Z prof. dr. hab. Piotrem Stepnowskim, kierownikiem Katedry Analizy Środowiska na Wydziale Chemii UG, rektorem Uniwersytetu Gdańskiego rozmawia dr Beata Czechowska – Derkacz.

Wiedza na temat zagrożenia pozostałościami farmaceutyków w glebie i wodzie nie jest powszechna. O jakie substancje chodzi?

Faktycznie może wiedza ta nie jest powszechna, jednak z uwagi na rosnące zainteresowanie naukowców tym tematem coraz więcej informacji o lekach w środowisku przedostaje się do opinii publicznej. Z punktu widzenia ich obecności w środowisku najczęściej wykrywamy niesteroidowe leki przeciwzapalne i przeciwbólowe, hormony estrogenne, antyepileptyki, liczne grupy antybiotyków, leki obniżające poziom cholesterolu, betablokery i wiele innych. Do tej pory wykryto ponad sześćset różnego typu substancji farmaceutycznych w próbkach wód morskich, śródlądowych, w glebach czy osadach dennych na całym świecie.   

Na czym polegają zagrożenia związane z tymi substancjami dla ludzi i zwierząt?

Leki z natury rzeczy to substancje obdarzone konkretną aktywnością biologiczną, które mają wywoływać określony skutek terapeutyczny. Na przykład antybiotyki hamują wzrost i podział mikroorganizmów w organizmie leczonego pacjenta. Dokładnie taką samą aktywność przejawiają po przedostaniu się do środowiska. W naszych badaniach udowodniliśmy na przykład, że obecność antybiotyków z grupy tetracyklin w ściekach komunalnych powoduje nabywanie antybiotykoodporności przez bakterie obecne w oczyszczalniach ścieków. Niestety cecha ta może być dalej przenoszona na bakterie patogenne, które po wywołaniu infekcji mogą okazać się trudne do zwalczenia antybiotykami. Inny przykład to substancje estrogenne, które po przedostaniu się do środowiska znacząco wpływają na gospodarkę hormonalną organizmów wodnych. Dowiedziono między innymi, że mogą, nawet w niewielkich stężeniach, powodować feminizację samców niektórych gatunków ryb, co może w konsekwencji znacząco ograniczać rozwój populacji tych organizmów.       

W jaki sposób te substancje dostają się do środowiska?

Najważniejszym źródłem pozostałości leków w środowisku są ścieki komunalne, ponieważ leki, zwłaszcza te nowszych generacji, opuszczają organizm człowieka w formie właściwie niezmienionej. Może to być nawet do dziewięćdziesięciu procent przyjmowanej dawki. Obecnie stosowane technologie oczyszczania nie są wystarczająco efektywne, dlatego pozostałości leków przedostają się do cieków i zbiorników wodnych. Kolejnym źródłem są spływy z pól uprawnych nawożonych nawozem naturalnym. Zwierzęta, w cyklu hodowlanym, a zwłaszcza w chowie przemysłowym, są poddawane różnym terapiom – antybiotykowym, przeciwgrzybiczym, przeciwpasożytniczym i innym. Leki pojawiają się zatem w odchodach zwierząt, a stąd już prosta droga do przedostania się do środowiska poprzez wypłukanie przez deszcze z nawozów naturalnych czy ze składowanego przy farmach obornika. Z gleb farmaceutyki spływają wraz z opadami do wód powierzchniowych, ale mogą także migrować w głąb gruntów i w ten sposób przedostawać się do wód podziemnych. Innym źródłem są tak zwane odcieki ze składowisk odpadów, a zatem wyrzucanie leków do śmietnika dokłada się do tego niekorzystnego dla środowiska bilansu.

Leki do apteki…

Pozostaje pytanie, czy apteki radzą sobie z przyjmowaniem leków. Nie wszystkie, jak słyszymy, chcą je przyjmować, a zdarzają się i takie, które nie postępują zgodnie z procedurami.

Czy jedną z przyczyn zanieczyszczenia środowiska pozostałościami leków może być również obecna tendencja do nadużywania suplementów diety i generalnie leków?

Bardzo potrzebne są w tym zakresie zarówno działania edukacyjne, jak i legislacyjne. Z jednej strony powszechna, niemal nachalna obecność leków przeciwbólowych dostępnych bez recepty na pewno nie ułatwia świadomej i bezpiecznej dla pacjenta autoterapii, często prowadzi także do niebezpiecznych przedawkowań, summa summarum oczywiście wpływa na rosnące stężenia tej grupy substancji w środowisku. Zobaczyliśmy to bardzo wyraźnie prowadząc badania na Wiśle tuż po awarii systemu przesyłu ścieków do oczyszczalni „Czajka”. Niesteroidowe leki przeciwzapalne i przeciwbólowe obecne były w tym czasie w wodach wiślanych na poziomie kilka tysięcy razy wyższym niż w wodach przed miejscem awarii. Ale problem dotyczy nie tylko leków bez recepty. Kiedy kupujemy leki w aptece, często dostajemy ich więcej, aniżeli jest to potrzebne w procesie leczenia. Dotyczy to także antybiotyków czy leków hormonalnych. Te „nadwyżki” po jakimś czasie lądują w ściekach lub odpadach. Można temu przeciwdziałać, przynajmniej w zakresie leków na receptę, kiedy to farmaceuta wydaje ściśle określoną dawkę, która ma służyć terapii.

Jakie są prognozy na przyszłość, jeśli chodzi o tego rodzaju zanieczyszczenia?

Rynek farmaceutyczny to jedna z najbardziej dynamicznie rozwijających się gałęzi produkcji i handlu na świecie. Przez ostatnie dziesięć lat wartość sprzedaży wszelkiego typu preparatów farmaceutycznych podwoiła się i obecnie wynosi ponad 1,2 biliona dolarów rocznie. Produkcja tzw. leków oryginalnych wciąż przekracza 50% rynku, ale powoli ustępuje lekom generycznym, których udział w globalnej sprzedaży wynosi ponad 20%. W krajach rynków wschodzących coraz większy udział mają leki równoważne, których produkcja często odbywa się z pominięciem ochrony własności patentowej. Biorąc pod uwagę rodzaj leków największy udział stanowią leki przeciwzapalne i przeciwbólowe, takie jak paracetamol, ibuprofen, diklofenak, w dalszej kolejności substancje przeciwmiażdżycowe, przeciwcukrzycowe i antybiotyki. Ostatnio pojawia się coraz więcej raportów podsumowujących dotychczasowe badania na całym świecie w zakresie wykrywania farmaceutyków w próbkach środowiskowych. Na przykład Federalna Agencja Ochrony Środowiska w Niemczech przeanalizowała ponad tysiąc artykułów oryginalnych i przeglądowych dotyczących tej problematyki. Konkluzja jest jednoznaczna – leki wykrywane są w większości mórz, oceanów, rzek, jezior czy obszarów rolniczych. Należy zatem spodziewać się, że wraz z rosnącym rynkiem farmaceutycznym problem obecności leków w środowisku stanie się coraz bardziej powszechny.

W jaki sposób możemy przeciwdziałać zagrożeniom płynącym z obecności farmaceutyków w glebie i wodzie?

W przypadku ścieków komunalnych ostatnią, technologiczną barierą ograniczającą zanieczyszczenie są oczywiście oczyszczalnie ścieków. Konwencjonalne technologie oparte o etap mechaniczny i biologiczny nie są w stanie dzisiaj w pełni oczyścić ścieków z farmaceutyków. Obecnie prowadzone są zakrojone na szeroką skalę prace badawczo-rozwojowe w zakresie wdrażania tak zwanego trzeciego stopnia oczyszczania z wykorzystaniem technik chemicznego strącania, pogłębionego utleniania z udziałem światła nadfioletowego i różnych chemikaliów, w końcu filtracji na węglu aktywnym i innych barierach filtracyjnych. Nie wchodząc w szczegóły, to niezwykle ważny etap technologiczny, który nie tylko jest w stanie usunąć leki, ale również inne nietypowe zanieczyszczenia, jak na przykład mikroplastiki. Metody te są jednak bardzo drogie. Wiele sobie obiecujemy, jeżeli chodzi o łatwiejszy dostęp do tego typu technologii, przede wszystkim w związku z potencjalnymi nadwyżkami energetycznymi, które pojawiają się przy okazji instalowania przy oczyszczalniach ścieków odnawialnych źródeł energii.

Czy nie uważa pan, że nasze problemy z zanieczyszczeniem środowiska wynikają z tego, że wszystkiego chcemy za dużo i za szybko?

Oczywiście truizmem będzie stwierdzenie, że ludzie czują nieodpartą potrzebę okiełznania przyrody. Ale tak to jest, że wszystko chcemy zagospodarować. Niedawno mówiła o tym nasza noblistka Olga Tokarczuk, która za część swojej nagrody kupiła kilka hektarów ziemi i po prostu pozostawiła ją przyrodzie… i już. To niezwykłe działanie, w końcu kupując ziemię, człowiek od razu chce ją zagospodarować, wybudować dom, założyć gospodarstwo, posadzić rośliny „po swojemu”, taką mamy naturę…

To niezwykła postawa.

Niespotykana. To wspaniały, można by rzec utopijny przykład, ale ważny i warty nagłaśniania. Słyszymy coraz więcej alarmujących głosów o katastrofie klimatycznej, kończących się zasobach naturalnych, ale mam wrażenie, że niewielu ludzi, oprócz tej garstki, która ciągle o tym przypomina, rzeczywiście uświadamia sobie skalę zagrożenia. Co musi się jeszcze wydarzyć, abyśmy byli w stanie obudzić w sobie szacunek dla przyrody, dbałość o świat roślin i zwierząt, a nie tylko o jakość naszego życia.

Prowadzi pan badania nad ochroną środowiska, a zwłaszcza nietypowymi zanieczyszczeniami środowiska od wielu lat. Skąd wzięła się ta naukowa pasja?

Zawsze zajmowałem się środowiskiem i różnymi aspektami jego ochrony, przede wszystkim takimi, które wymagają oceny analitycznej chemika. Ponad dwadzieścia lat temu, kiedy byłem na stażu podoktorskim w Bremie, pracowałem w zespole prof. Jastorffa, niezwykle charyzmatycznego naukowca, który zaraził mnie pasją poszukiwania odpowiedzi na niezadane dotychczas pytania. W środowiskowych badaniach analitycznych zwykle poddajemy analizie to co się już wydarzyło, awarię, wyciek, skażenie, a zatem pracujemy w ujęciu retrospektywnym, oceniając konkretne, zaistniałe już skutki. W zespole profesora zrozumiałem, że równie ważną perspektywą jest ujęcie prospektywne, czyli prognoza, ocena ryzyka dla środowiska ex ante. Na przykład, co by było, gdyby przemysł zdecydował się na produkcję takiej, a nie innej grupy chemikaliów na skalę przemysłową. „Przećwiczyliśmy” to wówczas na przykładzie tak zwanych cieczy jonowych, które były niezwykle obiecującymi zamiennikami tradycyjnych przemysłowych rozpuszczalników organicznych, z natury rzeczy wysoce lotnych, często toksycznych a nawet rakotwórczych. Z pozoru wydawało się, że ciecze jonowe są przyjazne środowiskowo, zwłaszcza ze względu na ich zaniedbywalną lotność, ale też szereg innych cech, które mogły sprzyjać podniesieniu efektywności niektórych procesów przemysłowych z ich udziałem. Badania naszego zespołu w tamtym czasie dowiodły, że wprowadzenie tych potencjalnie „zielonych” rozpuszczalników do produkcji przemysłowej może przynieść olbrzymie zagrożenie dla środowiska przyrodniczego w razie przedostania się tam tych substancji w wyniku awarii instalacji czy wycieku podczas transportu, a do tego zawsze prędzej czy później dochodzi.  

Już po powrocie ze stażu, czytając literaturę naukową w pewnym momencie zorientowałem się, że zupełnie nie przewidziano skutków środowiskowych używania środków farmaceutycznych. Poruszyły mnie szczególnie publikacje o niemal całkowitym zaniku populacji sępa bengalskiego, który praktycznie wyginął w związku z wysoce toksycznym działaniem na ten gatunek diklofenaku. Lek ten był obecny w mięsie padłego bydła na terenach Azji, które zwykło się tam zostawiać na pastwiskach. O ile lek ten jest stosunkowo nieszkodliwy dla krów, o tyle u ptaków wywoływał ciężką, śmiertelną niewydolność nerek. Tych alarmujących publikacji było zresztą znacznie więcej i tak powoli zaangażowałem się w temat, zorganizowałem małą grupę badawczą, pojawiły się pierwsze projekty i granty. Po dwudziestu latach staliśmy się dużym, międzynarodowym zespołem badawczym, który prowadzi badania we współpracy z kilkoma ośrodkami zagranicznymi. Efektem naszej pracy, oprócz dostarczania coraz bardziej kompleksowych informacji na temat poziomu skażenia środowiska tymi nietypowymi zanieczyszczeniami, jest między innymi to, że substancje wykrywane przez nasz zespół badawczy, pojawiają się na tak zwanych listach obserwacyjnych Ramowej Dyrektywy Wodnej UE. To oznacza, że z czasem kraje członkowskie wspólnoty będą miały obowiązek monitorowania tych substancji.

Został pan wyróżniony wieloma nagrodami naukowymi za opracowanie niekonwencjonalnych metod separacyjnych oraz technik analitycznych do oznaczania środowiska. Na czym polegają te metody?

W naszych badaniach stosujemy bardzo wiele narzędzi analitycznych, jednak „niekonwencjonalność” substancji, które chcemy wykrywać na śladowym poziomie, wymaga od nas opracowywania własnych, autorskich rozwiązań badawczych. Mają one w pierwszej kolejności pozwolić na jak najwyższą efektywność „wydobycia” śladowych ilości poszukiwanych związków chemicznych z ciekłej lub stałej próbki środowiskowej. Wykorzystujemy do tego własne, lub modyfikowane przez nas sorbenty, sięgając po innowacyjne materiały, takie jak nanorurki węglowe, czy specjalnie powlekane membrany.  Proszę pamiętać, że mówimy tu o stężeniach na poziomie nanogramów na litr, czy nawet jeszcze mniej – to tak jakbyśmy rozpuścili szklankę danej substancji w jeziorze Wdzydzkim. Trzeba jednak pamiętać, że ten przysłowiowy nanogram aktywnej substancji jest w stanie wywołać określony skutek biologiczny, co potwierdzono na przykład dla substancji estrogennych i ich odziaływanie właśnie w tym stężeniu na niektóre gatunki ryb. Nasze autorskie rozwiązania to nie tylko metody zatężania farmaceutyków, ale także ich ostatecznego pomiaru, gdzie także dostarczyliśmy światu nauki szereg rozwiązań z użyciem technik, takich jak wysokosprawna chromatografia cieczowa i spektrometria mas.

Wspomniane nagrody, m.in. Nagroda Naukowa Miasta Gdańska im Jana Heweliusza za rok 2018, czy Komitetu Chemii Analitycznej Polskiej Akademii Nauk za wybitne osiągnięcia w zakresie chemii analitycznej za rok 2020, dodają naukowcowi skrzydeł?

Poczucie, że nasze działania są doceniane, że to, co robimy ma sens, wydaje się istotnym elementem pracy naukowej. Nie wyobrażam sobie udanej, owocnej i inspirującej kariery naukowca bez poczucia uznania środowiska. Ten rodzaj naukowej stymulacji jest ważny, ale to oczywiste, że nagrody nie są celem. Główną motywacją są zadawane przez nas naukowe pytania. Dzięki temu docieramy coraz dalej, wiemy więcej. Obecnie nasz zespół naukowy liczy sześciu samodzielnych pracowników, wszyscy wywodzą się z tego samego obszaru naukowego, ale kontynuują już swoje własne badania. Jakkolwiek górnolotnie to nie zabrzmi, możemy to chyba nazwać szkołą naukową, a ja jestem tym szczęśliwcem, który może tą szkołą wciąż kierować.