Title: Risk assessment of human pharmaceuticals in the Portuguese aquatic environment
Other Titles: Avaliação do risco de medicamentos de uso humano no meio aquático Português
Authors: Pereira, André Monteiro Pais Teixeira 
Keywords: Environmental contaminants;Pharmaceuticals;Environmental risk assessment;Wastewater treatment plants;Surface waters;Contaminantes ambientais;Fármacos;Avaliação de risco ambiental;Estações de tratamento de águas residuais;Águas de superfície
Issue Date: 28-Apr-2017
Citation: PEREIRA, André Monteiro Pais Teixeira - Risk assessment of human pharmaceuticals in the Portuguese aquatic environment. Coimbra : [s.n.], 2017. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/ 10316/36878
Abstract: Potential risks associated with releases of pharmaceuticals into the environment have become an increasingly important issue in environmental health. This concern has been driven by the widespread detection of pharmaceuticals in all aquatic environmental compartments, including wastewater and surface waters. Human pharmaceuticals are emergent contaminants that are continuously introduced in the environment and wastewaters are regarded as the main route of entry. Albeit detected in trace amounts, they are of concern since they are designed to perform a biological effect and can promote deleterious consequences at low concentrations in aquatic biota. There is little knowledge on pharmaceuticals environmental occurrence, fate and exposure in the Portuguese aquatic environment, important issues for a proper risk assessment that must be tackled to meet the Water Framework Directive (WFD) of the European Union (EU). Therefore, the aim of the present work was to evaluate the occurrence, fate and environmental risk assessment (ERA) of human pharmaceuticals in the Portuguese aquatic compartment, selected from the most prescribed and chronically consumed. Samples from 15 wastewater treatment plants (WWTPs) influents (WWIs) and effluents (WWEs), from five different Portuguese regions were collected during four sampling campaigns and were assessed through solid phase extraction (SPE) and liquid chromatography coupled to tandem mass detection (LC-MSn). A contamination mapping, encompassing temporal and spatial variation, and the ERA of the presence of pharmaceuticals in wastewaters were accomplished. Additionally, based on WWTPs measured data, the most impacted surface waters were selected to set monitoring stations, as required by the Directive 2013/39/EU. To further evaluate the influence of WWEs, temporal variations and the impact of surface waters flow rates in pharmaceutical concentrations, surface waters from the most vulnerable areas were collected from 20 sites, upstream and downstream the selected WWTPs, during two sampling campaigns, and were assessed through SPE followed by LC-MSn. Moreover the ERA was performed providing the risk characterization for the Portuguese surface waters. The results obtained showed that pharmaceuticals are ubiquitous in Portuguese WWTPs, with WWIs presenting higher concentration (up to 150 µg L-1) than WWEs (up to 33 µg L-1). Temporal and geographical variations were detected, with winter season and Alentejo and Algarve regions presenting higher contamination levels. Additionally, risk quotients (RQs) higher than one and up to 469 were observed for seven pharmaceuticals in WWEs, posing possible risk to the aquatic biota. Based on these results, the rivers Mondego, Tagus, Ave, Trancão, Fervença and Xarrama were selected as surface waters monitoring stations, since they were expected to present higher concentrations. Additionally, based on the previous obtained data, suggestions were made to improve the European Medicines Agency (EMA) Guideline on ERA. This includes changing some parameters in the predicted environmental concentrations (PECs) calculation, such as the default value of the penetration factor (Fpen) from 0.01 to 0.04, adding a safety factor of 10 and account for national consumption and excretion data (using worst-case scenario). This would enable a more accurate ERA, strengthening the protection of the environment against pharmaceutical contamination. Finally, surface waters evaluation showed 27.8% of contamination, with an increase in frequency and concentration levels downstream WWTPs, during summer and in smaller rivers. This proved that WWTPs are a major source of pharmaceuticals contamination in surface waters and that the river flow rates significantly influence the pharmaceuticals concentration in this water compartment. In drought periods, flow rates may decrease at least ten times comparing to the lowest value observed at the time of our sampling campaigns, and, consequently, the concentrations of pharmaceuticals could increase in the same proportion. When using these data to perform the ERA, RQs higher than 0.1 would be observed for all of the 11 detected pharmaceuticals and, from these, 5 should present RQs higher than one, posing the aquatic biota at risk. Overall, these results present a global picture of the pharmaceuticals contamination and ERA of the Portuguese aquatic environment, an important input for setting prioritizing measures and sustainable strategies, to minimize their impact in the aquatic environment.
O problema dos potenciais riscos associados à disseminação de fármacos no meio ambiente tem vindo a adquirir uma importância crescente no âmbito da saúde ambiental. Esta preocupação tem sido impulsionada pela detecção generalizadade fármacos em todos os compartimentos aquáticos, incluindo águas residuais e águas de superfície. Os fármacos para uso humano são contaminantes emergentes, continuamente introduzidos no meio aquático, sendo as águas residuais consideradas a sua principal via de contaminação. Embora detectados em concentrações residuais, representam motivo de preocupação, uma vez que são desenvolvidos para produzir um efeito biológico e mesmo em concentrações baixas possuem aptidão para promover efeitos deletérios em organismos aquáticos. A escassez de dados sobre a ocorrência, destino e exposição a fármacos no ambiente aquático português impossibilita uma correcta avaliação do risco para cumprimento da Directiva-Quadro da Água (WFD). Assim, o objectivo do presente trabalho foi avaliar a ocorrência, o destino e o risco ambiental de fármacos para uso humano no meio aquático português, seleccionados entre os mais prescritos e consumidos cronicamente. Primeiramente, ao longo de quatro períodos de amostragem, foram recolhidas amostras de afluentes e efluentes em 15 estações de tratamento de águas residuais (ETARs) provenientes de cinco regiões portuguesas, as quais foram avaliadas através de extracção em fase sólida (SPE) e cromatografia líquida acoplada a detecção por massa (LC-MSn). Foi elaborado um mapa de contaminação, contemplando variações temporais e geográficas, e foi avaliado o risco ambiental relativo à presença de fármacos em águas residuais. Adicionalmente, com base nos dados obtidos nas ETARs, foram seleccionadas as águas de superfície potencialmente mais contaminadas para estabelecer estações de monitorização, de acordo com a Directiva 2013/39/UE. Para confirmar a influência dos efluentes das ETARs e para verificar as variações temporais e o impacto do caudal das águas de superfície nas concentrações dos fármacos, foram analisadas águas de superfície dos 20 locais mais vulneráveis, a montante e a jusante das ETARs seleccionadas, durante dois períodos de amostragem, e foram avaliadas através de SPE seguida de LC-MSn. Foi ainda realizada a avaliação de risco ambiental (ERA), caracterizando o risco para as águas de superfície portuguesas. Os resultados alcançados mostraram que os fármacos estão omnipresentes nas ETARs portuguesas, com os afluentes a apresentar uma concentração mais elevada (até 150 μg L-1) do que os efluentes (até 33 μg L-1). Foram detectadas variações temporais e geográficas, com o inverno e as regiões do Alentejo e Algarve a apresentar níveis de contaminação mais elevados. Foram ainda observados quocientes de risco (RQ) superiores a um e até 469 para sete fármacos nos efluentes das ETARs, o que representa um risco potencial para os organismos aquáticos. Com base nestes resultados, foram seleccionados como estações de monitorização de águas de superfície os rios Mondego, Tejo, Ave, Trancão, Fervença e Xarrama, uma vez que seria expectável que estes apresentassem as concentrações mais elevadas. Com base nos dados obtidos, foram feitas sugestões para melhorar a guideline da Agência Europeia do Medicamento (EMA) sobre a ERA, tendo sido proposto alterar alguns parâmetros no cálculo das concentrações ambientais previstas (PECs), tais como o valor padrão do fator de penetração (Fpen) de 0.01 para 0.04, adicionar um factor de segurança de 10 e incluir os dados de consumo nacional e de excreção humana. As alterações propostas permitiriam uma ERA mais precisa, reforçando a protecção do ambiente contra a contaminação por fármacos. Por fim, analisadas as águas de superfície, estas apresentaram 27,8% de contaminação, tendo-se verificado um aumento da frequência e dos níveis de concentração a jusante das ETARs, durante o verão e em rios com menor caudal. Isto demostrou que as ETARs são uma importante fonte de contaminação de fármacos em águas de superfície e que o caudal dos rios influencia significativamente a sua concentração neste compartimento aquático. Com efeito, em períodos de seca, os caudais podem ser pelo menos dez vezes menores do que o menor caudal observado nos dias de amostragem, pelo que, consequentemente, aquela concentração pode aumentar na mesma proporção. Por conseguinte, com base neste pressuposto, num período de seca, seriam observados RQs superiores a 0,1 para os 11 fármacos detectados e, entre estes, 5 apresentariam RQs superiores a um, colocando os organismos aquáticos em risco. Em termos globais, os resultados obtidos apresentam um quadro geral da contaminação por fármacos e respectiva ERA no meio aquático português, pelo que representam um importante contributo para a definição de medidas prioritárias e estratégias sustentáveis com vista à minimização do seu impacto no meio aquático.
Description: Tese de doutoramento em Ciências Farmacêuticas, na especialidade de Bromatologia e Hidrologia , apresentada à Faculdade de Farmácia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/36878
Rights: embargoedAccess
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