VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK 3.3 Mindenütt jelen lévő szennyező gyógyszerek és higiéniai termékek: a klofibrinsav, koffein és DEET megjelenése és eloszlása az Északi-tengerben Tárgyszavak: gyógyszerek; koffein; tengeri szennyezők; szilárd fázisú extrakció. Analitikai módszert dolgoztak ki a tengervízben jelen lévő semleges és savanyú szennyező vegyületek szimultán kivonására közönséges ph-értéknél. A módszer polisztirol/divinil-benzol szorbens (SDB) segítségével történő extrakción és gázkromatográfiás tömegspektrometriás detektáláson alapszik, és lehetővé teszi kis mennyiségek kimutatását is. Az eljárást az északi-tengeri vízminták klofibrinsav, diclofenac, ibuprofen, ketoprofen, propifenazon (humán és állatgyógyszerből), koffein (italokból) és N,N-dietil-3-toluamid (rovarriasztó) (=DEET) tartalmának feltérképezésére használták fel. Anyagok és módszerek Mintavétel Üveggömbökkel vettek vízmintát 1998. június 24 és július 7 között. Minden esetben 5 méteres mélységből vették a mintát (20 l, ill. 10 l). A szűrést, extrakciót egy speciálisan kialakított szűrő/extraháló egységben végezték. A művelet egy 45 mm belső átmérőjű üvegpatronba töltött polimer szorbensen (SDB-1,2 g) végzett extrakcióból áll. Az alkalmazott áramlási sebesség 500 ml/min volt. Az elúciót 90 ml etil-acetáttal, majd 50 ml n-hexán/etil-acetáttal (4:1 V/V) végezték a semleges frakció esetében, és később 50 ml metanollal az ionos (savas) frakciónál. Az eluátumokat rotációs bepárlóban töményítették, majd a semleges frakciót izooktánban kb. 100 µl térfogatra felvették és további tisztítás nélkül elemezték. A savas komponenst tartalmazó metanolos frakciót 1 ml-re töményítették, áttették egy ampullába és
gyenge nitrogénáramban szárazra párolták. Végül a száraz extraktumot 100 µl acetonitril/metanol/víz/piridin (5:2:2:1, V/V) keverékében felvették és 7 µl klórhangyasavas metilészter hozzáadásával szobahőmérsékleten származékot készítettek belőle. Ennek során a klofibrinsavat, diclofenacot, ibuprofent és ketoprofent metil-észterré alakították. Ezután 500 µl n-hexánt adtak a reakciókeverékhez és a vízzel keveredő oldószerek eltávolítására újból 100 µl-re töményítették. További 500 µl n-hexán hozzáadásával az oldatot kétszer 50 µl tisztított vízzel mosták, amely minden színanyagot eltávolított a szerves fázisból. Na 2 SO 4 fölött történő szárítás és 100 µl belső (térfogatos) standard (ε- HCH, 250 ng/ml n-hexánban oldva) hozzáadása után nitrogén alatt kb. 100 µlre csökkentették a térfogatot. Kísérletek a visszanyerhetőségre Az egyes vizsgált anyagok visszanyerhetőségét az 5 ng/l-re adagolt koncentrációban a szimulált tengervíz 20 l-ének extrahálásával határozták meg. (A szimulált tengervíz elkészítésekor 10 l ionmentesített vízben feloldottak 280 g NaCl-t és 77 g MgSO 4 -t. Ez 35 sótartalomnak felel meg.). A ph-t NaHCO 3 -tal 8,3-ra állították be. A módszer linearitásának vizsgálatát a tengervizes rendszerekben várható koncentrációtartományban (0,05, 0,5, 5 és 50 ng/l) végezték. A mennyiségi meghatározás korlátját (limit of quantification = LOQ, jel:zaj arány = 9) a vakmintából határozták meg. A vakminták jelentős szervesanyag-tartalmat mutattak, amelyek valószínűleg a szimulált tengervíz elkészítéséhez használt sóban és ionmentesített vízben maradt szennyezésektől származtak. Az ezzel az eljárással nyert LOQ értékek közelebb voltak a tengeri minták körülményeihez, mint a tiszta törzsoldatokéhoz. Gázkromatográfia és tömegspektrometria Varian 3400 GC gázkromatográffal végezték az elválasztást, amely szakaszos és folytonos és DB5-MS oszloppal volt ellátva (hossz = 30 m, I.D. = 0,25 mm, filmvastagság = 0,25 µm). Hélium volt a vivőgáz, az átvezető részt 523 K-en tartották. A GC-hez A 200 SE mintavevőt használtak, az injekciós térfogat 2 µl volt. Rendszerint 60 C 2 perc 10 K/perc 260 C 20 perc hőmérsékleti programot használtak a visszanyerhetőségi vizsgálatokhoz, és 60 C 2 perc 7 K/perc 260 C 20 percet a környezeti mintákhoz. A gázkromatográfot összekapcsolták egy Magnum ITD ioncsapdás tömegspektrométerrel, amely az alábbi körülmények között működött: elektronbecsapódás (EI) 70 ev-nál, elosztócső hőmérséklete 200 C; emissziós áram = 10 µa és észlelési tartomány 100 420 amu.
Eredmények Módszertani paraméterek A visszanyerhetőséget a minták ismételt (n = 4) extrakciójával határoztak meg. Ez 70% volt a semleges és 40% a savas komponenseknél. A teljes vizsgálati tartományban (0,05 50 ng/l) lineáris regresszióval nyert korrelációs együtthatóval (r 2 ) 0,9996-nak vagy ez érték fölöttinek találták a módszer linearitását. A DEET-nél az 1. ábra mutatja a linearitást. A legtöbb savas analitikum esetében az alacsony tartományban (2-33 pg/l), a semleges analitikumoknál 100 pg/l körüli érték volt a LOQ. (Kivételt képez a DEET, ahol 26 pg/l értéket mértek). A visszanyerhetőség és LOQ értékek az 1. táblázatban láthatók. visszanyert mennyiség, ng 1000 100 10 1 0,1 1 10 100 1000 beállított mennyiség, ng 1. ábra Az eljárás linearitása DEET esetén 0,05 50 ng/l koncentráció tartományban vizsgálva 1. táblázat 20 l szimulált tengervíz extrakciójára meghatározott visszanyerhetőség (n = 4, beállított szint 5 ng/l), szórás (S.D.) és kimutathatósági határ (LOQ, s/n=9 ) Anyag Visszanyerhetőség % ± S.D LOQ, pg/l Koffein 72±12 107 DEET 68±12 26 Propifenazon 71±12 105 Klofibrinsav 40±12 8 Diclofenac 39±10 6 Ibuprofen 42±12 2 Ketoprofen 58±18 33
Megjelenés és eloszlás az Északi- tengerben A 2. táblázat az egyes földrajzi helyszíneket, a sótartalmat, valamint a klofibrinsav-, koffein- és DEET-koncentrációt adja meg. 2. táblázat Mintavétel helye, sótartalom, klofibrinsav, koffein, és a DEET töménysége (ng/l a visszanyerhetőségre korrigált érték) Minta* Sótartalom, Minta térfogat, l Klofibrinsav Koffein DEET A n.a. 10 n.d. 5,4 n.d. B n.a. 20 0,03 6,6 0,11 C 31,25 20 1,35 8,0 0,89 D 32,64 20 0,66 16,1 1,06 E 32,58 20 0,56 9,0 1,09 F 32,25 20 0,84 4,9 0,35 G 34,39 20 0,04 15,0 0,07 H 43,51 20 0,01 13,1 0,03 J 34,59 20 n.d. 2,0 0,10 K 33,00 20 0,60 9,7 0,6 L 34,82 20 n.d. 3,0 n.d. M 30,08 20 0,28 5,8 0,25 N 32,88 20 0,64 6,1 0,29 O 30,62 10 0,22 6,3 0,13 S n.a. 10 18,6 n.a. n.a. n.d. = nem detektálták, és n.a. = nem analizálták * helye az ábrákon látható Gyógyszerek Az Északi-tengerből vett összes minta tartalmazott klofibrinsavat (0,28 1,35 ng/l koncentrációt mértek a holland, német, dán és norvég partoktól távol és a német belső öbölben). Viszont az Elba torkolatában 18 ng/l volt a töménysége. Kisebb koncentrációt (0,01 0,04 ng/l) találtak a német külső öbölben és az angol partoktól távol. A diclofenac és az ibuprofen koncentrációja az Elba torkolatában 6,2 és 0,6 ng/l volt, de egy tengeri minta sem tartalmazta. A ketoprofen sem az öbölből vett, sem a tengeri mintákban nem volt kimutatható. A propifenazont nem lehetett egyértelműen kimutatni a tengervízből (2. ábra).
Norvégia Dánia ng/l Egyesült Királyság Hollandia Németország 2. ábra A klofibrinsav eloszlása az Északi-tengerben (a koncentráció a visszanyerhetőségi arányra korrigálva, n.d. = nincs detektálva) Norvégia Dánia Egyesült Királyság ng/l Hollandia Németország 3. ábra A koffein eloszlása az Északi-tengerben (a koncentráció a visszanyerhetőségi arányra korrigálva)
Koffein A koffeint minden mintában kimutatták. Az Északi-tenger középső részén Skóciától távol volt a legkisebb (2 5,4 ng/l), és az angol, a holland és a dán partok mentén volt a legnagyobb (8 15 ng/l) a koncentrációja (3. ábra). DEET A belső német öbölben 1 ng/l töménységben volt jelen a DEET, majd a dán, (0,6 ng/l) és norvég (0,29 0,25 ng/l) partok mentén csökkent a mennyisége. A külső német öbölben (<0,1 ng/l) és a brit partoktól távol kis koncentrációt találtak(< 0,07 ng/l) (4. ábra). Norvégia Dánia ng/l Egyesült Királyság Hollandia Németország 4. ábra A DEET eloszlása az Északi-tengerben (a koncentráció a viszanyerhetőségi arányra korrigálva, n.d. = nincs detektálva) Értékelés A kérdéses vegyületek környezeti eloszlása A szennyezéseloszlás értelmezésekor figyelemmel kell lenni az Északitengerben uralkodó tengeráramlatokra. Ezeket alapvetően a Skóciától északkeleti irányból érkező friss észak-atlanti és a brit, holland, német, dán és nor-
vég partok mentén egy az órairánnyal ellentétes áramlás jellemez. A klofibrinsav és a DEET eloszlása meglehetősen hasonló és a fenti áramlásokkal függ össze. Ezek főleg a folyók útján jutnak az Északi-tengerbe. Az Elbatorkolattól a nyilt tenger irányába meredek gradiens jellemzi a klofibrinsavkoncentrációt a tengervízzel történő hígításnak megfelelően. Viszonylag nagy töménység uralkodik az érintett folyók torkolatában, majd az Északi-tenger középső részéről érkező tisztább vízzel történő keveredés hatására lassan csökken. Megállapították, hogy a német tengeröböl klofibrinsav szennyezését leginkább az Elba növeli, míg a DEET szennyezésre elsősorban a Rajna van hatással. A klofibrinsav- és a DEET-koncentráció nagyjából megegyezik a német tengeröbölben mért α-hch szennyezéssel (1 ng/l). A koffein esetén kicsit változik a kép. Ennek koncentrációja legalább egy nagyságrenddel nagyobb, mint a klofibrinsav és a DEET esetén. Bár ugyanaz a tendencia volt megállapítható, mint az előzőek esetében, de a trend nem volt annyira határozott. Minthogy ezen a földrajzi szélességnél atmoszférikus szennyezésre nem lehet gondolni, három más magyarázatot kell figyelembe venni: a) a brit partoktól egy mellékáramlat szállítja az Északi-tenger középső részébe a koffeint, b) az Északi-tengeren van a Föld legnagyobb hajózási intenzitása, és c) mintegy 500 part menti mélytengeri kőolaj- és gázfúró állomás létesült az Északi-tengerben. Ezek egyaránt sok koffeinnel szennyezhetik a tengert, amelyek sajátos eloszlási képhez vezethetnek. Ezt a feltevést a tengeri fúrótornyok és a hajóutak mentén végzett mintavétellel lehet ellenőrizni. Másik szennyezésforrás lehet maga a kutatóhajó. Ez nagyobb mélységben történő mintavétellel kiküszöbölhető. Érdekes a savas gyógyszerek viselkedése a torkolat és a tenger között. Az Elba torkolatában, mintegy 70 km-rel a torkolattól klofibrinsav (18,6 ng/l), diclofenac (6,2 ng/l) és ibuprofen (0,6 ng/l) töménységben van jelen. Ezek közül a part menti és a parttól távoli tengervízben csak a klofibrinsavat mutatták ki. Megválaszolatlan még a kérdés, hogy vajon a klofibrinsav ellenállóbb, és a diclofenac és ibuprofen könnyebben átalakul a tengerhez vezető úton. Ismert tény, hogy a diclofenac fény hatására könnyen átalakul, azonban ezen a szakaszon a folyóvíz igen zavaros, ezért a fototranszformáció csak a felszíni rétegben történhet meg. Ismert, hogy a PCB-hez hasonló lipofil vegyületek adszorbeálódnak a szilárd részecskékre és ezt követően leülepednek, így ezek a vegyületek eltávolíthatók a torkolatból. A vízoldható savas vegyületek esetében ez valószínűtlennek tűnik. További magyarázatot jelenthetnek, a sajátos (ionos) kölcsönhatások a részecskékkel, vagy a torkolatban és a tengeri körülmények (alkalikus ph) között eltérő kémiai viselkedés pl. megnövelt hidrolízis. A ketoprofen hiánya nem meglepő, minthogy már a folyókban is alacsony a másik három savas komponenshez viszonyított koncentrációja. A klofibrinsav, koffein és DEET jelenlegi északi-tengeri eloszlásából nehéz ökotoxikológiai hatásukra következtetni. Semmilyen adat nincs még a klofibrinsavnak (mecoprop nevű gyomírtó izomerjének) a fitoplanktonokra és
magasabbrendű tengeri szervezetekre gyakorolt hatásáról. A DEET rovarriasztó szer beleavatkozik a rovarok tájékozódásába. Felmerül a kérdés, hogy vajon a tengeri szervezetek közti természetes szerves kémiai érintkezést is megzavarja-e, különösen azért mert a kairomonokhoz és feromonokhoz hasonló biogén vegyületek igen kis koncentrációban aktívak. Akut toxicitásuk egyes halfajokra és emlősökre alacsony, de szájon keresztüli felvételük károsíthatja a központi idegrendszert. A DEET-t öbölháborús szimptóma néven összefüggésbe hozták a neurotoxikus szimptomákkal. Későbbi vizsgálatok azt mutatták, hogy a DEET megemeli a kolineszteráz (ChE) inhibítorok aktívitását. Ezek a vizsgálatok azt mutatták, hogy a DEET megkönnyítheti a szerves foszfortartalmú rovarriasztó szerek átjutását a vér-agy korláton. Ez a jelenség megemelhetné a tengeri szervezetekben e vegyületek hatékony koncentrációját. Összefoglalva, a tárgyalt antropogén vegyületek széles körű eloszlása a tengeri ökológiai rendszerekben, kiterjeszti mindenütt jelen lévő jellegüket, amelyet már meghatároztak a folyók, tavak és talajvizek esetében. A klofibrinsav és a DEET esetén ezt aláhúzza stabilitásuk a környezetben, és a koffeint is a jelentős tengerszennyezők közé sorolják. A vízminta előzetes savanyítása nélkül lehetséges a semleges és savanyú komponensek kivonása és igen kis mennyiségük meghatározása. Ezért a bemutatott módszer megfelel a tengeri analitikai kémia követelményeinek. Az eljárás alkalmazásával kimutatták, hogy az Északi-tenger ökoszisztémájában mindenhol jelen van a gyógyszeripari metabolit a klofibrinsav (1,3 ng/l) és a széles körben használt pszichoanaleptikum a koffein (16 ng/l), valamint a DEET (1,1 ng/l) nevű rovarriasztó szer. A propifenazont csak további vizsgálat után lehet kimutatni. A diclofenac és az ibuprofen kimutatható mennyiségben nem éri el a tengert, de az Elba torkolatában 6,2 ng/l, illetve 0,6 ng/l a koncentrációja. A ketoprofen mennyisége a kimutathatósági határ alatt volt. (Dr. Vajda Tamásné) Weigel, S.; Kuhlmann, J.; Hühnerfuss, H.: Drugs and personal care products as ubiquitous pollutants: occurrence and distribution of clofibric acid, caffeine and DEET on the North Sea. = The Science of the Total Environment, 295. k. 1 3. sz. 2002. aug. 5. p. 131 141. Buser, H. R.; Müller, M. D.; Theobald, N.: Occurrence of the pharmaceutical drug clofibric acid and the herbicide mecoprop in various Swiss lakes and in the North Sea. = Environmental Science and Technology, 32. k. 1998. p. 188 192. Hallig-Sørensen, N.; Nors Nielsen, S. stb.: Occurrence, fate and effects of pharmaceutical substances in the environment a review. = Chemosphere, 36. k. 1998. p. 357 393.