Józef RZEPA
Instytut Chemii, Zak ad Chemii Ogólnej i Chromatografii Uniwersytet l ski w Katowicach
OZNACZANIE LEKÓW I PESTYCYDÓW
W WODACH POWIERZCHNIOWYCH
WST P
Ka dego roku tysi ce ton leków s produkowane i nast pnie zu ywa-ne w medycynie i weterynarii. Znaczna ich cz przedostaje si do wód powierzchniowych w formie niezmienionej. Badania nad obecno ci leków i ich metabolitów prowadzone s od lat 90. XX wieku mi dzy innymi w Europie Zachodniej (Niemcy [2], Grecja, Szwajcaria [3]) oraz Ameryce Po udniowej (Brazylia [4]), dotyczy y leków stosowanych w medycynie i weterynarii. [5] G ównym ród em zanieczyszcze rodowiska wodnego farmaceutykami s gospodarstwa domowe oraz szpitale. [6] Leki za ywane przez chorych nie ulegaj ca kowicie metabolizmowi w ich organizmach i wraz z moczem lub ka em trafiaj do systemu kanalizacji, a stamt d kierowane s do oczysz-czalni cieków. Oprócz gospodarstw i szpitali ród ami zanieczyszcze s równie zak ady farmaceutyczne, a tak e farmy zwierz t hodowlanych, gdzie profilaktycznie podaje si w paszy antybiotyki i bakteriostatyki (sulfo-namidy), aby uchroni zwierz ta hodowlane przed ewentualnymi infekcjami. [3] Farmaceutyki, które wraz ze ciekami przedostaj si do miejskich oczyszczalni cieków, nie s ca kowicie usuwane w procesach biologiczne-go oczyszczania. [2], [4]
Ze wzgl du na swoje w a ciwo ci farmaceutyki nie s eliminowane z wód w procesach samooczyszczania, a dodatkowo maj zdolno ci do ku-mulacji w tkankach organizmów wy szych, przez co stanowi mog bezpo-rednie zagro enie dla ich zdrowia lub ycia. Szerokie, wr cz nadmierne stosowanie leków przeciwbólowych z grupy fenoksykwasów np. ibuprofenu, pot gowane jeszcze nachaln reklam w mediach prowadzi do wzrostu ich
st enia we wszystkich elementach rodowiska.
MIGRACJA LEKÓW W RODOWISKU
Leki odznaczaj si du polarno ci i nisk adsorpcj w mule i gle-bie, co jest przyczyn coraz wi kszego zanieczyszczenia wód powierzch-niowych i gruntowych. Oczyszczalnie cieków nie dysponuj technologi umo liwiaj c wyeliminowanie zanieczyszcze tego typu. Ka dy rodek za-nieczyszczaj cy rodowisko musi by sklasyfikowany i umieszczony w nor-mach. Jest to jeden z powodów rozwoju coraz to czulszych metod
analitycz-nych umo liwiaj cych oznaczanie farmaceutyków w wodanalitycz-nych matrycach [8]. Drogi migracji leków w rodowisku przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Drogi migracji leków w rodowisku [7]
Przedmiotem bada by o oznaczanie leków kwa nych i neutralnych w wodach powierzchniowych w rzekach zlewni górnej Wis y i górnej Odry, p yn -cych na obszarze Górnego l ska.
Ibuprofen
CH
3OH
O
CH
3C
H
3Ketoprofen
Naproksen
Karbamazepina i metabolit imminostilben
Diklofenaki jego metabolit 1,3-dihydro-1-(2,6 dichlorofenylo)indol-2-on
W trakcie prowadzonych bada oznaczano tak e niektóre pestycydy, które izolowano wraz z oznaczanymi lekami. By y to: triazyny: atrazyna i sy-mazyna, chlorofenoksykwasy: 2,4-D, MCPA i mekoprop oraz pyretroidy: cy-permetryna i lambdacyhalotryna.
O
CH
3O
OH
O
C
H
3CH
3O
OH
N
N
H
2O
N
H
N
H
Cl
Cl
OH
O
O
N
Cl
Cl
W monitoringu wód powierzchniowych, których poziom w punktach poboru próbek jest zmienny cz sto w szerokim zakresie, konieczna jest znajomo ilo ci przep ywaj cej wody lub posiadanie innego punktu odniesienia. W czasie monitoringu oczyszczalni cieków stwierdzono, e w wodach zrzu-towych z tych instalacji najbardziej stabilnym zanieczyszczeniem i mo liwym do oznaczania w tej samej procedurze analitycznej, jest kofeina.
Rys. 2. Zawarto kofeiny w wodach zrzutowych (oczyszczonych) wybranych oczyszczalni cieków w latach 2002-2005
l sk jest regionem silnie zurbanizowanym i wi kszo cieków
komunal-nych jest oczyszczana. Mo na wi c przyj , e ilo kofeiny wprowadzanej
do wód powierzchniowych jest w przybli eniu sta a. Jako warto odno ni-kow zawarto ci kofeiny w punkcie poboru przyj to redni z 12 oznacze z próbek pobieranych co miesi c. Warto ta jest na pewno obarczona znacznym b dem, ale pozwala na porównanie zawarto ci leków w wodzie w wybranych przedzia ach czasowych.
PRZYGOTOWANIE PRÓBEK DO ANALIZY
Próbki wody pobierano co miesi c do butelek z ciemnego szk a. Do próbek dodawano 15 izopropanolu. Nast pnie próbki s czono i przy u yciu HCl wyrównywano pH do warto ci pH = 4. Wprawdzie najlepsza efektyw-no ekstrakcji leków do fazy sta ej jest przy pH = 2 (oko o 88-94%), ale ilo ekstrahowanej kofeiny jest rz du zaledwie kilku procent. Przy pH = 4 efek-tywno ekstrakcji kofeiny jest 33-35%.
Do ekstrakcji do fazy sta ej u ywano kolumienek 6 ml/100 mg BakerBond spe C18 Polar Plus (J.T. Baker) kondycjonowanych heksanem 3x3 ml, ace-tonem 1x3 ml, metanolem 2x3 ml i dejonizowan wod 2x3 ml. Ekstrakcj próbek wody (500-1000 ml) prowadzono pod pró ni z pr dko ci 8-10 ml/min. Nast pnie kolumienki przemywano wod (2x1 ml) i suszono
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Date
w strumieniu azotu. Anality eluowano mieszanin metanolu i acetonu (1:1) 4x0,5 ml.
Uzyskany ekstrakt odparowywano azotem do sucha i substancje kwa ne
es-tryfikowano metanolowym roztworem HCl (temp. 600C). W pó niejszych
ba-daniach stosowano silylowanie tych zwi zków odczynnikiem sililuj cym
BESTFA + TMCS w pirydynie (temp. 600C).
Po przereagowaniu uzupe niano obj to próbki do 0,5 ml i analizowano chromatograficznie.
WARUNKI ANALIZY CHROMATOGRAFICZNEJ
Analizy prowadzono w chromatografie GC Trace z detektorem masowym MS Trace Finnigan (ThermoQuest) and autosamplerem CombiPAL (CTC). Kolumny kapilarne: MDN 5S 30 m x 0.25 mm x 0.25 µm (Supelco)
DB 5ms 30 m x 0.25 mm x 0.25 µm (J&W) Prekolumna: 3 m x 0.32 mm,Injector: 2800C splitless,
Obj to dozowanej próbki: 1 µl. Gaz no ny: hel p = 100 kPa.
Termostat: izotermicznie 1000C (3 min), program: 1000C 2800C (150/min), 2800C 15 min.
Detektor MS: Interface 2800C. ród o jonów EI: 2500C. Energia jonizacji: 70eV,
Analiz ilo ciow prowadzono z wykorzystaniem techniki pojedynczego jonu (SIM) charakterystycznego dla oznaczanego zwi zku, pozwalaj cej na oznaczenie ich st enia rz du kilku ng/l.
WYNIKI BADA
W wynikach przedstawiono jedynie cz wyników ilustruj cych pod-stawowe zaobserwowane prawid owo ci. Analiz ilo ciow prowadzono w oparciu o kalibracj wykonan dla wybranych jonów (SIM), charaktery-stycznych dla oznaczanego leku czy pestycydu. Na rysunku 3 przedstawio-no chromatogram (TIC) ekstraktu próbki wody i chromatogramy SIM wybra-nych jonów ibuprofenu.
RT:4.01 - 19.97 6 8 10 12 14 16 18 Time (min) 0 10000 20000 30000 0 20000 40000 60000 80000 0 50 100 8.37 11.59 16.55 12.79 16.14 16.75 11.18 9.83 13.54 15.55 17.87 10.72 8.94 7.52 6.65 4.26 5.25 8.37 7.52 14.61 13.36 16.65 8.84 17.31 18.37 6.66 9.86 11.59 4.26 5.95 8.37 11.59 16.67 8.73 9.05 12.41 14.8415.56 16.97 19.35 7.14 4.54 5.83 NL: 1.05E6 TIC MS GCZAG02 NL: 8.56E4 m/z= 160.5-161.5 MS GCZAG02 NL: 3.52E4 m/z= 205.5-206.5 MS GCZAG02
Rys. 3. Chromatogram (TIC) próbki wody pobranej z Wis y na wlocie do jeziora Gocza kowic-kiego (stycze 2005), oraz chromatogramy pojedynczych jonów (SIM) m/z=161 i m/z=206,
charakterystycznych dla ibuprofenu
Na wykresach (rysunek 4) przedstawiono wyniki uzyskane w przeci gu czte-rech lat dla ibuprofenu, ketoprofenu, diklofenaku i karbamazepiny w wybra-nych punktach poboru próbek na Wi le i jej dop ywach. W Najwi kszych ilo ciach w wodach powierzchniowych wyst puje ibuprofen lek przeciwbó-lowy dost pny bez recepty i szeroko stosowany. Najistotniejszy jest jednak
fakt, e jego ilo w wodach powierzchniowych wykazuje ci g y wzrost.
Naj-wi ksze przyrosty procentowe obserwowano jednak w przypadku
ketoprofe-nu. Podobn prawid owo wykazuje te diklofenak. Karbamazepina jest
le-kiem stosowanym pomocniczo w wielu chorobach i jego ilo ci najni sze, nie wykazuje tendencji wzrostu.
Rys. 4. Maksymalne st enia wybranych leków w latach 2002-2005 w wybranych punktach po-boru w zlewni rzeki Wis y. Punkty popo-boru: 1 - Rzeka WIS A (Strumie ), 2 - Rzeka WIS A
(Gocza kowice), 3 - Rzeka PSZCZYNKA, 4 - Rzeka CZ. PRZEMSZA (Siewierz), 5 - Rzeka CZ. PRZEMSZA (Przeczyce), 6 - Rzeka CZ. PRZEMSZA (Sosnowiec), 7 - Rzeka RAWA
(uj cie), 8 - Rzeka BRYNICA (uj cie), 9 - Rzeka B. Przemsza (uj cie), 10 - Rzeka CZ. PRZEMSZA (uj cie), 11 - Rzeka WIS A (Babice)
Ciekaw rol pe ni zbiorniki wodne na rzekach. St enie leków na wlocie rzeki do jeziora jest zdecydowanie wy sze ni na wylocie z jeziora. Nast
pu-je wi c istotny spadek st enia leków w zbiornikach wodnych, cho nie jest
pewne, e ulegaj one w nich przemianom chemicznym, czy te jest to efekt sorpcji na osadach dennych. Na rysunku 5 przedstawiono ten efekt dla ibu-profenu.
Rys. 5. Zawarto ibuprofenu na wlocie i wylocie do jeziora Gocza kowickiego i jeziora w Przeczycach
Oznaczane pestycydy wyst puj w wodach powierzchniowych okresowo, co wi e si z cyklem prac polowych i intensywno ci opadów. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki monitoringu triazyn i 2,4-D w wybranych punktach po-boru w zlewni Odry. S to wyniki maksymalne pojawiaj ce si zwykle na prze omie lata i jesieni. W punktach poboru 7 i 8 widoczny jest efekt znacz-nego spadku st enia oznaczanych pestycydów w wodzie na wylocie z je-ziora Dzier no. Efekt ten opisano wcze niej tak e w przypadku oznaczanych leków. Co charakterystyczne, atrazyna i inne triazyny od wielu lat s
wyco-fane z u ycia w rolnictwie. Ich ci g obecno w wodach powierzchniowych
mo na t umaczy trwa o ci triazyn w rodowisku lub, co nie wykluczone, wykorzystywaniem starych zapasów.
Rys. 6. Maksymalne st enia pestycydów sumy triazyn i 2,4-D w wybranych punktach poboru zlewni rzeki Odry. Punkt poboru próbki: 1 - ODRA(granica), 2 - Rzeka RUDA ( ory), 3 - Rzeka
RUDA (uj cie do Odry), 4 - Rzeka BIERAWKA (uj cie), 5 - Rzeka KLODNICA (Ligota), 6 - Rzeka K ODNICA (Bielszowice), 7 - Jezioro DZIERZNO (wlot), 8 - Jezioro DZIERZNO
Stosowana w badaniach procedura analityczna jest pracoch onna, ale po-zwoli a na uzyskanie wiarygodnych wyników. Nie sprawdzi y si w bada-niach ekstrakcji do fazy sta ej SPE tzw. speediski, pozwalaj ce wprawdzie na du e skrócenie czasu ekstrakcji spe, ale powoduj ce du y rozrzut wyni-ków. Uzyskiwane chromatogramy ekstraktów by y cz sto bardzo bogate i nastr cza y k opoty z pe nym rozdzia em oznaczanych analitów od obec-nych w ekstrakcie zanieczyszcze . Dlatego zastosowanie detektora maso-wego i analiza z wykorzystaniem monitorowania pojedynczego jonu (SIM) pozwoli a na omini cie problemów z nieca kowitym rozdzia em sk adników próbki.
LITERATURA
1. Rodriguez I., Quintana J.B., Carpinteiro J., Carro A.M., Lorenzo R.A., Ce-la R.: Determination of acidic drugs in sewage water by gas chromato-graphy-mass spectrometry as tert.-butyldimethylsilyl derivatives, 2002, 265-274.
2. F. Sacher, F.T. Lange, H.-J. Brauch, J. Blankenhorn, 2001; Pharmaceu-ticals in groundwaters. Analitical methods and results of a monitoring program in Boden Württemberg, Germany; Journal of Chromatography A, Vol. 938, pp. 199-210.
3. V.Koutsouba, Th. Heberer, B. Fuhrmann, K. Schmidt-Baumler, D. Tsipi, A. Hiskia, 2003; Determination of polar pharmaceuticals in sewage water of Greece by gas chromatography mass spectrometry; Chemosphe-re, Vol. 51, pp. 69-75.
4. M. Stumpf, T. Ternes, R.-D. Wilken, S.V. Rodrigues, W. Bauman, 1999; Polar drug residues in sewage I natural waters in the state of Rio dr Ja-nerio, Brazil; Science of Total Environment, Vol. 225, pp. 135-141. 5. M.A. Soliman, J.A. Pedersen, J.H. Suffet, 2004; Rapid gas
chromato-graphy mass spectrometry screening method for human pharmaceuti-cals, hormones, antioxidants and plasticizers in water; Journal of Chro-matography A, Vol. 1029, pp. 223-237.
6. S. Weigel, U. Berger, E. Jensen, R. Kallenborn, H. Thoresen, H. Hühner-fuss, 2004; Determination of selected pharmaceuticals and caffeine in sewage and seawater from Tromsø/Norway with emphasis on ibuprofen and its metabolites; Chemosphere, Vol. 56, pp 583-592.
7. Ternes Th.A., Occurrence of drugs in German sewage treatment plants and rivers. Water research. 1998, 32, 3245-3260.
