Los contaminantes emergentes en los sistemas de saneamiento y sus efectos ambientales

(1)

Los contaminantes emergentes en los sistemas

de saneamiento y sus efectos ambientales

Damià Barceló, M. José Lopez de Alda, Mira Petrovic, Silvia

Lacorte, Benjamí Piña, M.D. Hernando

Department de Quimica Ambiental, IIQAB-CSIC, Barcelona

Antoni Ginebreda

(2)

Resumen

§

Contaminantes emergentes

§

Clases y compuestos

§

Disruptores endocrinos (EDCs)

§

Análisis

Integración de análisis químicos y biológicos (RYA)

§

Ensayo con cepas de levaduras recombinantes

§

Inducción de la síntesis de vitelogenina en peces

§

Aplicación del método

§ Integración del análisis químico de EDCs y de la actividad estrogénica medida por RYA en la cuenca del Llobregat

§ Integración del análisis químico de EDCs y de la inducción de la síntesis de vitelogenina en carpas en los ríos Cardener and Anoia

(3)

Def.: contaminantes previamente desconocidos o no reconocidos como tales

cuya presencia en el medio ambiente no es necesariamente nueva pero si la

preocupación por las posibles consecuencias de la misma

Nuevos y más sensibles métodos de análisis químicos y biológicos

Línea prioritaria de investigación (OMS, EPA, UE)

Nuevos Contaminantes Orgánicos (Emergentes)

...No regulados...

Poco o no investigados

Escasez/ausencia de datos ambientales

Falta de métodos analíticos

Elevada producción y consumo

→ continua introducción en el medio

(4)

Contaminantes orgánicos emergentes

< Retardantes de llama (difenil éteres polibromados)

< Detergentes de tipo alquilfenol etoxilado y derivados

Parafinas cloradas

< Ftalatos

< Compuestos organoestánnicos

Subproductos de desinfección del agua potable

< Productos de transformación de pesticidas

Metil tert-butil éter y otros aditivos de la gasolina

Surfactantes perfluorados (PFOA, PFOS)

< Fármacos

Productos para el cuidado y la higiene personal

Toxinas de algas

< Bisfenol A

. . . .

*

_{Susan D. Richardson (2004) Anal. Chem. 76, 3337-3364.}

< Disruptores endocrinos

2455/2001/EC

Ya legislados

Datos nuevos

No legislados

Datos insuficientes

(5)

Compuestos disruptores endocrinos (EDCs)

§

Los EDCs son compuestos sintéticos o productos

naturales que interfieren en el sistema endocrino

(hormonal)

§

El Sistema Endocrino produce hormonas que guían

el desarrollo, crecimiento, reproducción,

y comportamiento de humanos y animales

• Malformaciones en recién nacidos

• Problemas en los testículos

• Esperma anormal y pobre

• Funcionamiento tiroideo anormal

• Posible cáncer de testículos

• Cáncer de próstata

• Otros efectos

Efectos sospechosos en humanos

:

• Disminución de la fertilidad y el

crecimiento

• Alteraciones sexuales

• Problemas en las cáscaras de los

huevos

• Funcionamiento tiroideo anormal

Mucha documentación de efectos

en organismos del medio natural:

(6)

Surfactantes de tipo alquilfenol etoxilados

Alquilfenol

etoxilados

(APEOs)

- Detergentes en formulaciones

industriales (textil, curtidos, papeleras)

- Coadyuvantes de pesticidas

- Ingredientes de pinturas

- Agentes humectantes

Efectos

estrogénicos:

estrogénicos

1-20

µg/L (NP and NP

₁

EO)

Niveles en

Niveles en - aguas: ng-

µg-mg/L

- sedimentos:

µg/Kg

- lodos: mg/Kg

- biota: ug/Kg

O OH R n n=1-20

Alquilfenoles

(APs)

APEOs de

cadena corta

Alquilfenoxi

carboxilados

(APECs)

OH R O OH R n n=1-2 n OCH2COOH O R

Productos de degradación

aeróbica y anaeróbica

Directiva 2455/2001

Nonilfenoles; 4-p-Nonifenol

Octilfenoles, p-t-Octilfenol

Análisis:

Análisis: GC-MS-MS (deriv.), LC-MS-MS

(7)

Heberer T (2002) Toxicol. Lett. 131, 5-17.

Analgésicos/antiinflamatorios:

paracetamol, ác. acetilsalicílico, ibuprofeno, diclofenac

Antibióticos:

- Macrólidos:

claritromicina, dehydroeritromicina, roxitromicina, lincomicina

- Sulfamidas:

sulfametoxazol, sulfadimetoxina, sulfametacina, sulfatiazol

- Fluoroquinolonas:

ciprofloxacina, norfloxacina, enrofloxacina

- Tetraciclinas:

clortetraciclina, oxitetraciclina, tetraciclina

... cloranfenicol, tilosin, trimetoprim

Antiepilépticos:

carbamazepina, primidona

β-Bloqueantes:

metoprolol, propanolol, bisoprolol, betaxolol, nadolol, sotalol

Reguladores de lípidos:

ácido clofíbrico, bezafibrato, gemfibrozil, ác. fenofíbrico

Medios de contraste en rayos-X:

diatrizoato, iohexol, iopamidol, iopromide, iomeprol

Citostáticos (quimioterapia):

ifosfamida, ciclofosfamida

Anticonceptivos orales: etinilestradiol, mestranol

Esteroides: coprostanol, estradiol, progesterona, testosterona.

Broncodilatadores, tranquilizantes, antihistamínicos, barbitúricos, antidiabéticos...

Fármacos en el medio ambiente acuático

(8)

Análisis:

LC-UV-FL

LC-MS

→ LC-MS-MS

GC-MS

→ GC-MS-MS

1_{Heberer T (2002) Toxicol. Lett. 131, 5-17.}

2 _{Thiele-Bruhn S (2003) J. Plant Nutr. Soil Sci. 166, 145-167.} 3 _{http://www.epa.gov/OGWDW/ccl/cclfs.html}

Fármacos

más problemáticos/

menos estudiados

1 Anticonceptivos orales:

N Efectos estrogénicos a

∼ 1ng/L

sMedio marino, sedimentos y fangos

Antibióticos

2

_:

N Resistencia bacteriana

- 2/3 en medicina humana: posición 3.

- 1/3 en medicina veterinaria: 70%

Medios de contraste en rayos-X:

N Persistencia

Poca eliminación en STP

Aguas subterráneas

sMetabolitos

Citostáticos:

N Prop. Carcinogénicas

Poca eliminación en STP

sniveles, destino, y riesgos

U.S. EPA Contaminants Canditate List (CCL)

3

Diclofenac (antirreumático)

Carbamazepine (antiepiléptico)

Chloramphenicol (antibiótico)

(9)

Procedimiento integrado de análisis

químicos y ensayos biológicos

Extracción de componentes activos

Correla c ió n y c uantifica c ió n de factores causativos Environmental samples Estrogenicity screening Recombinant yeast assay (RYA)

Actividad positiva

HPLC fractionation

Estrogenicity screening Recombinant yeast assay (RYA)

SPE - C18 (aqueous samples) PLE (solid samples)

Extractos Environmental samples_{Muestras ambientales}

Medida de la estrogenicidad (vitelogenina) Ensayo levaduras recombinantes (RYA)

Fraccionamiento HPLC

Fracciones activas

SPE - C18 (aqueous samples) PLE (solid samples)

SPE-C18 (muestras acuosas) PLE (muestras sólidas)

Identificación de comp.

desconocidos por LC-MS-MS

Análisis de

compuestos diana

por LC-MS

Medida de la estrogenicidad (vitelogenina) Ensayo levaduras recombinantes (RYA)

(10)

Muestras agua

Filtración

SPE (ASPEC)

LiChrolut RP-18

SPE (PROSPEKT)

PLRP-s

Off-line

On-line (steroids)

N

₂

evaporación

LC-MS/(MS)

Chemical analysis

Ultrasonic extraction

Extracción con fluídos presurizados

Muestras sólidas

(sedimentos/lodos)

Rotary evaporation

Rotavapor

Lyophilization

Liofilización

N

₂

N

₂

evaporación

LC DAD MS

LC-MS/(MS)

Purificación (clean-up)

SPE

Sep-Pak C18 Plus (esteroides)

LiChrolut RP18 (alquilfenoles)

(11)

Análisis químico – compuestos diana

1. Detergentes no iónicos, nonilfenol etoxilado (NPEO), y octilfenol

etoxilado (OPEO) y sus productos de degradación nonilfenol (NP),

octilfenol (OP), y derivados carboxilados (NPEC y OPEC),

respectivamente.

2. Bisfenol A (BPA)

3. Ftalatos (DMP- dimetil ftalato; DEP – dietil ftalato, DBP - dibutil ftalato,

BBP - butil bencil ftalato, DEHP-di(2-etil-hexil) ftalato)

4. Hormonas sexuales esteroidales naturales y compuestos sintéticos

relacionados (E1-Estrona; E2-

β

-estradiol , E3-Estriol, EE- etinil

estradiol, DES-Dietilestilbestrol, PRO-Progesterona,

NOR-Noretindrona, LEV-levonorgestrel)

(12)

Ensayo con cepas de levaduras recombinantes

(Recombinant Yeast Assay, RYA)

§

Basado en una cepa de levadura que expresa el receptor

humano de estrógenos (hER) y un gen de ensayo

(ß-galactosidasa) cuya expresión depende de la activación

del receptor del hER.

§

La actividad

β

-galactosidasa se mide fácilmente con

substratos cromogénicos o fluorogénicos y depende de la

presencia de ligandos del hER, por lo que puede ser

tomada como indicadora de actividad estrogénica.

§

Todo el ensayo puede ser llevado a cabo en placas de

(13)

Concentration efectiva media (EC50) y factor de estrogenicidad

relativa obtenida para diferentes compuestos por RYA

(14)

Vitelogenina en plasma: Western blot

Extracción de sangre: 2 ml jeringa heparinizada + Aprotinina

Obtención plasma: Centrifugaciónn 1,000 g x5’

SDS-PAGE análisis: PAb anti-conejo (Biosense, Norway)

(15)

Integración de análisis químicos de EDCs y ensayos con

cepas de levaduras recombinates para la determinación

de actividad estrogénica

Análisis de EDCs en la cuenca del río Llobregat

Análisis de fármacos en la cuenca del río Llobregat

Integración de análisis químicos de EDCs e inducción de

la síntesis de vitelogenina en carpas

Análisis de EDCs en estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR)

catalanas y en los ríos receptores de los efluentes (aguas y sedimentos

fluviales).

(16)

Area de estudio: Cataluña

Mapa con los puntos de muestreo en la cuenca del Llobregat.

Números 1 al 10 indican los puntos de muestreo de aguas.

Letras A a la D corresponden a la localización de las EDAR.

Zonas en gris indican la localización de las poblaciones próximas a las EDAR:

A-Manresa; B-Terrassa , C-Igualada; D-Martorell.

(17)

Puntos Río OP NP BPA NPEO1 NPEO2 DEP DEHP DBP Aguas superficiales 1 Llobregat < 0.09 0.22 0.09 < 0.22 < 0.06 1.45 < 0.20 0.6 2 Llobregat < 0.09 < 0.15 0.09 < 0.22 0.61 1.5 < 0.20 0.34 3 Cardener < 0.09 0.39 < 0.09 3.22 2.53 6.85 < 0.20 0.3 4 Llobregat < 0.09 0.26 < 0.09 1.19 1.2 0.54 < 0.20 0.47 5a Llobregat 0.09 0.5 0.27 < 0.22 0.39 1.26 0.82 1 5b Llobregat < 0.09 0.45 < 0.09 < 0.22 < 0.06 2.05 3.09 1.3 6 Anoia < 0.09 1.23 < 0.09 < 0.22 < 0.06 0.85 0.65 < 0.19 7 Anoia < 0.09 0.53 0.12 < 0.22 1.27 0.58 0.45 < 0.19 8 Llobregat 0.26 2.57 0.11 3.54 1.17 0.46 0.31 < 0.19 9 Rª de Rubí 21.9 37.3 0.85 6.87 3.17 0.4 0.77 < 0.19 10 Llobregat 2.57 13.9 2.97 < 0.22 < 0.06 0.22 < 0.20 < 0.19

Aguas resid. EDAR

EDAR A Inf Manresa 0.17 17.1 0.94 19.3 5.56 1.62 3.17 0.07 EDAR A Efl Manresa < 0.09 2.99 0.34 9.53 8.97 0.93 1.34 < 0.19 EDAR B Inf Terrasa 0.08 29.8 < 0.09 < 0.22 < 0.06 12.97 0.26 0.83 EDAR B Efl Terrasa < 0.09 0.8 < 0.09 10.6 9.69 10.21 0.23 < 0.19 EDAR C Inf Igualada 0.24 44.8 6.98 2.37 5.61 3.19 0.82 8.86 EDAR C Efl Igualada < 0.09 1.24 < 0.09 < 0.22 < 0.06 2.25 1.12 < 0.19 EDAR D Inf Martorell 0.18 11.9 < 0.09 3.8 0.82 1.06 1.9 0.35 EDAR D Efl Martorell 0.09 0.89 < 0.09 < 0.22 3.87 0.56 0.33 < 0.19

LOD (µg L-1) 0.09 0.15 0.09 0.22 0.06 0.2 0.2 0.19

(18)

Cálculo de equivalentes de estradiol a partir de los resultados RYA.

Los círculos negros, los blancos, y los triángulos representan los valores relativos de ß-galactosidasa, obtenidos a diferentes factores de dilución, en el agua residual de entrada de la EDAR de Manresa, en el agua de salida, y en un punto de muestreo próximo a ésta (el 3), respectivamente.

Las funciones sigmoidales se calcularon mediante métodos de regresión no-lineal. Las líneas gruesas continua y discontinua corresponden a las aguas de entrada y de salida de la EDAR de Manresa, y la línea fina discontinua a la muestra de agua en el punto 3.

(19)

Valores totales de estrogenicidad en equivalentes de estradiol para muestras

de aguas residuales (izquierda) y de aguas de río (derecha).

(20)

Correlación entre los valores totales de estrogenicidad

(en eq. E2) obtenidos por RYA (eje X) y los estimados a

partir de la composición química de las muestras (eje Y).

(21)

Integración de análisis químicos de EDCs y ensayos con

cepas de levaduras recombinates para la determinación

de actividad estrogénica

Análisis de EDCs en la cuenca del río Llobregat

Análisis de fármacos en la cuenca del río Llobregat

Integración de análisis químicos de EDCs e inducción de

la síntesis de vitelogenina en carpas

Análisis de EDCs en estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR)

catalanas y en los ríos receptores de los efluentes (aguas y sedimentos

fluviales).

(22)

Area de estudio: Cataluña Detección de fármacos ACIDO CLOFIBRICO ACIDO ACETILSALICILICO DICLOFENAC N 0 25 km Manresa Barcelona Igualada Cardona Martorell Llobregat river Llobregat river Cardener river Anoia river Abrera Sant Joan Despí

(1) Mediterranean Sea (2) RIO LLOBREGAT (3) (4) EDAR ABRERA 0 50 100 150 ng/L EDAR RUBI 0 50 100 1200 _ng/L RIO ANOIA 0 50 100 150 ng/L 0 50 100 150 ng/L

Area de estudio: Cataluña Detección de fármacos ACIDO CLOFIBRICO ACIDO ACETILSALICILICO DICLOFENAC N 0 25 km Manresa Barcelona Igualada Cardona Martorell Llobregat river Llobregat river Cardener river Anoia river Abrera Sant Joan Despí

(1) Mediterranean Sea (2) RIO LLOBREGAT (3) (4) EDAR ABRERA 0 50 100 150 ng/L EDAR ABRERA 0 50 100 150 ng/L EDAR RUBI 0 50 100 1200 _ng/L EDAR RUBI 0 50 100 1200 _ng/L RIO ANOIA 0 50 100 150 ng/L 0 50 100 150 ng/L 0 50 100 150 ng/L

(23)

-Aigua tractada ETAP SJD

-Llobregat captació ETAP SJD

-Aigua tractada ETAP Abrera

50 107 1200 Edar Rubí -14 -Llobregat després Anoia

-35

-Llobregat abans Anoia

-Anoia final 31.5 40 -EDAR Abrera -24.5 -MPATSA -Distribució zona Ter

Ac. acetilsalic ílico Ac. clofíbrico Diclofenac Muestras Fármacos

Area de estudio: Cataluña

Concentraciones en ng/L de fármacos

(24)

-Aigua tractada ETAP SJD

-17.46 Captació ETAP SJD, 28-04-04, 17:00 -Abocament ETAP (SJD), 28-04-04, 15:15 -14.40 30.50

Llobregat després Anoia, 28-04-04, 14:30

-ETAP Abrera (aigua tractada), 28-04-04, 12:40 -134 53.70 EDAR Martorell, 28-04-04, 12:00 -31 127.20 Anoia final, 28-04-04, 11:30 -11.8 27.42

Llobregat abans Anoia, 28-04-04, 11:00 -240.68 134.30 EDAR de Abrera, 28-04-04, 10:30 -MPATSA, 28-04-04, 10:00

-ETAP Cardedeu aigua tractada

-Muestras Atenolol Ácido clofíbrico Diclofenac Ibuprofen

Area de estudio: Cataluña

Concentraciones en ng/L de fármacos

(25)

Area de estudio: Cataluña – Ensayo RYA

MUESTRAS pH ACIDO

0 5 10

AIGUA TRACTADA ETAP ABRERA 3 EDAR SORTIDA ABRERA 3

DISTRIBUC. ZONA 3 MAPTSA 3

LLOBREGAT ABANS ANOIA 3

ANOIA FINAL 3EDAR RUBI 2

AIGUA TRACTADA ETAP SJA 3 LLOBREGAT DESPRES 2

BLANC

BLANC OH- BLANC H+

UNIDADES

1:30 1:90 1:270 1:500

(26)

Area de estudio: Cataluña – Ensayo RYA

CONTROL POSITIVO 0 500 1000 1500 0 0 0 0 GENISTEINA 228 ENTEROLACTONA UNIDADES 1:30 1:90 1:270 1:500

Fig. Gráfico de unidades ß- galactosidasa de control positivo (Geniste ína 1.9 mM) y negativos (0). Véase la diferencia de escala con respecto a la anterior figura.

(27)

Integración de análisis químicos de EDCs y ensayos con

cepas de levaduras recombinates para la determinación

de actividad estrogénica

Análisis de EDCs en la cuenca del río Llobregat

Integración de análisis químicos de EDCs e inducción de

la síntesis de vitelogenina en carpas

Análisis de EDCs en estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR)

catalanas y en los ríos receptores de los efluentes (aguas y sedimentos

fluviales).

(28)

Mar Mediterráneo

Río Anoia

Río Cardener

Río Llobregat

A1 A2 A3 C1 _C2 C3 Barcelona EDAR1 EDAR2 EDAR3 EDAR4 0 30 60 km

l

N

Spain

A1-A3, C1-C3

Agua

Sedimento

Pez (Cyprinus carpio)

sangre, hígado, bilis, tejido

(130 machos adultos, 116 hembras de carpas)

Area de estudio: Cataluña

(29)

Río Anoia Río Llobregat A1 A2 A3 Barcelona EDAR1 EDAR2 EDAR3 NPEO NP₁EC NP 0 10 20 30 40 50 I III V VII µg/L AGUA 0 200 400 600 800 µg/kg SEDIMENTo AGUA SEDIMENT 0 200 400 600 800 µg/kg SEDIMENTO 0 10 20 30 40 50 I III V VII µg/L

Variación temporal de las concentraciones de compuestos

nonilfenólicos en aguas y sedimentos del río Anoia

800 0 10 20 30 40 50 I III V VII µg/L 0 200 400 600 µg/kg AGUA SEDIMENTO

(30)

NPEO NP₁EC NP Río Cardener Río Llobregat C1 C2 C3 Barcelona STP µ 400 SEDIMENTO 0 100 200 300 g/kg 0 2 4 6 8 10 I III V VII µg/L AGUA 0 2 4 6 8 10 I III V VII µg/L AGUA 0 100 200 300 400 µg/kg SEDIMENTO 0 2 4 6 8 10 I III V VII µg/L AGUA 0 100 200 300 400 µg/kg SEDIMENTO

Variación temporal de las concentraciones de compuestos

nonilfenólicos en aguas y sedimentos del río Cardener

(31)

0 5 10 15 20 25 A1 A2 A3 A1 A2 A3 A1 A2 A3 A1 A2 A3 ng/L E3 E2 EE E1 DES NOR LEV PRO

Enero 2000 Marzo 2000 Mayo 2000 Julio 2000

0 1 2 3 4 ng/g E3 E2 EE E1 DES NOR LEV PRO 22.8

Variación temporal de las concentraciones de esteroides en aguas y

sedimentos del río Anoia

(32)

0 5 10 15 20 25 30 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 ng/L E3 E2 EE E1 DES NOR LEV PRO 71.1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ng/g E3 E2 EE E1 DES NOR LEV PRO 11.8

Enero 2000 Marzo 2000 Mayo 2000 Julio 2000

Variación temporal de las concentraciones de esteroides en aguas y

sedimentos del río Cardener

(33)

Niveles de vitelogenina, en

µg/mL de plasma, en

carpas macho (Cyprinus carpio) del río Anoia

Anoia

(4) (7:3) (6) (4) (9) (6) (3) (6)

x100

* *

*

(10:4) (4) ₍₅₎ (6) 0 40 80 120

VTG (

g/ml plasma)

Enero

Marzo

Mayo

Julio

A1

A2

A3

(34)

Correlación entre la concentración de VTG en plasma y

la concentración de NP en agua de río

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0

20

40

60

80 µ

g VTG/mL plasma

µ

g NP/L

R = 0.82

(35)

Cromatograma obtenido en el análisis off-line de etinil estradiol por

LC-NI-ESI-MS-MS (295>145) en un sedimento tomado en una

zona en donde se observó una alta incidencia de peces intersex y

de niveles de vitelogenina.

21 22 23 24 25 26 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500

_{Etinil estradiol}

Tiempo (min) Abundancia 22.8 ng/g sedimento A2 MRM

Anoia

(4) (7:3) (6) (4) (9) (6) (3) (6) x100 * * * (10:4) (4) ₍₅₎ (6) 0 40 80 120 VTG ( g/ml plasma)

January March May July A1 A2 A3 Control

VTG-Anoia

(4) (7:3) (6) (4) (9) (6) (3) (6) x100 * * * (10:4) (4) ₍₅₎ (6) 0 40 80 120 VTG ( µ g/ml plasma)

Enero Marzo Mayo Julio A1

A2 A3 Control

(36)

Conclusiones/propuestas para la mejora de la

calidad del agua en Cataluña

-

Mejor depuración de las aguas residuales urbanas

-

Incremento significativo del tratamiento terciario en la depuración de

aguas residuales urbanas

-

Reutilización creciente de aguas depuradas

-

Tratamiento separado, y diferenciado desde el origen, de las aguas

de procedencia industrial

-

Máxima reutilización del agua industrial mediante circuitos cerrados y

autodepurados

-

Implementar la calidad integral de las aguas promoviendo programas

de vigilancia ambiental para los contaminantes emergentes de forma

que se garantice la conservación del medio acuático natural, la

gestión integral de los recursos hídricos, la eficacia en el uso del

agua y la reutilización de la misma.

(37)