Mikroorganizmy i antybiotyki w środowisku wodnym

Badanie pozostałości leków w środowisku, a zwłaszcza w ekosystemach wodnych stanowi obecnie jeden z priorytetowych zadań chemii i ekotoksykologii środowiska. Przedmiotem szczególnego zainteresowania są antybiotyki oraz ich metabolity, ze względu na ich wysokie zużycie oraz aktywność biologiczną. Badania przeprowadzone na całym świecie wskazują, że pozostałości antybiotyków nie są w pełni eliminowane w procesach oczyszczania ścieków, zwłaszcza związki półsyntetyczne i syntetyczne, które są bardzo stabilne i mają zdolność do silnej sorpcji. Związki te trafiają do środowiska wodnego w wyniku bezpośredniego zrzutu ścieków z oczyszczalni.

Komisja Europejska nałożyła na kraje Unii obowiązek monitorowania zużycia antybiotyków, a także monitorowania rozprzestrzeniania się szczepów bakterii opornych (tj. niewrażliwych na działanie przeciwbakteryjne antybiotyku) w różnych środowiskach. Monitoring antybiotykooporności w środowisku ma kolosalne znaczenie ze względu możliwość zagrożenia zdrowia ludzi, korzystających z wód powierzchniowych w celach rekreacyjnych, a także coraz częstszego wykorzystania wód powierzchniowych jako źródeł wody pitnej. Do tej pory literatura naukowa nie jest w stanie odpowiedzieć na pytanie czy koncentracje antybiotyków w środowisku mają bezpośredni wpływ na liczebność bakterii natywnych (tj. właściwych dla danego środowiska). Tello i in. (2012) wykazali, że koncentracje antybiotyków w środowisku są wystarczająco wysokie, aby wywołać selektywną presję na bakterie o znaczeniu klinicznym i ograniczyć wzrost bakterii wrażliwych na leki.

Większość stosowanych w medycynie an­tybiotyków jest tylko częściowo metabolizo­wana (Kümmerer 2004) i w związku z tym zostają wydalane razem z kałem np. do ścieków (Hirsch i in., 1999, Brown i in., 2006, Gulkowska i in., 2008) lub też wód poprodukcyjnych z gospodarstw rybackich (Zou i in., 2011, Gao i in., 2012). Te rozpuszczalne komponenty są w niewielkim stopniu usuwane w procesie oczyszczania ścieków (Brown i in., 2006, Batt i in., 2006) i mogą przedostawać się do wód powierzchniowych stanowiących odbiorniki ścieków oczyszczonych. Ich stężenie w wodach jest najczęściej niewielkie (Jiang i in., 2011, Zou i in., 2011, Harnisz, 2013) jednak w długiej perspektywie także dawki podprogowe antybiotyków mogą powodować nabieranie oporności na nie. Ponadto, antybiotyki wkraczając do środowiska mogą zmieniać struktury zbiorowisk bakteryjnych (Schmitt i in., 2004, Aminov i Mackie, 2007) co ma ścisły związek z funkcjami ekosystemu (Baran i in., 2011, Costanzo i in., 2005, Thiele-Bruhn i Beck, 2005).

Głównym źródłem zanieczyszczenia antybiotykami są ścieki: komunalne, przemysłowe, pocho­dzące ze szpitali, zakładów mięsnych itp. Zawarte w nich leki, mimo że obecne w niewielkich stężeniach (rzędu ng - µg/L), utrzymują się trwale w środowisku wodnym ze względu na ich ciągłe dostarczanie, działając na wiele mikroorganizmów ekosystemów wodnych. Pierwszym odnalezionym w środowisku związkiem był kwas klofibrowy stwierdzony w ściekach oczyszczonych na poziomie 0,8-2 µg/l w Stanach Zjednoczonych.

W wodach powierzchniowych często można wykryć wiele substancji leczniczych, w tym leków przeciwbólowych i przeciwzapalnych, β-blokerów, β-sympatykomimetyków, antybiotyków (Tabela 1) oraz hormonów.

Tabela 1. Maksymalne koncentracje antybiotyków (ng/L)
w środowisku wodnym (Kümmerer 2009)

Dodatkowym źródłem antybiotyków w środowisku są gospodarstwa chowu i hodowli zwierząt, produkujące obornik stosowany powszechnie jako nawóz na pola uprawne. Zawarte w nim antybiotyki przedostają się nie tylko do gleby i wód gruntowych, ale są także pobierane przez rośliny rosnące na polach. Antybiotyki są także powszechnie stosowane w hodowlach ryb. Nieprzyswojone przez ryby leki i ich metabolity dostają się wraz z ekskrementami do wód powierzchniowych, gdzie mogą odkładać się w osadach dennych.

Czas degradacji antybiotyków (Tabela 2) w środowi­sku jest różny i zależny od wielu czynników np.: stężenia antybiotyku, struktury che­micznej związku, pH, temperatury, składu chemicznego środowiska, obec­ności innych źródeł węgla, obecność materii nieorganicznej, dostępności tlenu i mikroor­ganizmów, które wspomagają proces biode­gradacji (Kümmerer 2004, 2009).

Podstawowym procesem eliminacji substancji w środowisku jest dzia­łalność bakterii (szczególnie w osadzie, brudnej wodzie). Dostające się do środowi­ska antybiotyki podlegają takim przemianom jak: fotodegradacja, hydroliza (katalizowana przez enzymy bakteryjne), dekarboksylacja, hydroksylacja (Thiele-Bruhn 2003, Kümme­rer 2004).

Podsumowując, w ostatnich latach coraz większe znaczenie jako zanieczyszczenie środowiska zyskują antybiotyki. Stwarzają one potencjalne ryzyko dla zdrowia ludzi i zwierząt ponieważ, wywołują presję selekcyjną prowadząc w konsekwencji do powstawania szczepów opornych oraz wielolekoopornych, które wraz z wodą pitną czy roślinami mogą przedostawać się do organizmów ludzi i zwierząt. Infekcje spowodowane przez bakterie oporne na antybiotyki są bardzo trudne, a czasami wręcz niemożliwe do wyleczenia. Dlatego właśnie istnienie antybiotykoopornych szczepów bakterii stwarza ogromne problemy terapeutyczne. Oporny na metycylinę gronkowiec złocisty jest oporny na działanie niemal wszystkich znanych antybiotyków. W wyniku czego czas trwania terapii znacznie się wydłuża i wymaga ona stosowania kosztownych antybiotykowych „koktajli”.

Piotr Wiśniewski

Literatura:

Aminov, R.I., Mackie, R.I., 2007. Evolution and ecology of antibiotic resistance genes. Fems Microbiology Letters 271, 147-161.

Baran, W., Adamek, E., Ziemianska, J., Sobczak, A., 2011. Effects of the presence of sulfonamides in the environment and their influence on human health. Journal of Hazardous Materials 196, 1-15.

Batt, A.L., Kim, S., Aga, D.S., 2006. Enhanced biodegradation of iopromide and trimethoprim in nitrifying activated sludge. Environmental Science & Technology 40, 7367-7373.

Brown, K.D., Kulis, J., Thomson, B., Chapman, T.H., Mawhinney, D.B., 2006. Occurrence of antibiotics in hospital, residential, and dairy, effluent, municipal wastewater, and the Rio Grande in New Mexico. Science of the Total Environment 366, 772-783.

Costanzo, S.D., Murby, J., Bates, J., 2005. Ecosystem response to antibiotics entering the aquatic environment. Marine Pollution Bulletin 51, 218-223.

Gao, P., Munir, M., Xagoraraki, I., 2012. Correlation of tetracycline and sulfonamide antibiotics with corresponding resistance genes and resistant bacteria in a conventional municipal wastewater treatment plant. The Science of the total environment 421-422, 173-183.

Gulkowska, A., Leung, H.W., So, M.K., Taniyasu, S., Yamashita, N., Yeunq, L.W.Y., Richardson, B.J., Lei, A.P., Giesy, J.P., Lam, P.K.S., 2008. Removal of antibiotics from wastewater by sewage treatment facilities in Hong Kong and Shenzhen, China. Water Research 42, 395-403.

Harnisz, M., 2013. Total resistance of native bacteria as an indicator of changes in the water environment. Environmental pollution (Barking, Essex : 1987) 174, 85-92.

Hirsch, R., Ternes, T., Haberer, K., Kratz, K.L., 1999. Occurrence of antibiotics in the aquatic environment. Science of the Total Environment 225.

Jiang, L., Hu, X., Yin, D., Zhang, H., Yu, Z., 2011. Occurrence, distribution and seasonal variation of antibiotics in the Huangpu River, Shanghai, China. Chemosphere 82, 822-828.

Kümmerer K., 2004. Resistance in the environ­ment. J. Antimicrob. Chemother. 54, 311- 320.

Küemmerer, K., 2009. Antibiotics in the aquatic environment - A review. Part I. Chemosphere 75, 417-434.

Schmitt, H., Van Beelen, P., Tolls, J., Van Leeuwen, C.L., 2004. Pollution-induced community tolerance of soil microbial communities caused by the antibiotic sulfachloropyridazine. Environmental Science & Technology 38, 1148-1153.

Tello, A., Austin, B., Telfer, T.C., 2012. Selective Pressure of Antibiotic Pollution on Bacteria of Importance to Public Health. Environmental Health Perspectives 120, 1100-1106.

Thiele-Bruhn, S., Beck, I.C., 2005. Effects of sulfonamide and tetracycline antibiotics on soil microbial activity and microbial biomass. Chemosphere 59, 457-465.

Zou, S., Xu, W., Zhang, R., Tang, J., Chen, Y., Zhang, G., 2011. Occurrence and distribution of antibiotics in coastal water of the Bohai Bay, China: Impacts of river discharge and aquaculture activities. Environmental Pollution 159, 2913-2920.