Te grzyby jedzą antydepresanty z ścieków. Naukowcy widzą w nich szansę

Naukowcy z Johns Hopkins University pokazali, że popularne grzyby nadrzewne potrafią rozkładać resztki leków psychotropowych w osadach ściekowych. Jeśli tę metodę uda się wdrożyć na większą skalę, rolnicy mogliby dostawać bezpieczniejszy nawóz, a leki w mniejszym stopniu krążyłyby w środowisku.

Farmaceutyki w ściekach: ukryty problem naszych łazienek

Antydepresanty, leki przeciwlękowe i inne środki działające na mózg mają precyzyjnie wpływać na układ nerwowy człowieka. Trafiają do organizmu, spełniają swoje zadanie, a ich resztki wydalamy z moczem i kałem. Do tego dochodzą przeterminowane tabletki wrzucane do toalety zamiast oddania do apteki.

Wszystko to ląduje w oczyszczalniach ścieków. Tam ścieki są oczyszczane, a z ich „gęstej” części powstają tzw. biosolidy – ustabilizowany osad bogaty w azot, fosfor i materię organiczną. W wielu krajach, w tym w USA, używa się go jako nawozu i polepszacza gleby na polach uprawnych.

Biosolidy to wartościowy nawóz, ale mogą zawierać śladowe ilości leków, w tym antydepresantów i innych substancji działających na psychikę.

Standardowe metody oczyszczania ścieków dobrze radzą sobie z bakteriami chorobotwórczymi i metalami ciężkimi. Znacznie gorzej jest z złożonymi związkami organicznymi, jak nowoczesne farmaceutyki. Część z nich prawie w ogóle nie ulega rozkładowi i przechodzi przez cały proces, by na końcu trafić na pola razem z nawozem.

Dlaczego naukowcy boją się nawet śladowych stężeń leków

Badacze podkreślają, że wciąż brakuje jednoznacznych danych, czy farmaceutyki z biosolidów realnie przechodzą do roślin w takiej ilości, by szkodzić konsumentom żywności. Nie ma twardych dowodów na bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia ludzi.

Mimo tego temat budzi rosnący niepokój. Leki działające na mózg opracowuje się tak, by zmieniały chemię organizmu już przy bardzo małych dawkach. Gdyby takie substancje zaczęły systematycznie przedostawać się do wody pitnej lub żywności, efekt mógłby być trudny do przewidzenia – tym bardziej że mówimy o mieszance wielu różnych preparatów.

Do tego dochodzi ryzyko dla organizmów wodnych. Światowe badania już wcześniej pokazały, że śladowe ilości niektórych leków wpływają na zachowanie ryb, bezkręgowców czy mikroorganizmów glebowych.

Grzyby białej zgnilizny – naturalne „rozpuszczalniki” chemii

Zespół z Johns Hopkins postawił na organizmy, które od milionów lat specjalizują się w rozkładaniu jednych z najtwardszych struktur w przyrodzie: drewna. Chodzi o tzw. grzyby białej zgnilizny. W naturze wgryzają się w pnie drzew i demontują ligninę – sztywny polimer, który nadaje drewnu twardość.

Klucz tkwi w enzymach. Grzyby te wydzielają do otoczenia bardzo silne, ale mało wybredne biokatalizatory. Nie są one precyzyjnie dopasowane do pojedynczego związku chemicznego. Zamiast tego potrafią atakować całe grupy trudnych do rozłożenia molekuł. To sprawia, że świetnie radzą sobie z drewnem, ale mogą też zająć się farmaceutykami przyczepionymi do materii organicznej w biosolidach.

Oyster i turkey tail – znane gatunki w nowej roli

W badaniu wykorzystano dwa bardzo popularne gatunki:

• Pleurotus ostreatus – dobrze znany z uprawy boczniak, często spotykany w sklepach;
• Trametes versicolor – barwny grzyb porastający pnie, w Polsce nazywany wrośniakiem różnobarwnym.

Oba gatunki łatwo rosną na stałych podłożach, są dobrze opisane i szeroko dostępne. To ważne z punktu widzenia praktycznego zastosowania – nie chodzi o egzotyczną ciekawostkę, ale o organizmy, które można realnie wprowadzić do instalacji przetwarzających osady ściekowe.

Jak wyglądał eksperyment z biosolidami

Badacze pobrali biosolidy z miejskiej oczyszczalni. Następnie „doszczepili” je dziewięcioma różnymi lekami psychotropowymi, w tym powszechnie stosowanymi antydepresantami, takimi jak citalopram czy trazodon. To symulowało typowy profil zanieczyszczeń, z jakimi rzeczywiście można spotkać się w osadach.

Na tak przygotowanym podłożu zaszczepiono grzybnię boczniaka i wrośniaka. Grzyby miały do 60 dni, by skolonizować biosolidy i uruchomić swoje enzymy.

Po dwóch miesiącach oba gatunki usunęły z biosolidów większość badanych leków, a w kilku przypadkach niemal całkowicie je rozłożyły.

Dla porównania przeprowadzono też doświadczenia w płynnych pożywkach laboratoryjnych, bez biosolidów. Pozwoliło to sprawdzić, jak grzyby zachowują się w idealnych warunkach, a jak w „brudnym”, realnym materiale z oczyszczalni.

Co dokładnie udało się rozłożyć

Rezultaty okazały się zaskakująco dobre jak na tak prostą metodę. Każdy z gatunków grzybów usunął osiem z dziewięciu farmaceutyków. Skuteczność wahała się od około 50% do niemal 100% po 60 dniach kontaktu z biosolidami.

Szczególnie skuteczny okazał się boczniak, który w przypadku kilku antydepresantów usuwał ponad 90% wyjściowej ilości substancji aktywnej.

Nie tylko pochłanianie, ale realna detoksykacja

Samo zniknięcie leku z roztworu to za mało, by mówić o sukcesie. Zdarza się, że związek chemiczny wiąże się np. z osadem, ale wciąż pozostaje aktywny i może znów przedostać się do środowiska, gdy warunki się zmienią.

Dlatego w badaniu użyto wysokorozdzielczej spektrometrii mas, aby prześledzić, co dzieje się z cząsteczkami leków. Analiza wykazała, że grzyby nie tylko „chowały” farmaceutyki, ale intensywnie je przekształcały. Zidentyfikowano ponad 40 nowych produktów rozkładu, powstających w trakcie działania enzymów.

Wiele z tych reakcji miało charakterystyczny przebieg: rozrywanie dużych cząsteczek na mniejsze, dodawanie atomów tlenu czy zmiany w pierścieniach aromatycznych. To typowe dla enzymów grzybów białej zgnilizny, które zachowują się trochę jak agresywne, ale naturalne „chemikalia czyszczące”.

Modele toksykologiczne sugerują, że większość produktów rozkładu ma niższą toksyczność niż wyjściowe leki, co oznacza realne zmniejszenie zagrożenia.

Do oceny potencjalnej szkodliwości tych produktów wykorzystano moduł Cheminformatics hazard assessment amerykańskiej agencji ochrony środowiska. Prognozy wskazały, że nowe związki zwykle wykazują mniejszą toksyczność niż oryginalne farmaceutyki, co zwiększa szansę, że takie „przepuszczenie” biosolidów przez grzyby faktycznie zmniejsza obciążenie środowiska, a nie tylko je maskuje.

Dlaczego test w prawdziwych biosolidach ma tak duże znaczenie

Wiele wcześniejszych prac nad bioremediacją leków bazowało na sterylnych, czystych roztworach. W takich warunkach łatwo uzyskać imponujące wyniki, ale później metoda zawodzi w praktyce. Biosolidy są gęste, pełne innych związków organicznych i minerałów, a do tego żyją w nich rozmaite mikroorganizmy konkurujące o przestrzeń i składniki odżywcze.

W tym badaniu grzyby celowo wystawiono na działanie rzeczywistej „mieszanki” z oczyszczalni. Okazało się, że w takim środowisku niektóre związki wręcz szybciej się rozkładają niż w prostych pożywkach płynnych. To ważny sygnał, że proces można w przyszłości połączyć z istniejącymi instalacjami do zagospodarowania osadów.

Mycoaugmentation – grzyby jako nowy etap oczyszczania ścieków

Badacze mówią tu o tzw. mycoaugmentation, czyli celowym wykorzystaniu grzybów do poprawy jakości zanieczyszczonych materiałów. W praktyce mogłoby to oznaczać dodanie etapu „przerośnięcia” biosolidów grzybnią przed ich wysyłką na pola.

Grzyby białej zgnilizny dobrze rosną na stałych podłożach, nie potrzebują zaawansowanej aparatury ani wysokiego zużycia energii. W wielu instalacjach można by je wprowadzić jako stosunkowo tani proces: wystarczy kontrolować wilgotność, temperaturę i czas przebywania osadów w specjalnie przygotowanych komorach.

• niski koszt w porównaniu z zaawansowaną chemią lub filtrami membranowymi,
• wykorzystanie organizmów naturalnie obecnych w ekosystemach,
• szansa na redukcję całych grup związków, nie tylko pojedynczych leków,
• łatwiejsze włączenie do już istniejących linii przerobu osadów.

Co to może oznaczać dla rolnictwa i miast

Dla rolników biosolidy są atrakcyjną formą nawozu – zawierają cenne składniki pokarmowe, pomagają poprawić strukturę gleby i zatrzymywać wodę. Coraz więcej osób pyta jednak, czy razem z pozytywnymi efektami nie sprowadzamy na pola koktajlu substancji, które kiedyś opracowano z myślą o leczeniu ludzi, a nie o podlewaniu marchewki czy pszenicy.

Jeśli grzybowa „pralnia chemiczna” wejdzie do standardu oczyszczalni, osady mogłyby trafić na pola z mniejszym bagażem farmaceutyków. To szansa na zachowanie korzyści z użycia biosolidów przy jednoczesnym ograniczeniu kontrowersji wokół ich bezpieczeństwa.

Dla miast oznaczałoby to dodatkowe narzędzie do radzenia sobie z rosnącą ilością leków w strumieniu ścieków. Społeczeństwa starzeją się, zużycie farmaceutyków rośnie, a systemy kanalizacyjne nie są na to przygotowane. Zastosowanie grzybów może stać się jednym z elementów szerszej strategii, obok edukacji mieszkańców (np. oddawanie przeterminowanych leków do aptek) i rozwoju nowych technologii oczyszczania wody.

Co jeszcze trzeba zbadać i na co zwrócić uwagę

Zanim boczniaki i wrośniaki staną się stałym elementem infrastruktury komunalnej, inżynierowie muszą sprawdzić kilka kwestii. Po pierwsze, jak proces zachowa się w skali przemysłowej: w dużych silosach i przy zmiennym składzie osadów. Po drugie, czy produkty rozkładu faktycznie pozostaną mniej toksyczne przy pełnym wachlarzu dawek i mieszanin, a nie tylko w modelach komputerowych.

Warto też pamiętać, że farmaceutyki to tylko jedna grupa kontaminantów. W biosolidach znajdują się również pestycydy, środki piorące czy dodatki do tworzyw sztucznych. Część z nich także może ulec rozkładowi przez enzymy grzybów białej zgnilizny, inne będą wymagały zupełnie odmiennych metod usuwania.

Dla przeciętnego użytkownika kranu ta historia ma jeden praktyczny morał: lepiej nie wrzucać tabletek do toalety ani nie wylewać syropów do zlewu. Nawet najbardziej pracowite grzyby nie poradzą sobie z niekontrolowaną lawiną chemii z naszych łazienek. System oczyszczania działa najskuteczniej wtedy, gdy łączy się rozsądne zachowania domowe z mądrym wykorzystaniem narzędzi biologicznych i technologicznych.