Grzyby zjadają antydepresanty? Naukowcy testują nowy sposób oczyszczania ścieków

W centrum badań znalazły się antydepresanty i inne leki działające na układ nerwowy, które po przedostaniu się do kanalizacji lądują w tzw. osadach ściekowych wykorzystywanych jako nawóz na polach. Zespół postanowił sprawdzić, czy specjalna grupa grzybów potrafi rozłożyć te związki, zanim trafią do gleby, wód i żywności.

Ukryte leki w nawozach z oczyszczalni

Po oczyszczaniu ścieków w oczyszczalniach powstają biosolidy – zagęszczony, bogaty w składniki odżywcze osad. W Stanach Zjednoczonych taki materiał masowo trafia na pola jako nawóz, bo zawiera azot, fosfor i sporo materii organicznej. Problem w tym, że tradycyjne metody oczyszczania słabo radzą sobie z zaawansowanymi związkami chemicznymi pochodzącymi z farmaceutyków.

Do kanalizacji dostają się one na dwa sposoby: z moczem i kałem osób przyjmujących leki oraz po wyrzuceniu tabletek do toalety lub zlewu. Standardowe procesy w oczyszczalni dobrze eliminują bakterie chorobotwórcze i redukują zawartość metali ciężkich, ale znaczna część złożonych cząsteczek leków przechodzi przez system prawie nienaruszona.

W niewielkich stężeniach te substancje nie zabijają organizmów, ale mogą wpływać na zachowanie, hormony, a nawet rozmnażanie ryb i innych zwierząt wodnych.

Badania nad glebą i roślinami uprawianymi z dodatkiem takich osadów pokazują, że część farmaceutyków może przedostawać się do tkanek roślin. Nie ma jeszcze jednoznacznych dowodów, że w istotnych ilościach docierają do konsumentów, ale naukowcy coraz częściej traktują je jako zanieczyszczenia wymagające aktywnego ograniczania.

Dlaczego właśnie grzyby białej zgnilizny

Zespół z działu zdrowia środowiskowego i inżynierii w Johns Hopkins sięgnął po grupę organizmów znaną z zupełnie innej roli: rozkładania drewna w lasach. Chodzi o tzw. grzyby białej zgnilizny, które potrafią niszczyć ligninę – bardzo twardy, odporny polimer odpowiedzialny za sztywność drewna.

Te grzyby wydzielają do otoczenia silne enzymy rozkładające skomplikowane cząsteczki na prostsze elementy. W odróżnieniu od wielu bakterii nie działają na jeden, precyzyjnie dopasowany związek, ale „atakują” szeroką pulę różnych struktur chemicznych. Ta uniwersalność okazała się kluczowa przy próbie rozprawienia się z mieszaniną leków obecnych w osadach ściekowych.

Dwa popularne gatunki z nieoczywistym talentem

Badacze skupili się na dwóch bardzo dobrze znanych gatunkach:

• Pleurotus ostreatus – boczniak ostrygowaty, popularny grzyb jadalny, obecny także w polskich sklepach;
• Trametes versicolor – wrośniak różnobarwny, pospolity grzyb nadrzewny o wachlarzowych owocnikach, chętnie badany w medycynie naturalnej.

Oba gatunki są szeroko dostępne, łatwo rosną na różnego rodzaju podłożach i dobrze znoszą warunki zbliżone do tych panujących w naturze. To sprawia, że z punktu widzenia inżynierów środowiska mogą stać się realnym narzędziem w oczyszczaniu odpadów, a nie tylko ciekawostką z laboratorium.

Jak wyglądał eksperyment z osadami ściekowymi

Do badań wykorzystano osady z miejskiej oczyszczalni ścieków. Naukowcy „wzbogacili” je o dziewięć popularnych leków działających na psychikę, w tym stosowane powszechnie antydepresanty, takie jak citalopram czy trazodon. Następnie zaszczepili próbki grzybnią boczniaka lub wrośniaka i obserwowali proces przez 60 dni.

Równolegle prowadzili testy w płynnej pożywce, bez obecności osadów. Pozwoliło to porównać, jak grzyby radzą sobie w sterylnych warunkach laboratoryjnych, a jak w „brudnej”, gęstej masie przypominającej realne odpady z oczyszczalni.

Różnice między płynną hodowlą w probówce a rzeczywistym materiałem z oczyszczalni okazały się znaczące, co pokazuje, że metody muszą być weryfikowane na prawdziwych osadach.

Do analizy wykorzystano wysokorozdzielczą spektrometrię mas, dzięki której można dokładnie śledzić spadek stężenia poszczególnych związków oraz identyfikować produkty ich rozkładu.

Grzyby „zjadły” większość badanych leków

Po dwóch miesiącach hodowli wyniki wyglądały zaskakująco dobrze, jak na prostą biologiczną metodę. Oba gatunki grzybów usunęły z osadów osiem z dziewięciu testowanych farmaceutyków, przy czym poziom redukcji mieścił się mniej więcej w przedziale od 50% do prawie całkowitego zniknięcia danej substancji.

Szczególnie dobrze spisał się boczniak ostrygowaty, który w przypadku wybranych środków przeciwdepresyjnych usuwał ponad dziewięć dziesiątych początkowego ładunku. Badacze podkreślają, że to nie tylko efekt „wciągnięcia” substancji do tkanek grzyba.

Analiza chemiczna pokazała, że cząsteczki farmaceutyków ulegają realnym przemianom: pękają na mniejsze fragmenty, łączą się z tlenem lub przechodzą inne typowe dla enzymów grzybów białej zgnilizny reakcje. Ogółem zidentyfikowano ponad czterdzieści nowych produktów powstających podczas rozkładu leków.

Czy produkty rozkładu są bezpieczniejsze

Sama degradacja nie wystarcza – ważne, by nie tworzyć czegoś jeszcze bardziej toksycznego. Z tego powodu zespół sięgnął po narzędzie amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska, tzw. moduł oceny zagrożeń chemicznych oparty na danych strukturalnych cząsteczek.

Wstępne analizy sugerują, że większość produktów przemian jest mniej szkodliwa niż wyjściowe leki, co wskazuje na realne „odtrucie” materiału, a nie tylko zmianę formy zanieczyszczenia.

To wciąż etap szacunków i prognoz opartych na znanych wzorcach toksyczności, dlatego kolejnym logicznym krokiem będą testy biologiczne z udziałem roślin, organizmów wodnych i organizmów glebowych. Tylko w ten sposób da się sprawdzić, czy osady po „kuracji grzybowej” rzeczywiście stają się mniej uciążliwe dla środowiska.

Mycoaugmentation – celowe użycie grzybów w oczyszczaniu

W literaturze naukowej coraz częściej pojawia się pojęcie „mycoaugmentation”. Oznacza ono celowe wprowadzanie wybranych gatunków grzybów do zanieczyszczonych materiałów, aby przyspieszyć naturalny rozkład szkodliwych związków. Praca zespołu z Johns Hopkins wpisuje się w ten nurt i pokazuje, że takie podejście może działać nie tylko w kolbkach, ale także w realnym, skomplikowanym materiale, jakim są osady ściekowe.

Grzyby białej zgnilizny mają kilka przewag nad klasycznymi metodami chemicznymi lub zaawansowanymi technologiami oczyszczania:

• rosną na stałych podłożach, więc można je wprowadzić bezpośrednio do pryzm osadów;
• nie wymagają dużych nakładów energii ani skomplikowanej infrastruktury;
• dobrze znoszą zmienne warunki wilgotności i temperatury;
• wytwarzają szeroki zestaw enzymów, co jest przydatne przy mieszaninie różnych zanieczyszczeń.

Naukowcy zwracają uwagę, że w przyszłości takie „grzybowe etapy” można by wbudować w istniejące ciągi technologiczne oczyszczalni. Przykładowo, część osadów mogłaby trafić na specjalne złoża porośnięte boczniakiem, gdzie materiał dojrzewałby przez kilka tygodni przed wywiezieniem na pola.

Co to oznacza dla rolnictwa i zdrowia ludzi

Jeżeli tego typu rozwiązania wejdą do praktyki, rolnicy zyskaliby dostęp do osadów ściekowych o mniejszym ładunku farmaceutyków. To może ograniczyć ryzyko długotrwałego gromadzenia się leków w glebie, wodach gruntowych oraz w uprawach, zwłaszcza na terenach intensywnie korzystających z nawozów z oczyszczalni.

Dla konsumentów oznaczałoby to kolejny poziom zabezpieczenia przed tzw. koktajlem zanieczyszczeń. Pojedyncze stężenia są zazwyczaj bardzo niskie, ale w życiu codziennym stykamy się z mieszaniną różnych substancji: z żywności, wody, powietrza czy kosmetyków. Każdy krok, który zmniejsza „tło chemiczne”, może mieć znaczenie z punktu widzenia zdrowia publicznego, zwłaszcza u osób wrażliwych, takich jak dzieci czy kobiety w ciąży.

Od laboratoriów do polskich oczyszczalni – co musiałoby się stać

Choć badania prowadzono w Stanach Zjednoczonych, problem resztek leków w ściekach dotyczy także Polski. Coraz więcej osób korzysta z antydepresantów i leków przeciwlękowych, a infrastruktura kanalizacyjna nie jest projektowana z myślą o tego typu związkach.

Aby wykorzystać doświadczenia z Johns Hopkins w praktyce, potrzebne byłyby m.in.:

W praktyce mogłoby to połączyć klasyczne procesy oczyszczania (np. osad czynny, fermentację beztlenową) z etapem biologicznej „polerki”, w której główną rolę odegrałyby właśnie boczniaki i pokrewne gatunki.

Co warto zapamiętać o roli grzybów w oczyszczaniu środowiska

Grzyby od dawna wykorzystywane są do rozkładu ropy naftowej, pestycydów czy barwników przemysłowych. Praca zespołu z Johns Hopkins pokazuje, że ten sam arsenał enzymów można skierować przeciwko farmaceutyków obecnym w osadach ściekowych. Nie chodzi o to, by zrezygnować z leków, ale by odpowiedzialniej obchodzić się z tym, co z nimi dzieje się po zakończeniu terapii.

Dla przeciętnego użytkownika kanalizacji najważniejsze są dwie rzeczy: nie wyrzucać tabletek do toalety ani zlewu oraz pamiętać, że każda tabletka ma swój „ślad środowiskowy”. Z kolei dla inżynierów i decydentów pojawia się ciekawa perspektywa – włączenia do systemu oczyszczania organizmów, które do tej pory kojarzyły się głównie z lasem i kuchnią. Boczniak może więc w przyszłości pełnić podwójną funkcję: składnika obiadu i cichego sprzymierzeńca w walce z lekami zalegającymi w ściekach.