasztó tartályban 0,91 volt és az STP kimeneténél 2 értékűre nőtt. Ez arra utal, hogy a szennyvízcsatorna-rendszerben folyamatosan végbemegy az ösztrogén bomlása. Rómában a szennyvíz a szennyvízcsatornán 3 5 óra alatt halad át. Az STP betáplálásánál az ösztron-szulfátok mennyisége 60%-a volt a konjugált ösztrogén vegyületeknek. Összehasonlítva ezt a nők vizeletében (22%) és a gyűjtőtartályban (55%) mért értékkel, megállapítható, hogy a baktériumok hatása a konjugált ösztrogénekre a szennyvíz szállítása során kevésbé szelektív a glukuronát-

7 ösztrogének lebontásában, mint a tartályban. Ez a konjugált ösztrogének elsőrendű bomlási kinetikájával magyarázható. 3. táblázat Az eleveniszapos szennyvízkezelő berendezés betáplálásában és elvezetésében található szabad és konjugált ösztrogének koncentrációi Ösztrogén vegyület Átlag koncentráció (ng/l) Eltávolítás (%) E3-3G E3-16G E3-3S -3G -17G -3S -3G -3S E3 betáplálás 19 (16) 14 (12) 5,2 (4) 3,3 (4) 4,3 (3) 25 (29) 72 (27) 11 (8) 44 (17) elvezetés 2,2 (3) 0,8 (1) 9 (13) 2,3 (3) 1,6 (1,9) 17 (7( A szennyvízcsatorna-rendszerben le nem bomló glukuronidok az -3G kivételével teljesen eltávolításra kerültek a szennyvízkezelés során. A laboratóriumi vizsgálati eredményekkel ellentétben a szennyvízkezelés sokkal hatékonyabban távolította el az E3-3S-t, mint az -3S-t, a helyszíni vizsgálati adatok szerint nagy mennyiségű -3S haladt át a kezelő rendszeren és került be a vizes környezetbe. Az viszonylag kis eltávolítási hatásfoka azzal magyarázható, hogy ez az ösztrogén vegyület a szennyvízkezelő rendszerben is keletkezik, az oxidációja, illetve az -3G és az -3S részleges lebomlása során ben és 1998-ban végzett in vitro és in vivo vizsgálatok során megállapították, hogy az ösztrogén hatása fele az hatásának. Az tízszer nagyobb mennyiségben került be az elfolyást befogadó vizekbe, mint az. Ez az arány tovább nőhet, ha az -3S lebomlik a folyók ökológiai rendszerében. A vizes rendszerekben előforduló természetes

8 ösztrogének közül tehát az a legfontosabb, a belső elválasztású rendszert megtámadó ösztrogén. Összeállította: Regősné Knoska Judit Ascenzo, G. D., Corcia, A. D.: Fate of natural estrogen conjugates in municipal sewage transport and treatment facilities = The Science of the Total Environment, 302. k sz január 20. p Baronti, C.; Curini, R. stb.: Monitoring natural and synthetic estrogens at activated sludge sewage treatment plants and receiving river water. = Environmental Science and Technology, 24. k p Johnson, A. C.; Sumpter, J. P.: Removal of endorcrine-disrupting chemicals in activated sludge treatment works. = Environmental Science and Technology, 35. k p