Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de chimie environnementale et écotoxicologie CECOTOX)

Wastewaters : occurrence of pharmaceutical substances and genotoxicity

Tauxe Würsch, Annick ; Tarradellas, Joseph (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3280.

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    Summary
    The major pathways of human pharmaceuticals into the environment are from their use by individuals either at home or under medical supervision in hospitals, and to a lesser extent by the disposal of unwanted or out of date drugs. The administered pharmaceuticals will be excreted as the parent compound, metabolite or conjugate and will be transported to sewage treatment works. In sewage treatment, the compound may be degraded or partially degraded, adsorbed to sludge if lipophilic, be deconjugated or pass through sewage treatment unchanged. Once in the environment the substance will be subject to further degradation processes. The first part of this research is dedicated to the occurrence and fate of five substances widely consumed in Switzerland: Clofibric acid (metabolite), Ibuprofen, Ketoprofen, Mefenamic acid and Diclofenac (Chapter 2). These acidic drugs were analyzed in three sewage treatment plants (STPs) over four to seven consecutive days. Ibuprofen, Ketoprofen, Mefenamic acid and Diclofenac are non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs). Clofibric acid is an active metabolite of Clofibrate, Etofibrate, Etofyllinclofibrate which are drugs used as blood lipid regulators. The anti-inflammatory drug Ibuprofen and Mefenamic acid are the most sold substances of this study with 17 tons per year and per substance in Switzerland. Recoveries after filtration, extraction, derivatisation and clean-up generally exceeded 70%. Limits of detection (5-15 ng/l) and quantification (15-50 ng/l) were in a range which allows the detection and the quantification of these compounds in wastewaters. The results of samples analysis point out that the five substances were persistent in wastewater effluents after municipal wastewater treatment. At the most, half of Mefenamic acid was eliminated. Ibuprofen was well removed (80%) by one sewage treatment plant. The removal of Ibuprofen is depending on the residence time of wastewater in the STPs. A long raining period induce a important decrease of removal of Ibuprofen and Ketoprofen. Removal rates showed a great variability according to sewage treatment plants and types of treatments (e.g. biological, physico-chemical). The concentrations of Ibuprofen, Mefenamic acid and Diclofenac were relatively high in the effluents (150-2000 ng/l), showing a potential contamination of surface water. An environmental risk assessment is presented. Mefenamic acid seems to present the most important risk, followed by Ibuprofen, Clofibric acid, Diclofenac and Ketoprofen. But the risk ratio for surface water calculated with a dilution factor was above one only for Mefenamic acid. Since that toxicity of a single drug might be enhanced by the occurrence of other pharmaceuticals with similar activity, the overall risk of these drugs could be significant. To our knowledge, chronic ecotoxicity data are available only for Diclofenac and Clofibric acid. These kind of data are needed for the other chemicals to confirm our results. The second part of this thesis is dedicated to anticancer drugs (Chapter 3). Since the occurrence of anticancer drugs in the environment are few studied and that these substances are extremely toxic (teratogen, mutagen, etc.), it was interesting to evaluate the contamination of wastewaters by two of the most used anticancer drugs. Two methods were set up to analyse Tamoxifen and 5-Fluorouracil in wastewaters. A Liquid-liquid extraction (LLE) followed by a purification on OASIS® MCX cartridge and gas chromatography and mass spectrometry detection (GC-MS) were used for the analysis of Tamoxifen. 5-Fluorouracil was extracted with an ENV+ (Isolute) cartridge (solid-phase extraction), derivatised with pentafluorobenzyl bromide (PFBBr) and detected by GC-MS. Both methods showed good recoveries (>70%), reproducibility (RSD<10%) and limits of detection (LOD≤15 ng/l). Wastewaters from a residential area, an hospital, and two sewage treatment plants (STPs) were analysed with the analytical methods developed in this study. Tamoxifen was detected in wastewaters of the hospital, residential area and influent of STPs, but not in treated wastewaters. All wastewaters showed no contamination with 5-Fluorouracil. The risk evaluation was not possible for these drugs, since no ecotoxicity data (even acute data) is available. The third part of this research is dedicated to toxicity and mutagenicity of wastewaters (Chapter 4). As pharmaceutical compounds, including anticancer drugs that are genotoxic, are discharged in wastewaters, the mutagenic potential of wastewaters from various origins (hospital, two different sewage treatment plants (STPs) and a residential area) was evaluated using the Ames test. The samples were not concentrated prior the analysis to determine the overall effects of these waters. The survival and the reversion frequencies of strains TA98, TA100, TA102 and TA1538 following treatment with the different wastewaters were determined. Survival was obtained by two methods. The first method was by comparing the number of reversions induced by a known mutagen in the presence and absence of wastewater. The second was by determining the colony forming ability of dilutions of treated and non-treated cultures. The samples from the hospital were on the whole more toxic than samples from the STPs and residential area. The different strains showed varying sensitivities to the toxic effects of the wastewater, with TA98 exhibiting the highest sensitivity (<5% survival). The results from the reversion assays indicated that TA102 was the most sensitive, followed by TA1538 and TA100. More hospital wastewater than influents of sewage treatment plants were mutagenic, indicating a higher mutagenic activity in the wastewater of the hospital. These wastewaters have not to be released in the environment without an adequate treatment. Comparison of the mutagenicity of the influents and effluents of the STPs showed that less effluent samples were mutagenic. This result indicates that biological treatments were relatively efficient in decreasing the mutagenicity of wastewaters. Due to their beneficial health effects and economic importance, the actions taken to reduce inputs of drugs into the environment are much debated. The use of pharmaceutical compounds is expected to grow with the increasing age of the population. A solution for pollution control is to add sewage treatments in hospital and to avoid that municipal wastewaters are released without any treatment. Another solution is to focus on reduction at source, by developing a clear labeling on medicinal products, guidelines for the disposal and awareness campaign. These recommendations would have the potential benefit of improved consumer health (by minimizing the intake of active substances), as well as reduced health care spending.
    Résumé
    La contamination de l'environnement par les substances pharmaceutiques est liée à leur utilisation (à la maison ou dans les hôpitaux) ainsi qu'à l'élimination des produits non utilisés ou dépassés de date. Les stations d'épurations (STEPs) sont des sources importantes d'apport de médicaments, car une partie de la dose du médicament administré est excrétée via l'urine ou les matières fécales sous forme inchangée, sous forme conjuguée ou de métabolites. Dans les STEPs, les substances peuvent être partiellement ou entièrement dégradées, absorbées aux particules en suspension formant les boues d'épuration, déconjuguées ou alors elles peuvent passer sans modification au travers des différents traitements. Une dégradation de ces substances peut aussi survenir lorsqu'elles se trouvent dans l'environnement aquatique. Dans la première partie de cette recherche, la présence et le devenir de cinq médicaments très utilisés (Acide Clofibrique, Ibuprofène, Kétoprofène, Acide Méfénamique et Diclofénac) ont été analysés dans trois STEPs durant quatre à sept jours consécutifs (Chapitre 2). L'Ibuprofène, le Kétoprofène, l'Acide Méfénamique et le Diclofénac sont des anti-inflammatoires (NSAIDs). L'Ibuprofène et l'Acide Méfénamique sont les médicaments les plus vendus de cette étude: 17 tonnes par an et par substance en Suisse. L'Acide Clofibrique est un métabolite du clofibrate, de l'étofibrate et du clofibrate d'étofylline. Ces substances hypolipémiantes sont utilisées pour abaisser les concentrations plasmatiques élevées de cholestérol et de triglycérides. La méthode analytique développée pour analyser ces cinq médicaments permet de récupérer généralement plus de 70% de ces composés. Les limites de détection (5-15 ng/l) permettent la détection de ces substances dans les échantillons d'eaux usées. Les résultats de l'analyse des échantillons montrent que ces cinq substances étaient persistantes et se retrouvaient dans les effluents des STEPs. La moitié de l'Acide Méfénamique était éliminée au travers des STEPs étudiées. L'Ibuprofène était bien éliminé (80%) dans une STEP. L'élimination de l'ibuprofène était dépendante du temps de résidence des eaux usées dans les STEPs. Une importante période de pluie a induit une diminution de l'élimination de l'Ibuprofène et du Kétoprofène. Les taux d'élimination étaient très variables en fonction des STEPs et du type de traitement (p.ex. biologique, physico-chimique). Les concentrations d'Ibuprofène et d'Acide Méfénamique mesurées dans les effluents étaient relativement élevées (150-2000 ng/l), pouvant induire une contamination non négligeable des eaux de surface. Une évaluation du risque pour l'environnement est présentée dans ce travail. L'Acide Méfénamique semble présenter le risque le plus important suivi par l'Ibuprofène, l'Acide Clofibrique, le Diclofénac et le Kétoprofène. Mais le risque pour les eaux de surfaces n'est probable que pour l'Acide Méfénamique. La toxicité d'une substance peut être augmentée par la présence d'autres médicaments avec des modes d'actions similaires, ainsi le risque général de ces substances pharmaceutiques dans l'environnement pourrait être significatif. Des données d'écotoxicités chroniques ne sont disponibles que pour le Diclofénac et l'Acide Clofibrique. Ce type de données est absolument nécessaire pour les autres substances afin de confirmer nos résultats. La deuxième partie de cette thèse est consacrée aux substances utilisées pour le traitement des cancers (Chapitre 3). Étant donnée que la présence dans l'environnement des médicaments contre le cancer est très peu étudiée et que ces substances sont extrêmement toxiques (tératogène, mutagène, etc.), il était intéressant d'évaluer la contamination des eaux usées par quelques'uns de ces médicaments. Deux méthodes d'analyse chimique ont été développées pour analyser la présence du Tamoxifène et de 5-Fluorouracil dans les eaux usées. Une extraction liquide-liquide (LLE) suivie par une purification sur une cartouche OASIS® MCX et une analyse par chromatographie en phase gazeuse avec une détection par spectrométrie de masse (GC-MS) ont été utilisées pour l'analyse du Tamoxifène. 5-Fluorouracil a été extrait grâce à une cartouche ENV+ (extraction en phase solide), derivatisé avec du bromide de pentafluorobenzyl (PFBBr) et détecté par GC-MS. Ces méthodes permettent de récupérer plus de 70% de ces substances dans les eaux usées et les limites de détection (LOD≤15 ng/l) sont bonnes. Des eaux usées d'une zone résidentielle, d'un hôpital et de deux STEPs ont été analysées avec les méthodes développées. Le Tamoxifène a été détecté dans les échantillons de l'hôpital, de la zone résidentiel et des influents des STEPs, mais pas dans les eaux traitées (eaux de sortie de STEPs). Aucun des échantillons d'eaux usées n'était contaminé par le médicament 5-Fluorouracil. L'évaluation du risque pour l'environnement n'a pas été possible pour ces médicaments, car aucune donnée sur leur écotoxicité n'était disponible. La troisième partie de ce travail est consacrée à la toxicité et à la mutagénicité des eaux usées (Chapitre 4). étant donné que certains médicaments mutagènes, comme ceux utilisés contre les cancers, sont excrétés dans les eaux usées, il était intéressant d'évaluer le pouvoir mutagène (avec le test de Ames) des eaux usées de différentes origines (hôpital, deux STEPs, et une zone résidentielle). Les échantillons n'ont pas été concentrés avant l'analyse afin de déterminer l'effet global de ces eaux. Les souches TA98, TA100, TA102 et TA1538 ont été utilisées pour déterminer les taux de survie et les fréquences de réversion induites par les échantillons. La survie a été mesurée grâce à deux méthodes. La première méthode consistait à comparer le nombre de révertants induits par une substance mutagène connue en présence ou en l'absence des échantillons. La deuxième méthode déterminait la capacité à former des colonies à partir des cultures diluées, traitées ou non-traitées par les échantillons. Les échantillons d'hôpitaux étaient plus toxiques que ceux des STEPs et de la zone résidentielle. La sensibilité à la toxicité variaient en fonction des différentes souches, TA98 était la souche la plus sensible (<5% de survie). Les résultats du test de mutagénicité montrent que TA102 était la souche la plus sensible, suivie par TA1538 et TA100. Les eaux usées de l'hôpital étaient plus souvent mutagènes que les eaux usées des STEPs. Il est par conséquent très important que les eaux usées d'hôpitaux ne soient jamais déversées dans l'environnement sans un traitement adéquat. La comparaison de la mutagénicité des eaux usées et des eaux traitées des STEPs montre qu'un nombre plus faible d'eaux traitées étaient mutagènes. Ces résultats indiquent que les traitements biologiques des STEPs étaient relativement efficaces pour diminuer la mutagénicité des eaux usées. A cause de l'effet bénéfique présumé et de l'importance économique, les actions élaborées pour réduire les rejets de médicaments dans l'environnement sont souvent contestées. De plus, l'utilisation des substances pharmaceutiques va très probablement augmenter avec l'accroissement de l'age de la population. Une solution pour limiter la pollution par ces substances serait d'ajouter des traitements d'eaux usées à la sortie des hôpitaux et d'éviter tout débordements dans les STEPs communales. D'autres solutions seraient de diminuer la pollution à la source, en développant un label clair sur les médicaments, des directives pour l'élimination des médicaments non-utilisés et des campagnes de sensibilisation de la population à l'(éco)-toxicité de ces substances. Ces recommandations pourraient améliorer la santé de la population en diminuant l'ingestion de substances actives, et diminuer les coûts de la santé liés à cette sur-consommation.