Utveckling av membranbaserade
analysmetoder och mätning av
läkemedelsrester i avloppsvatten
och slam
Projektrapport 2011
Estelle Larsson
Jan Åke Jönsson
Miljövetenskapliga samt Kemiska institutionen
Lunds universitet
Projektrapport 2011
Estelle Larsson, Jan Åke Jönsson
Lunds universitet
mars 2012
_____________________________________________________________________
1. Inledning
Detta utgör den andra rapporten rörande forskningsprojektet kring mätning av
läkemedelsrester i avloppsvatten och slam. I denna rapport kommer enbart
genomförda samt pågående studier att redovisas, för information om projektets
bakgrund, metoder etc. hänvisas till tidigare rapport (2010).
2. Pågående och genomförda studier
2.1 Avlägsnande av smärtstillande läkemedel via slam under avloppsreningen
Det har i ett flertal oberoende studier påvisats att detekterbara halter av smärtstillande
läkemedel återfinns i såväl inkommande som utgående vatten i reningsverk från olika
delar av världen. Det har också visat sig att trots likheter i såväl kemiska som
fysikaliska egenskaper skiljer sig reningsgraden avsevärt åt mellan de olika
substanserna. Förklaringen till detta är ännu okänd liksom vilka mekanismer som i
detalj ligger bakom elimineringen av dessa substanser från vattnet, d.v.s. i vilken
utsträckning de avlägsnas via de olika slamtyperna respektive bryts ner till koldioxid
och vatten eller andra substanser på mikrobiell väg. Den allmänna teorin är att
avlägsnande via slam utgör en mycket liten del av den totala elimineringen då dessa
läkemedel är syror och därmed negativt laddade vid det pH som råder i reningsverket.
Därför antas de binda till slam i mycket liten utsträckning då deras negativa laddning
dels ger dem hög vattenlöslighet och dels leder till att de repelleras av slampartiklarna
vilka också är negativt laddade vid detta pH. Mycket få studier där verkliga mätningar
gjorts i framförallt de olika slamfaserna har dock genomförts p.g.a. de svårigheter
vilka är knutna till mätning av så låga halter i denna typ av komplexa prover. Olika
provupparbetningstekniker måste användas för vatten respektive slam och dessa har
också vissa begränsningar. Syftet med denna studie har därför varit att baserat på
Ester Sagristàs tidigare arbete med rötslam [1], vidareutveckla och optimera
membranextraktion, en enkel effektiv och miljövänlig provupparbetningsteknik, så att
denna kan tillämpas på såväl vatten- som slamprover från alla olika delar av reningsverkets vattenreningsprocess.
Denna studie har genomförts under 2011 av Estelle Larsson och inleddes med
en metodutvecklingsdel där prover hämtats från sju olika punkter i Källby reningsverk, Lund (fig. 1).
Fig. 1 – Provtagningspunkter i reningsverket markerade med stjärnor.
De olika provtagningspunkterna har valts så att studien ska kunna ge svar på hur
mycket av respektive läkemedel som når verket via inkommande vatten, hur mycket
som avlägsnas via primärslammet respektive följer med vattnet in i biosteget, hur
mycket som avlägsnas via bioslammet respektive följer med vattnet vidare till kems2
Projektrapport 2011
Estelle Larsson, Jan Åke Jönsson
Lunds universitet
mars 2012
_____________________________________________________________________
teget och slutligen hur mycket som avlägsnas via kemslammet respektive lämnar
verket med utgående vatten. Parametrar såsom spädning av prover, homogenisering
och spikning (d.v.s. tillsats av kända halter av de olika läkemedlen, s.k. standardaddition) har optimerats och metodens prestation utvärderats. Därefter har prover
hämtats från de tre första punkterna (inkommande, primärslam, försedimentering ut)
den 26 september och från de fyra sista (bioslam, bio ut, kemslam, utgående) den 3
oktober 2011 och extraherats med den optimerade metoden. Erhållna extrakt har därefter analyserats med högupplösande vätskekromatografi tandem-masspektrometri
(LC-MS/MS). Flöden hos vatten och slam har erhållits från VA Syd och de uppmätta
koncentrationerna har korrigerats för flödesvariationer i de olika slam- och
vattenströmmarna.
Studien är nu avslutad och har resulterat i författandet av ett manuskript till en
vetenskaplig artikel vilket skickats in till tidskriften Water Research den 19 mars 2012.
Studien visar att den optimerade metoden fungerar bra för extraktion av både
ketoprofen, naproxen, diklofenak och ibuprofen från såväl avloppsvatten som slam.
När proverna späds 10 eller 5 gånger (beroende på deras komplexitet) och homogeniseras före extraktion ger metoden över 1 000 gånger anrikning av alla fyra
läkemedlen i alla provtyper. Den relativa standardavvikelsen (RSD) hos uppmätta
halter ligger i de flesta fall på acceptabla nivåer (ca 12 %). I något fall är denna något
högre, men det är vår tro att detta kan åtgärdas med en annan typ av försegling av
hålfiberna och mer effektiv homogenisering av proverna.
En sammanfattning av resultaten visas i fig. 2 respektive 3.
Fig. 2 – Massbalans för ketoprofen och naproxen i vattenbehandlingsprocessen i Källby renings-verk, Lund.
3
Projektrapport 2011
Estelle Larsson, Jan Åke Jönsson
Lunds universitet
mars 2012
_____________________________________________________________________
Fig. 3 – Massbalans för diklofenak och ibuprofen i vattenbehandlingsprocessen i Källby renings-verk, Lund.
Studien visar att ibuprofen och naproxen är de substanser vilka förekommer i inkommande vatten i högst halter, men också de som renas bort mest effektivt. Enbart
en liten del återfinns dock i slammet vilket tyder på att den dominerande
reningsmekanismen är biologisk nedbrytning. Generellt sett hamnar en mycket liten
andel av läkemedlen i slammet, vilket bekräftar existerande teorier. Dock finns
mätbara halter av de fyra läkemedlen i nästan alla slamprover.
2.2 Avlägsnande av smärtstillande läkemedel under rötning av slam
Ovannämnda studie har visat att även om halterna är låga så förekommer alla fyra
läkemedlen i det slam som avlägsnas från vattnet under reningen. De tre slamtyperna
(primär-, bio- och kemslam) sammanförs sedan till ett slam, s.k. råslam, som efter
avvattning i olika steg rötas i en rötkammare under anaeroba (syrefria förhållanden) i
ca 20 dagar. Under rötning bryts komplexa organiska molekyler som fetter, proteiner
och kolhydrater ner till mer enkla molekyler under utveckling av metangas. Det finns
två olika typer av rötning, mesofil rötning vilken sker vid 37 °C och termofil rötning
vilken sker vid 55 °C. Frågeställningen i denna studie är vad som sker med de
läkemedel som finns i råslammet under själva rötningen. Sker det någon signifikant
nedbrytning och finns det någon skillnad i effektivitet hos mesofil respektive termofil
rötning när det gäller att avlägsna smärstillande läkemedel?
Studien kommer att bestå av två delar, en metodutvecklingsdel där membranextraktion optimeras för extraktion av smärtstillande läkemedel från råslam
respektive rötslam (detta skiljer sig från det slam som analyserats i tidigare studier av
Sagristá [1]och Saleh [2] då det inte genomgått någon avvattning och därmed är
mycket vattenrikt) samt en mätdel där metoden tillämpas på prover från två olika
4
Projektrapport 2011
Estelle Larsson, Jan Åke Jönsson
Lunds universitet
mars 2012
_____________________________________________________________________
reningsverk som tillämpar de olika typerna av rötning. Studien kommer att inkludera
såväl de fyra ursprungssubstanserna som 7 olika nedbrytningsprodukter av dem.
Studien kommer laborativt att genomföras av Said al Hamimi, masterstudent i
analytisk kemi, under handledning av Estelle Larsson. Studien kommer att påbörjas
den 21 mars 2012 och pågå under ett år framöver.
2.3 Undersökning av adsorptionsmekanismer
Som påvisades i studie 1 ovan finns det skillnader i hur stor utsträckning de olika
läkemedlen binder till olika typer av slam och det är av stort intresse att förstå detta.
Både för att förstå processerna i reningsverket och för att. Denna studie syftar till att
studera olika fysikalisk-kemiska egenskaper hos de olika slamtyperna för att
undersöka om det finns skillnader i dessa mellan primär-, bio- och kemslam vilka kan
förklara skillnader i adsorption av smärtstillande läkemedel. Denna studie genomförs
av Estelle Larsson i samarbete med organisk kemi och har hittills innefattat studie av
påverkan av pH på adsorbtionen, mätning av totalt organiskt kol (TOC) samt järn,
aluminium och kalicium i primär-, bio- och kemslam (utförda av Växtekologen,
Lunds universitet) Humussyror har också extraherats från primär- och bioslam och
skall undersökas med NMR- och IR-spektroskopi för att kartlägga eventuella
skillnader i kemisk struktur. Även anjonbytarkapacitet (d.v.s. förmågan att binda
negativt laddad molekyler) kommer att undersökas. Studien beräknas vara avslutad i
juni 2012.
2.4 Fördelning av smärtstillande läkemedel mellan vatten och typer av slam
Ovanstående studier fokuserar huvudsakligen på de processer som sker i
reningsverket, ett dynamiskt och flödande system där olika processer som t.ex.
fördelningen av läkemedel mellan vatten och slam, sällan hinner nå jämvikt. Inom
ramen för den danska forskarskolan RECETO kommer Estelle även i ett projekt
under vår/sommar att studera fördelningen mellan vatten och de olika slamtyperna i
ett kontrollerat laboratorieexperiment där slamproverna placeras inuti dialysmembran
vilka sänks ner i en vattenlösning. Läkemedlen kommer sedan att fördela sig mellan
vatten och slam och analys av slamproverna kommer att ge information om hur
denna fördelning skiljer sig åt mellan olika slamtyper. Studien beräknas vara avslutad
till hösten 2012.
2.5 Förekomst och bildning av nedbrytningsprodukter under avloppsrening
Som visats ovan verkar det som att bionedbrytning står för en stor del av
avlägsnandet av smärtstillande läkemedel under avloppsreningen. Det är därför av
stort intresse att studera förekomsten av nedbrytningsprodukter i de olika delarna av
reningsverket. Detta är en studie Estelle kommer att arbeta med huvudsakligen under
hösten 2012, men några initiala försök att extrahera flera nedbrytningsprodukter med
hålfiber har redan inletts. Detta kommer också att vara en del av det arbete som
redovisas under punkt 4.2 ovan och som kommer att inkludera dessa substanser.
2.6 Mätning av hormoner i rötslam
Det arbete som pågår och som gjorts hittills har fokuserat på smärtstillande och
antidepressiva läkemedel. Även hormoner är av intresse då de tillhör en grupp av
föreningar som har påvisade miljöeffekter i låga halter. I ett pågående projekt arbetar
därför Charlotte Kåse under handledning av Jose Manuel Cortes med att utveckla en
5
Projektrapport 2011
Estelle Larsson, Jan Åke Jönsson
Lunds universitet
mars 2012
_____________________________________________________________________
metod för extraktion av fler olika hormoner ur rötslam och sedan tillämpa denna på
prover av rötat och lagrat slam redo att spridas på åkermark. Studien har nyss
påbörjats och beräknas vara klar före årsskiftet.
2.7 Direkt extraktion av antidepressiva läkemedel från slam och mätning i utgående slam
Denna studie genomfördes under hösten 2010 av Ester Sagristà och Jose Manuel
Cortes och syftet var att utveckla och utvärdera två olika metoder för extraktion av
antidepressiva läkemedel från centrifugerat slam. Den ena metoden utgörs av direkt
membranextraktion (HF-LPME), vilken tidigare tillämpats framgångsrikt för
smärtstillande läkemedel i slam [1]. Den andra metoden utgörs av extraktion med
varmt vatten under tryck följt av upprening med hålfibermembran (PHWE-HFLPME). Initiala försök har tidigare gjorts med fluoxetin och dess
nedbrytningsprodukt norfluoxetin, men denna studie syftade till att inkludera fler
ämnen vilket gör metoderna mer kraftfulla och användbara. Försök har därför gjorts
att simultant extrahera paroxetin, sertralin, citalopram, fluoxetin och norfluoxetin från
centrifugerat slam. Resultaten visar att alla substanserna förekommer i slammet (tabell
1). Ett vetenskapligt manuskript har författas och skickats in till tidskriften Journal of
Separation Science.
Tabell 1 – Koncentrationer av antidepressiva läkemedel uppmätta i rötslam med två olika metoder.
2.8 Studie av upptag av smärtstillande läkemedel i vete och sojabönor
I denna studie, utförd av Jose Manuel Cortes, har vete och sojabönor gödslats med
slam från Källby reningsverk i Lund. Slammet har mellanlagrats i 6 månader i enlighet
med REVAQ och slamgivan har beräknats av VA Syd baserat på det aktuella
slampartiets fosforinnehåll. D.v.s. samma mängd slam har använts som vid verklig
gödsling av åkermark. Analys av slammet visar att det innehöll ibuprofen och
diklofenak i detekterbara halter, men ej ketoprofen och naproxen. Växter (ej rötter)
har skördats efter 60 och 100 dagar och analyserats m a p de fyra substanserna
ketoprofen, ibuprofen, naproxen och diklofenak. I inget av fallen har något av
läkemedlen kunnat påvisas, varken efter 60 eller 100 dagar. Detta betyder att sker det
ett upptag i växter så är detta mycket litet och ej mätbart med våra metoder.
5. Användning av erhållna medel
De medel som erhållits tidigare har delvis använts för reparation och underhåll av
vårt viktigaste analysinstrument, (LC-QTOF masspektrometer), dessutom för
driftskostnader, kemikalier, resor mm. Lönemedel för Estelle kommer för närvarande
från Inst. för miljövetenskap och från den danska forskarskolan RECETO, men
dessa medel kommer att behöva kompletteras med lönemedel från en del av anslaget
6
Projektrapport 2011
Estelle Larsson, Jan Åke Jönsson
Lunds universitet
mars 2012
_____________________________________________________________________
från Regionen från november 2012. När projektet avslutats kommer en fullständig
ekonomisk redovisning att lämnas.
6. Tack till
Utöver de personer som omnämnts ovan vill vi gärna tacka följande personer: Maria
Mases, Per-Åke Rask, Jan Nilsson och Michael Cimbritz från VA Syd/Källby
avloppsreningsverk för hjälp med provtagning och värdefull information om
reningsverket.
Utöver Region Skåne finansieras denna forskning av Centrum för miljö- och
klimatforskning vid Lunds universitet, den danska forskarskolan RECETO samt
Vetenskapsrådet. Estelle vill också tacka Kungliga fysiografiska sällskapet samt
Craafordstiftelsen (via Olof Berglund) för ekonomiska bidrag till utrustning.
7. Kontakt
För frågor, vänligen kontakta Estelle Larsson ([email protected], 0734-393
100 eller Jan Åke Jönsson ([email protected], 046-222 82 09).
8. Referenser
1.
Sagristà, E., E. Larsson, M. Ezoddin, M. Hidalgo, V. Salvadó, and J.Å.
Jönsson, Determination of non-steroidal anti-inflammatory drugs in sewage
sludge by direct hollow fiber supported liquid membrane extraction and liquid
chromatography-mass spectrometry. J. Chromatogr. A, 2010. 1217: p. 61536158.
2.
Saleh, A., E. Larsson, Y. Yamini, and J.Å. Jönsson, Hollow fiber liquid phase
microextraction as a preconcentration and clean-up step after pressurized hot
water extraction for the determination of non-steroidal anti-inflammatory
drugs in sewge sludge. J. Chromatogr. A, 2011. 1218: p. 1331-1339.
7
