Utveckling av membranbaserade analysmetoder och mätning av läkemedelsrester i avloppsvatten och slam Projektrapport 2011 Estelle Larsson Jan Åke Jönsson Miljövetenskapliga samt Kemiska institutionen
1. Inledning Detta utgör den andra rapporten rörande forskningsprojektet kring mätning av läkemedelsrester i avloppsvatten och slam. I denna rapport kommer enbart genomförda samt pågående studier att redovisas, för information om projektets bakgrund, metoder etc. hänvisas till tidigare rapport (2010). 2. Pågående och genomförda studier 2.1 Avlägsnande av smärtstillande läkemedel via slam under avloppsreningen Det har i ett flertal oberoende studier påvisats att detekterbara halter av smärtstillande läkemedel återfinns i såväl inkommande som utgående vatten i reningsverk från olika delar av världen. Det har också visat sig att trots likheter i såväl kemiska som fysikaliska egenskaper skiljer sig reningsgraden avsevärt åt mellan de olika substanserna. Förklaringen till detta är ännu okänd liksom vilka mekanismer som i detalj ligger bakom elimineringen av dessa substanser från vattnet, d.v.s. i vilken utsträckning de avlägsnas via de olika slamtyperna respektive bryts ner till koldioxid och vatten eller andra substanser på mikrobiell väg. Den allmänna teorin är att avlägsnande via slam utgör en mycket liten del av den totala elimineringen då dessa läkemedel är syror och därmed negativt laddade vid det ph som råder i reningsverket. Därför antas de binda till slam i mycket liten utsträckning då deras negativa laddning dels ger dem hög vattenlöslighet och dels leder till att de repelleras av slampartiklarna vilka också är negativt laddade vid detta ph. Mycket få studier där verkliga mätningar gjorts i framförallt de olika slamfaserna har dock genomförts p.g.a. de svårigheter vilka är knutna till mätning av så låga halter i denna typ av komplexa prover. Olika provupparbetningstekniker måste användas för vatten respektive slam och dessa har också vissa begränsningar. Syftet med denna studie har därför varit att baserat på Ester Sagristàs tidigare arbete med rötslam [1], vidareutveckla och optimera membranextraktion, en enkel effektiv och miljövänlig provupparbetningsteknik, så att denna kan tillämpas på såväl vatten- som slamprover från alla olika delar av reningsverkets vattenreningsprocess. Denna studie har genomförts under 2011 av Estelle Larsson och inleddes med en metodutvecklingsdel där prover hämtats från sju olika punkter i Källby reningsverk, Lund (fig. 1). Fig. 1 Provtagningspunkter i reningsverket markerade med stjärnor. De olika provtagningspunkterna har valts så att studien ska kunna ge svar på hur mycket av respektive läkemedel som når verket via inkommande vatten, hur mycket som avlägsnas via primärslammet respektive följer med vattnet in i biosteget, hur mycket som avlägsnas via bioslammet respektive följer med vattnet vidare till kems- 2
teget och slutligen hur mycket som avlägsnas via kemslammet respektive lämnar verket med utgående vatten. Parametrar såsom spädning av prover, homogenisering och spikning (d.v.s. tillsats av kända halter av de olika läkemedlen, s.k. standardaddition) har optimerats och metodens prestation utvärderats. Därefter har prover hämtats från de tre första punkterna (inkommande, primärslam, försedimentering ut) den 26 september och från de fyra sista (bioslam, bio ut, kemslam, utgående) den 3 oktober 2011 och extraherats med den optimerade metoden. Erhållna extrakt har därefter analyserats med högupplösande vätskekromatografi tandem-masspektrometri (LC-MS/MS). Flöden hos vatten och slam har erhållits från VA Syd och de uppmätta koncentrationerna har korrigerats för flödesvariationer i de olika slam- och vattenströmmarna. Studien är nu avslutad och har resulterat i författandet av ett manuskript till en vetenskaplig artikel vilket skickats in till tidskriften Water Research den 19 mars 2012. Studien visar att den optimerade metoden fungerar bra för extraktion av både ketoprofen, naproxen, diklofenak och ibuprofen från såväl avloppsvatten som slam. När proverna späds 10 eller 5 gånger (beroende på deras komplexitet) och homogeniseras före extraktion ger metoden över 1 000 gånger anrikning av alla fyra läkemedlen i alla provtyper. Den relativa standardavvikelsen (RSD) hos uppmätta halter ligger i de flesta fall på acceptabla nivåer (ca 12 %). I något fall är denna något högre, men det är vår tro att detta kan åtgärdas med en annan typ av försegling av hålfiberna och mer effektiv homogenisering av proverna. En sammanfattning av resultaten visas i fig. 2 respektive 3. Fig. 2 Massbalans för ketoprofen och naproxen i vattenbehandlingsprocessen i Källby renings-verk, Lund. 3
Fig. 3 Massbalans för diklofenak och ibuprofen i vattenbehandlingsprocessen i Källby renings-verk, Lund. Studien visar att ibuprofen och naproxen är de substanser vilka förekommer i inkommande vatten i högst halter, men också de som renas bort mest effektivt. Enbart en liten del återfinns dock i slammet vilket tyder på att den dominerande reningsmekanismen är biologisk nedbrytning. Generellt sett hamnar en mycket liten andel av läkemedlen i slammet, vilket bekräftar existerande teorier. Dock finns mätbara halter av de fyra läkemedlen i nästan alla slamprover. 2.2 Avlägsnande av smärtstillande läkemedel under rötning av slam Ovannämnda studie har visat att även om halterna är låga så förekommer alla fyra läkemedlen i det slam som avlägsnas från vattnet under reningen. De tre slamtyperna (primär-, bio- och kemslam) sammanförs sedan till ett slam, s.k. råslam, som efter avvattning i olika steg rötas i en rötkammare under anaeroba (syrefria förhållanden) i ca 20 dagar. Under rötning bryts komplexa organiska molekyler som fetter, proteiner och kolhydrater ner till mer enkla molekyler under utveckling av metangas. Det finns två olika typer av rötning, mesofil rötning vilken sker vid 37 C och termofil rötning vilken sker vid 55 C. Frågeställningen i denna studie är vad som sker med de läkemedel som finns i råslammet under själva rötningen. Sker det någon signifikant nedbrytning och finns det någon skillnad i effektivitet hos mesofil respektive termofil rötning när det gäller att avlägsna smärstillande läkemedel? Studien kommer att bestå av två delar, en metodutvecklingsdel där membranextraktion optimeras för extraktion av smärtstillande läkemedel från råslam respektive rötslam (detta skiljer sig från det slam som analyserats i tidigare studier av Sagristá [1]och Saleh [2] då det inte genomgått någon avvattning och därmed är mycket vattenrikt) samt en mätdel där metoden tillämpas på prover från två olika 4
reningsverk som tillämpar de olika typerna av rötning. Studien kommer att inkludera såväl de fyra ursprungssubstanserna som 7 olika nedbrytningsprodukter av dem. Studien kommer laborativt att genomföras av Said al Hamimi, masterstudent i analytisk kemi, under handledning av Estelle Larsson. Studien kommer att påbörjas den 21 mars 2012 och pågå under ett år framöver. 2.3 Undersökning av adsorptionsmekanismer Som påvisades i studie 1 ovan finns det skillnader i hur stor utsträckning de olika läkemedlen binder till olika typer av slam och det är av stort intresse att förstå detta. Både för att förstå processerna i reningsverket och för att. Denna studie syftar till att studera olika fysikalisk-kemiska egenskaper hos de olika slamtyperna för att undersöka om det finns skillnader i dessa mellan primär-, bio- och kemslam vilka kan förklara skillnader i adsorption av smärtstillande läkemedel. Denna studie genomförs av Estelle Larsson i samarbete med organisk kemi och har hittills innefattat studie av påverkan av ph på adsorbtionen, mätning av totalt organiskt kol (TOC) samt järn, aluminium och kalicium i primär-, bio- och kemslam (utförda av Växtekologen, ) Humussyror har också extraherats från primär- och bioslam och skall undersökas med NMR- och IR-spektroskopi för att kartlägga eventuella skillnader i kemisk struktur. Även anjonbytarkapacitet (d.v.s. förmågan att binda negativt laddad molekyler) kommer att undersökas. Studien beräknas vara avslutad i juni 2012. 2.4 Fördelning av smärtstillande läkemedel mellan vatten och typer av slam Ovanstående studier fokuserar huvudsakligen på de processer som sker i reningsverket, ett dynamiskt och flödande system där olika processer som t.ex. fördelningen av läkemedel mellan vatten och slam, sällan hinner nå jämvikt. Inom ramen för den danska forskarskolan RECETO kommer Estelle även i ett projekt under vår/sommar att studera fördelningen mellan vatten och de olika slamtyperna i ett kontrollerat laboratorieexperiment där slamproverna placeras inuti dialysmembran vilka sänks ner i en vattenlösning. Läkemedlen kommer sedan att fördela sig mellan vatten och slam och analys av slamproverna kommer att ge information om hur denna fördelning skiljer sig åt mellan olika slamtyper. Studien beräknas vara avslutad till hösten 2012. 2.5 Förekomst och bildning av nedbrytningsprodukter under avloppsrening Som visats ovan verkar det som att bionedbrytning står för en stor del av avlägsnandet av smärtstillande läkemedel under avloppsreningen. Det är därför av stort intresse att studera förekomsten av nedbrytningsprodukter i de olika delarna av reningsverket. Detta är en studie Estelle kommer att arbeta med huvudsakligen under hösten 2012, men några initiala försök att extrahera flera nedbrytningsprodukter med hålfiber har redan inletts. Detta kommer också att vara en del av det arbete som redovisas under punkt 4.2 ovan och som kommer att inkludera dessa substanser. 2.6 Mätning av hormoner i rötslam Det arbete som pågår och som gjorts hittills har fokuserat på smärtstillande och antidepressiva läkemedel. Även hormoner är av intresse då de tillhör en grupp av föreningar som har påvisade miljöeffekter i låga halter. I ett pågående projekt arbetar därför Charlotte Kåse under handledning av Jose Manuel Cortes med att utveckla en 5
metod för extraktion av fler olika hormoner ur rötslam och sedan tillämpa denna på prover av rötat och lagrat slam redo att spridas på åkermark. Studien har nyss påbörjats och beräknas vara klar före årsskiftet. 2.7 Direkt extraktion av antidepressiva läkemedel från slam och mätning i utgående slam Denna studie genomfördes under hösten 2010 av Ester Sagristà och Jose Manuel Cortes och syftet var att utveckla och utvärdera två olika metoder för extraktion av antidepressiva läkemedel från centrifugerat slam. Den ena metoden utgörs av direkt membranextraktion (HF-LPME), vilken tidigare tillämpats framgångsrikt för smärtstillande läkemedel i slam [1]. Den andra metoden utgörs av extraktion med varmt vatten under tryck följt av upprening med hålfibermembran (PHWE-HF- LPME). Initiala försök har tidigare gjorts med fluoxetin och dess nedbrytningsprodukt norfluoxetin, men denna studie syftade till att inkludera fler ämnen vilket gör metoderna mer kraftfulla och användbara. Försök har därför gjorts att simultant extrahera paroxetin, sertralin, citalopram, fluoxetin och norfluoxetin från centrifugerat slam. Resultaten visar att alla substanserna förekommer i slammet (tabell 1). Ett vetenskapligt manuskript har författas och skickats in till tidskriften Journal of Separation Science. Tabell 1 Koncentrationer av antidepressiva läkemedel uppmätta i rötslam med två olika metoder. 2.8 Studie av upptag av smärtstillande läkemedel i vete och sojabönor I denna studie, utförd av Jose Manuel Cortes, har vete och sojabönor gödslats med slam från Källby reningsverk i Lund. Slammet har mellanlagrats i 6 månader i enlighet med REVAQ och slamgivan har beräknats av VA Syd baserat på det aktuella slampartiets fosforinnehåll. D.v.s. samma mängd slam har använts som vid verklig gödsling av åkermark. Analys av slammet visar att det innehöll ibuprofen och diklofenak i detekterbara halter, men ej ketoprofen och naproxen. Växter (ej rötter) har skördats efter 60 och 100 dagar och analyserats m a p de fyra substanserna ketoprofen, ibuprofen, naproxen och diklofenak. I inget av fallen har något av läkemedlen kunnat påvisas, varken efter 60 eller 100 dagar. Detta betyder att sker det ett upptag i växter så är detta mycket litet och ej mätbart med våra metoder. 5. Användning av erhållna medel De medel som erhållits tidigare har delvis använts för reparation och underhåll av vårt viktigaste analysinstrument, (LC-QTOF masspektrometer), dessutom för driftskostnader, kemikalier, resor mm. Lönemedel för Estelle kommer för närvarande från Inst. för miljövetenskap och från den danska forskarskolan RECETO, men dessa medel kommer att behöva kompletteras med lönemedel från en del av anslaget 6
från Regionen från november 2012. När projektet avslutats kommer en fullständig ekonomisk redovisning att lämnas. 6. Tack till Utöver de personer som omnämnts ovan vill vi gärna tacka följande personer: Maria Mases, Per-Åke Rask, Jan Nilsson och Michael Cimbritz från VA Syd/Källby avloppsreningsverk för hjälp med provtagning och värdefull information om reningsverket. Utöver Region Skåne finansieras denna forskning av Centrum för miljö- och klimatforskning vid, den danska forskarskolan RECETO samt Vetenskapsrådet. Estelle vill också tacka Kungliga fysiografiska sällskapet samt Craafordstiftelsen (via Olof Berglund) för ekonomiska bidrag till utrustning. 7. Kontakt För frågor, vänligen kontakta Estelle Larsson (estelle.larsson@organic.lu.se, 0734-393 100 eller Jan Åke Jönsson (jan_ake.jonsson@organic.lu.se, 046-222 82 09). 8. Referenser 1. Sagristà, E., E. Larsson, M. Ezoddin, M. Hidalgo, V. Salvadó, and J.Å. Jönsson, Determination of non-steroidal anti-inflammatory drugs in sewage sludge by direct hollow fiber supported liquid membrane extraction and liquid chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A, 2010. 1217: p. 6153-6158. 2. Saleh, A., E. Larsson, Y. Yamini, and J.Å. Jönsson, Hollow fiber liquid phase microextraction as a preconcentration and clean-up step after pressurized hot water extraction for the determination of non-steroidal anti-inflammatory drugs in sewge sludge. J. Chromatogr. A, 2011. 1218: p. 1331-1339. 7