Läkemedelsrester: Kombinerade effekter av applikation

Många läkemedel hamnar i naturen antingen med utgående avloppsvatten eller med det slam som kan vara basen i ett biogödsel. På många håll i världen med begränsad vattentillgång används utgående avloppsvatten för bevattning av gröda samtidigt som jordbruksmarken kan tillföras biogödsel. Det är viktigt att förstå mekanismerna för vart läkemedlen tar vägen som tillförs marken på detta sätt.

Av: Bengt Andersson

Läkemedelsrester kan tillföras jordbruksmiljön genom bevattning med renat avloppsvatten och genom gödsling med slam eller kompost. Transportprocesser i marken kan avgöra hur läkemedelsrester och relaterade risker kan påverka miljön och det är viktigt att ha kunskap om hur dessa transportprocesser fungerar och påverkas.

Många rapporter har visat en ökad fördröjning av läkemedelsrester i mark då halten organiska ämnen i marken (SOM) ökar. Dessutom kan innehållet av löst organiskt material (DOC) även påverka rörligheten. Tillförsel av biogödsel till jordbruksmark (och då framför allt till mark med lågt SOM) ökar innehållet av SOM och kan således potentiellt öka sorption och fördröjning av läkemedel i mark.

Lösningskemin kan även påverka transporten av läkemedelsrester i marken och eftersom många läkemedel är uppbyggda av skilda funktionella grupper kan deras laddning förändras med pH-värdet och därmed deras rörlighet. Koncentrationsnivån av läkemedelsrester kan påverka rörligheten men om denna effekt inte är särskilt känd. Dessutom har effekten av samtidig tillförsel av biogödsel och bevattning med avloppsvatten inte belysts tidigare.
Syftet med genomförd undersökning var att studera mekanismerna som påverkar rörligheten av läkemedelsrester i jordar med låg halt SOM i ett system med biogödsling och bevattning med avloppsvatten. Vidare var syftet att påvisa effekten av koncentrationen av läkemedelsrester på rörligheten och hur ämnena påverkas i fält.

Genomförande av undersökningen
Studien genomfördes i glaskolonner packade med jord från ett odlingsfält i Israel. Jordskiktet var 15 cm och över detta applicerades ett 5 cm tjockt lager med jord och inblandad kompost mellan 0 och 10 % på volymbasis. Kolonnerna mättades med olika bakgrundslösningar.
Studerade läkemedel indelades i fyra olika grupper:

Kolonnerna tillfördes 4 porvolymer med bakgrundslösningen som tillförts ett inert spårämne (10 mg/l kaliumbromid) och undersökta läkemedel i en koncentration av 1 mg/l av vardera. Därefter tillfördes kolonnerna 4 till 10 porvolymer med samma bakgrundslösning men utan läkemedel och spårämne.

Analyser gjordes av pH, elektrisk konduktivitet, läkemedel och bromidkoncentration.
Genombrottsförsök i kolonner är ett vanligt sätt att jämföra hur olika lösta ämnen uppför sig vid olika förhållanden. Starkare samspel mellan ett löst ämne och jorden minskar mobiliteten och ökar fördröjningen. Ytan under genombrottskurvan visar återvinningen av ett löst ämne och kan indikera om ämnet är irreversibelt kvarhållet i kolonnen eller om det har brutits ned.

Formen på genombrottskurvan kan visa om ett jämviktstillstånd råder eller inte.
Fyra olika bakgrundslösningar med olika saltinnehåll och innehåll av organiskt material undersöktes – 10 mM CaCl2, utgående biologiskt renat avloppsvatten från ett avloppsreningsverk, 10 mM CaCl2 med DOC och ett syntetiskt avloppsvatten utan DOC.
Kompletterande försök gjordes med läkemedelshalter mellan 0,4 och 1 μg/l för att utröna effekten av lägre koncentration av läkemedel.

En fördröjningsfaktor beräknades som anger förhållandet mellan porvolymen som behövs för att uppnå halva den initiella koncentrationen av resp. läkemedel och porvolymen för att uppnå halva den initiella koncentrationen av det inerta spårämnet.

Resultat

Fyra försök genomfördes för att studera effekten av olika tillförsel av biogödsel i det översta 5 cm skiktet (0 5, 2,5 %, 5 % och 10 %). I försöken var CaCl2 bakgrundslösning och läkemedelshalterna uppgick till 1 mg/l. Alla läkemedel utom SMX visade en ökad retardation vid ökad tillförsel av biogödsel. Halterna av GFB, CBZ och DCF var låga ut från kolonnerna utan biogödsel och de minskade ytterligare med biogödsel i kolonnerna. Massbalanser för dessa ämnen visade en 100 %-ig återvinning och att ingen nedbrytning skett. Halten av SMX, NAP och SPD i utgående vatten var höga oavsett tillförd mängd biogödsel. Det fanns ingen korrelation mellan beräknade retardationskoefficienter och generella kemiska data för ämnena.

Fyra försök gjordes för att studera effekten av bakgrundslösningens egenskaper med de fyra lösningar som beskrivits ovan. Översta 5 cm skiktet i kolonnerna innehöll 5 % biogödsel och läkemedelshalterna var 1 mg/l. pH i lösningarna var viktiga såväl före som efter kolonnen. pH-värdet med avloppsvatten med eller utan DOC uppgick till mellan 8,4 och 8,5 såväl före som efter kolonnerna medan pH-värdet i CaCl2-lösningarna ökade från 6,2 före till 7,4 efter kolonnerna. Halterna av SMX, SPD och CBZ påverkades inte av sammansättningen av bakgrundslösningarna. Rörligheten för NAP, GFB och DCF ökade då avloppsvatten utgjorde bakgrundslösningen oavsett innehållet av DOC. Halten DOC hade ingen effekt på mobiliteten och det var istället det högre pH-värdet i avloppsvattnet som förorsakade den ökade mobiliteten.

Koncentrationen av läkemedel längs kolonnerna bestämdes i ett försök med 5 % biogödsel i översta skiktet, med CaCl2 som bakgrundslösning och med läkemedelshalterna av 1 mg/l. Halterna var högre i det översta skiktet av kolonnen för alla läkemedlen, vilket underströk biogödslingens roll vad gäller sorption och retardation av läkemedel. En jämförelse av två försök med olika bakgrundslösningar (CaCl2 resp. avloppsvatten) gjordes i slutet av ett försök. Endast halten DCF kunde detekteras i jordproven. Resultatet visade tydligt att halten av DCF i översta skiktet av kolonnen var signifikant högre med CaCl2 än med avloppsvatten som bakgrundslösning på grund av att mobiliteten ökar med avloppsvatten. Massbalanser visade att mellan 94 och 114 % av läkemedlen återfanns och att ingen nedbrytning eller kemisk omvandling ägt rum i kolonnerna.
Tre försök gjordes med läkemedelshalter mellan 0,4 och 1 μg/l, som mera överstämmer med i verkligheten förekommande halter. I två av försöken tillfördes 5 % biogödsel och i det tredje försöket tillfördes ingen biogödsel. Bakgrundslösningen utgjordes av CaCl2. I ett av försöken med biogödsel tillsattes DOC till bakgrundslösningen. Resultatet visade att biogödsling generellt ökar retardationen. Däremot erhölls avvikande genombrottskurvor för SPX, där retardationen var obetydlig vid de högre läkemedelskoncentrationerna men mycket påtaglig vid de lägre halterna. Detta gällde även för SPD även om effekten var mindre markant. Det var uppenbart att transportmekanismerna för läkemedel i mera normala halter påverkades av processer som inte framträdde vid försök med läkemedel i högre halter och att irreversibel sorption av läkemedel i lägre halter var mer uppenbar.

Slutsatser

Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:

Källa: O. Borgman, B. Chefetz. Combined effects of biosolids application and irrigation with reclaimed wastewater on transport of pharmaceutical compounds in arable soils. Water Research 47 (2013) pp 3431 – 3443.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.