English
Obecnie istnieje ponad 350 tys. zarejestrowanych chemikaliów i ich mieszanin, które są wykorzystywane w produkcji przemysłowej oraz codziennym użytkowaniu przez konsumentów [1]. Wiele z nich ostatecznie trafi do ścieków komunalnych i przemysłowych, stanowiąc rosnące wyzwanie dla oczyszczalni. Chociaż nowoczesne metody analityczne dają nam coraz większe możliwości wykrywania związków chemicznych w skomplikowanych matrycach środowiskowych, to wciąż stosunkowo niewiele wiemy na temat przyszłych konsekwencji ekologicznych i zdrowotnych, jakie niesie ze sobą ciągły kontakt, nawet z niskimi dawkami zanieczyszczeń.
Czym są mikrozanieczyszczenia?
W ciągu ostatnich 30 lat rozwój technik analitycznych pozwolił na wykrywanie w środowisku wodnym nawet bardzo niskich stężeń związków chemicznych, na poziomie mikro- oraz nanogramów w litrze. Początkowo substancje o tak małej koncentracji uważano za niegroźne dla środowiska oraz organizmów żywych. Jednak z czasem grupa mikrozanieczyszczeń powiększała się o kolejne substancje, a badacze obserwowali, że przynależące do niej związki organiczne, charakteryzują się niepokojącymi właściwościami, które mogą wpływać na organizmy żywe.
Mikrozanieczyszczenia to zarówno substancje pochodzenia antropogenicznego, jak i naturalne związki chemiczne. Zwykle są one toksyczne (cytotoksyczne, mutagenne, kancerogenne), zaburzają gospodarkę hormonalną, mają zdolności do kumulowania się w organizmach żywych, a nawet przechodzenia z pokolenia na pokolenie poprzez łożysko czy mleko matki [2]. Ponadto wykazują zwiększoną trwałość wiązań chemicznych, przez co ich biodegradacja i usunięcie ze środowiska są utrudnione [1].
Obecność mikrozanieczyszczeń lub inaczej tzw. substancji nowo pojawiających się (nazwa wprowadzona ze względu na wciąż wydłużającą się listę związków) została potwierdzona we wszystkich środowiskach wodnych, w tym w wodzie wodociągowej, i panuje powszechna zgoda, że ich głównym źródłem są ścieki – zarówno te nieoczyszczone, jak i oczyszczone. Mikrozanieczyszczenia pochodzą z farmaceutyków (leki przeciwzapalne, regulatory lipidów, leki przeciwdrgawkowe, antybiotyki, beta-blokery, stymulanty), produktów higieny osobistej (substancje zapachowe, środki dezynfekujące, filtry UV, środki odstraszające owady) oraz hormonów steroidowych (estrogeny) [2].
Na terenie Unii Europejskiej sklasyfikowano już ponad 100 tys. mikrozanieczyszczeń. Natomiast lista substancji chemicznych stale kontrolowanych w wodzie wodociągowej i ściekach stanowi tylko niewielki wycinek aktualnie dostępnej wiedzy naukowej. Wynika to nie tylko z braku fizycznych możliwości przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych do kontroli szerokiej grupy zanieczyszczeń, ale również z wciąż niejasnego i niepełnego obrazu ich szkodliwości. Mikrozanieczyszczenia często określa się jako „zanieczyszczenia budzące obawy” ze względu na brak informacji o wielkości zagrożenia, jakie stwarzają dla środowiska i ludzi [2, 3].
Dlaczego warto dalej badać mikrozanieczyszczenia?
W ściekach czy w wodach powierzchniowych mikrozanieczyszczenia są bardziej polarne, kwaśne lub zasadowe niż inne związki chemiczne, co czyni je szczególnie niebezpiecznymi. Wiele z nich jest hydrofobowych, wędrują przez kolejne etapy łańcucha pokarmowego, ponieważ gromadzą się w tkankach bogatych w lipidy lub mogą wpływać na układ hormonalny zwierząt i ludzi [4]. Trafiając do organizmu, mogą naśladować lub blokować naturalne hormony i zaburzać ich funkcjonowanie (estrogenów, androgenów, hormonów tarczycy).
Na przykład perfluorowane związki organiczne, występujące między innymi w kosmetykach, mają potwierdzone właściwości kancerogenne (nowotwory wątroby) oraz przyczyniają się do wzrostu ryzyka bezpłodności [4]. Z kolei triklosan, powszechnie występujący w mydłach antybakteryjnych czy pastach do zębów, może służyć jako czynnik potęgujący rozwój antybiotykooporności u bakterii, która w przyszłości będzie stanowić coraz większe globalne wyzwanie dla systemów ochrony zdrowia [5].
W środowisku wodnym mikrozanieczyszczenia mogą ulegać przemianom w mniej toksyczne produkty lub w jeszcze bardziej toksyczne substancje. Istnieje również zwiększone ryzyko adsorbowania ich w osadach i okresowego wymywania, przez co organizmy wodne mogą być narażone na podwyższone stężenia toksycznych zanieczyszczeń [4].
Ponieważ w środowisku wodnym mikrozanieczyszczenia występują w mieszaninach, efekty toksyczne pojedynczych substancji mogą się kumulować i generować synergistyczne lub antagonistyczne interakcje, prowadząc do tzw. efektu koktajlu, co zwiększa trudność analizy potencjalnego ryzyka [5].
Mikrozanieczyszczenia i efektywność ich usuwania w oczyszczalniach ścieków
Celem oczyszczania ścieków jest przede wszystkim usunięcie zanieczyszczeń organicznych, substancji biogennych (związków azotu i fosforu) oraz osadów i cząstek stałych. Na tym skupiają się aktualnie oczyszczalnie. Konwencjonalne metody obejmują procesy mechaniczne, chemiczne, biologiczne i fizykochemiczne, prowadzone m.in. na kratach, sitach, w piaskownikach, osadnikach wstępnych oraz komorach biologicznych.
Mówimy wtedy o oczyszczalniach mechaniczno-biologicznych, dwustopniowych. Wciąż niewiele obiektów decyduje się na dodanie trzeciego stopnia (np. w postaci sztucznych mokradeł czy zaawansowanych procesów membranowych), który mógłby zwiększyć ilość usuwanych zanieczyszczeń organicznych oraz poprawić ochronę zasobów wodnych. Często wynika to nie tylko ze względów ekonomicznych, ale również z braku dostępnego terenu wokół oczyszczalni czy z obaw lokalnych społeczności.
Procesy oczyszczania ścieków bazują głównie na wykorzystaniu mikroorganizmów, które usuwają zanieczyszczenia w procesach biologicznych. W praktyce ilość związków organicznych charakteryzowana jest przez parametry zastępcze w postaci Biologicznego Zapotrzebowania Tlenu oraz Chemicznego Zapotrzebowania Tlenu, które nie dają pełnej informacji o zanieczyszczeniach obecnych w ściekach i stąd konieczność identyfikowania stężeń konkretnych substancji wyszczególnionych na listach priorytetowych czy obserwacyjnych [6]. Jednak, jak już wcześniej wspomniano, liczba tych związków jest mocno ograniczona.
Procesy biologicznego oczyszczania opierają się głównie na wykorzystywaniu aktywnych mikroorganizmów – bakterii, pierwotniaków, grzybów, wrotków.
Mikrobiologiczne usuwanie mikrozanieczyszczeń może obejmować biodegradację, czyli całkowitą mineralizację substancji do biomasy i gazów. Ale często procesy przemian trwałych zanieczyszczeń organicznych prowadzą jedynie do biotransformacji, czyli niecałkowitego usunięcia związku macierzystego i wytworzenia jego metabolitów [6]. Mikrozanieczyszczenia w niskim stężeniu, w połączeniu ze stabilną strukturą chemiczną i nieoptymalnymi warunkami technologicznymi, są trudne do usunięcia.
Chociaż niedawne analizy donoszą o adaptacji mikroorganizmów osadów czynnych do usuwania mikrozanieczyszczeń, to dotyczy to często związków, które są wykorzystywane w przemyśle od prawie 100 lat, a więc ich długotrwała obecność pozwoliła na wytworzenie szlaków ewolucyjnych u bakterii. Jednak wśród trwałych zanieczyszczeń organicznych są też substancje, takie jak związki per- i polifluoroalkilowe (PFAS), które stanowią tzw. wieczne zanieczyszczenia, pomimo ponad pięćdziesięcioletniej obecności na rynku i częściowego wycofania z użytku. Ich trwałość w środowisku jest datowana na kolejne 100, a nawet 2000 lat [6].
Badania pokazują, że skuteczność usuwania zanieczyszczeń w konwencjonalnych oczyszczalniach ścieków jest niska, a nawet ujemna. Przyczyną może być transformacja form sprzężonych w wolne czy wspomniana już biotransformacja [7]. Efektywność usuwania mikrozanieczyszczeń w oczyszczalniach waha się od 13 do 100% i różni m.in. w zależności od fizykochemicznego charakteru substancji, biodostępności, warunków pracy komór biologicznego oczyszczania czy struktury społeczności mikroorganizmów. Analizy donoszą, że mikrozanieczyszczenia w konwencjonalnych układach mogą być usuwane efektywniej, jednak wymaga to wydłużenia czasu retencji osadu oraz zwiększenia jego napowietrzania, co generuje znaczne dodatkowe koszty [9].
Wydajność oczyszczania ścieków nie będzie taka sama w różnych krajach, a trendy w skali globalnej są zróżnicowane, często ze względu na dostęp do nowoczesnych rozwiązań i warunki ekonomiczne. Wybór zrównoważonej technologii oczyszczania ścieków jest zadaniem bardzo złożonym, wymaga uwzględnienia kryteriów ekonomicznych, środowiskowych i społecznych. Coraz większe znaczenie ma również zapotrzebowanie ze strony przemysłu na odzyskiwanie cennych surowców, takich jak woda, biogaz czy nawozy.
Wiemy, że mikrozanieczyszczenia negatywnie wpływają na nasze zdrowie, ale wciąż brakuje nam narzędzi do walki z degradacją zasobów wodnych. Najbliższe dekady z pewnością będą skupiały się na modernizacji dostępnych technologii oraz stopniowym wprowadzaniu nowoczesnych rozwiązań w postaci zaawansowanych procesów membranowych czy elektrochemicznych. Jednak to, co może w największym stopniu przyczynić się do przemiany technologicznej, to rozwiązania prawne.
W artykule korzystałam m.in. z prac:
[1] Yunqiao Zhou i inni, Which type of pollutants need to be controlled with priority in wastewater treatment plants: Traditional or emerging pollutants? Environment International 2019, 131, 104982 https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.104982
[2] Anindita Gogoi i inni, Occurrence and fate of emerging contaminants in water environment: A review, Groundwater for Sustainable Development 2017, 6, 169–180 https://doi.org/10.1016/j.gsd.2017.12.009
[3] Ionela Cătălina Vasilachi i inni, Occurrence and Fate of Emerging Pollutants in Water Environment and Options for Their Removal, Water 2021, 13, 2, 181 https://doi.org/10.3390/w13020181
[4] Monika Dubey i inni, Occurrence, fate, and persistence of emerging micropollutants in sewage sludge treatment, Environmental Pollution 2021, 273, 116515, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.116515
[5] Ana B. Rios Miguel i inni, The role of mobile genetic elements in organic micropollutant degradation during biological wastewater treatment, Water Research X 2020, 9, 100065 https://doi.org/10.1016/j.wroa.2020.100065
[6] Ana B. Rios-Miguel i inni, Predicting and improving the microbial removal of organic micropollutants during wastewater treatment: A review, Chemosphere 2023, 333, 138908 https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.138908
[7] Jemal Fito & Stijn W.H. Van Hulle, Wastewater reclamation and reuse potentials in agriculture: towards environmental sustainability, Environment, Development and Sustainability 2021, 23, 2949–2972 https://doi.org/10.1007/s10668-020-00732-y
[8] Teddy Kabeya Kasonga i inni, Endocrine-disruptive chemicals as contaminants of emerging concern in wastewater and surface water: A review, Journal of Environmental Management 2021, 277, 111485 https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.111485
[9] Nadeem A. Khan i inni, Recent trends in disposal and treatment technologies of emerging-pollutants- A critical review, TrAC Trends in Analytical Chemistry 2020, 122, 115744 https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.115744
