Grzyby zamiast chemii: zaskakujący sposób na leki w ściekach

Resztki antydepresantów i innych leków trafiają z oczyszczalni ścieków na pola uprawne.

Naukowcy proponują bardzo nieoczywiste rozwiązanie.

Badacze z Johns Hopkins University sprawdzili, czy popularne grzyby nadrzewne mogą „zjadać” farmaceutyki ukryte w osadach ściekowych, zanim te trafią na pola jako nawóz. Wyniki brzmią jak science fiction, ale stoją za nimi twarde dane z laboratorium.

Ukryty problem: leki, które wracają na nasze talerze

Antydepresanty i inne środki wpływające na psychikę mają działać w ludzkim mózgu, a nie w glebie. Po połknięciu tabletki substancje czynne są wydalane z organizmu, a część trafia do kanalizacji także wtedy, gdy ktoś wylewa do toalety przeterminowane medykamenty. Oczyszczalnie ścieków usuwają bakterie i metale ciężkie, lecz złożone związki chemiczne z leków przechodzą przez ten proces prawie bez szwanku.

Z tych ścieków powstają tzw. biosolidy – osady bogate w azot, fosfor i materię organiczną, chętnie stosowane jako nawóz i polepszacz gleby. Wraz z nimi na pola dostaje się jednak koktajl substancji farmaceutycznych. Część badań sugeruje, że rośliny mogą wchłaniać fragmenty tych związków. Naukowcy nie mają jeszcze jednoznacznego dowodu, że później wracają one z żywnością na nasze talerze, ale ryzyko dla ludzi i ekosystemów stale rośnie.

Nawet bardzo małe ilości leków psychotropowych mogą wpływać na zachowanie organizmów, dlatego uznano je za zanieczyszczenia wymagające szczególnej uwagi.

Dlaczego klasyczne oczyszczalnie polegają w starciu z lekami

Tradycyjne technologie oczyszczania ścieków powstały z myślą o mikroorganizmach chorobotwórczych i prostszych związkach chemicznych. Systemy biologiczne i chemiczne świetnie redukują patogeny czy metale, ale psychotropowe farmaceutyki to zupełnie inna liga. To skomplikowane cząsteczki, zaprojektowane tak, by długo utrzymywać się w organizmie i trudno się rozkładać.

W efekcie oczyszczalnia często „wygrywa” z bakteriami, lecz przegrywa z nowoczesnymi lekami. Związki farmaceutyczne przyczepiają się do materii organicznej w osadzie i tam spokojnie przeczekują cały proces. Wyrzucenie takiego osadu na pole oznacza, że w dłuższej perspektywie mogą oddziaływać na życie glebowe i wodne, a także kumulować się w łańcuchu pokarmowym.

Grzyby białej zgnilizny: naturalne bioreaktory

Zespół badawczy postawił na grupę organizmów, które od milionów lat rozwiązują podobne zadanie: rozkład bardzo odpornych substancji. Mowa o tzw. grzybach białej zgnilizny, znanych z tego, że potrafią rozłożyć ligninę – twardy „szkielet” drewna. Zamiast wewnętrznych enzymów, jak wiele bakterii, te grzyby wydzielają do otoczenia silne, niespecyficzne enzymy, które atakują całą gamę skomplikowanych cząsteczek.

Elastyczność enzymów grzybów białej zgnilizny sprawia, że świetnie radzą sobie z farmaceutykami silnie związanymi z materią organiczną w osadach.

Do badań wybrano dwa gatunki, które wiele osób kojarzy z kuchni albo z fotografii lasu:

• Pleurotus ostreatus – boczniak ostrygowaty, popularny grzyb jadalny;
• Trametes versicolor – wrośniak różnobarwny, zwany „ogonkami indyczymi” ze względu na wygląd owocników.

Oba gatunki są powszechnie dostępne, dobrze poznane i potrafią rosnąć na różnego rodzaju podłożach, co z perspektywy oczyszczalni ścieków ma ogromne znaczenie.

Jak wyglądało doświadczenie z „grzybową oczyszczalnią”

Badacze wzięli biosolidy z miejskiej oczyszczalni i celowo „doprawili” je mieszanką dziewięciu substancji czynnych stosowanych w lekach psychotropowych, w tym popularnych antydepresantów, takich jak citalopram czy trazodon. Następnie zaszczepili osad grzybnią boczniaka i wrośniaka i pozwolili jej rosnąć przez maksymalnie 60 dni.

Równolegle przygotowano eksperyment kontrolny: te same związki rozpuszczono w cieczy laboratoryjnej, bez udziału osadów. To pozwoliło sprawdzić, jak różni się zachowanie leków w „czystych” warunkach w porównaniu z prawdziwym, złożonym materiałem z oczyszczalni.

W trakcie całego okresu badań stosowano wysokorozdzielczą spektrometrię mas, aby mierzyć stężenia poszczególnych leków oraz identyfikować cząsteczki powstające w wyniku ich rozpadu. Dzięki temu można było ocenić nie tylko, czy coś znika, ale też w co się zmienia.

Efekt: do 100% usunięcia niektórych leków

Oba gatunki grzybów poradziły sobie zaskakująco dobrze. Każdy z nich rozłożył osiem z dziewięciu badanych substancji, często w bardzo dużym stopniu:

• w wielu próbkach zanotowano redukcję stężeń w granicach około 50% po dwóch miesiącach,
• w części przypadków grzyby niemal całkowicie wyczyściły osady z danego leku,
• boczniak okazał się szczególnie skuteczny w rozkładaniu kilku antydepresantów – usuwał ich ponad 90%.

Co ciekawe, niektóre substancje rozpadały się lepiej właśnie w „brudnym” osadzie niż w idealnie przygotowanej cieczy. To sygnał, że realne środowisko, z całą swoją chaotyczną chemią i mikrobiologią, może wręcz pomagać enzymom grzybowym.

Czy powstają nowe, jeszcze groźniejsze toksyny?

Najczęstszy zarzut wobec wielu metod oczyszczania brzmi: „zamiast jednego zanieczyszczenia tworzymy drugie, może groźniejsze”. W tym projekcie duży nacisk położono więc na analizę produktów rozpadu. Badacze zidentyfikowali ponad 40 związków powstających, gdy grzyby „rozgryzają” cząsteczki leków – często poprzez rozcięcie ich na mniejsze fragmenty albo przyłączanie atomów tlenu.

Do oceny ich właściwości wykorzystano narzędzie amerykańskiej agencji EPA, które na podstawie struktury chemicznej prognozuje potencjalną toksyczność. Zdecydowana większość produktów rozpadu wypadała w tych analizach łagodniej niż związki wyjściowe. To mocny argument, że proces grzybowego „czyszczenia” faktycznie zmniejsza zagrożenie, a nie tylko je przenosi z jednej formy w drugą.

Analizy toksykologiczne sugerują, że grzybnia nie chowa farmaceutyków w swojej masie, lecz realnie je neutralizuje, przekształcając w mniej groźne cząstki.

Mycoaugmentation – nowe słowo w słowniku oczyszczalni

Badacze mówią tu o mycoaugmentation, czyli celowym wspomaganiu procesów oczyszczania przez grzyby. Z praktycznego punktu widzenia pomysł jest atrakcyjny, ponieważ grzyby białej zgnilizny:

Tego typu „grzybowe moduły” można by w przyszłości włączać w istniejące linie przeróbki biosolidów. Na przykład poprzez dodatkowe etapy dojrzewania osadów w tunelach, pryzmach czy kontenerach, gdzie grzybnia ma czas na pracę, zanim nawóz trafi na pole.

Co to oznacza dla rolnictwa i zdrowia ludzi

Dziś biosolidy są w wielu krajach ważnym elementem gospodarki obiegu zamkniętego: zamiast wyrzucać osady, wykorzystuje się je do poprawy żyzności gleb. Jednocześnie narasta presja, by ograniczyć chemiczne „bagaże”, które wraz z nimi trafiają do środowiska. Jeśli technologie oparte na grzybach uda się dopracować, rolnicy mogliby korzystać z wartości odżywczych osadów przy mniejszym ryzyku, że wraz z nimi wprowadzą na pola koktajl leków psychotropowych.

Dla mieszkańców oznaczałoby to mniejszą szansę, że mikrośladowe ilości antydepresantów czy innych farmaceutyków krążą między kanalizacją, glebą, wodą i żywnością. Dla organizmów wodnych i glebowych – mniejszy wpływ substancji, które ingerują w układy nerwowe.

Na ile blisko jesteśmy realnego wdrożenia

Badania z Johns Hopkins pokazują potencjał, ale to wciąż etap badań przedwdrożeniowych. Zanim oczyszczalnie ścieków faktycznie zaczną „siać” boczniaki w swoich osadach, trzeba odpowiedzieć na kilka praktycznych pytań: jak stabilna jest skuteczność w zmiennych warunkach, jaki jest koszt w dużej skali, czy proces da się łatwo wkomponować w obecne instalacje i przepisy.

Jednocześnie sama koncepcja wpisuje się w szerszy trend szukania biologicznych sprzymierzeńców w walce z trudnymi zanieczyszczeniami. Mikroorganizmy od dawna stosuje się do rozkładu ropy, pestycydów czy barwników. Teraz podobne podejście zaczyna dotyczyć zaawansowanych leków, których nasze społeczeństwa używają coraz więcej.

Dla zwykłego odbiorcy ten temat brzmi dość abstrakcyjnie, ale łatwo znaleźć analogię: tak jak grzybnia potrafi „zjeść” stary pień w lesie, tak w kontrolowanych warunkach może stopniowo „pożerać” cząsteczki leków uwięzione w osadach ściekowych. Różnica polega na tym, że zamiast spróchniałego drzewa znikają substancje, których nie chcemy w glebie i wodzie.

Warto też pamiętać, że żadne pojedyncze rozwiązanie nie rozwiąże problemu farmaceutyków w środowisku. Nawet najbardziej wydajne grzyby nie zastąpią rozsądnego gospodarowania lekami – nie wyrzucania tabletek do toalety, ograniczania nadmiernego przepisywania oraz rozwijania preparatów łatwiej ulegających biodegradacji. Grzybowe „oczyszczalnie” mogą być jednak ważnym elementem większej układanki, w której technologia, medycyna i ekologia zaczynają wreszcie grać do jednej bramki.