Orgaaniset haitta-aineet jätevesissä Pia Välitalo Vesihuoltotekniikka 7.12.15
Luennon aiheet Ympäristön kemikalisoituminen Mielenkiintoisia esimerkkejä Haitta-aineet jätevesissä Jätevesi tutkimuskohteena Jätevesien toksisuuden tutkiminen Ekotoksikologia Hormonitoimintaa häiritsevät yhdisteet Suomen jätevesissä Solutestit, vasta-aine antigeenitestit, vesikirpputesti Kalanalkiotesti jätevesitutkimuksessa
Ympäristön kemikalisoituminen Tällä hetkellä on arvioitu, että erilaisissa käytöissä on yli 100 000 kemiallista ainetta ja suuri määrä erilaisista aineista koostuvia seoksia.
Muutama mielenkiintoinen esimerkki. DDT (Diklooridifenyylitrikloorietaani) ja merikotkat Paul Hermann Müller sai Nobelin palkinnon vuonna 1948 keksittyään että DDT on oivallinen hyönteismyrkky Suuri menestys à malariasta päästiin eroon monin paikoin Kuitenkin.
Lisää esimerkkejä Hyönteismyrkkyjen valuminen Lake Apopkaan (FL) johti alligaattorien lisääntymisongelmiin Polyklooratut bifenyylit (PCBt) ja arktiset eläimet Jääkarhut Hyljepopulaatiot Lisääntymisvaikeudet à heikentyneet kannat Diklofenaakki ja korppikotkat Tributyylitina ja simpukoiden androgeeniset vaikutukset Jätevedet ja kalojen feminisaatio 5
Millaisia orgaanisia haitta-aineita jätevesissä on? Hormonit, lääkeainejäämät, palonestoaineet, kosmetiikkaaineita jne. Esiintyvät jätevesissä yleensä pienissä pitoisuuksissa Puhdistusprosessit ovat suunniteltu pääasiassa ravinteiden poistoon à poistuvat huonosti aktiivilieteprosessissa 6
Miten orgaanisia haitta-aineita tutkitaan tai seurataan? Perinteinen haitallisten aineiden seuranta keskittyy pitoisuuksien määrittämiseen. Mitä ongelmia tällaisessa lähestymistavassa on? Kaikki kemikaalit eivät ole haitallisia. 7
Miten kemikaalien vaikutuksia voidaan tutkia? Ekotoksikologia Ekotoksikologia on tieteenala, joka on erikoistunut tutkimaan luonnossa esiintyviä ja sinne joutuvia myrkkyjä sekä niiden vaikutuksia kaikkiin eliöihin. Wikipedia Ekotoksikologia on monitieteistä: se pohjautuu pääasiassa kemiaan, ekologiaan ja toksikologiaan. Ekotoksikologiassa tähdätään riskien arvioimiseen ja vähentämiseen. Riskillä tarkoitetaan todennäköisyyttä että myrkyn haitta esiintyy. 8
Muutamia peruskäsitteitä In vitro ja in vivo Annosvaste LC50 EC50 NOEC Seostoksisuus ja yhteisvaikutukset Muuntumistuotteet Akuuttitoksisuus, krooninen toksisuus Subletaalit vaikutukset Bioakkumulaatio Kertyvyys, pysyvyys, yhdisteen ominaisuudet 9
Mikä tekee jätevesien toksisuuden tutkimisesta erityisen vaikeaa? 10
Hormonitoimintaa häiritsevät kemikaalit Hormonijärjestelmät ohjaavat ja säätelevät ihmisten ja eläinten kehitystä, kasvua, lisääntymistä ja käyttäytymistä. Hormonitoimintaa häiritsevä kemikaali on sellainen eksogeeninen (elimistön Lisääntymishäiriöt ulkopuolelta tuleva) aine tai aineseos, joka muuttaa Kehityshäiriöt hormonijärjestelmän toimintaa ja aiheuttaa siksi haittavaikutuksia Syöpä kokonaisessa organismissa, sen jälkeläisissä Immuunihäiriöt tai (osa)populaatioissa. à SEKÄ IHMISILLÄ ETTÄ ELÄIMILLÄ! Miten ne voivat vaikuttaa? jäljittelemällä elimistön luonnollisten hormonien vaikutusta, estämällä luonnollisten hormonien vaikutuksia vaikuttamalla hormonien pitoisuuteen elimistössä. 11
Jätevesien toksisuus Suomessa Estrogeeniset vaikutukset 8 jätevedenpuhdistamoa 24h kokoomanäytteet Kemian analytiikka + biotestit! 12
Kemian analyysit (LC-MS/MS) Compounds selected for analysis: Natural and synthetic hormones Estrone (E1) 17β-estradiol (E2) Estriol (E3) 17β-ethinylestradiol (EE2) 17α-estradiol Progesterone In addition Bisphenol A (BPA) Why these compounds? 13
1. Chemical analysis Which compounds were detected? And how much? Compound LOQ ng/l Concentration ng/l 30,0 Concentration ng/l 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 E1 E2 17α-estradiol E1 1 2.7 27.2 E2 5 <5 6.8 E3 3 <3 EE2 10 <10 17α-estradiol 4 <4-4 Progesterone n.d. n.d. BPA 0.7 131 956 000 14
1. Chemical analysis BPA 1600 BPA 1400 1200 Concentration ng/l 1000 800 600 400 BPA 200 0 WWTP1 WWTP2 WWTP3 WWTP4 WWTP5 WWTP6 WWTP7 15
Results 2. ER-CALUX 16
Results 2. ER-CALUX To determine the estrogenic potencies of effluents in eight municipal WWTPs in Finland 35 30 25 E2 EEQ ng/l 20 15 10 5 0 WWTP1 WWTP2 WWTP3 WWTP4 WWTP5 WWTP6 WWTP7 WWTP8 Wastewater treatment plants Figure 3. Estrogenic potential of effluents from eight WWTPs tested with ER- CALUX. The error bars represent standard deviation of three replicates. The estrogenic potency of samples is calculated as equivalence values for E2. 17
Results 2. ER-CALUX To evaluate the contribution of the target compounds to the observed effects. Treatment plant E1 E2 E3 EE2 17αestradiol BPA Total ER- CALUX (ng/l) % explained b WWTP1 0,18 n.d. n.d. n.d. n.d. 0,05 0,23 1,95 12 WWTP2 0,11 n.d. n.d. n.d. n.d. 0,01 0,11 1,58 7 WWTP3 0,07 n.d. n.d. n.d. n.d. 0,01 0,08 1,24 6 WWTP4 0,09 n.d. n.d. n.d. n.d. 0,00 0,09 1,17 8 WWTP5 0,30 n.d. n.d. n.d. n.d. 0,02 0,33 2,82 12 WWTP6 0,30 6,46 n.d. n.d. n.d. 0,01 6,77 9,63 70 WWTP7 0,04 n.d. n.d. n.d. n.d. 0,00 0,05 0,92 5 WWTP8 0,44 6,83 0,03 n.d. n.d. 4,21 11,50 23,83 48 a) The calculations were done according to Maletz et al. (2013); Caluculated concentrations of EEQ = Relative estrogenic potency x concentration (ng/l). b) % Explained = (Total/ER CALUX EEQ (ng/l))*100 n.d.= no data available 18
Results 3. ELISA-E2 Antibody antigen based test Figure 4. a) Concentrations of E2 measured with ELISA-E2 assay in effluent samples from 8 municipal WWTPs b) The percent of maximal binding (% B/B0) in the effluent samples in four dilutions. 19
Results 4. In vivo test Effluents showed no acute toxicity WWTP 8 effluent showed toxic effects in the long term test with D.magna 160 140 120 Number of offspring 100 80 60 40 Reproductive output Number of dead juveniles 20 0 Control 6,25 12,5 25 50 75 Effluent dilution (%) Figure 5. The reproductive output (number of juveniles per adult) and the number of dead juveniles in different dilutions of effluent from WWTP 8. 20
Johtopäätöksiä? 21
Fish embryo toxicity assay FET 7 effluent samples were analyzed 3 replicates 96 h exposure Full dose-response curves Lethal and sublethal effects
What do the effects look like? Normal 24h Something wrong 24h
What do the effects look like? Normal 48h Something wrong 48h
What do the effects look Normal 72h like? Something wrong 72h
What do the effects look Normal 96h like? Something wrong 96h
10 9 8 7 6 5 4 REF10 REF5 REF2.5 3 2 1 0 WWTP2 WWTP3 WWTP4 WWTP5 WWTP6 WWTP8 PC PC NC NC NC NC
Take home message! Haitta-aineiden toksisuuden tutkiminen jätevesistä on haasteellista Matriisivaikutukset Pienet pitoisuudet Yhteisvaikutukset Jne.. Pelkkien pitoisuuksien mittaaminen ei kerro mitään vaikutuksista! Ekotoksikologiset testit kemian analytiikan rinnalla Yhteisvaikutukset Spesifinen toksisuus, akuuttitoksisuus 28