Representativ belastning av antibiotika på

Representativ belastning av antibiotika på avloppsreningsverk: Prognosnoggrannhet och bestämning av erforderlig provtagning En uppskattning av belastningen av antibiotika på ett avloppsreningsverk är av stort intresse och den kan göras med hjälp av uppgifter om receptdata inom ett upptagningsområde eller genom provtagning och analys. Provtagning och analys gav en säkrare uppskattning men det erfordrades mellan 20 och 40 prov per år jämt fördelade under året för en tillfredsställande noggrannhet.

Av: Bengt Andersson

Uppskattning av inkommande belastning av antibiotika på ett avloppssystem och omgivningen görs ofta med hjälp av uppgifter om produktion, försäljning och receptutfärdande av antibiotika på nationsnivå. Det föreligger stora osäkerheter att tillämpa sådana data på upptagningsområde för enskilda avloppsreningsverk. Flera undersökningar och studier runt om i världen har genomförts för att utvärdera och jämföra prognostiserade och uppmätta belastningar av antibiotika på avloppsreningsverk med varierande resultat. Baserat på nuvarande kunskapsnivå kan två frågeställningar urskiljas:

Är extrapolering av lämpliga data för produktion, försäljning och receptutskrivning av antibiotika kombinerat med uppgifter om den mänskliga utsöndringen av antibiotika tillräckligt noggrann för att uppskatta belastningen på ett avloppsreningsverk?

Hur många prov och analyser erfordras för att bestämma en karakteristisk belastning av antibiotika på ett avloppsreningsverk om alternativa indata inte är tillgängliga?

Syftet med genomförd studie var att försöka besvara frågorna genom ett omfattande provtagningsprogram vid avloppsreningsverket i Dresden-Kaditz under en 15 månader lång period. Bestämningen av belastningen baserad på provtagning och analyser jämfördes med prognostiserade värden baserade på receptdata för upptagningsområdet kompletterat med  information om utsöndringshastigheter från litteraturdata. Med den databas med högupplöst substansspecifik information, som skapades genom undersökningen, var även syftet att utvärdera hur många prov som erfordras för en nöjaktig uppskattning av den årliga belastningen av antibiotika. 

Genomförande av undersökningen

14 ämnen undersöktes ur antibiotikagrupperna makrolider (azithromycin, klaritromycin och roxitromycin), tetracykliner (doxycyklin), cefalosporiner (cefuroxin, cefotaxim), sulfonamider (sulfametoxazol, trimetoprim), likosamider (klindamycin), b-laktamer (penicillin V, piperacillin, amoxicillin) och kinoloner (ciprofloxacin, levofloxacin).

En projektionsmodell baserades på receptdata från ett stort försäkringsbolag (41 % av invånarna i Dresden var försäkrade i AOK PLUS med receptdata tillgängliga för åren 2005 till 2012 med uppgifter på veckobas) och från tre huvudsjukhus (med en täckning av 65 % av det totala antalet sjukhussängar och med receptdata för 2011 och 2012 med uppgifter på månadsbas). I de flesta fallen skrevs recept på sjukhus jämt fördelat under året. Övriga recept uppvisade olika grad av säsongsvariationer. Insamlade uppgifter antogs vara representativa för hela upptagningsområdet.

Undersökningen genomfördes under 2013 och därför gjordes en prognos för förhållandena under 2013 baserad på data för 2005 – 2012 i två steg med hjälp av Eulers metod för att lösa ordinära differentialekvationer. Första steget avsåg säsongsvariationer med ett normaliserat mönster och där den månatliga standardavvikelsen användes för kvantifiering av säsongsosäkerheten. I det andra steget gjordes trendprognoser baserat på tidigare 2, 3 resp. 4 åren och bestämning av trendosäkerheten. En väsentlig länk mellan receptdata för läkemedel och förekomsten i inflödet till reningsverket var den mänskliga utsöndringen av antibiotika. Inga uppgifter kunde erhållas från läkemedelsföretagen utan en skattning av värdeintervall gjordes med hjälp av litteraturdata och osäkerheten beräknades som förhållandet mellan värdeintervallet och medelvärdet. Litteraturdata visade stora variationer i utsöndringshastighet med mellan 10 och 35 % för klindamycin och mellan 60 och 95 % för piperacillin.

Provtagningsprogrammet omfattade tiden från oktober 2012 till december 2013. Samtliga ämnen analyserades dagligen i flödesproportionella 24-timmarsprov. Analyserna gjordes med hjälp av vätskekromatografi/masspektrometri (LC-MS/MS). De maximala analysfelen vid tillsats av 100, 1000 och 5000 ng/l till utspädd urin varierade mellan 5,9 % för klindamycin till 14,6 % för amoxillin. Tester av nedbrytningen av antibiotika vid aeroba och anaeroba förhållanden gjordes även genom laboratorieexperiment.

Databasen från provtagningarna förutsattes kunna användas som ett representativt medelvärde för belastningen av antibiotika på avloppsreningsverket i Dresden. För att illustrera betydelsen av antalet prov som erfordras för en avvikelse från det representativa medelvärdet med mindre än 20 % uteslöts provvärden slumpmässigt från datamängden för varje enskilt ämne. Antalet uteslutningar varierades mellan en och det största antalet tillgängliga data. Varje uteslutning omfattade 1 prov, 2 prov, 3 prov osv. upprepat 500 gånger.

Resultat

Projektions- och prognosmodellerna kunde verifieras genom långtidsprovtagningen för de flesta antibiotika som ingick i undersökningen. Dessutom kunde experimenten i laboratoriet avseende stabiliteten av antibiotika i obehandlat avloppsvatten ge en förbättrad förståelse för vad som kan hända under transporten i avloppsledningarna.

Belastningen av antibiotika enligt projektionsmodellen innefattade osäkerheter av olika slag. Variationerna av mänsklig utsöndring från litteraturdata varierade mellan 10 och 20 % i genomsnitt och där några ämnen uppvisade en osäkerhet upp till 50 %. Osäkerheten i säsongsvariationer uppgick till mellan 11 och 13 % för gruppen makrolider medan medelvärdet för övriga ämnen uppgick till omkring 6 %. Osäkerheten i trendprognosen uppgick till mellan 10 och 20 % men för doxycyklin var osäkerheten drygt 50 %. Sammantaget var osäkerheten av modellerad belastning av antibiotika mellan 30 och 50 % utom för klindamycin och doxycyklin, som uppgick till 62 respektive 112 %.

Årstidsvariationer av uppmätta halter av makrolider och sulfonamider stämde mycket väl med förväntade värden. Doxycyklin, kinoloner och cefuroxim uppvisade oväntat stora variationer under året, vilket inte var i överensstämmelse med de små variationer i receptutskrivningen som förelåg under året. Så gott som alla undersökta ämnen i b-laktamfamiljen (penicillin V, piperacillin, amoxicillin, klindamycin och cefotaxim) uppvisade en stor nedbrytningshastighet i avloppsledningarna med en låg uppmätt halt i inkommande avloppsvatten i förhållande till förväntade värden.      

Erforderligt antal prov för att avvikelsen från det representativa medelvärdet skulle vara mindre än 20 % varierade för de olika ämnena. För sulfametoxazol och trimetoprim, som var de mest pålitliga mätningarna, erfordrades 10 prov per år medan det erfordrades 160 prov för penicillin och amoxillin. För övriga undersökta ämnen erfordrades mellan 30 och 80 prov per år för en nöjaktig bestämning av belastningen. Osäkerheten och därmed antalet erforderliga prov påverkas även av andra faktorer som längd och struktur på ledningssystemet och upptagningsområdets storlek samt av provtagningen vad gäller representativitet, provlagring och analysmetoder. En generaliserad rekommendation gavs att mellan 20 och 40 prov per år, jämt fördelade under året beroende på eventuella säsongsvariationer, erfordrades.  Det innebar att de flesta provtagningsprogram, som har refererats i litteraturen, har baserats på alldeles för få prov som gett signifikanta fel större än 50 %.

Slutsatser

Studien visade att

Källa: C. Marx, V. Mühlbauer, S. Schubert, R. Oertel, M. Ahnert, P. Krebs, V. Kuehn. Representative input load of antibiotics to WWTPs: Predictive accuracy and determination of a required sampling quantity. Water Research 76 (2015) pp 19 – 32.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.