התנהגות כימית-פיזיקאלית של חומרים רפואיים עם בוצה במהלך הטיפול בשפכים

הסטודנט: עידן טננבאום

מנחים: ד"ר דרור אבישר, פרופ' בני חפץ וד"ר הדס ממן

בעשורים האחרונים התרחב מאוד השימוש בחומרים רפואיים באדם ובמשק החי, וכתוצאה מכך ניתן למצוא אותם ואת תוצרי הפירוק שלהם בשפכים עירוניים וחקלאיים. עקב הרחקה חלקית של חומרים רפואיים במתקני טיהור שפכים (מט"שים), משוחררים מזהמים אלו באופן רציף ישירות לסביבה הן בקולחים המשמשים להשקיית גידולי שדה ומטעים, והן בבוצה המשמשת לדישון שדות חקלאיים. עם זאת, גורלם של החומרים הרפואיים והשפעותיהם על בריאות הציבור והסביבה אינן לגמרי מובנות. למרבית החומרים הרפואיים יש שלד הידרופובי בעל קבוצות פונקציונאליות פולאריות המקנות לו יכולת התמוססות במים, והם שומרים על המבנה ועל פעילותם לאורך זמן. מבין קבוצות החומרים הרפואיים הנפוצות, מדאיגות במיוחד האנטיביוטיקות עקב תרומתם לתופעת העמידות לאנטיביוטיקה, וההורמונים האסטרוגנים הידועים כחומרים שביכולתם לשבש את הפעילות האנדוקרינית (EDC's) של יצורים מימיים.

בוצת שפכים מהווה בשנים האחרונות מקור מועדף לחומר אורגני לקרקעות חקלאיות הנמצאות מעל ובקרבה למקורות המים, ובכך מהווה מרכיב נוסף לזיהום פוטנציאלי שלהם. החומרים הרפואיים צפויים ליצור קומפלקסים עם החומר האורגני בבוצה ועם החומרים ההומים במיוחד. מחקרים שנערכו בשנים האחרונות העידו על הצטברותם של חומרים רפואיים שונים בבוצות שונות. יתרה מכך, נוכחותם בבוצות לאחר תהליכי עיכול ואף בקומפוסט מסחרי שהופק מבוצות שפכים, מעידה על יציבותם הרבה ועל כך שהתהליכים הנפוצים לעיבוד בוצה לסוג א' אינם מסוגלים לסלק ביעילות מזהמים אלה.

יישום חקלאי של בוצה וקומפוסט המכילים חומרים רפואיים שהצטברו בהם, יכול ליצור מאגר מזהמים שבסופו של דבר עלולים להגיע למקורות המים. חומרים רפואיים הנספחים בחוזקה נוטים להישאר בשכבות העליונות של הקרקע ולהצטבר בה, לעומת זאת, חומרים בעלי יכולת ספיחה חלשה לפאזה המוצקה נחשבים לניידים, ויכולים לאחר הגעתם לקרקע לנוע בה ולהגיע למקורות מים עיליים בעזרת הסעה עם נגר עילי, או לחלחל לתת הקרקע אל עבר מי התהום. חשוב לציין שגם חומרים שאינם נחשבים כניידים על סמך חלוקה זו עלולים להגביר את ניידותם כתוצאה מנתיבי זרימה מועדפים בתת הקרקע או קישור ל- DOM.

מטרת המחקר הייתה להבין את תהליכי ההצטברות של האנטיביוטיקה הנפוצה Tetracycline (TET) וההורמון האסטרוגן הסינטטי 17α-Ethinylestradiol (EE2) בבוצה, וכן את פוטנציאל השחרור שלהם. שני החומרים מייצגים שתי משפחות שונות של חומרים הניתנים באופן שכיח במסגרת טיפולים רפואיים, אשר נוכחותן נמצאה בעבר בבוצה ו/או בקומפוסט מסחרי שהופק מבוצות שפכים. התכונות הכימיות-פיזיקאליות השונות של שני החומרים אפשרו לבדוק אינטראקציות שונות עם מרכיבים שונים בבוצה. ההשערה היא שחומרים רפואיים מצטברים בבוצה במהלך הטיפול בשפכים בתהליכי ספיחה שונים, המושפעים מהתכונות הכימיות-פיזיקאליות הן של החומרים הרפואיים עצמם והן של מרכיבי הבוצה השונים.

על מנת ללמוד על אופייה של הבוצה כחומר סופח, נדגמה בוצה שניונית לא מטופלת ממט"ש "קולחי השרון", וממנה הופקו שלושה מרכיבים הומים שונים: חומצה הומית (HA), חומצה פולבית (FA) והומין. הבוצה ומרכיביה ההומים אופיינו באנליזה אלמנטרית, קיבול קבוצות פונקציונאליות חומציות ובספקטרוסקופיית FTIR. לאחר מכן, נערכו ניסויי ספיחה ושחרור במתכונת batch של החומרים הרפואיים שנבדקו עם הבוצה, ועם ההומין וה- HA שהופקו ממנה. קביעת ריכוזי החומרים הנותרים בתמיסה נעשתה באמצעות מכשיר HPLC. הנתונים שהתקבלו אפשרו לבנות איזותרמות ספיחה שהותאמו למודלים של Freundlich ו- Langmuir. מקדמי הספיחה, הפרמטרים השונים שהתקבלו מהמודלים ואינדקס ההיסטרזה אפשרו להבין את האינטראקציות בין החומר הרפואי לחומר הסופח.

שלושת המרכיבים ההומים שהופקו מהבוצה חולקים מספר מאפיינים מבניים דומים אך נבדלים זה מזה בהרכב, במבנה ובתכולת הקבוצות הפונקציונאליות. ה- HA היא המרכיב הארומטי ביותר, אך היא מכילה גם שיירים שומניים וחלבוניים שמקורם במיקרואורגניזמים המרכיבים את הביומאסה וקיבול נמוך יחסית של קבוצות פונקציונאליות חומציות. ההומין הוא המרכיב ההידרופובי והאליפטי ביותר, ואחוז ניכר ממשקלו הוא חומר אנאורגאני מינרלי ומתכתי. ה- FA היא המרכיב החומצי וההידרופילי ביותר בבוצה, ולכן היא מהווה אחוז קטן מהבוצה המוצקה לעומת המרכיבים האחרים.

תוצאות העבודה מלמדות על התנהגות ואינטראקציה שונה של שני החומרים הרפואיים שנבדקו עם בוצת "קולחי השרון". האנטיביוטיקה TET הציגה מקדמי חלוקה (Kd) גבוהים יותר (1,552±41 - 4,667±41 L/kg) לבוצה מאשר ההורמון EE2 (534±52 - 609±47 L/kg). ספיחה של TET לבוצה הציגה תלות חזקה ב- pH עם ספיחה מקסימאלית ב- pH 9. הגברת הספיחה ב- pH 9 התאפשרה בנוכחות יוני Ca2+ והדגישה את חשיבותם של יונים מתכתיים דו ורב ערכיים ביצירת קומפלקסים של TET עם מרכיבי הבוצה. המרכיב הדומיננטי בבוצה לספיחה של TET היה ההומין כתוצאה מאינטראקציות דרך המרכיבים האנאורגאניים הקיימים בו. לעומת זאת, EE2 יוצר אינטראקציות הידרופוביות עם החומר האורגאני בבוצה וללא תלות ב- pH. במקרה זה ה- HA שימשה כמרכיב הדומיננטי בספיחה הודות להרכב והמבנה הכימי שלה. שני החומרים התנהגו אחרת גם בשחרור. לאחר שלושה סבבי שחרור, אחוז ה- TET שהשתחרר (18.7±1.3 - 29.8±2%) היה נמוך מאשר EE2 (60.6±3 - 62.3±2%), ואינדקס ההיסטרזה של TET היה גבוה יותר מאשר EE2. בעוד ל- TET נטייה להתעכב במטריקס המוצק, EE2 השתחרר בקלות ובמלואו בהתאם לריכוזו בתמיסה.

המסקנות שעולות מעבודה זו מדגישות את הצורך בהמשך מחקר בנושא זה עקב השוני הרב בין תכונותיהן הכימיות-פיזיקאליות של מגוון החומרים הרפואיים הנמצאים בשימוש, ואת הצורך להתייחס לבוצה כאל מקור חשוב להפצתם בסביבה.

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש
שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>