Anticancer drugs in the aquatic environment: where should we act and is nanofiltration a solution to this problem?

Abstract

Anticancer drugs have been detected in hospital effluents, sewage effluents and river water samples. Due to the increasing number of cancer patients, an increase in the consumption of anticancer drugs is expected and therefore the development of effective treatment options is important to avoid the discharge of these drugs in the aquatic environment. The aim of this study was to propose an effective treatment solution to avoid the discharge of anticancer drugs in the aquatic environment. To define the most relevant target drugs to monitor, the environmental concentrations in surface waters of 123 anticancer drugs used in Portugal, Belgium and India were predicted. Based on the predictions, an analytical method that comprises solid phase extraction and liquid chromatography with tandem mass spectrometry was optimized to detect the compounds with the highest predicted environmental concentrations in wastewater effluents. An occurrence study was then performed by collecting several grab samples throughout a year and comparing the results obtained in grab samples with the less time- consuming passive samplers. The viability of nanofiltration for treatment of these compounds was addressed at laboratory scale using different matrices: laboratory grade water, synthetic urine, and real secondary effluent. Experimental results showed that the Desal 5DK membrane is more effective than the NF270 membrane for the rejection of these compounds, showing no significant matrix influence on the rejection results. A pilot scale nanofiltration unit was finally installed in a wastewater treatment facility to confirm the laboratory scale findings and propose the operating conditions that would maximize the rejection of the target anticancer drugs and minimize fouling. The anticancer compounds tested in this work have very different structures and physicochemical properties and thus the high effectiveness reported for nanofiltration at pilot scale is a good indication of what can be expected to a multitude of other pollutants. The implementation of nanofiltration in wastewater treatment plants may thus contribute to the protection of the aquatic environment.

A presença de fármacos no meio aquático é uma realidade do presente. Dentro dos diferentes grupos terapêuticos, os fármacos anticancerígenos geram alguma preocupação ambiental devido ao seu potente mecanismo de acção e falta de selectividade, podendo causar efeitos adversos em qualquer ser eucariótico. É expectável que o número de novos casos de cancro aumente bastante no futuro e que consequentemente aumente o consumo dos fármacos anticancerígenos bem como a sua ocorrência no meio ambiente. É, por isso, de extrema importânica investigar soluções de tratamentos eficazes na remoção destes compostos, de forma a evitar a sua libertação no meio aquático. O presente trabalho teve como principal objectivo propor uma solução de tratamento eficaz para remover compostos anticancerígenos de efluentes. De modo, a definir os fármacos anticancerígenos mais relevantes, foram previstas as concentrações ambientais de 123 fármacos em águas superficiais utilizando dados de consumo de Portugal, Bélgica e Índia e assumindo diferentes cenários de tratamento. Com base nas previsões, um método analítico que compreende extração em fase sólida e cromatografia líquida de alta eficiência acoplada a espectrometria de massa em tandem foi otimizado para detectar os compostos com as maiores concentrações ambientais previstas. Posteriomente, foi realizado um estudo de ocorrênica, no qual várias amostras pontuais de efluente residual foram colectadas ao longo de um ano e foi testado o uso de amostradores passivos. A viabilidade do tratamento por nanofiltração para remoção de compostos anticancerígenos foi abordada à escala laboratorial utilizando diferentes matrizes: água destilada, urina sintética e efluente secundário. Os resultados experimentais mostraram que a membrana Desal 5DK é mais eficaz que a membrana NF270, levando a rejeições mais elevadas e sendo menos susceptível ao fouling. Por último, uma unidade de nanofiltração à escala piloto com a membrana Desal 5DK foi instalada numa estação de tratamento de águas residuais e foram testadas várias condições operacionais de forma a maximizar a rejeição dos compostos alvo e minimizar o fouling. Os compostos anticancerígenos testados neste trabalho têm estruturas e propriedades físico-químicas diferentes e, portanto, a alta eficiência obtida em nanofiltração à escala piloto é uma boa indicação do que pode ser esperado para uma infinidade de outros poluentes. A implementação da nanofiltração em estações de tratamento de águas residuais pode assim contribuir para a proteção do meio aquático.