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 (E2) mértek a nyers szennyvízben. Gázkromatográffal összekapcsolt tömegspektrométerrel (GC/MS) határoztak meg
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. 2000-ben kidolgoztak egy szilárd fázisú extrakción (SPE) alapuló analitikai eljárást három természetes ösztrogén (ösztriol /E3/, ösztradiol /E2/ és ösztron /E1/), valamint az etinil-ösztradiol /EE2/ 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. 2001-ben egy japán szennyvízkezelő berendezésben az E2 koncentráció nőtt, ami arra utalt, hogy az ösztrogén bomlása végbemegy a szennyvízkezelés során. 2000-ben a szennyvíz eleveniszapos kezelése során az E3 95%-át, az E2 87%-át, az EE2 85%-át, az E1 61%-át távolították el. A harminc esetből négynél az E1 koncentrációja az elvezetésben nagyobb volt, mint a betáplálásban. Még 1987-ben megfigyelték, hogy az E1 a terhességük utolsó szakaszában levő nők vizeletében elsősorban ösztronszulfát formájában (E1-3S) választódott ki. Ennek alapján 2001-ben feltételezték, hogy a szabad E1 rendellenes viselkedésének oka a szállítás során eredeti formájában maradó E1-3S bomlása volt. Az STP elvezetésében található E1 egy része az E2 szennyvízkezelés közbeni oxidációjából származhat. Feltételezték, hogy ha az eleveniszap nem tartalmaz elegendő aril-szulfatáz enzimet, az E1-3S egy része áthalad a kezelő rendszeren, és belép az elfolyást fogadó vízrendszerbe.
A kísérletek A vizsgálatok során E3, E2 és E1 ösztrogéneket és azok glukuronid (G), valamint szulfát (S) származékaikat használták fel. 73 nőtől (akik közül 50 nő 18–52 éves volt, rendszeres menstruációs ciklussal, 22 nő 55–74 éves volt, a menopauza időszakában, 1 nő pedig 6 hónapos terhes volt) 24 órán át gyűjtött vizeletet vettek, amelyet a vizsgálatok végrehajtásáig 4 oC-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.
A Rómában található hat, eleveniszapos STP betáplálásából és elvezetéséből 24 órás gyűjtött mintát vettek havonta, három hónapon át, 2001. 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 oC-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 oC-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.
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
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 Ösztrogén Visszanyerés (%), zárójelben vegyület a relatív standard deviáció kapott eredmények az 1. tábláértéke zatban szerepelnek. A nők vizeletében korábE3-3G 81 (5) ban végrehajtott konjugált E3-16G 77 (6) ösztrogén koncentráció mérés E3-3S 96 (3) eredményeit a 2. táblázat muE2-3G 83 (5) tatja. Az eredmények szerint a E2-17G 76 (6) kiválasztott, a római lakóterüE2-3S 94 (4) letre vonatkozóan reprezentatív E1-3G 84 (7) csoport esetében 106, 14 és 32 E1-3S 98 (4) µg konjugált E3, E2 és E1 váE3 87 (5) lasztódott ki naponta a nők viE2 88 (4) zeletében. Szabad ösztrogént E1 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 E2-t és 14 µg E1-et választanak ki a vizelettel. Ezek az értékek nagyobbak korábbi vizsgálatokban nyert értékeknél, és megerősítik, hogy az E2 mennyisége a vizeletben 50%-a az E3 és az E1 mennyiségének. Az E1-3S mennyisége a nem terhes nők vizeletében a 25%-át adta az összes E1 vegyületnek, ugyanakkor 48%-ra nőtt a terhes nő vizeletében. 1987-ben végzett vizsgálat során az E1-3S mennyisége jelentősen nagyobb volt a terhes nők vizeletében, mint az E1-3G. A jelen vizsgálat során a terhes nő vizeletében kimutatott ösztron-szulfátok mennyisége jó
egyezést mutatott az 1980-ban végzett hasonló vizsgálatok eredményével (E3-3S = 890 µg/nap, E2-3S = 66 µg/nap, E1-3S = 641 µg/nap.) 2. táblázat Az ösztrogének mennyiségének alakulása a nők vizeletében. A korábbi vizsgálati eredmények összefoglalása Vizsgálat éve
Ösztrogén vegyület
Átlagérték
1982
E3-3G E3-16G E1-3G
1986
E3 E2 E1
4,6 µg/nap 2,6 µg/nap 7,1 µg/nap
23 nem terhes fiatal nő vizeletének vizsgálata
1987
E3 E2 E1
4,8 µg/nap 3,5 µg/nap 8 µg/nap
12 menstruáló nő vizeletének vizsgálata
1988
E3-3G E3-16G
9,2 µg/l 8,1 µg/l
9 menstruáló nő reggeli első vizeletének vizsgálata
1996
E3 E2 E1
4,8 µg/nap 3,5 µg/nap 7 µg/nap
150 nő vizeletének vizsgálata
41 µg/l 19 µg/l 36 µg/l
A sárgatest jelenlétének fázisa (µg/l) 79 28 71
A tüsző- Megjegyzés érés fázisa 1,1 l napi vizeletmennyiség esetén naponta 41 és 24 µg E3 és E1 választódott ki a tüszőérés fázisában, amely 73 és 47 µg/napra nőtt a sárgatest jelenlétének a fázisában
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. 1982-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,
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. 1986-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 E2-3S-t és az E1-3S-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, E2 és E1, a hat STP átlagos teljesítménye 95, 87 és 61% volt az E3, E2 és az E1 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-
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) betáplálás
E3-3G E3-16G E3-3S E2-3G E2-17G E2-3S E1-3G E1-3S E3 E2 E1
nem detektálható 19 (16) 14 (12) 5,2 (4) nem detektálható 3,3 (4) 4,3 (3) 25 (29) 72 (27) 11 (8) 44 (17)
Eltávolítás (%)
elvezetés nem detektálható nem detektálható 2,2 (3) nem detektálható nem detektálható nem detektálható 0,8 (1) 9 (13) 2,3 (3) 1,6 (1,9) 17 (7(
– 100 84 100 – 100 84 64 97 85 61
A szennyvízcsatorna-rendszerben le nem bomló glukuronidok az E1-3G kivételével teljesen eltávolításra kerültek a szennyvízkezelés során. A laboratóriumi vizsgálati eredményekkel ellentétben a szennyvízkezelés sokkal hatékonyabban távolította el az E3-3S-t, mint az E1-3S-t, a helyszíni vizsgálati adatok szerint nagy mennyiségű E1-3S haladt át a kezelő rendszeren és került be a vizes környezetbe. Az E1 viszonylag kis eltávolítási hatásfoka azzal magyarázható, hogy ez az ösztrogén vegyület a szennyvízkezelő rendszerben is keletkezik, az E2 oxidációja, illetve az E1-3G és az E1-3S részleges lebomlása során. 1997-ben és 1998-ban végzett in vitro és in vivo vizsgálatok során megállapították, hogy az E1 ösztrogén hatása fele az E2 hatásának. Az E1 tízszer nagyobb mennyiségben került be az elfolyást befogadó vizekbe, mint az E2. Ez az arány tovább nőhet, ha az E1-3S lebomlik a folyók ökológiai rendszerében. A vizes rendszerekben előforduló természetes
ösztrogének közül tehát az E1 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. 1-3. sz. 2003. január 20. p. 199-209. 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. 2000. p. 5059–5066. Johnson, A. C.; Sumpter, J. P.: Removal of endorcrine-disrupting chemicals in activated sludge treatment works. = Environmental Science and Technology, 35. k. 2001. p. 4697–4703.
