ΤΥΧΗ ΚΑΙ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΞΕΝΟΒΙΟΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΚΑΙ ΙΛΥΟΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβληθείσα στο Τµήµα Χηµικών Μηχανικών Του Πανεπιστηµίου Πατρών Υπό ΜΙΧΑΗΛ Σ. ΦΟΥΝΤΟΥΛΑΚΗ Για την απόκτηση του Τίτλου του ιδάκτορος του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών Του Πανεπιστηµίου Πατρών ΠΑΤΡΑ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2005
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Από τη θέση που βρίσκοµαι ως υποψήφιος διδάκτορας θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά Τον κ. Γεράσιµο Λυµπεράτο, Καθηγητή του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, που επέβλεψε επί σχεδόν πέντε χρόνια την εργασία µου και του οποίου οι συµβουλές και η καθοδήγηση υπήρξαν πολύτιµες και καθοριστικές για την ολοκλήρωση της. Την κ. Κατερίνα Σταµατελάτου, διδάκτορα του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, για την αµέριστη συµπαράσταση και την ενεργό βοήθεια της σε όλη την διάρκεια της εργασίας µου. Τον κ. Μιχάλη Κορνάρο, Λέκτορα του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, για τις συµβουλές και υποδείξεις του στα θέµατα της εργασίας µου. Τους φίλους µου Σπύρο οκιανάκη υποψήφιο διδάκτορα και ρίλλια Παναγιώτα διδάκτορα του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, για την πολύτιµη και έµπρακτη στήριξη τους τις ατέλειωτες ώρες πειραµάτων στο εργαστήριο, και την ηθική τους συµπαράσταση όλο αυτό τον καιρό. Την κ. Αδαµαντία Καµπιώτη, διδάκτορα του Τµήµατος Χηµείας του Πανεπιστηµίου Κρήτης, τον κ. Ιωάννη Σκιαδά διδάκτορα του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών, την κ. Χαρίκλεια Γαβαλά διδάκτορα του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών του Πανεπιστηµίου Πατρών για τις συµβουλές τους στα θέµατα της εργασίας µου. Και όλα τα παιδιά του εργαστηρίου για την άψογη συνεργασία µας και αλληλοστήριξη αυτά τα χρόνια. Επίσης θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες µου στους Καθηγητές κ. Σ. Παύλου, Ε. Στεφάνου, Κ. Χρυσικόπουλο, στον Αναπληρωτή Καθηγητή Στ. Τσώνη και στον Επικ. Καθηγητή. Βαγενά για την συµµετοχή τους στην εξεταστική επιτροπή. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς µου Στέλιο και Αργυρώ και την αδερφή µου Κατερίνα για την ηθική συµπαράσταση και υποστήριξη που µου προσφέραν όλα τα χρόνια που διήρκησε αυτή η εργασία. 2
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ανάπτυξη της βιοµηχανίας βοήθησε στην καλυτέρευση της ζωής εκατοµµυρίων ανθρώπων, αλλά επιπροσθέτως µας κληροδότησε µε ένα µολυσµένο περιβάλλον που επιδρά αρνητικά στις φυσικές πηγές µας και κατά συνέπεια στην ανθρωπότητα. Στις µέρες µας, πολλά συνθετικά οργανικά χηµικά προκαλούν συνεχώς αυξανόµενη ανησυχία λόγω της υψηλής τοξικής τους δράσης και της υψηλής ανθεκτικότητας τους στο περιβάλλον και στα βιολογικά συστήµατα. Ακόµα, η υψηλή υδροφοβικότητα πολλών από των ενώσεων αυτών επαυξάνει την βιοσυσσώρευση τους και ως εκ τούτου τις καθιστά εν δυνάµει επικίνδυνες ουσίες για την δηµόσια υγεία. Από την άλλη µεριά, οι µονάδες βιολογικής επεξεργασίας αποβλήτων είναι τα σύνορα για το περιβάλλον από τα οποία περνούν οι ανεπιθύµητες ξενοβιοτικές ουσίες που περιέχονται στα λύµατα και οι οποίες πιθανό να βιοµετατρέπονται και/ή να ροφούνται στην ιλύ. Η πιο γνωστή µέθοδος για την διάθεση της ιλύος στην Ευρώπη είναι η βιοσταθεροποίηση της µε αναερόβια επεξεργασία, η πάχυνση και η τελική απόρριψη της σε αγροτικές καλλιέργειες ή σε Χ.Υ.Τ.Α. Με αυτόν το τρόπο αποδίδεται σηµαντική ποσότητα βιοαερίου (ενέργεια) ενώ ανακυκλώνονται πολύτιµα θρεπτικά συστατικά στις αγροτικές καλλιέργειες και στο έδαφος. Η Ευρωπαϊκή ένωση, αναγνωρίζοντας τα προβλήµατα που προκαλούνται από την παρουσία ξενοβιοτικών ουσιών στην επεξεργασµένη ιλύ εκδίδει συγκεκριµένες οδηγίες σχετικά µε την διάθεση της στο έδαφος. Οι οδηγίες αυτές περιλαµβάνουν βαρέα µέταλλα, αλογονοπαράγωγα, φαρµακευτικά, γραµµικά αλκυλοβενζοσουλφονικά άλατα (LAS), αιθοξυλικές αλκυλοφαινόλες (APE), φθαλικούς εστέρες (PAE), και πολυαρωµατικούς υδρογονάνθρακες (PAHs). Τα µέταλλα διαχειρίζονται µε µεθόδους καθίζησης, ενώ τα αλογονοπαράγωγα βιοδιασπόνται εύκολα κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Ωστόσο φαρµακευτικές ουσίες, LAS, APE, PAE, και PAHs συχνά απαντώνται σε σηµαντικές ποσότητες στην ιλύ. Λόγω της µικρής διαλυτότητας τους στο νερό οι περισσότερες από τις ενώσεις κατανέµονται περισσότερο στο στερεό µέρος (ιλύς) παρά στο διαλυτό τµήµα (απορροή). Επιπροσθέτως, πολλές από τις ουσίες είναι παρεµποδιστές ενώ η επίδραση τους στην λειτουργία των αναερόβιων αντιδραστήρων είναι άγνωστη. 3
Στην εργασία αυτή µελετήθηκε η επίδραση των ρυπαντών αυτών στην διεργασία την αναερόβιας χώνευσης καθώς και η βιοαποδόµηση τους κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Για τις φαρµακευτικές ενώσεις χρησιµοποιήθηκε συνθετικό µέσο βασισµένο στην γλυκόζη και αντιδραστήρες λειτουργίας τύπου εξισορρόπησηςγεµίσµατος. Για τις υπόλοιπες ουσίες χρησιµοποιήθηκαν διάφοροι τύποι βιολογικής ιλύος (πρωτοβάθµιας, δευτεροβάθµιας επεξεργασίας και µίγµα αυτών) και αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας (CSTR). Επιπροσθέτως για όλες τις ξενοβιοτικές ενώσεις πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου µε σκοπό να µελετηθεί η τοξική τους δράση στην αναερόβια διεργασία. Τα οργανικά οξέα έχουν αναγνωρισθεί παγκοσµίως ως τα πιο σηµαντικά ενδιάµεσα της αναερόβιας χώνευσης. Έτσι προκειµένου να γίνει σύγκριση της επίδρασης των ξενοβιοτικών, οι αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας προσοµοιάστηκαν µε τη χρήση ενός γνωστού αναερόβιου µοντέλου (ADM1), ενώ υπολογίστηκαν στατιστικά οι κινητικές της διεργασίας για τις σηµαντικότερες παραµέτρους εκτιµώντας την αβεβαιότητα τους. Η αντίδραση των αντιδραστήρων ήταν διαφορετική για κάθε φάρµακο. Ειδικότερα η τριχλωζάνη και η οφλοξακίνη φαίνεται να παρεµποδίζουν την διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης αυξάνοντας τα επίπεδα της συγκέντρωσης του δ/του ΧΑΟ. Ωστόσο αυτή η διαταραχή κράτησε κάποιο χρονικό διάστηµα αλλά κατόπιν η απόδοση τον αντιδραστήρων επέστρεψε σε φυσιολογικά επίπεδα. Τα πειράµατα καθορισµού της ειδικής µεθανογόνου δραστικότητας για τα φάρµακα έδειξαν ότι η τριχλωζάνη και η προπρανολόλη παρεµποδίζουν σηµαντικότερα την µεθανογένεση ενώ αντίθετα το χλωφιβρικό οξύ και η σουλφαµεθοξαζόλη δεν φαίνεται να επηρεάζουν την διεργασία ακόµα και σε υψηλές συγκεντρώσεις. Η σχετική τοξική δράση των φαρµάκων µπορεί να µην αυξάνει ανάλογα µε την αύξηση της συγκέντρωσης της ουσίας. Τέλος όλες οι φαρµακευτικές ενώσεις βρέθηκαν ανθεκτικές κάτω από αναερόβιες συνθήκες µε εξαίρεση την σουλφαµεθοξαζόλη. Οι υπόλοιπες ξενοβιοτικές ενώσεις δεν παρουσίασαν στατιστικά καµία επίδραση στην απόδοση των µολυσµένων από αυτές αντιδραστήρων σε σχέση µε τον αντιδραστήρα που δεν είχε προστεθεί καµία ουσία. Το συµπέρασµα αυτό δεν έγινε µόνο από την παρατήρηση του παραγόµενου βιοαερίου αλλά και από την στατιστική 4
ανάλυση της κινητικής κατανάλωσης οξικού και προπιονικού. Επίσης, τα γραµµικά αλκυλοβενζοσουλφονικά άλατα, οι αιθοξυλική εννεοφαινόλη, η εννεοφαινόλη, το φενανθρένιο, το πυρένιο και το φλουρανθένιο ήταν πολύ στην διεργασία. Αντίθετα ο διαιθυλ(2-έξυλ) φθαλικός εστέρας (DEHP) βιοαποδοµείται µερικώς. Ο ρυθµός µεταφοράς µάζας είναι ο καθοριστικός του ρυθµού αποδόµησης, δηλαδή τα στερεά λειτουργούν σαν δεξαµενή εξισορρόπησης της συγκέντρωσης της ουσίας σε σχέση µε αυτή που υπάρχει έξω από τα στερεά και ανταποκρίνεται στις αλλαγές τις επιφανειακής συγκέντρωσης πιο αργά από το ρυθµό βιοαποδόµησης του DEHP. Τέλος αποδείχτηκε ότι εφαρµόζοντας αερόβια µετά-επεξεργασία της αναερόβια χωνευµένης ιλύος είναι πιθανό να µειωθούν µερικές από τις εξεταζόµενες ξενοβιοτικές ουσίες. 5
ABSTRACT The industrial development has brought prosperity to millions of people, but has also left a legacy of polluted environment that continues to impact our natural resources, and ultimately, human well being. Nowadays, many synthetic organic chemicals are of growing concern, because of their high toxicity and high persistence in the environment and in biological systems. Furthermore, the high lipophilicity of many of these xenobiotics greatly enhances their bioaccumulation, thereby posing potential health hazards. On the other hand, sewage treatment plants (STPs) are the barriers of the environment, where the undesired xenobiotic compounds dissolved in sewages are biotranformed and/or sorbed to sludge. The most common method of sludge disposal in Europe is stabilization by anaerobic treatment, thickening, and spreading on agricultural land or landfills. This yields valuable biogas, and recycles nutrients to agriculture, as well as conditioning of the soil. Problems related to agricultural recycling of sludge include the presence of pollutants, including priority pollutants identified in the EU urban water directives. These include metals, halogenated organics, pharmaceuticals, linear alkylbenzene sulfonates (LAS), alkylphenol polyethoxylates (APE), phthalic acid esters (PAE), and polyaromatic hydrocarbons (PAH). Metals are currently managed by precipitation, while halogenated aromatics are readily removed by anaerobic dehalogenation. However, pharmaceuticals, LAS, APE, PAE, and PAH are often present in significant quantities in the sludge. Additionally, due to their low solubility most of the compounds will fractionate to the solids portion (i.e., sludge), rather than to the soluble portion (i.e., effluent). As another factor, many of these compounds are inhibitory, and the impact on digester performance is unknown. In this work, we identify the impact of these pollutants on the anaerobic process itself, as well as degradation of the target compounds. For the pharmaceuticals we used a glucose based synthetic medium and continuous reactors operated in a draw and fill mode. For the other compounds we used different types of biological sludge (primary, secondary and mixture) and continuous stirred tank reactors (CSTR). Additionally in 6
order to assess their impact in anaerobic digestion process batch experiments took place, for all xenobiotics. Furthermore, organic acids are widely recognised as the most appropriate process indicator. To assess comparative impact separately, the (CSTR) reactors were simulated using a widely used model (ADM1), and the kinetics were assessed statistically by estimating uncertainty in key parameters. The response of the reactors to each pharmaceutical was different. In particular, triclosan and ofloxacin seemed to inhibit the anaerobic digestion process, increasing the dissolved COD concentration rapidly, This upset lasted for some days, but afterwards, the reactor came back to normal levels of performance. Specific methanogenic activity tests showed that triclosan and propranolol inhibited the methanogenesis step significantly, on the other hand clofibric acid and sulfamethoxazole seemed not to affect methanogenesis even at high concentrations. The relative toxicity of the pharmaceuticals may be different at different concentrations. All pharmaceuticals found to be persistent under anaerobic conditions with the exception of sulfamethoxazole. The other target toxic organic compounds had no statistical impact on performance in the contaminated reactors, as compared to an uncontaminated control. This was not only observed in gas flow, but also by statistical analysis of the dynamic removal of acetate and propionate. However, LAS, NPEO, NP and phenanthrene were highly persistent, with no demonstratable removal. DEHP was partially degraded. The mass transfer rate was rate limiting for DEHP removal, meaning that, the solids functioned as a tank equalizing the concentration of the DEHP throughout the solid particle and responded to the changes in the surface concentration at a slower rate than that attributed to biodegradation. Finally it was demonstrated that applying a post-aeration method for anaerobically digested sludge it is possible to reduce some of the selected organic micropollutants. 7
1.1 Εισαγωγή...1 1.2 Φαρµακευτικές ουσίες...2 1.2.1 Εισαγωγή...2 1.2.2 Η παρουσία των φαρµακευτικών ουσιών στο φυσικό περιβάλλον....6 1.2.3 Οικοτοξικότητα των φαρµάκων...11 1.2.4 Οι εξεταζόµενες φαρµακευτικές ενώσεις....12 Καρµαµαζεπίνη (Carbamazepine)...13 ιχλωφενακικό νάτριο (diclofenac sodium)...14 Σουλφαµεθοξαζόλη (sulfamethoxazole)...15 Οφλοξακίνη (Ofloxacin)...16 Χλωφιβρικό οξύ (Clofibric acid)...17 Προπρανολόλη (Propranolol)...18 Τριχλωζάνη (Triclosan)...19 1.3 Επιφανειοδραστικές ουσίες...21 1.3.1 Γενικά...21 1.3.2 Γραµµικά αλκυλοβενζοσουλφονικά άλατα (LAS)...24 1.3.3 Η παρουσία των γραµµικών αλκυλοβενζολικών σουλφονιδίων (LAS) στο φυσικό περιβάλλον...25 1.3.4 Οικοτοξικότητα των γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών αλάτων(las)...28 1.3.5 Αιθοξυλικές αλκυλοφαινόλες (APEs)...30 1.3.6 Η παρουσία των αιθοξυλικών αλκυλοφαινολών (APEs) στο περιβάλλον...31 1.3.7 Οικοτοξικότητα των αιθοξυλικών αλκυλοφαινολών...34 1.4 Πλαστικοποιητές...35 1.4.1 Γενικά...35 1.4.2 ιαίθυλ-2-έξυλ-φθαλικός εστέρας (DEHP)...37 1.4.3 Η παρουσία του διαίθυλ-2-έξυλ-φθαλικού εστέρα (DEHP) στο φυσικό περιβάλλον...38 1.4.4 Οικοτοξικότητα του διαίθυλ-2-έξυλ-φθαλικού εστέρα (DEHP)...39 1.5 Πολυαρωµατικοί υδρογονάνθρακες (PAHs)...41 1.5.1 Γενικά...41 8
1.5.2 Η παρουσία των πολυαρωµατικών υδρογονανθράκων στο φυσικό περιβάλλον....43 1.5.3 Οικοτοξικότητα των πολυαρωµατικών υδρογονανθράκων...47 2. ΠΑΡΕΜΠΟ ΙΣΗ ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ...48 2.1 Βασικά στοιχεία µικροβιολογίας και κινητικής µικροβιακής ανάπτυξης...48 2.2 Παρεµπόδιση µικροβιακής ανάπτυξης...53 2.2.1 Γενικά...53 2.2.2 Επίδραση ξενοβιοτικών ουσιών στην µικροβιακή ανάπτυξη...55 Αρωµατικές ενώσεις...55 Φαρµακευτικές ενώσεις...57 Επιφανειοδραστικά...59 3. ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ...62 3.1 Εισαγωγή...62 3.2 Μικροβιολογία της αναερόβιας επεξεργασίας...63 3.2.1 Μικροβιολογία της µη µεθανογόνου φάσης...66 Μεταβολισµός των µη µεθανογόνων βακτηρίων...67 3.2.2 Μικροβιολογία της µεθανογόνου φάσης...69 3.3 Παράγοντες που επηρεάζουν την αναερόβια χώνευση...71 3.3.1 Θερµοκρασία...71 3.3.2. ph...72 3.3.3. Αλκαλικότητα...73 3.3.4. Θρεπτικά...74 3.3.5 Τοξικές ουσίες...74 3.4 Κινητική της αναερόβιας επεξεργασίας...76 3.4.1 Εισαγωγή...76 3.4.2 Ρυθµοί κινητικής ανάπτυξης των επί µέρους βασικών σταδίων της αναερόβιας επεξεργασίας...79 Υδρόλυση στερεού οργανικού υλικού...79 Ζύµωση και αναερόβια οξείδωση των προϊόντων υδρόλυσης...80 Μεθανογένεση...81 9
Σύνοψη...82 3.4.3 Κινητική παρεµπόδισης της αναερόβιας επεξεργασίας...82 Εµπειρικά µοντέλα παρεµπόδισης...83 Μοντέλα τύπου Monod µε ρυθµισµένες κινητικές σταθερές...83 Μοντέλα συντελεστών παρεµπόδισης...84 3.5 Αναερόβια επεξεργασία αποβλήτων-σύγχρονη τεχνολογία...85 3.5.1 Εισαγωγή...85 3.5.2 Αναερόβια επεξεργασία ιλύος...86 3.5.3 Αναερόβια επεξεργασία υγρών αποβλήτων...88 3.5.4 Αναερόβια επεξεργασία στερεών αποβλήτων....89 4.1 Μέτρηση ξενοβιοτικών ουσιών...91 4.1.1 Εισαγωγή...91 4.1.2 Θεωρητικό υπόβαθρο...91 4.1.2.1 Εκχύλιση οργανικών ενώσεων µε τη χρήση µικροκυµάτων...91 Εισαγωγή... 91 Μικροκυµατική ενέργεια... 92 Εφαρµογές της εκχύλισης µε την βοήθεια µικροκυµάτων... 94 4.1.2.2 Εκχύλιση στερεάς φάσεως ( ρίλλια, 2005)...94 4.1.2.3 Υγρη χρωµατογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC) (Pecsok et al, 1980) 95 4.1.3 Όργανα και αντιδραστήρια...96 Εκχύλιση µε χρήση µικροκυµάτων...96 Στερεά εκχύλιση...97 Υγρή χρωµατογραφία υψηλής απόδοσης...97 4.1.4 Περιγραφή των µεθόδων µέτρησης των ξενοβιοτικών ουσιών...97 Φαρµακευτικές ουσίες...97 Γραµµικά αλκυλοβενζοσουλφονικά άλατα (LAS)...99 Πολυαρωµατικοί υδρογονάνθρακες (PAHs)- ιαίθυλ-2-έξυλ-φθαλικός εστέρας (DEHP)...101 Εννεοφαινόλη και αιθοξυλική εννεοφαινόλη (NP-NPEO)...102 4.2 Μέτρηση πτητικών λιπαρών οξέων και σύστασης βιοαερίου...105 4.2.1 Εισαγωγή...105 4.2.2 Όργανα και αντιδραστήρια...106 10
4.2.3 Περιγραφή της µεθόδου µέτρησης πτητικών λιπαρών οξέων και σύστασης βιοαερίου...107 4.3 Προσδιορισµός ολικών και πτητικών αιωρούµενων στερεών...107 4.4 Μέτρηση ph...108 4.5 Προσδιορισµός χηµικά απαιτούµενου οξυγόνου (ΧΑΟ)...108 4.6 Προσδιορισµός αµµωνίας και ολικού αζώτου κατα Kjeldahl...109 5. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΤΥΧΗΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ ΤΩΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ...111 5.1 Εισαγωγή...111 5.2 Μελέτη της τύχης και της επίδρασης φαρµακευτικών ουσιών σε αναερόβιους αντιδραστήρες...112 5.2.1 Πειραµατική διαδικασία...112 5.2.2 Παρουσίαση αποτελεσµάτων...115 5.2.3 Ανάλυση αποτελεσµάτων...121 5.3 Μελέτη του βιοχηµικά µεθανογόνου δυναµικού των φαρµακευτικών ουσιών...123 5.3.1 Πειραµατική διαδικασία...123 5.3.2 Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσµάτων...126 5.4 Μελέτη της τοξικότητας των φαρµακευτικών ουσιών στους αναερόβιους µικροοργανισµούς...130 5.4.1 Πειραµατική διαδικασία...130 5.4.2 Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσµάτων προσδιορισµού της ειδικής µεθανογόνου δραστικότητας αναερόβιας µαγιάς που περιέχει φαρµακευτικές ουσίες...133 5.4.3 Μοντελοποίηση της παρεµπόδισης των φαρµακευτικών ουσιών κατά την αναερόβια χώνευση...140 Αποµόνωση µικτών µικροβιακών πλυθησµών...140 Κινητικά πειράµατα τοξικότητας των φαρµάκων στην αναερόβια χώνευση...144 11
6. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΤΥΧΗΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ ΤΩΝ ΞΕΝΟΒΙΟΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑ ΧΩΝΕΥΣΗ ΙΛΥΟΣ...152 6.1 Εισαγωγή...152 6.2 Μελέτη της τύχης και των επιπτώσεων των ξενοβιοτικών ουσιών κατά την αναερόβια επεξεργασία ιλύος δευτεροβάθµιας επεξεργασιας...153 6.2.1 Πειραµατική διαδικασία...153 6.2.2 Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσµάτων...156 6.3 Μελέτη της τύχης και των επιπτώσεων των ξενοβιοτικών ουσιών κατά την αναερόβια επεξεργασία ιλύος πρωτοβάθµιας επεξεργασίας και µίγµατος πρωτοβάθµιας και δευτεροβάθµιας επεξεργασίας...174 6.3.1 Πειραµατική διαδικασία...174 6.3.2 Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσµάτων...176 7. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΣΗΣ ΙΛΥΟΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΞΕΝΟΒΙΟΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ....192 7.1 Εισαγωγή...192 7.2 Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1)...192 7.3 Πειραµατική διαδικασία...198 7.3.1 εδοµένα εισόδου και αρχικές συνθήκες...198 7.3.2 Παραµετρική Ανάλυση...198 7.4 Μοντελοποίηση αναερόβιας χώνευσης δευτεροβάθµιας ιλύος...200 7.5 Μοντελοποίηση αναερόβιας χώνευσης πρωτοβάθµιας και µίγµατος πρωτοβάθµιας-δευτεροβάθµιας ιλύος...208 7.6 Μοντελοποίηση της βιοαποδόµησης του DEHP κατά την αναερόβια χώνευση ιλύος-συσχέτιση µε τη ρόφηση της ουσίας στα στερεά....218 7.6.1 Εισαγωγή...218 7.6.2 Πειραµατική διαδικασία...218 12
7.6.3 Ανάπτυξη του µοντέλου...219 7.6.4 Αποτελέσµατα...222 8. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΞΕΝΟΒΙΟΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΣΤΟΥΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΟΥΣ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ...225 8.1 Εισαγωγή...225 8.2 Τοξική δράση των γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών αλάτων (LAS) στην αναερόβια χώνευση....225 8.3 Τοξική δράση του διαιθυλ (2-εξυλ) φθαλικού εστέρα και του φενανθρενίου στην µεθανογένεση...233 8.4 Συµπεράσµατα...235 9. ΑΕΡΟΒΙΑ ΜΕΤΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΑΝΑΕΡΟΒΙΑΣ ΧΩΝΕΥΜΕΝΗΣ ΙΛΥΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΒΙΟ ΙΑΣΠΑΣΗ ΞΕΝΟΒΙΟΤΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ...237 9.1 Εισαγωγή...237 9.2 Πειραµατική διαδικασία...237 9.3 Παρουσίαση και ανάλυση αποτελεσµάτων...238 10 ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ...244 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...248 13
ΣΧΗΜΑΤΑ Σχήµα 1.1 Πιθανές διαδροµές φαρµακευτικών ουσιών στο περιβάλλον (Halling- Sorensen et al. 1998)...5 Σχήµα 1.2 Μεταβολισµός των φαρµακευτικών ενώσεων στον οργανισµό (Halling-Sorensen 1998)...8 Σχήµα 1.3 Συντακτικός τύπος της καρµπαµαζεπίνης...13 Σχήµα 1.4 Συντακτικός τύπος του διχλωφενακικού νατρίου...14 Σχήµα 1.5 Συντακτικός τύπος της σουλφαµεθοξαζόλης....16 Σχήµα 1.6 Συντακτικός τύπος της οφλοξακίνης...17 Σχήµα 1.7 Συντακτικός τύπος του χλωφιβρικού οξέως...18 Σχήµα 1.8 Συντακτικός τύπος της προπρανολόλης...19 Σχήµα 1.9 Συντακτικός τύπος της τριχλωζάνης....20 Σχήµα 1.10 Σχηµατική περιγραφή επιφανειοδραστικής ένωσης...21 Σχήµα 1.11 Κατανάλωση επιφανειοδραστικών στην Γερµανία το 1996 (Ungeheuer 1996/1997)...23 Σχήµα 1.12 οµή των γραµµικών αλκυλοβενζολικών σουλφονιδίων (LAS)...24 Σχήµα 1.13 Πιθανές διαδροµές των LAS στο περιβάλλον...25 Σχήµα 1.14 Σύγκριση της δοµής των 4-NP µε τη δοµή της ορµόνης Oestradiol...35 Σχήµα 1.15 Συντακτικός τύπος του DEHP...38 Σχήµα 1.16 Πηγές παραγωγής πολυαρωµατικών υδρογονανθράκων στη Γαλλία (Lucas, 1995)....41 Σχήµα 2.1 Η βασική κατηγοροποίηση των µικροοργανισµών (βασίλειο των πρωτίστων) (Λυµπεράτος, 1998)...49 Σχήµα 2.2 Τυπικό βακτηριακό κύτταρο (Madigan et al, 1997)...49 Σχήµα 2.3 οµή της κυτταρικής µεµβράνης (Brock et al, 1984)...50 Σχήµα 2.4 Κινητική Monod...52 Σχήµα 2.5 Τρόπος δράσης διαφόρων φαρµακευτικών ουσιών σε βακτήρια (Madigan et al, 1997)...57 Σχήµα 2.6 Μηχανισµός µε τον οποίο ένα πεπτίδιο αυξάνει την διαπερατότητα της βιολογικής µεµβράνης (Shai Y, 2002). (µπλε: υδρόφοβη οµάδα, πορτοκαλί: υδρόφιλη οµάδα)...60 Σχήµα 2.7 Μηχανισµός διαλυτοποίησης βιολογικών µεµβρανών από επιφανειοδραστική ουσία Α: βιολογική µεµβράνη, B: Αύξηση της 14
επιφάνειας της µεµβράνης λόγω της εισόδου του επιφανειοδραστικού, Γ: κύρτωση της µεµβράνης, : σχηµατισµός µικτών µικκυλίων....60 Σχήµα 3.1 Μετατροπή του οργανικού υλικού προς µεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα κατά τη διεργασία της αναερόβιας χώνευσης (Pavlostathis and Giraldo-Gomez,1991)....64 Σχήµα 3.2 Αναερόβια χώνευση συστήµατος µε ανάκτηση και επαναχρησιµοποίηση βιοαερίου (Βασισµένο στους Galwardi et al, 1974)...88 Σχήµα 4.1 Περιγραφή των επιµέρους σταδίων κατά τη διαδικασία της εκχύλισης (AB: εκρόφηση, BC: διάχυση, CD: διαλυτοποίηση) (Pawliszyn, 1993)....92 Σχήµα 4.2 Σύγκριση µικροκυµατικής και κλασσικής θέρµανσης (Neas and Collins, 1988)....93 Σχήµα 4.3 Πειραµατική διαδικασία προεπεξεργασίας δειγµάτων µε στήλες ΗLB....99 Σχήµα 4.4 ιάγραµµα της µεθόδου για τον προσδιορισµό των LAS...100 Σχήµα 4.5 Κατανοµή των LAS στο διήθηµα και τα στερεά...101 Σχήµα 4.6 ιάγραµµα της µεθόδου για τον προσδιορισµό των PAHs και του DEHP...102 Σχήµα 4.7 Ποσοστά ανάκτησης των NP-NPEO από ιλύ χρησιµοποιώντας εκχύλιση µε τη βοήθεια µικροκυµάτων σε διάφορες λειτουργικές συνθήκες....103 Σχήµα 4.8 ιάγραµµα της µεθόδου για τον προσδιορισµό των NP-NPEO....104 Σχήµα 4.9 Βασικά χαρακτηριστικά αέριας χρωµατογραφίας (Pecsok et al, 1980)...106 Σχήµα 5.1 Μεταβολή του διαλυτού ΧΑΟ κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων....115 Σχήµα 5.2 Μεταβολή της συγκέντρωσης οξικού και προπιονικού κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων....116 Σχήµα 5.3 Μεταβολή της παραγωγής βιοαερίου κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων....117 Σχήµα 5.4 Μεταβολή του ph κατά την διάρκεια λειτουργίας του αντιδραστήρα που περιείχε τριχλωζάνη...118 15
Σχήµα 5.5 Μεταβολή των ολικών και πτητικών αιωρούµενων στερεών κατά τη διάρκεια λειτουργίας των αντιδραστήρων...118 Σχήµα 5.6 Μεταβολή της συγκέντρωσης των φαρµακευτικών ουσιών κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων....119 Σχήµα 5.7 Μεταβολή της συγκέντρωσης των φαρµακευτικών ουσιών στον αντιδραστήρα που τροφοδοτείται µε το µίγµα των φαρµάκων....120 Σχήµα 5.8 Σχηµατικό διάγραµµα της διαδικασίας για την αναερόβια µεταφορά του συνθετικού µέσου στα ειδικά φιαλίδια (serum bottles)....125 Σχήµα 5.9 Συγκέντρωση φαρµάκων αρχικά και στο τέλος του πειράµατος....126 Σχήµα 5.10 Συνολικά παραγόµενο βιοαέριο στο τέλος του πειράµατος...127 Σχήµα 5.11 Μεταβολή της συγκέντρωσης της σουλφαµεθοξαζόλης κατά την διάρκεια του πειράµατος προσδιορισµού του βιοχηµικά µεθανογόνου δυναµικού....128 Σχήµα 5.12 Ανίχνευση της σουλφαµεθοξαζόλης και του µεταβολίτη της στην αρχή (α), µετά από 7 (β), και µετά από 10 ηµέρες (γ) αναερόβιας επεξεργασίας...128 Σχήµα 5.13 Πιθανή µορφή του µεταβολίτη της σουλφαµεθοξαζόλης κατά την αναερόβια επεξεργασία....129 Σχήµα 5.14 Προσδιορισµός της ειδικής µεθανογόνου δραστικότητας (Fang et al, 1997)....130 Σχήµα 5.15 Οι αντιδράσεις της οξικογένεσης και µεθανογένεσης...132 Σχήµα 5.16 Παρεµπόδιση της (α) τριχλωζάνης και β) της προπρανολόλης στην παραγωγή µεθανίου κατά την αναερόβια κατανάλωση οξικού (µεθανογένεση)...133 Σχήµα 5.17 Παρεµπόδιση της (α) οφλοξακίνης και β) της διχλωφενάκης στην παραγωγή µεθανίου κατά την αναερόβια κατανάλωση οξικού (µεθανογένεση)...134 Σχήµα 5.18 Παρεµπόδιση της (α) καρµπαµαζεπίνης, β) του χλωφιβρικού και γ) της σουλφαµεθοξαζόλης στην παραγωγή µεθανίου κατά την αναερόβια κατανάλωση οξικού (µεθανογένεση)....134 Σχήµα 5.19 Ειδική µεθανογόνο δραστικότητα (SMA) της αναερόβιας βιοµάζας που έχει εκτεθεί σε διάφορες συγκεντρώσεις φαρµακευτικών, εκφρασµένη σαν ποσοστό της ειδικής µεθανογόνου δραστικότητας της βιοµάζας που δεν περιέχει φάρµακα (τυφλό)....135 16
Σχήµα 5.20 Σχηµατική περιγραφή της διάταξης που χρησιµοποιήθηκε για τον προσδιορισµό της συγκέντρωσης των µικροοργανισµών στα πειράµατα τοξικότητας...141 Σχήµα 5.21 Προσαρµογή του µοντέλου στα πειραµατικά δεδοµένα τις βιοµάζας και του διαλυτού ΧΑΟ στους αντιδραστήρες που τροφοδοτούνται α) µε οξικό και β) µε προπιονικό....142 Σχήµα 5.22 Μεταβολή της συγκέντρωσης των µικροοργανισµών κατα την διαρκεια της λειτουργίας τους α)µε οξικό και β) µε προπιονικό. (όπου X_aa, X_pro, X_ac, X_fa, X_su και Χ_h2 η συγκέντρωση της βιοµάζας που καταναλώνει αµινοξέα, προπιονικό, οξικό, ανώτερα λιπαρά οξέα, σάκχαρα και υδρογόνο αντίστοιχα)....143 Σχήµα 5.23 Θεωρητικές (-) και πειραµατικές τιµές της παρεµπόδισης που προκαλεί η προπρανολόλη, η οφλοξακίνη και η διχλωφενάκη στην κατανάλωση του οξικού απο µεθανογόνους µικροοργανισµούς...146 Σχήµα 5.24 Προσαρµογή (-) του µοντέλου στις πειραµατικές τιµές της παρεµπόδισης που προκαλεί η προπρανολόλη στην κατανάλωση προπιονικού και η πρόβλεψη του µοντέλου για την κατανάλωση οξικού σε µικτή καλλιέργεια αναερόβιων µικροοργανισµών....148 Σχήµα 5.25 Προσαρµογή (-) του µοντέλου στις πειραµατικές τιµές της παρεµπόδισης που προκαλεί η οφλοξακίνη στην κατανάλωση προπιονικού και η πρόβλεψη του µοντέλου για την κατανάλωση του οξικού σε µικτή καλλιέργεια αναερόβιων µικροοργανισµών....148 Σχήµα 5.26 Προσαρµογή (-) του µοντέλου στις πειραµατικές τιµές της παρεµπόδισης που προκαλεί η διχλωφενάκη στην κατανάλωση προπιονικού και η πρόβλεψη του µοντέλου για την κατανάλωση οξικού σε µικτή καλλιέργεια αναερόβιων µικροοργανισµών....149 Σχήµα 5.27 Πρόβλεψη του µοντέλου για την παραγώµενη ποσότητα µεθανίου στα πειράµατα µε α) οξικό και β) προπιονικό...150 Σχήµα 6.1 ιάγραµµα της µονάδας βιολογικής επεξεργασίας λυµάτων στην Πάτρα...153 Σχήµα 6.2. Πειραµατική διάταξη αναερόβιου αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας (CSTR)...154 Σχήµα 6.3. Πειραµατική διάταξη αναερόβιας επεξεργασίας ιλύος σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας (CSTR)....155 17
Σχήµα 6.4 Μεταβολή του ρυθµού παραγωγής βιοαερίου στους αναερόβιους αντιδραστήρες που περιέχουν LAS, NP, NPEO (CSTR#1) και DEHP, φενανθρένιο (CSTR#2)...157 Σχήµα 6.5. Μεταβολή του ρυθµού παραγωγής βιοαερίου στον αναερόβιο αντιδραστήρα που δεν περιέχει ξενοβιοτικά (CSTR#3)...159 Σχήµα 6.6 Μεταβολή των ολικών (TSS) και πτητικών (VSS) αιωρούµενων στερεών στους αναερόβιους αντιδραστήρες που περιέχουν LAS, NP, NPEO (CSTR#1) και DEHP, φενανθρένιο (CSTR#2)...160 Σχήµα 6.7 Μεταβολή των ολικών (TSS) και πτητικών (VSS) αιωρούµενων στερεών στον αναερόβιο αντιδραστήρα που δεν περιέχει ξενοβιοτικά (CSTR#3)...160 Σχήµα 6.8 Μεταβολή του διαλυτού ΧΑΟ και του ph στους αναερόβιους αντιδραστήρες που περιέχουν LAS, NP, NPEO (CSTR#1), DEHP, φενανθρένιο (CSTR#2) και στον τυφλό (CSTR#3)....162 Σχήµα 6.9 Μεταβολή της συγκέντρωσης οξικού την χρονική περίοδο της διαταραχής στους αναερόβιους αντιδραστήρες που περιέχουν LAS, NP, NPEO (CSTR#1), DEHP, φενανθρένιο (CSTR#2) και στον τυφλό (CSTR#3)...163 Σχήµα 6.10 Μεταβολή της συγκέντρωσης α) προπιονικου και β)οξικού την χρονική περίοδο της διαταραχής στους αναερόβιους αντιδραστήρες που περιέχουν LAS, NP, NPEO (CSTR#1), DEHP, φενανθρένιο (CSTR#2) και στον τυφλό (CSTR#3)....164 Σχήµα 6.11 Μεταβολή της συγκέντρωσης α) προπιονικού και β) οξικού την χρονική περίοδο της µείωσης του υδραυλικού χρόνου παραµονής από 15d σε 5d στους αναερόβιους αντιδραστήρες που περιέχουν LAS, NP, NPEO (CSTR#1), DEHP, φενανθρένιο (CSTR#2) και στον τυφλό (CSTR#3)...165 Σχήµα 6.12 Μεταβολή των γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών αλάτων (LAS) κατά την αναερόβια χώνευση δευτεροβάθµιας ιλύος (CSTR#1) (C10,C11,C12,C13 : οµόλογα LAS µε 10,11,12 και 13 άτοµα C αντίστοιχα)...167 Σχήµα 6.13 Μεταβολή της αιθοξυλικης εννεοφαινόλης (NPEO) και της εννεοφαινόλης (NP) κατά την αναερόβια χώνευση δευτεροβάθµιας ιλύος (CSTR#1)....169 18
Σχήµα 6.14 Μεταβολή της συγκέντρωσης του διαίθυλ-εξυλ φθαλικού εστέρα κατά την αναερόβια χώνευση δευτεροβάθµιας ιλύος (CSTR#2)...170 Σχήµα 6.15 Προτεινόµενος µηχανισµός για την αναερόβια βιοαποδόµηση των φθαλικών εστέρων (Shelton et al, 1984)...171 Σχήµα 6.16 Μεταβολή της συγκέντρωσης του φενανθρενίου κατά την αναερόβια χώνευση ιλύος δευτεροβάθµιας επεξεργασίας (CSTR#2)...172 Σχήµα 6.17 Μεταβολή του ρυθµού παραγωγής βιοαερίου στους αναερόβιους αντιδραστήρες που τροφοδοτούνταν µε µίγµα α/βάθµιας β/βάθµιας ιλυος σε αναλογία 2.5:1 (CSTR#1, CSTR#2)....176 Σχήµα 6.18 Μεταβολή του ρυθµού παραγωγής βιοαερίου στον αναερόβιο αντιδραστήρα που τροφοδοτούνταν µε α/βάθµια ιλύ (CSTR#3)....177 Σχήµα 6.19 Μεταβολή των ολικών (TSS) και πτητικών (VSS) αιωρούµενων στερεών στους αναερόβιους αντιδραστήρες που τροφοδοτούνταν µε µίγµα α/βάθµιας β/βάθµιας ιλυος (2.5:1) (CSTR#1, CSTR#2) και µόνο µε πρωτοβάθµια ιλύ (CSTR#3)....178 Σχήµα 6.20 Μεταβολή διαλυτού ΧΑΟ και του ph στους αναερόβιους αντιδραστήρες που τροφοδοτούνταν µε µίγµα α/βάθµιας β/βάθµιας ιλύος (2.5:1) (CSTR#1, CSTR#2) και µόνο µε πρωτοβάθµια ιλύ (CSTR#3)...180 Σχήµα 6.21 Μεταβολή της συγκέντρωσης οξικού την χρονική περίοδο της διαταραχής στους αναερόβιους αντιδραστήρες µε προσθήκη οξικού νατρίου. (CSTR#1: τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: τροφοδοσία Α/βάθµιας ιλύος (HRT 15d)...181 Σχήµα 6.22 Μεταβολή της συγκέντρωσης α) προπιονικού και β)οξικού κατά τη χρονική περίοδο της διαταραχής στους αναερόβιους αντιδραστήρες µε προσθήκη προπιονικού νατρίου. (CSTR#1: τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: τροφοδοσία Α/βάθµιας ιλύος (HRT 15d)...182 Σχήµα 6.23 Μεταβολή της συγκέντρωσης α) βουτυρικού β) προπιονικου και γ)οξικού την χρονική περίοδο της διαταραχής στους αναερόβιους 19
αντιδραστήρες µε προσθήκη βουτυρικού νατρίου. (CSTR#1: τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: τροφοδοσία Α/βάθµιας ιλύος (HRT 15d)....183 Σχήµα 6.24: Συγκέντρωση προπιονικού και οξικού κατά την µείωση του HRT από 15 σε 5 d για τους αντιδραστήρες CSTR#1,CSTR#3 και από 10 σε 5 d για τον CSTR#1 για χρονικό διάστηµα 21.5 h και στους τρεις αντιδραστήρες (CSTR#1: τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: τροφοδοσία Α/βάθµιας ιλύος (HRT 15d)...184 Σχήµα 6.25 Συγκέντρωση γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών οξέων (LAS) κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων. (CSTR#1: τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: τροφοδοσία Α/βάθµιας ιλύος (HRT 15d)...186 Σχήµα 6.26 Συγκέντρωση αιθοξυλικής εννεοφαινόλης και εννεοφαινόλης κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων. (CSTR#1: τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα Α/βάθµιας και Β/βάθµιας ιλύος σε αναλογία 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: τροφοδοσία Α/βάθµιας ιλύος (HRT 15d)....187 Σχήµα 6.27 Συγκέντρωση φενανθρενίου, φλουορανθενίου και πυρενίου κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων. (CSTR#1 : τροφοδοσία µίγµα α/βάθµιας-β/βάθµιας 2.5:1, CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα α/βάθµιας-β/βάθµιας 2.5:1, CSTR#3 : τροφοδοσία α/βάθµια ιλύ)...188 Σχήµα 6.28 Συγκέντρωση του δι-αίθυλ-2-έξυλ φθαλικού εστέρα (DEHP) κατά την διάρκεια λειτουργίας των αναερόβιων αντιδραστήρων. (CSTR#1 : τροφοδοσία µίγµα α/βάθµιας-β/βάθµιας 2.5:1, CSTR#2 : τροφοδοσία µίγµα α/βάθµιας-β/βάθµιας 2.5:1, CSTR#3 : τροφοδοσία α/βάθµια ιλύ...189 20
Σχήµα 7.1 Ροή του οργανικού υλικού (σε COD) στο αναερόβιο µοντέλο ADM1 (Batstone et al, 2002)...193 Σχήµα 7.2 Εφαρµογή του ADM1 σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας, q= ροή (m 3 d -1 ), V= όγκος (m 3 ), S i = Συγκέντρωση διαλυτών συστατικών και X i = Συγκέντρωση στερεών (όλα σε kgcod m -3 )....194 Σχήµα 7.3 Περιοχή εµπιστοσύνης 95% των παραµέτρων για το οξικό και το προπιονικό. Με σταυρό είναι η µη σχετιζόµενη περιοχή εµπιστοσύνης των παραµέτρων. (µαύρο: CSTR1, κόκκινο: CSTR2, µπλε: CSTR3)....202 Σχήµα 7.4 Προσοµοίωση (-) και πειραµατικές τιµές (ٱ) της µεταβολής του οξικού στους αναερόβιους αντιδραστήρες που επεξεργάζονται δευτεροβάθµια ιλύ. (CSTR#1 : LAS, NP, NPEO, CSTR#2 : DEHP, Φενανθρένιο, CSTR#3 : Χωρίς ξενοβιοτικά)...203 Σχήµα 7.5 Προσοµοίωση (-) και πειραµατικές τιµές (Ο) της µεταβολής του προπιονικού στους αναερόβιους αντιδραστήρες που επεξεργάζονται δευτεροβάθµια ιλύ. (CSTR#1 : LAS, NP, NPEO, CSTR#2 : DEHP, Φενανθρένιο, CSTR#3 : Χωρίς ξενοβιοτικά)....204 Σχήµα 7.6 Πρόβλεψη του µοντέλου (-) και πειραµατικά δεδοµένα της µεταβολής των στερεών, του διαλυτού ΧΑΟ και του ph στους αναερόβιους αντιδραστήρες που επεξεργάζονται δευτεροβάθµια ιλύ. (CSTR#1 : LAS, NP, NPEO, CSTR#2 : DEHP, Φενανθρένιο, CSTR#3 : Χωρίς ξενοβιοτικά)...205 Σχήµα 7.7 Πρόβλεψη του µοντέλου (-) και πειραµατικά δεδοµένα της µεταβολής του βιοαερίου στους αναερόβιους αντιδραστήρες που επεξεργάζονται δευτεροβάθµια ιλύ. (CSTR#1 : LAS, NP, NPEO, CSTR#2 : DEHP, Φενανθρένιο, CSTR#3 : Χωρίς ξενοβιοτικά)...207 Σχήµα 7.8 Περιοχή εµπιστοσύνης 95% των παραµέτρων για οξικό, προπιονικό και βουτυρικό. Με σταυρό είναι η µη σχετιζόµενη γραµµική περιοχή εµπιστοσύνης των παραµέτρων. (µαύρο: CSTR1, κόκκινο: CSTR2, µπλε: CSTR3)....209 Σχήµα 7.9 Προσοµοίωση (-) και πειραµατικές τιµές (ٱ) της µεταβολής του οξικού στους αναερόβιους αντιδραστήρες (CSTR#1: µίγµα 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : µίγµα 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: α/βάθµια ιλύς (HRT 15d)...211 21
Σχήµα 7.10 Προσοµοίωση (-) και πειραµατικές τιµές (Ο) της µεταβολής του προπιονικού στους αναερόβιους αντιδραστήρες (CSTR#1: µίγµα 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : µίγµα 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: α/βάθµια ιλύς (HRT 15d)....212 Σχήµα 7.11 Προσοµοίωση (-) και πειραµατικές τιµές (Ο) της µεταβολής του βουτυρικού στους αναερόβιους αντιδραστήρες (CSTR#1: µίγµα 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : µίγµα 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: α/βάθµια ιλύς (HRT 15d)....213 Σχήµα 7.12 Πρόβλεψη του µοντέλου (-) και πειραµατικά δεδοµένα της µεταβολής των στερεών, του διαλυτού ΧΑΟ και του ph στους αναερόβιους αντιδραστήρες (CSTR#1: µίγµα 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2 : µίγµα 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: α/βάθµια ιλύς (HRT 15d)...214 Σχήµα 7.13 Πρόβλεψη του µοντέλου (-) και πειραµατικά δεδοµένα της µεταβολής του οξικού και προπιονικού κατά την διαταραχή των συστηµάτων στους αναερόβιους αντιδραστήρες (CSTR#1: µίγµα 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2: µίγµα 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: α/βάθµια ιλύς (HRT 15d)....215 Σχήµα 7.14 Πρόβλεψη του µοντέλου (-) και πειραµατικά δεδοµένα της µεταβολής του βιοαερίου στους αναερόβιους αντιδραστήρες (CSTR#1: µίγµα 2.5:1 (HRT 15d), CSTR#2: µίγµα 2.5:1 (HRT 10d) και CSTR#3: α/βάθµια ιλύς (HRT 15d)...217 Σχήµα 7.15 Βιοαποδόµηση του DEHP στα κινητικά πειράµατα...219 Σχήµα 7.16 Σχηµατική περιγραφή των διεργασιών που πραγµατοποιούνται στα βιοστερεά κατά την αποµάκρυνση του DEHP. S: βιοδιαθέσιµη περιοχή (υγρή φάση και επιφάνεια των στερεών) και Χ : εσωτερική στερεή φάση...220 Σχήµα 7.18 Συγκέντρωση DEHPσε αναερόβιο αντιδραστήρα που τροφοδοτείται µε δευτεροβάθµια ιλύ µολυσµένη µε την ουσία...224 Σχήµα 8.1 Παραγωγή µεθανίου και κατανάλωση οξικού κατά την έκθεση µικτής καλλιέργειας µεθανογόνων µικροοργανισµών σε διάφορες συγκεντρώσεις γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών αλάτων (LAS)....227 Σχήµα 8.2 Παραγωγή µεθανίου και κατανάλωση προπιονικού κατά την έκθεση µικτής καλλιέργειας µεθανογόνων και οξικογόνων µικροοργανισµών 22
σε διάφορες συγκεντρώσεις γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών αλάτων (LAS)...228 Σχήµα 8.3 Παραγωγή µεθανίου κατά την έκθεση µικτής καλλιέργειας αναερόβιων µικροοργανισµών σε διάφορες συγκεντρώσεις γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών αλάτων (LAS)....230 Σχήµα 8.4 Παραγωγή µεθανίου κατά την έκθεση µεθανογόνων µικροοργανισµών α) απευθείας σε LAS και β) σε ιλύ που περιέχει LAS...231 Σχήµα 8.5 Κατανάλωση οξικού κατά την έκθεση µεθανογόνων µικροοργανισµών α) απευθείας σε LAS και β) σε ιλύ που περιέχει LAS...231 Σχήµα 8.6 Παραγωγή µεθανίου και κατανάλωση οξικού κατά την έκθεση µεθανογόνων µικροοργανισµών σε LAS και στην συνέχεια µε την προσθήκη ιλύος....232 Σχήµα 8.7 Παραγωγή µεθανίου και κατανάλωση οξικού κατά την έκθεση µικτής καλλιέργειας µεθανογόνων µικροοργανισµών σε διάφορες συγκεντρώσεις διαιθυλ(2-εξυλ) φθαλικού εστέρα (DEHP)....233 Σχήµα 8.8 Παραγωγή µεθανίου και κατανάλωση οξικού κατά την έκθεση µικτής καλλιέργειας µεθανογόνων µικροοργανισµών σε διάφορες συγκεντρώσεις φενανθρενίου....234 Σχήµα 9.1 Συγκέντρωση του DEHP κατά την διάρκεια αερισµού α) αναερόβια χωνευµένης (αντιδραστήρας) και β) ανεπεξέργαστης (τροφοδοσία) δευτεροβάθµιας ιλύος...238 Σχήµα 9.2 Συγκέντρωση του φενανθρενίου κατά την διάρκεια αερισµού α) αναερόβια χωνευµένης (αντιδραστήρας) και β) ανεπεξέργαστης (τροφοδοσία) δευτεροβάθµιας ιλύος....239 Σχήµα 9.3 Συγκέντρωση της αιθοξυλικής εννεοφαινόλης (NPEO) κατά την διάρκεια αερισµού α) αναερόβια χωνευµένης (αντιδραστήρας) και β) ανεπεξέργαστης (τροφοδοσία) δευτεροβάθµιας ιλύος....240 Σχήµα 9.4 Συγκέντρωση της εννεοφαινόλης (NP) κατά την διάρκεια αερισµού α) αναερόβια χωνευµένης (αντιδραστήρας) και β) ανεπεξέργαστης (τροφοδοσία) δευτεροβάθµιας ιλύος....241 Σχήµα 9.5 Συγκέντρωση των γραµµικών αλκυλοβενζοσουλφονικών αλάτων (LAS) κατά τη διάρκεια αερισµού α) αναερόβια χωνευµένης 23
(αντιδραστήρας) και β) ανεπεξέργαστης (τροφοδοσία) δευτεροβάθµιας ιλύος...241 Σχήµα 9.6 Μεταβολή της συγκέντρωσης των LAS κατά την αερόβια επεξεργασία αναερόβια χωνευµένης ιλύος...242 24
ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 1.1 Κατανάλωση φαρµάκων στη ανία το 1995...6 Πίνακας 1.2 Τύχη φαρµακευτικών ουσιών σε µονάδα επεξεργασίας λυµάτων (Richardson and Brown, 1985)...10 Πίνακας 1.3 Ιδιότητες και συγκεντρώσεις των φαρµακευτικών ουσιών σε απορροές βιολογικών καθαρισµών...13 Πίνακας 1.4 Η δοµή των ευρύτερα γνωστών επιφανειοδραστικών....22 Πίνακας 1.5 Συγκεντρώσεις LAS σε αναερόβια χωνευµένη ιλύ...27 Πίνακας 1.6 οµή και ιδιότητες της αιθοξυλικής εννεοφαινόλης (NPEO) και της εννεοφαινόλης (NP)....31 Πίνακας 1.7 Συγκεντρώσεις NP στις µονάδες επεξεργασίας αστικών λυµάτων...32 Πίνακας 1.8 Τύχη των NPEO, NP στο περιβάλλον της Μεγάλης Βρετανίας (Warhurst, 1995)...34 Πίνακας 1.9 Φυσικοχηµικές ιδιότητες των πιο γνωστών φθαλικών εστέρων...36 Πίνακας 1.10 Η µέγιστη και η ελάχιστη ποσότητα PAEs που ανιχνεύθηκε σε αστικά απόβλητα σε περιοχή της Γερµανία ( Bauer and Herrmann 1997)...37 Πίνακας 1.11 Συγκέντρωση του DEHP σε διαφορετικά σηµεία επεξεργασίας αστικών λυµάτων στην Φινλανδία (Marttinen et al, 2003)....39 Πίνακας 1.12 οµή και φυσικοχηµικές ιδιότητες ορισµένων πολυαρωµατικών υδρογονανθράκων...42 Πίνακας 1.13 Συγκεντρώσεις PAHs (mg/kg ξ.β) σε ιλείς λυµάτων από διάφορες περιοχές του αποχετευτικού συστήµατος στο Παρίσι (Blanchard et al, 2004)...44 Πίνακας 1.14 Συγκεντρώσεις πολυαρωµατικών υδρογονανθράκων (µg/kg ξ.β) σε επεξεργασµένη ιλύ µονάδων βιολογικής επεξεργασίας στην Ιβηρική χερσόνησο (Perez et al, 2001)...46 Πίνακας 2.1 Μηχανισµοί αλληλεπιδράσεων διαφόρων ενώσεων και των πιθανών στόχων τους και η επακόλουθη αντιβακτηριακή επίδραση τους (Denyer and Stewart, 1998)...54 Πίνακας 2.2 Η συγκέντρωση διάφορων αντιβιοτικών που προκαλεί 20%, 50% και 80% µείωση της παραγωγής µεθανίου ( Sanz et al, 1996)...58 25
Πίνακας 3.1 Κατάταξη των µικροοργανισµών µε κριτήριο τη σχέση της κυτταρικής τους λειτουργίας µε το οξυγόνο (Αγγελής, 2000)....65 Πίνακας 3.2 Μη µεθανογόνα βακτήρια που έχει διαπιστωθεί η παρουσία τους στην αναερόβια χώνευση (Toerien and Hattingh, 1969)...67 Πίνακας 3.3 Χαρακτηριστικά µεθανογόνων µικροοργανισµών (Madigan et al, 1997)...70 Πίνακας 3.4 Κυριότερες αντιδράσεις παραγωγής µεθανίου...71 Πίνακας 3.5 Κινητικά µοντέλα που χρησιµοποιούνται στην αναερόβια επεξεργασία (Pavlostathis and Giraldo-Gomez, 1991)...78 Πίνακας 3.6 Σύνοψη των τιµών των κινητικών σταθερών για διάφορα υποστρώµατα της µεσόφιλης αναερόβιας επεξεργασίας (Pavlostathis and Giraldo-Gomez, 1991)....82 Πίνακας 3.7 Περιβαλλοντικές και λειτουργικές συνθήκες για µέγιστη παραγωγή µεθανίου κατά την αναερόβια χώνευση ιλύος (Malina et al, 1992)...87 Πίνακας 3.8 Συνθήκες λειτουργίας αναερόβιων αντιδραστήρων που επεξεργάζονται αστικά λύµατα....89 Πίνακας 3.9 Απόδοση στην παραγωγή µεθανίου κατά την επεξεργασία διαφορετικών ποιοτικά στερεών αποβλήτων (Nallathambi Gunaseelan, 1997)...90 Πίνακας 4.1 Βιβλιογραφικές αναφορές σχετιζόµενες µε εκχύλιση ουσιών µε χρήση µικροκυµάτων...94 Πίνακας 4.2 Συνθήκες για την ανάλυση κάθε φαρµακευτικής ουσίας σε HPLC-UV...98 Πίνακας 4.3 Επαναληψιµότητα, ανάκτηση και όρια ανίχνευσης των µεθόδων προσδιοριµού των ξενοβιοτικών ουσιών...105 Πίνακας 5.1 Σύσταση του θρεπτικού µέσου...113 Πίνακας 5.2 Σύσταση του µίγµατος των φαρµακευτικών ουσιών...114 Πίνακας 5.3 Συστατικά του θρεπτικού µέσου...124 Πίνακας 5.4 Συγκεντρώσεις παρεµπόδισης (Inhibitory Concentrations) των φαρµακευτικών ενώσεων σε µεθανογόνους µικροοργανισµούς (VSS:1g/l)...136 Πίνακας 5.5 Ισόθερµες ρόφησης σε αναερόβια ιλύ ( ρίλλια, 2005)....137 26
Πίνακας 5.6 Βέλτιστες τιµές των παραµέτρων για την κατανάλωση οξικού και προπιονικού στους αναερόβιους αντιδραστήρες που τροφοδοτούνται µε τα αντίστοιχα υποστρώµατα....142 Πίνακας 5.7 Τιµές των παραµέτρων Κ Ι και m που καθορίζουν την παρεµπόδιση που προκαλεί η καθε φαρµακευτική ουσία στην κατανάλωση οξικού απο µεθανογόνους οργανισµούς...147 Πίνακας 5.8 Τιµές των παραµέτρων Κ Ι και m που καθορίζουν την παρεµπόδιση που προκαλεί η καθε φαρµακευτική ουσία στην κατανάλωση προπιονικού από χρήστες προπιονικού....150 Πίνακας 6.1 Παραγωγή βιοαερίου στις µόνιµες καταστάσεις των αναερόβιων αντιδραστήρων κατά την επεξεργασία δευτεροβάθµιας ιλύος µε χρόνο παραµονής 20, 30 και 15d....159 Πίνακας 6.2 Συγκέντρωση ολικών και πτητικών αιωρούµενων στερεών (TSS, VSS) στις µόνιµες καταστάσεις των αναερόβιων αντιδραστήρων κατά την επεξεργασία δευτεροβάθµιας ιλύος µε χρόνο παραµονής 20, 30 και 15d....161 Πίνακας 6.3 Υπολογιζόµενοι ρυθµοί κατανάλωσης οξικού και προπιονικού κατά την διαταραχή των συστηµάτων µε το αντίστοιχο VFA....164 Πίνακας 6.4 Χαρακτηριστικά πρωτοβάθµιας και µίγµατος πρωτοβάθµιας και δευτεροβάθµιας ιλύος (2.5 : 1) που χρησιµοποιήθηκε στα πειράµατα....174 Πίνακας 6.5 Παραγωγή βιοαερίου στις µόνιµες καταστάσεις των αναερόβιων αντιδραστήρων κατά την επεξεργασία δευτεροβάθµιας ιλύος µε χρόνο παραµονής 20, 30 και 15d....177 Πίνακας 6.6 Συγκέντρωση ολικών και πτητικών αιωρούµενων στερεών (TSS, VSS) στις µόνιµες καταστάσεις των αναερόβιων αντιδραστήρων κατα την επεξεργασία πρωτοβάθµιας και µίγµατος πρωτοβάθµιαςδευτεροβάθµιας ιλύος...179 Πίνακας 6.7 Υπολογιζόµενοι ρυθµοί κατανάλωσης οξικού και προπιονικού κατά την διαταραχή των συστηµάτων µε το αντίστοιχο VFA....183 Πίνακας 6.8 Συγκεντρώσεις ξενοβιοτικών ουσιών κατά την αναερόβια χώνευση πρωτοβάθµιας ή µίγµατος πρωτοβάθµιας-δευτεροβάθµιας ιλύος...190 Πίνακας 7.2 Μέγιστος ειδικός ρυθµός ανάπτυξης k m (kg COD kg COD -1 d -1 )και σταθερά κορεσµού K S (kg COD m -3 ) στους αντιδραστήρες που τροφοδοτούνται µε δευτεροβάθµια ιλύ....201 27
Πίνακας 7.3 Μέγιστος ειδικός ρυθµός ανάπτυξης k m (kg COD kg COD -1 d -1 )και σταθερά κορεσµού K S (kg COD m -3 ) στους αντιδραστήρες που τροφοδοτούνται µε πρωτοβάθµια (CSTR#3) ή µίγµα πρωτοβάθµιαςδευτεροβάθµιας ιλύος (CSTR#1,CSTR#2)....208 Πίνακας 7.4 Στοιχειοµετρία του µοντέλου που χρησιµοποιήθηκε για την πρόβλεψη της βιοαποδόµησης του DEHP...221 Πίνακας 8.1 Συγκέντρωση LAS που προκαλεί 50% παρεµπόδιση στην παραγωγή µεθανίου σύµφωνα µε διάφορες µελέτες....226 Πίνακας 8.2 Παρεµποδιστική δράση των LAS σε µεθανογόνους µικροοργανισµούς...227 Πίνακας 8.3 Παρεµποδιστική δράση των LAS σε αναερόβιους µικροοργανισµούς εγκλιµατισµένους σε τροφοδοσία προπιονικού...229 Πίνακας 8.4 Παρεµποδιστική δράση των LAS σε αναερόβιους µικροοργανισµούς εγκλιµατισµένους σε τροφοδοσία γλυκόζης...230 Πίνακας 8.5 Παρεµποδιστική δράση του DEHP σε µεθανογόνους µικροοργανισµούς...234 Πίνακας 8.6 Παρεµποδιστική δράση του φενανθρενίου σε µεθανογόνους µικροοργανισµούς...235 28
ΕΙΚΟΝΕΣ Εικόνα 2.1 Τύποι βακτηρίων µε βάση το σχήµα.α:κόκκοι,β:βάκιλοι,γ:σπειρίλια...51 Εικόνα 3.1 Κύτταρα µεθανογόνων αρχαιοβακτηρίων που δείχνουν την µορφολογική ποικιλία των µικροοργανισµών αυτών...69 Εικόνα 5.1 Πειραµατική διάταξη αναερόβιων αντιδραστήρων...112 Εικόνα 5.2 Πειραµατική διάταξη για την µέτρηση της ειδικής µεθανογόνου δραστικότητας αναερόβιας βιοµάζας...131 Εικόνα 5.3 Πειραµατική διάταξη αναερόβιων αντιδραστήρων που χρησιµοποιήθηκαν για αποµόνωση συγκεκριµένων καλλιεργειών...132 29
1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 1.1 Εισαγωγή Πριν ξεκινήσει η ανθρωπότητα την εκτεταµένη βιοµηχανική δραστηριότητα, οι συγκεντρώσεις των οργανικών χηµικών ενώσεων στην επιφάνεια του πλανήτη παρέµεναν σχετικά σταθερές, µε την βιοσύνθεση και την βιοαποδόµηση των ενώσεων αυτών να είναι σε ισορροπία µε βάση τις ολοκληρωµένες δραστηριότητες των φυτών, των ζώων και των µικροοργανισµών. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια έχουµε έρθει αντιµέτωποι µε πολλά βιοµηχανικά χηµικά προϊόντα που δεν λαµβάνουν εύκολα µέρος στο παγκόσµιο κύκλο του άνθρακα, του αζώτου ή του θείου. (Dagley, 1978). Οι ενώσεις αυτές είναι πιθανόν εφόσον διαφύγουν στο περιβάλλον, να προκαλέσουν διάφορες αρνητικές επιδράσεις. Οι Hutziger et al. (1981) υπογράµµισαν ότι ο όρος ξενοβιοτική ουσία δεν πρέπει να αναφέρεται µόνο σε ενώσεις µε δοµή διαφορετική από αυτή που έχουν τα φυσικά προϊόντα, αλλά να χρησιµοποιείται γενικά για όλες τις ουσίες που απελευθερώνονται σε κάποιο τµήµα του περιβάλλοντος από την δραστηριότητα του ανθρώπου και που για αυτόν το λόγο απαντώνται στο περιβάλλον σε συγκεντρώσεις υψηλότερες από το φυσιολογικό. Σήµερα πιστεύεται ότι χρησιµοποιούνται καθηµερινά από τον άνθρωπο περισσότερες από 65.000 χηµικές ενώσεις, ενώ η παρακολούθηση για τυχόν αύξηση των συγκεντρώσεων όλων των ουσιών αυτών στο περιβάλλον δεν είναι εφικτή. Έτσι µε σκοπό να επιτευχθεί ικανοποιητικός έλεγχος της µόλυνσης που προκαλείται στο περιβάλλον γίνονται προσπάθειες να αναγνωριστούν οι υψηλού κινδύνου χηµικές ενώσεις και να καθοριστούν ανώτερα επιτρεπτά όρια για αυτές (Leisinger, 1983). Από την άλλη µεριά, οι µονάδες βιολογικών καθαρισµών αστικών ή βιοµηχανικών λυµάτων γίνονται συνήθως οι κύριοι αποδέκτες των ξενοβιοτικών ενώσεων πριν αυτές καταλήξουν στο περιβάλλον. Οι αναερόβια χώνευση είναι µια ευρέως χρησιµοποιούµενη µέθοδος για την βιοσταθεροποίηση της ιλύος που παράγεται στις 1
µονάδες αυτές και κατά συνέπεια εφόσον µια οργανική χηµική ένωση δεν είναι εύκολα αποδοµήσιµη τελικά καταλήγει στους αναερόβιους αντιδραστήρες. Στη παρούσα εργασία µελετώνται διάφορες ξενοβιοτικές ουσίες που η παρουσία τους έχει διαπιστωθεί σε µονάδες επεξεργασίας αστικών λυµάτων όπως είναι οι φαρµακευτικές ενώσεις, τα επιφανειοδραστικά, οι πλαστικοποιητές και οι πολυαρωµατικοί υδρογονάνθρακες. 1.2 Φαρµακευτικές ουσίες. 1.2.1 Εισαγωγή Deleted:. Μέχρι τα µέσα τις δεκαετίας του 90, η περιβαλλοντική συµπεριφορά των φαρµακευτικών ενώσεων τύγχανε µικρής προσοχής από την επιστηµονική κοινότητα. Πρόσφατες έρευνες σχετικά µε τις επιπτώσεις στο οικοσύστηµα πολύ καλά µελετηµένων ξενοβιοτικών ενώσεων, όπως το DDT και τα PCBs, έδειξαν ότι επιφέρουν ορµονικές διαταραχές στο σύστηµα αναπαραγωγής σε συγκεντρώσεις ακόµα και κάτω από µερικά νανογραµµάρια στο λίτρο (endocrine disruptors). Αυτό οδήγησε στο συµπέρασµα ότι δεν γνωρίζουµε αρκετά την επίδραση στη φύση ορισµένων ενώσεων που µέχρι πρόσφατα θεωρούνταν ασφαλείς λόγω του ότι απαντώνται στη φύση σε πολύ χαµηλές συγκεντρώσεις (Colburn and Clement 1992). Deleted: οι Deleted: φαρµακευτικές Deleted: ενώσεις Deleted: που εκτίθονταν στο περιβάλλον Deleted: αν Deleted: Deleted: Deleted: ασφαλής Deleted: Deleted: ιχνοστοιχείων Ο σχεδιασµός των φαρµακευτικών ουσιών ειδικά ώστε να έχουν βιολογική δράση είναι ένας επιπλέον λόγος που κάνει ενδιαφέρουσα τη µελέτη τους. Οι ενώσεις αυτές κατασκευάζονται µε κάποιες συγκεκριµένες φυσικο-χηµικές ιδιότητες, όπως π.χ. να είναι λιπόφιλες ώστε να µπορούν να περάσουν µέσα από κυτταρικές µεµβράνες και να είναι ανθεκτικές για να µπορούν να δράσουν θεραπευτικά πριν καταστραφούν. Γι αυτούς του λόγους είναι πολύ πιθανό να βιοσυσσωρευθούν και να προκαλέσουν αρνητικές επιπτώσεις σε οικοσυστήµατα. Deleted: δηλαδή, Deleted: Στο σχήµα 1.1 παρουσιάζονται οι αναµενόµενες διαδροµές των φαρµακευτικών ενώσεων στο περιβάλλον ανάλογα µε το είδος τους. Οι ουσίες αυτές χρησιµοποιούνται για δυο κυρίως λόγους, α) για ανθρώπινη θεραπεία ( 1) ή β) ως κτηνιατρικά φάρµακα ( 2). Τα κτηνιατρικά φάρµακα υποδιαιρούνται επιπλέον σε Deleted: φαίνονται Deleted: προβλεπόµενες Deleted: 2
αυτά που δρουν ως επιταχυντές ανάπτυξης, θεραπευτικές ουσίες ή κοκκιδιοστατικά (coccidiostatica) σε εσωτερικές παραγωγικές µονάδες ( 3), ως θεραπευτικές ουσίες σε παραγωγικές µονάδες στην ύπαιθρο ( 4) και τέλος, ως πρόσθετα τροφής σε ιχθυοτροφεία ( 5). Από την άλλη µεριά, τα φάρµακα που χρησιµοποιούνται για τον άνθρωπο, καταλήγουν µέσω των ούρων και των κοπράνων ( 6) στο αποχετευτικό σύστηµα και από εκεί στις µονάδες βιολογικής επεξεργασίας λυµάτων ( 7). Επίσης ένα άγνωστο ποσοστό της αγοράς φαρµάκων καταλήγει στο αποχετευτικό σύστηµα ως πλεόνασµα (Zimmer et al. 1992) ( 8). Η τύχη των φαρµακευτικών ενώσεων κατά την διαδροµή τους µπορεί να διαιρεθεί σε τρεις κυρίως περιπτώσεις: α) Η ουσία να υποστεί πλήρη µετατροπή σε CO 2 και νερό β) Η δοµή της να είναι λιποφιλική και δύσκολα αποδοµήσιµη έτσι ώστε ένα µέρος της να παραµένει στην ιλύ ( 9) γ) Η ένωση να µεταβολίζεται σε µια περισσότερο υδρόφιλη µορφή αλλά να παραµένει ανθεκτική και να περνάει από το βιολογικό καθαρισµό των λυµάτων ( 10) και να καταλήγει στο υδάτινο περιβάλλον ( 11), επιδρώντας πιθανόν στους υδρόβιους µικροοργανισµούς. Deleted: σαν Deleted: σαν Deleted: σαν Deleted: Deleted: στον Deleted: Deleted:, Deleted:, Deleted: τους Deleted: ), Deleted: Για τους ίδιους λόγους, οι φαρµακευτικές ουσίες που χρησιµοποιούνται στην κτηνοτροφία καταλήγουν στο έδαφος είτε άµεσα µέσω των ούρων και των κοπράνων ( 12) για τις ζωοτροφικές µονάδες της υπαίθρου, είτε έµµεσα µέσω της εναπόθεσης της κοπριάς για τις εσωτερικές µονάδες παραγωγής ( 13). Τα φάρµακα που χρησιµοποιούνται στα ιχθυοτροφεία εκτίθενται απ ευθείας στο υδάτινο περιβάλλον µια και η χρήση τους στα ψάρια γίνεται µε την παροχή τους ως συµπληρώµατα της διατροφής τους. Ωστόσο, όση ποσότητα της τροφής δεν καταναλώνεται από τα ψάρια εναποτίθεται και συσσωρεύεται στον πυθµένα της θάλασσας (Jacobsen and Berglind 1998). Το κύριο ερώτηµα που τίθεται είναι το κατά πόσο είναι πιθανό οι φαρµακευτικές ουσίες σε χαµηλές συγκεντρώσεις να επιδράσουν στους διάφορους µικροοργανισµούς που έρχονται σε επαφή, και δεύτερο αν είναι δυνατόν οι µικροοργανισµοί αυτοί να βιοαποδοµήσουν τις φαρµακευτικές ενώσεις. από την 1 Ιανουαρίου του 1998 τέθηκε σε ισχύ η οδηγία της Ευρωπαϊκής ένωσης για τον καθορισµό την επικινδυνότητας λόγω της έκθεσης των κτηνιατρικών φαρµάκων στο Deleted: δηµιουργείται Deleted: να µπορούν 3