Oczyszczone ścieki w uprawach – czy są bezpieczne dla zdrowia?

Czy oczyszczone ścieki rodzą zagrożenia zdrowotne?

Postępujące zmiany klimatyczne i ograniczone zasoby wodne skłaniają rolnictwo do poszukiwania alternatywnych źródeł nawadniania, takich jak oczyszczone ścieki. Praktyka ta rodzi jednak obawy dotyczące obecności w takich wodach farmaceutyków i innych związków określanych jako compounds of emerging concern (CEC). Szczególne zaniepokojenie budzi karbamazepina (CBZ) – lek przeciwpadaczkowy stosowany w leczeniu ADHD, choroby afektywnej dwubiegunowej typu I i neuralgii trójdzielnej. Ze względu na swoją trójpierścieniową strukturę dibenzoazepinową, CBZ wykazuje wyjątkową trwałość w środowisku, a konwencjonalne metody oczyszczania ścieków usuwają zaledwie około 7% tego związku. Badania wskazują, że CBZ może nie ulegać adsorpcji na cząstkach stałych w ściekach lub glebie, co wymaga zastosowania zaawansowanych metod utleniania w celu jej usunięcia lub degradacji. W badaniu obejmującym 1052 lokalizacje w 104 krajach, częstość wykrywania CBZ wynosiła 62%, co wskazuje na powszechność tego farmaceutyku w środowisku.

Kontrolowane środowisko rolnicze (CEA) wykorzystujące systemy hydroponiczne do produkcji warzyw liściastych i innych wysokowartościowych upraw ogrodniczych oferuje liczne korzyści, takie jak zwiększona efektywność wykorzystania wody, całoroczna uprawa, zmniejszone zagrożenie szkodnikami i chorobami oraz wysoka wydajność. Systemy te są również oceniane pod kątem tworzenia bardziej zamkniętych obiegów, minimalizujących zarówno nakłady, jak i odpady. Wykorzystanie oczyszczonych ścieków jako źródła nawadniania w hydroponice może znacząco przyczynić się do oszczędności wody. Jednak obecność trwałych CEC w oczyszczonych ściekach stanowi wyzwanie dla zrównoważonego wykorzystania wody.

Jak przeprowadzono badania nad CBZ w hydroponice?

Badacze z Texas Tech University przeprowadzili kompleksowe badanie mające na celu ocenę wpływu różnych stężeń karbamazepiny na wzrost sałaty (Lactuca sativa var. capitata) uprawianej w systemie hydroponicznym typu deep water culture (DWC) oraz analizę akumulacji i dystrybucji tego farmaceutyku w różnych częściach rośliny. Przeprowadzono dwa eksperymenty: pierwszy z niższymi stężeniami CBZ (0, 12,5, 25 i 50 μg/L), drugi z wyższymi (0, 21, 41 i 83 mg/L). W obu przypadkach monitorowano parametry wzrostu roślin oraz stężenie CBZ w tkankach przez cały cykl uprawy.

Eksperymenty przeprowadzono w szklarni Texas Tech University. W pierwszym badaniu, prowadzonym od czerwca do września 2021 roku, temperatura wahała się od 17,56°C do 36,19°C, a wilgotność od 21,5% do 100%. Drugie badanie przeprowadzono od listopada 2022 do stycznia 2023, z temperaturą w zakresie 14,28°C do 24,39°C i wilgotnością od 47,12% do 74,91%. System hydroponiczny składał się z pojemników o pojemności 7 L, z pięcioma pojemnikami dla każdej z czterech grup badanych. Nasiona sałaty masłowej typu Buttercrunch wysiano w kostkach z wełny mineralnej, a następnie przeniesiono do plastikowych doniczek hydroponicznych. W każdym pojemniku umieszczono sześć roślin, co dało łącznie 30 roślin na grupę i 120 roślin w każdym eksperymencie.

Jak CBZ wpływa na wzrost roślin uprawnych?

W pierwszym eksperymencie, przy niższych stężeniach CBZ, zaobserwowano niewielkie różnice w parametrach wzrostu między grupami badanymi. Interesujące jest, że przy stężeniu 25 μg/L wystąpił nawet nieznaczny efekt stymulujący wzrost, choć nie był on statystycznie istotny. Analiza zawartości CBZ w tkankach roślinnych wykazała, że najwyższe stężenie znajdowało się w próbkach z grupy otrzymującej 50 μg/L, co potwierdza zależność między dawką a akumulacją w tkankach roślinnych.

Drugi eksperyment z wyższymi stężeniami CBZ ujawnił wyraźne negatywne efekty na wzrost roślin przy dawkach przekraczających 21 mg/L. Rośliny poddane działaniu 83 mg/L CBZ były znacząco mniejsze i wykazywały objawy fitotoksyczności, w tym nekrozę krawędzi liści. Co istotne, analiza dystrybucji CBZ w różnych częściach rośliny wykazała, że największe stężenie znajdowało się w liściach zewnętrznych, następnie w liściach wewnętrznych, a najmniejsze w korzeniach. Taki wzorzec dystrybucji sugeruje, że CBZ przemieszcza się wraz z przepływem wody w roślinie i akumuluje głównie w starszych liściach.

W tygodniach 1-3 drugiego eksperymentu, liście zewnętrzne zawierały większe ilości CBZ w porównaniu do liści wewnętrznych i korzeni, podobnie jak w ostatnim tygodniu (tydzień 6). W czwartym tygodniu najwyższe stężenie CBZ zaobserwowano w tkankach roślin traktowanych 83 mg/L, następnie 41 mg/L, 21 mg/L i w grupie kontrolnej. Liście zewnętrzne miały najwyższe stężenie CBZ w porównaniu do liści wewnętrznych i korzeni, a podobny wzorzec zaobserwowano w tygodniach 5 i 6.

Badacze zaobserwowali również istotną korelację między warunkami środowiskowymi a akumulacją CBZ. Promieniowanie słoneczne było negatywnie skorelowane z całkowitym stężeniem CBZ w tkankach roślinnych, co może wskazywać na pośredni wpływ warunków środowiskowych na metabolizm lub transport tego związku w roślinie. Wyższe temperatury podczas pierwszego eksperymentu mogły również wpłynąć na reakcję roślin na CBZ, prawdopodobnie poprzez zwiększenie tempa procesów enzymatycznych i rozpuszczalności związków chemicznych.

Czynniki środowiskowe są ściśle powiązane ze wzrostem i rozwojem roślin. Zazwyczaj tempo wzrostu roślin zwiększa się wraz ze wzrostem światła i temperatury do pewnego punktu, po przekroczeniu którego dalszy wzrost tych parametrów prowadzi do niekorzystnych efektów dla zdrowia roślin. Inne czynniki wpływające na wzrost roślin to całkowite promieniowanie słoneczne, jakość światła i wilgotność względna, szczególnie w przypadku wystąpienia stresu cieplnego lub suszy. Sałata jest szczególnie wrażliwa na zmiany temperatury i adaptuje się poprzez produkcję liści o większej powierzchni, dłuższych łodygach i zmniejszonej grubości liści. Większa powierzchnia liści jest pozytywnie związana ze zwiększoną fotosyntezą i pobieraniem substancji przez roślinę. Dodatkowym efektem podwyższonej temperatury jest zwiększona transpiracja, która ma znaczący wpływ na pobieranie CEC przez rośliny.

Pobieranie i akumulacja różnych CEC w roślinach wykazują zmienność nie tylko w stężeniach tkankowych, ale także w ich wpływie na parametry wzrostu roślin. Zakłada się, że CBZ jest pobierana przez tkanki roślinne ze względu na jej neutralne właściwości oraz masę cząsteczkową. Dodatkowo, czynniki wpływające na pobieranie mogą obejmować pKa CBZ, pH, siłę jonową, biodegradację i właściwości sorpcyjne. González García i współpracownicy stwierdzili, że przemieszczanie się CBZ poprzez ewapotranspirację wynika z tych właściwości, co umożliwia większą akumulację w tkankach liści. Ponadto, Malchi i współpracownicy odkryli, że związki niejonowe są łatwiej pobierane przez korzenie niż związki jonowe, co wskazuje, że CBZ również powinna być łatwo pobierana.

Jakie ryzyka dla zdrowia i rolnictwa niesie obecność CBZ?

Wyniki badania mają istotne implikacje dla bezpieczeństwa żywności i zdrowia publicznego. Choć stężenia CBZ występujące w oczyszczonych ściekach są zazwyczaj niższe niż te, które wywoływały widoczne efekty toksyczne w badaniu, należy pamiętać, że długotrwała ekspozycja może prowadzić do znaczącej akumulacji w tkankach roślinnych. W eksperymencie zaobserwowano, że rośliny w grupie otrzymującej 21 mg/L CBZ pobrały około 28% zastosowanej dawki, co wskazuje na wysoką zdolność akumulacji tego związku. Rośliny w grupie 41 mg/L pobrały 18% zastosowanej CBZ, a w grupie 83 mg/L – 20%. Wyniki te mogą wskazywać, że przy niższych stężeniach większa proporcja CBZ mogła zostać pobrana przez rośliny.

Wykorzystanie alternatywnych źródeł wody, takich jak ścieki, jest powszechne w regionach o ograniczonej dostępności wody słodkiej, jak Arizona w USA czy Izrael. Nawet w oczyszczonej wodzie związki takie jak CBZ są trwałe i odporne na degradację. Obecność i stężenia CEC w produktach spożywczych były badane w ograniczonym zakresie, ale muszą być uwzględnione ze względu na nieuchronność ich występowania, szczególnie gdy woda staje się coraz bardziej ograniczona i poszukuje się alternatywnych źródeł. Usunięcie tych związków wymaga kosztownych technologii, które mogą nie być dostępne, szczególnie na obszarach wiejskich lub ekonomicznie zaniedbanych. Choć niektóre procesy, takie jak odwrócona osmoza i fotodegradacja promieniowaniem UV, są zintegrowane z nowszymi systemami, starsze infrastruktury mogą nie mieć możliwości wykonywania zaawansowanego usuwania.

Badanie to podkreśla potrzebę dalszych badań nad wpływem CECs na rośliny uprawne oraz potencjalnym ryzykiem dla zdrowia konsumentów. Szczególnie ważne są badania oceniające długoterminowe skutki spożywania żywności zawierającej śladowe ilości farmaceutyków. Ponadto, wyniki sugerują, że warunki środowiskowe mogą modyfikować zarówno wzrost roślin, jak i akumulację CECs, co należy uwzględnić przy ocenie ryzyka związanego z wykorzystaniem alternatywnych źródeł wody w rolnictwie.

W kontekście klinicznym, lekarze powinni być świadomi potencjalnej obecności farmaceutyków w żywności pochodzącej z obszarów, gdzie stosuje się oczyszczone ścieki do nawadniania. Choć pojedyncze badanie sugeruje, że normalne spożycie roślin nawadnianych wodą zawierającą CECs prawdopodobnie nie stanowi zagrożenia dla zdrowia, konieczne są dalsze badania, szczególnie w odniesieniu do pacjentów przyjmujących leki, które mogłyby wchodzić w interakcje z pozostałościami farmaceutyków w żywności.

Podsumowanie

Badania przeprowadzone na Texas Tech University analizowały wpływ karbamazepiny (CBZ) na uprawę sałaty w systemie hydroponicznym. CBZ, lek przeciwpadaczkowy obecny w oczyszczonych ściekach, wykazuje wysoką trwałość w środowisku, a konwencjonalne metody oczyszczania usuwają jedynie około 7% tego związku. Eksperymenty wykazały, że przy niskich stężeniach CBZ (do 25 μg/L) nie zaobserwowano istotnego negatywnego wpływu na wzrost roślin, jednak wyższe stężenia (powyżej 21 mg/L) powodowały wyraźne efekty fitotoksyczne. CBZ akumuluje się głównie w liściach zewnętrznych, następnie w wewnętrznych, a najmniej w korzeniach. Warunki środowiskowe, szczególnie promieniowanie słoneczne i temperatura, wpływają na akumulację CBZ w tkankach roślinnych. Chociaż typowe stężenia CBZ w oczyszczonych ściekach są niższe niż te powodujące toksyczność, długotrwała ekspozycja może prowadzić do znaczącej akumulacji w roślinach. Badanie podkreśla potrzebę dalszych analiz dotyczących bezpieczeństwa żywności i potencjalnego wpływu na zdrowie konsumentów, szczególnie w kontekście rosnącego wykorzystania oczyszczonych ścieków w rolnictwie.