IA INGEGNERIA AMBIENTALE

ISSN: 0394-5871 ANNO XXXVIII N. 7/8 LUGLIO-AGOSTO 2009 POSTE ITALIANE S.P.A. Sped.ne abbon. postale D.L. 353/2003 (conv. in L. 27/02/2004 n. 46) art. 1, comma 1, DCB Milano IA INGEGNERIA AMBIENTALE

L INQUINAMENTO AMBIENTALE DA FARMACI E IL DEPURATORE DI NOSEDO Ettore Zuccato*, Sara Castiglioni*, Roberto Mazzini** In copertina: PARTICOLARE DEL DEPURATO- RE DI NOSEDO I farmaci, oltre ad essere le sostanze utili che conosciamo, possono essere considerati anche dei pericolosi inquinanti. L inquinamento ambientale da farmaci è in realtà un inquinamento anomalo dato che la causa principale non è la produzione industriale bensì il paziente. Gran parte delle migliaia di tonnellate di farmaci che vengono usati ogni anno in Italia per curare o prevenire le malattie nell uomo e nell animale, dopo l ingestione sono infatti escreti come tali o come metaboliti attivi con le urine e le feci dei pazienti e con le acque fognarie raggiungono gli impianti di depurazione. Nella problematica dell inquinamento ambientale da farmaci i depuratori municipali assumono quindi un ruolo chiave. La maggior parte dei farmaci per uso umano viene utilizzata nei nuclei urbani e la capacità di rimozione dei depuratori assume particolare importanza per cercare di attenuare l impatto di queste sostanze sull ambiente. Purtroppo i depuratori non sono progettati per rimuovere sostanze tanto complesse, così diverse tra loro e a concentrazioni tanto basse e molte di queste sostanze non sono degradate o rimosse in misura completa e permangono quindi a concentrazioni significative anche nelle acque trattate e ogni anno tonnellate di antibiotici, antineoplastici, estrogeni ecc. si riversano e si accumulano nell ambiente. Da questo punto di vista il depuratore di Nosedo mostra sul campo un elevata efficienza, con una percentuale di rimozione dei farmaci tra le più alte. Questo suggerisce l importanza di depuratori sempre più recenti e di moderna concezione per cercare di attenuare l impatto di questi nuovi e pericolosi inquinanti sull ambiente e sulla nostra salute. INTRODUZIONE * Dipartimento Ambiente e Salute, Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri, Milano ** MilanoDepur, Milano. Ogni anno in Italia vengono utilizzate migliaia di tonnellate di farmaci per curare malattie nell uomo e negli animali, come promotori di crescita negli allevamenti zootecnici e negli impianti di acquacoltura. Molti farmaci, dopo la somministrazione all uomo o all animale, sono escreti come tali o come metaboliti attivi con le feci e le urine e con le acque fognarie raggiungono gli impianti di depurazione. Lo smaltimento improprio o illegale dei farmaci, sia su base casalinga sia industriale contribuisce al fenomeno. Nei depuratori queste molecole vengono degradate solo in parte e sono quindi riversate nelle acque di superficie. Il termine farmaci indica una famiglia vasta ed eterogenea di sostanze che include centinaia di molecole molto differenti tra loro, con diversa struttura chimica e differenti proprietà chimico-fisiche. Solo pochi farmaci sono realmente biodegradabili e ogni anno tonnellate di antibiotici, antineoplastici, estrogeni ecc. si riversano e si accumulano nell ambiente. Esistono numerosi studi che descrivono la situazione dell inquinamento ambientale da farmaci in Italia. Nella letteratura recente sono disponibili lavori scientifici, molti a cura del nostro gruppo di ricerca, che riportano concentrazioni e carichi di farmaci in influenti ed effluenti di impianti di depurazione, acque superficiali, acque potabili e di falda. I farmaci che più frequentemente si ritrovano nell ambiente in Italia a concentrazioni significative sono numerosi e appartenenti a varie classi terapeutiche. Quasi tutti i farmaci di utilizzo più comune e frequente sono rappresentati, e si ritrovano nelle acque a concentrazioni correlabili ai quantitativi utilizzati, al metabolismo nel paziente e alla persistenza ambientale. Le concentrazioni finali sono dell ordine dei µg/l negli influenti e effluenti dei depuratori (Andreozzi et al., 2004; Castiglioni et al., 2006), delle decine o centinaia di ng/l nelle acque superficiali (Calamari et al., 2003; Zuccato et al., 2006) e di alcuni ng/l nelle acque potabili e di falda (Zuccato et al., 2000). Il problema dell inquinamento ambientale da farmaci è importante perché queste sostanze, oltre ad esercitare i noti effetti benefici, possono produrre effetti avversi sia sull uomo sia sull ambiente. Documentate sono soprattutto le implicazioni ambientali di questa diffusa contaminazione (Pomati et al., 2006) ma alla luce delle conoscenze attuali non si possono escludere neppure effetti avversi per l uomo derivanti dall esposizione cronica, quali ad esempio quelli correlati all aumento delle allergie, e alla selezione di ceppi batterici antibioticoresistenti (Kummerer, 2009). Nella problematica dell inquinamento ambientale da farmaci, i depuratori assumono un ruolo chiave. La maggior parte dei farmaci per uso umano viene infatti ragionevolmente utilizzata nei nuclei urbani e la capacità di rimozione dei depuratori assume particolare importanza per cercare di attenuare l impatto di questi nuovi e pericolosi inquinanti sull ambiente. I depuratori non sono in genere progettati per rimuovere sostanze tanto complesse, così diverse tra loro e a concentrazioni tanto basse e molte di queste sostanze non sono degradate o rimosse in misura completa e permangono quindi a concentrazioni significative anche nelle acque trattate. L efficienza di rimozione è però molto variabile in differenti impianti, come recentemente suggerito da un indagine condotta in Italia (Castiglioni et al., 2006) ed è quindi importante stimare le capacità dei singoli impianti. In questo studio sono stati misurati i principali farmaci in ingresso e in uscita al depuratore di Milano Nosedo, per valutare la rimozione di queste sostanze nell impianto. In alcuni casi sono stati studiati anche gli effetti dei singoli processi, distinguendo ad esempio l effetto del trattamento biologico da quello della disinfezione finale. 353

Fig. 1 Percentuali medie di rimozione dei principali farmaci nell impianto di Milano Nosedo Fig. 2 Effetto della disinfezione sulla rimozione (percentuale della rimozione totale dei principali farmaci attribuibili alla disinfezione) FARMACI E AMBIENTE Il riconoscimento dell esistenza di questa nuova problematica ambientale diede il via circa un decennio fa ai primi studi per stabilire quanto il problema fosse diffuso, quali le sue dimensioni e quali le possibili implicazioni per l ambiente e la salute umana. Mentre i primi studi seguivano una logica casuale di monitoraggio, si affermavano in seguito ricerche più mirate, tese a preselezionare i farmaci ritenuti più rilevanti in termini ambientali. I farmaci costituiscono una famiglia estremamente vasta ed eterogenea di sostanze ed è logico pensare che il monitoraggio di tutte le possibili molecole presenti fosse ritenuto poco realistico dal punto di vista pratico e si cercassero invece strategie per identificare i farmaci più importanti dal punto di vista ambientale. Questi venivano preselezionati in base a calcoli probabilistici che combinavano dati sui volumi di vendita o di prescrizione, dati di metabolismo, e tempi di persistenza ambientale delle sostanze (Zuccato et al., 2000). Una volta identificati i farmaci prioritari venivano poi messi a punto i metodi analitici per la loro misurazione mediante tecniche altamente specifiche e sensibili, come l HPLC-MS-MS (cromatografia liquida abbinata alla spettrometria di massa), cercando conferma della loro presenza e misurandone le concentrazioni, prima nelle acque dei depuratori urbani e successivamente nelle acque superficiali riceventi di canali, torrenti, fiumi e laghi. Con questi metodi sono stati condotti vari studi, prima nel nord Europa, poi in vari paesi del mondo, che confermano che l inquinamento da farmaci è un problema diffuso, di natura antropogenica, strettamente correlato alla presenza umana. I farmaci più comunemente presenti nell ambiente sono in genere quelli maggiormente usati in quantitativi elevati ma con molte eccezioni. Vi sono farmaci utilizzati in notevoli quantitativi che non si ritrovano nell ambiente perché rapidamente degradati (ad esempio l amoxicillina), ve ne sono altri, usati in quantitativi non così significativi, che si ritrovano però in concentrazioni elevate perché estremamente persistenti (esempio, carbamazepina e acido clofibrico). Una delle prime campagne di monitoraggio è stata condotta in Italia. I risultati di questa ricerca, sebbene recenti, sono diventati già un classico della letteratura di settore. Nelle acque lombarde e nei sedimenti dei fiumi Po, Lambro e Adda, nonché negli acquedotti di Varese e Lodi sono stati trovati antibiotici (lincomicina e eritromicina), antitumorali (ciclofosfamide), antinfiammatori (ibuprofen), diuretici (furosemide), antiipertensivi (atenololo), ed inoltre bezafibrato, ranitidina, spiramicina nelle acque di fiume; diazepam e clofibrato nelle acque potabili di Lodi e tracce di diazepam in quelle di Varese (Zuccato et al., 2000). Le ricerche si sono poi allargate anche ad altre aree del territorio italiano e ovunque i risultati confermano la presenza di farmaci nell ambiente acquatico. Nel confronto su scala europea quello che cambia è solo il tipo di sostanze: nel nord Europa, ad esempio, si riscontra una maggiore presenza di sedativi e antidepressivi, nel sud di antibiotici. Analoghi anche i risultati oltreoceano. Negli Stati Uniti, dove recentemente si è conclusa una vasta campagna di monitoraggio condotta dall U.S. Geological Survey durata 3 anni, l 80% dei corsi d acqua analizzati ha rivelato la presenza di farmaci (soprattutto ormoni e antibiotici) ma anche saponi, profumi, nicotina, caffeina (Kolpin et al., 2003). Una nota a parte meritano i farmaci veterinari. L utilizzo zootecnico di alcune classi di farmaci, in particolare degli antibiotici, è considerato quantitativamente simile all utilizzo in medicina umana. In alcuni casi si ritrovano farmaci in concentrazioni tanto elevate, molte volte superiori alle concentrazioni attese, da sospettare la presenza di ampie sacche di utilizzo illegale di tali farmaci in veterinaria per scopi auxinici (come promotori di crescita). È il caso ad esempio di salbutamolo e lincomicina, che si ritrovano in concentrazioni altrimenti inspiegabili nelle acque del Fiume Po, in aree caratterizzate da una ricca attività zootecnica, come quelle delle province di Piacenza e Cremona (Calamari et al., 2003). 354

L INQUINAMENTO AMBIENTALE DA FARMACI E IL DEPURATO- RE DI NOSEDO In questo studio sono stati misurati i principali farmaci in ingresso e in uscita al depuratore di Milano Nosedo, per valutare la rimozione delle sostanze farmacologiche in questo impianto. Sono stati studiati anche gli effetti dei singoli processi, distinguendo ad esempio l effetto del trattamento biologico da quello della disinfezione finale, mentre sono attualmente in corso studi per valutare la quantità di queste sostanze rimaste legate ai fanghi biologici, per avere un bilancio di massa completo. Il Depuratore di Nosedo è un impianto di moderna progettazione e recente costruzione, dotato di due collettori in ingresso e un unico collettore in uscita. Il depuratore ha una potenzialità di 1.250.000 abitanti equivalenti e una portata media di 432.000 m 3 /giorno. Il trattamento delle acque include una fase primaria di tipo meccanico, un trattamento secondario biologico e una disinfezione finale con acido peracetico. Le caratteristiche salienti dell impianto sono riassunte in Tabella 1. Ai fini analitici, campioni compositi delle 24 ore di acque reflue in ingresso, proveniente dai due collettori principali e di acque reflue in uscita, relativi ad una settimana continuativa di campionamento, sono stati raccolti mediante campionatore automatico e successivamente analizzati per le loro concentrazioni di farmaci terapeutici mediante cromatografia liquida ad alta pressione e spettrometria di massa in tandem (HPLC-MS-MS) dopo estrazione in fase solida (SPE), seguendo metodi analitici precedentemente pubblicati (Castiglioni et al., 2005). I risultati sono riportati nelle tabelle successive. In particolare, le Tabelle 2 e 3 riportano rispettivamente le concentrazioni in ng/l e i carichi in g/giorno dei principali farmaci misurati negli influenti e negli effluenti. I risultati mostrano che a livello dell impianto di Nosedo sembrano complessivamente arrivare ogni giorno dalla città di Milano più di 2 kg dei principi attivi analizzati (2100 grammi) e ne escono circa 500 g, con una rimozione complessiva del 76% (Tabella 3). I farmaci maggiormente rappresentati sono i cardiovascolari (atenololo), gli antinfiammatori (ibuprofen), i diuretici (furosemide e idroclorotiazide), gli ipolipemizzanti (gemfibrozil) e gli antibiotici (amoxicillina, vancomicina, ciprofloxacina). Si ritrovano inoltre minori quantitativi di altri farmaci, tra cui i Tab. 1 Depuratore di Nosedo Dati principali Potenzialità Impianto: 1.250.000 abitanti equivalenti Portata in ingresso media giornaliera: 432.000 m 3 /giorno Portata in ingresso in tempo secco: 5 m 3 /s Portata in ingresso in tempo di pioggia: 15 m 3 /s Sequenza fasi di trattamento linea acque: grigliatura grossolana, grigliatura fine, dissabbiatura/disoleatura, denitrificazione, nitrificazione e ossidazione, sedimentazione finale, filtrazione, disinfezione finale. Sequenza fasi di trattamento linea fanghi: ispessimento, stabilizzazione aerobica, disidratazione, essiccamento termico. Tab. 2 Concentrazioni (ng/l) di farmaci negli influenti (entrata collettore 1 e 2) e effluenti (medie±sd) 355

Tab. 3 Carichi medi (g/giorno) negli influenti e effluenti e percentuali medie di rimozione dei farmaci Fig. 3 Rimozione di farmaci in alcuni depuratori in Italia (modificato da Castiglioni et al., 2006, inserendo i dati relativi a Milano Nosedo) chemioterapici, i farmaci per il sistema nervoso centrale (SNC) e per il sistema gastrointestinale e i broncodilatatori. Un cenno a parte meritano gli estrogeni, di cui non si ritrovano tanto quelli farmacologici (etinilestradiolo) quanto quelli naturali della donna (estrone e estradiolo). Come precedentemente accennato i farmaci sono una famiglia eterogenea che include molecole molto diverse tra loro e non sorprende che molecole diverse abbiano un comportamento ambientale differente. La Figura 1 riporta le percentuali di rimozione complessive (come differenza tra carichi medi in entrata e in uscita) mentre la Figura 2 riporta la percentuale di rimozione attribuibile alla sola disinfezione, espressa come differenza tra rimozione dopo trattamento biologico e rimozione totale dopo disinfezione. La rimozione complessiva nell impianto (somma della degradazione in seguito ai trattamenti biologici e di disinfezione, e della rimozione per adsorbimento ai fanghi) è completa o superiore al 75% per la maggior parte dei farmaci, eccetto che per alcuni antibiotici (oleandomicina, sulfametossazolo, vancomicina, lincomicina e ofloxacina), i diuretici (furosemide e idroclorotiazide), e altri farmaci come ranitidina, salbutamolo e diazepam per i quali la rimozione è invece minore (Figura 1). Per alcuni di questi ultimi, in particolare per ranitidina, diazepam, idroclorotiazide (Figura 2) sembra comunque evidente che gran parte dell effetto non è a carico del trattamento biologico ma dello step di disinfezione, che assume quindi grande importanza per la loro rimozione finale. Gli studi per valutare la quantità di queste sostanze rimaste legate ai fanghi biologici sono ancora in corso ed è quindi al momento impossibile avere un bilancio di massa completo e stimare il ruolo di questo processo nella rimozione in base a precedenti esperienze con altri impianti (Castiglioni et al., 2006) è comunque probabile che l adsorbimento ai fanghi possa essere importante per la rimozione totale, almeno per sostanze come gli antibiotici fluorochinolonici (nel nostro caso ciprofloxacina e ofloxacina) la cui capacità di legarsi ai fanghi è tra l altro anche descritta in letteratura (Golet et al., 2001). La percentuale di rimozione dei farmaci che si osserva nell impianto di Nosedo è comunque complessivamente elevata, come si desume dal confronto con i dati pubblicati (Castiglioni et al., 2006) relativi ad altri impianti distribuiti sul territorio nazionale (Figura 3). In questa classifica il depuratore di Nosedo sembra essere, dal punto di vista della rimozione dei farmaci, al momento il più efficace tra tutti quelli fino ad ora valutati. Questo probabilmente grazie al fatto di essere un impianto di moderna progettazione e recente costruzione. Impianti sempre più moderni e sempre più efficienti possono quindi rappresentare una prima ed efficace risposta alle problematiche poste da questi nuovi, pericolosi e diffusi inquinanti, per ridurre già alla fonte il loro impatto sull ambiente. 356

In conclusione, l inquinamento da farmaci rappresenta un rischio significativo per l ambiente e i depuratori urbani costituiscono un punto chiave di intervento per la risoluzione di questa problematica. Da questo punto di vista il depuratore di Nosedo mostra sul campo un elevata efficienza, con una percentuale di rimozione dei farmaci tra le più alte. Questo suggerisce l importanza di depuratori sempre più moderni. La maggior parte dei farmaci per uso umano viene utilizzata nei nuclei urbani e l efficienza dei depuratori assume quindi particolare importanza per cercare di attenuare l impatto di questi nuovi e pericolosi inquinanti sull ambiente e sulla nostra salute. BIBLIOGRAFIA [1] Andreozzi R., Caprio V., Ciniglia C., de Champdoré M., Lo Giudice R., Marotta R., Zuccato E. Antibiotics in the environment. Occurrence in Italian STPs, fate and preliminary assessment on algal toxicity of amoxicillin. Environ Sci Technol 2004, 38: 6832-6838. [2] Castiglioni S., Bagnati R., Fanelli R., Pomati F., Calamari D., Zuccato E. Removal of pharmaceuticals in sewage treatment plants in Italy. Environ Sci Technol 2006, 40: 357-363. [3] Calamari D., Zuccato E., Castiglioni S., Bagnati R., Fanelli R. Strategic survey of therapeutic drugs in the rivers Po and Lambro in northern Italy. Environ Sci Technol 2003; 37: 1241-1248. [4] Zuccato E., Castiglioni S., Fanelli R., Reitano G., Bagnati R., Chiabrando C., Pomati F., Rossetti C., Calamari D. Pharmaceuticals in the environment in Italy: causes, occurrence, effects and control. A Review. ESPR 2006, 13: 15-21. [5] Zuccato E., Calamari D., Natangelo M., Fanelli R. Presence of therapeutic drugs in the environment. Lancet 2000; 355: 1789-1790. [6] Pomati F., Castiglioni S., Zuccato E., Fanelli R., Rossetti C. and Calamari D. Effects of Environmental Contamination by Therapeutic Drugs on Human Embryonic Cells. Environ Sci Technol 2006, 40, 2442-2447. [7] Kummerer K. Antibiotics in the aquatic environment A review Part I. Chemosphere 2009, 75: 417-434. [8] Kolpin D.W., Furlong E.T., Meyer M.T., Thurman E.M., Zaugg S.D., Barber L.B., Buxton H.T. Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in U.S. streams, 1999-2000: A national reconnaissance. Environ Sci Technol 2002, 36: 1202-1211. [9] Castiglioni S., Bagnati R., Fanelli R., Calamari D., Zuccato E. A multiresidue analytical method using solid-phase extraction and HPLC- MS-MS to measure pharmaceuticals of different therapeutic classes in urban waste waters. J Chromatography A 2005, 1092: 206-215. [10]Golet E.M., Alder A.C., Hartmann A., Ternes T.A., Giger W. Trace determination of fluoroquinolone antibacterial agents in urban wastewater by solid-phase extraction and liquid chromatography with fluorescence detection. Anal Chem 2001, 73: 3632-3638. Particolare dell Impianto di Milano-Nosedo 357