UV/PS usuwa 99% ciprofloksacyny z wody – badanie porównawcze

Czy ciprofloksacyna w wodzie stanowi realne zagrożenie?

Ciprofloksacyna (CIP) – syntetyczny antybiotyk fluorochinolonowy szeroko stosowany w medycynie i rolnictwie – osiąga stężenia rzędu μg/L w ściekach z oczyszczalni. Ze względu na wysoką stabilność chemiczną i niską biodegradowalność CIP gromadzi się w środowisku wodnym, wywierając potencjalnie toksyczne działanie na ekosystemy i zdrowie człowieka. Konwencjonalne metody uzdatniania wody, takie jak proces osadu czynnego, usuwają jedynie 27–44% chinolonów, pozostawiając znaczące ilości substancji w wodzie. Co więcej, podczas dezynfekcji CIP może reagować z naturalną materią organiczną, tworząc liczne produkty uboczne dezynfekcji (DBP), w tym trihalometany i kwasy halooctowe – związki o udokumentowanym działaniu cytotoksycznym, genotoksycznym, a nawet rakotwórczym.

Badacze z Chin przeprowadzili kompleksową analizę laboratoryjną czterech systemów dezynfekcji opartych na promieniowaniu UV: samego UV, UV/nadsiarczan (PS), UV/nadtlenek wodoru (H₂O₂) oraz UV/nadtlenek wapnia (CaO₂). Celem było porównanie skuteczności degradacji CIP, identyfikacja powstałych DBP oraz ocena ich toksyczności wobec Microcystis aeruginosa – dominującego gatunku sinic w zbiornikach słodkowodnych o wysokim poziomie eutrofizacji, szeroko stosowanego w badaniach toksyczności wodnej.

Jak przeprowadzono badania fotochemicznej degradacji?

Eksperymenty wykonano w reaktorze fotochemicznym z lampą rtęciową o długości fali 245 nm. Początkowe stężenie CIP wynosiło 20 μmol/L w objętości 100 mL, z dodaniem buforu fosforanowego (0,01 M) do stabilizacji pH. Czas reakcji ustalono na 40 minut. W systemach UV/PS, UV/H₂O₂ i UV/CaO₂ dodawano odpowiednie utleniacze w stosunkach molowych 1:1, 1:3 i 1:5 (CIP:utleniacz), testując natężenia UV na poziomach 50 W, 100 W i 200 W.

Optymalne warunki dla dalszych analiz określono jako 100 W UV i stosunek molowy 1:3. Próbki pobierano w określonych odstępach czasu, natychmiast gaszono metanolem (70 μL na 5 mL próbki) i filtrowano przez membrany 0,22 μm. Stężenie CIP mierzono metodą HPLC (Agilent 1260), a DBP identyfikowano za pomocą wysokorozdzielczej spektrometrii mas LC-MS/MS (Thermo Q-Exactive). Wszystkie eksperymenty prowadzono w trzech powtórzeniach.

Do oceny toksyczności wykorzystano M. aeruginosa (szczep FACHB-905) hodowany w pożywce BG11 w warunkach sterylnych (25±1°C, cykl światło/ciemność 12h/12h, 3000 luksów). Glony w fazie wzrostu logarytmicznego inkubowano z roztworami CIP i DBP (po 40 min reakcji) w stężeniach odpowiadających 0,1; 0,5 i 1 mL roztworu reakcyjnego na 250 mL pożywki. Przez 12 dni monitorowano wzrost (OD₆₈₀), stężenie chlorofilu a, aktywność enzymów antyoksydacyjnych (SOD, CAT), zawartość białka i poziom malonodialdehydu (MDA) – markera peroksydacji lipidów.

Który system dezynfekcji najlepiej usuwa ciprofloksacynę?

Degradacja CIP we wszystkich systemach przebiegała według kinetyki pseudo-pierwszego rzędu. Samo UV (200 W) osiągnęło niemal pełną degradację w ciągu 40 minut (stała szybkości k=0,1469 min⁻¹), ale przy niższych natężeniach efektywność spadała do 75% (50 W) i 88% (100 W). System UV/PS wykazał najwyższą skuteczność: przy stosunku 1:5 i 200 W pełna degradacja następowała w 15 minut (k=0,4493 min⁻¹). Optymalne warunki (1:3, 100 W) zapewniały stabilną i wysoką efektywność przy mniejszym zużyciu energii.

UV/CaO₂ również osiągnął pełną degradację w 15 minut przy stosunku 1:5 i 200 W (k=0,275 min⁻¹), natomiast UV/H₂O₂ wymagał 30 minut przy stosunku 1:3 i 200 W (k=0,1844 min⁻¹). Nadmiar H₂O₂ działał jako gaszący rodniki ·OH, obniżając efektywność utleniania. Zwiększenie początkowego stężenia CIP (10, 20, 30 μmol/L) powodowało stopniowy spadek stałych szybkości we wszystkich systemach, przy czym kolejność skuteczności pozostawała niezmieniona: UV/PS > UV/CaO₂ > UV/H₂O₂.

Jakie produkty uboczne powstają podczas dezynfekcji?

Analiza LC-MS/MS pozwoliła zidentyfikować 16 produktów ubocznych dezynfekcji (DBP) powstałych z CIP w czterech systemach. Mechanizmy degradacji w procesie UV/PS podzielono na trzy główne szlaki: (1) modyfikacja oksydacyjna i defluoryzacja – rodniki atakują pierścień chinolinowy, prowadząc do hydroksylacji, karbonylacji i ostatecznie fragmentacji do drobniejszych cząsteczek (P6 → P2 → P1); (2) utlenianie pierścienia piperazynowego – ·SO₄⁻ lub ·OH atakują pierścień, powodując jego częściowe pęknięcie i utratę fluoru (P4 → P16 → P3); (3) rozszczepienie pierścienia i fragmentacja – wielopunktowy atak rodników prowadzący do powstania izomerów (np. P7/P15, P8/P14) i dalszej degradacji (P10 → P9 → P11).

Kluczowym odkryciem było, że UV/PS najskuteczniej hamował formację głównych produktów pośrednich P1 i P2, które wykazywały największą powierzchnię pików w analizie chromatograficznej. Inhibicja sięgała niemal 79% w porównaniu z samym UV, co sugeruje, że proces ten generuje produkty o niższej trwałości i potencjalnie mniejszej toksyczności.

Jak DBP wpływają na organizmy wodne?

DBP powstałe we wszystkich czterech systemach hamowały wzrost M. aeruginosa w stopniu zależnym od stężenia i czasu ekspozycji. W systemach UV i UV/PS inhibicja wzrostu była najsilniejsza w początkowej fazie hodowli (dzień 6) i słabła w późniejszym okresie – przy najwyższym stężeniu (30%) sucha masa komórkowa spadała o 81% (UV) i podobnie w UV/PS, ale do dnia 12 efekt łagodniał. W systemach UV/H₂O₂ i UV/CaO₂ inhibicja utrzymywała się przez cały 12-dniowy okres, osiągając maksymalnie 36–42% na dzień 6 przy stężeniu 30%.

Stężenie chlorofilu a spadało proporcjonalnie do stężenia DBP w początkowej fazie (29,1–63,5% spadek przy 5% DBP), co odzwierciedla uszkodzenie układu fotosyntetycznego. Jednak w dniu 12 w systemach UV i UV/H₂O₂ nastąpił wzrost chlorofilu a o 82,3% i 45,2% w grupach wysokostężeniowych – prawdopodobnie w wyniku długoterminowej adaptacji metabolicznej glonów.

Aktywność enzymów antyoksydacyjnych (SOD, CAT) wzrastała w odpowiedzi na stres oksydacyjny wywołany przez DBP, co wskazuje na uruchomienie mechanizmów obronnych. W systemie UV aktywność SOD w grupie niskostężeniowej (5%) spadała o 22,6% (dzień 6) i 19,2% (dzień 12), podczas gdy w grupach wysokostężeniowych (30%) początkowo była niższa, ale stopniowo się odbudowywała, nie osiągając jednak poziomu grup niskostężeniowych. Podobne trendy obserwowano dla CAT.

Zawartość malonodialdehydu (MDA) – markera peroksydacji lipidów błonowych – różniła się istotnie między systemami. W UV i UV/H₂O₂ poziom MDA w grupie 5% wzrastał o 96,2% między dniem 6 a 12, podczas gdy w grupie 10% spadał o 44%. W systemie UV/CaO₂ MDA rosło we wszystkich grupach, wskazując na trwały stres oksydacyjny. Natomiast w UV/PS zawartość MDA spadała w czasie we wszystkich grupach stężeniowych, co sugeruje najmniejszą toksyczność i najlepszą biodegradowalność DBP w tym systemie.

Co to oznacza dla zdrowia publicznego i praktyki uzdatniania wody?

Wyniki jednoznacznie wskazują, że system UV/PS łączy najwyższą efektywność usuwania ciprofloksacyny z minimalną toksycznością produktów ubocznych. Osiągnięcie 99% degradacji przy jednoczesnej redukcji formacji DBP o niemal 79% oraz najniższym wpływie na wzrost i metabolizm glonów czyni tę metodę najbardziej obiecującą w kontekście uzdatniania wody zawierającej pozostałości antybiotyków.

Dla lekarzy i specjalistów zdrowia publicznego kluczowe jest zrozumienie, że ekspozycja na DBP może wiązać się z długoterminowymi skutkami zdrowotnymi – od zaburzeń funkcji komórkowych po potencjalne działanie genotoksyczne i rakotwórcze. Obecność antybiotyków w wodzie pitnej niesie dodatkowe ryzyko rozwoju oporności bakteryjnej. Wdrożenie zaawansowanych metod dezynfekcji, takich jak UV/PS, może znacząco obniżyć te zagrożenia.

Badanie ma jednak ograniczenia: przeprowadzono je w warunkach laboratoryjnych na pojedynczym organizmie modelowym, co nie odzwierciedla pełnej złożoności ekosystemów wodnych. Autorzy podkreślają potrzebę dalszych badań nad przewlekłą toksycznością DBP w realistycznych stężeniach środowiskowych oraz oceny wpływu na wielogatunkowe ekosystemy wodne. Konieczna jest również optymalizacja parametrów technologicznych procesu UV/PS na skalę przemysłową przed jego szerszym wdrożeniem w oczyszczalniach wody.

Jakie wnioski płyną z tego badania dla ochrony zdrowia?

Badanie dostarcza dowodów na to, że wybór metody dezynfekcji wody ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo toksykologiczne końcowego produktu. System UV/PS nie tylko najskuteczniej eliminuje ciprofloksacynę, ale również generuje produkty uboczne o najniższej toksyczności wobec organizmów wodnych. Aktywacja mechanizmów antyoksydacyjnych i stopniowa adaptacja glonów w systemie UV/PS, wraz ze spadkiem poziomu MDA, wskazują na niższy długoterminowy stres oksydacyjny w porównaniu z innymi metodami. Wyniki te sugerują, że zaawansowane procesy utleniania oparte na UV/PS mogą stanowić kluczowy element strategii redukcji ryzyka zdrowotnego związanego z obecnością antybiotyków i ich toksycznych produktów degradacji w wodzie pitnej. Implementacja tej technologii wymaga jednak dalszych badań nad jej efektywnością w warunkach rzeczywistych oraz oceną długoterminowych skutków zdrowotnych ekspozycji na niskie stężenia DBP w populacji ludzkiej.