פירוק מיקרוביאלי של חומרים רפואיים בקרקעות לס המושקות בקולחים

פברואר 2013, גליון 1, (עמ' 56-62)



-
הדפס PDF שלח לחבר



תקציר

חומרים רפואיים וחומרים הידועים כמשבשי פעילות הורמונלית נמצאו בשפכים מטופלים ובגופי מים עיליים שקולחים מוזרמים אליהם. בישראל, שהקולחים בה הם כ-50% ממי ההשקיה, עולה חשש מחשיפת הסביבה החקלאית למזהמים אלה. בהגיעם לקרקע, חשופים החומרים הרפואיים למגוון תהליכים הקובעים את גורלם ואת התנהגותם בסביבה. עבודה זו מתמקדת בחקר קצבי הפירוק המיקרוביאלי של חומרים רפואיים שנמצאו בקולחים המשמשים להשקיה. אנו מניחים כי מידע זה יעזור להעריך את מידת השיוריות בקרקע ואת הסכנות הסביבתיות והבריאותיות הנגזרות מחשיפת קרקע חקלאית לחומרים רפואיים. 

ניסויי הדגרה של חומרים רפואיים נערכו בקרקעות לס שהושקו לאורך זמן בקולחים שהכילו חומרים רפואיים או במים שפירים. קצב ההיעלמות של החומרים הרפואיים הושפע בעיקר מתכונות החומר, וזמני מחצית החיים של החומרים בקרקע נעו בין ימים בודדים למספר שנים. ממצא חשוב ומעניין היה כי מרבית החומרים התפרקו בקצב דומה בקרקעות שהושקו בקולחים ובקרקעות שהושקו במים שפירים. עוד נמצא כי קצב הפירוק הואץ בקרקעות שנדגמו לאחר עונת חורף גשומה לעומת קצבי הפירוק שנמדדו בדגימות בסיום עונת ההשקיה. מחקר זה מספק בסיס נתונים שיכול לשמש להערכה כמותית של שיוריות חומרים רפואיים שמקורם בקולחים בקרקעות חקלאיות ולבחון את מידת זמינותם לתהליכים כימיים ופיזיקליים ואת פוטנציאל קליטתם על-ידי גידולים חקלאיים. 

 

מבוא 

חומרים רפואיים, חומרים הידועים כמשבשי פעילות הורמונלית ומוצרי טיפוח למיניהם, שלא הורחקו במהלך הטיפול בשפכים, נמצאו בקולחים ובגופי מים עיליים ששפכים מטופלים מוזרמים אליהם [2, 9]. בישראל, עקב מחסור במים שפירים, הקולחים הם מקור מים משמעותי להשקיה בחקלאות. משום שחומרים אלה נועדו, מעצם הגדרתם, לפעול על מערכות ביולוגיות, עולה החשש מחשיפת הסביבה החקלאית למזהמים אלה שעלולים אף לחדור לשרשרת המזון. חומרים רפואיים המגיעים לקרקע החקלאית נתונים למגוון תהליכים, כגון חלחול והסעה למי תהום, ספיחה, פירוק מיקרוביאלי וקליטה על-ידי צמחים. חקר של התהליכים, קצבם ועוצמתם יאפשר הבנה מעמיקה לגבי גורל חומרים אלה בסביבה, וכן הערכת סיכונים הקשורים לתופעה. 

התמרה (transformation) ומינרליזציה בתהליך מיקרוביאלי הם מנגנונים מרכזיים להרחקה של חומרים רפואיים מהסביבה [8]. זמן מחצית החיים שמחושב מניסויי הדגרה של מזהמים בקרקע הוא מדד כמותי לקצב היעלמות המזהם בסביבה הנחקרת. יתרה מזאת, המדד הכמותי יכול לשמש כלי עזר להערכת שיוריות החומר וזמינותו לתהליכים אחרים בסביבה. לדוגמה, בכל הקרקעות זמני מחצית החיים של משככי הכאבים ibuprofen, naproxen ו- diclofenacקטנים מ-20 יום. עם זאת, זמני מחצית החיים שלהם היו ארוכים יותר עם העלייה בתכולת החרסית בקרקע במהלך ההדגרה [7, 11]. לעומת זאת, עבור מווסת השומנים בדם gemfibrozil דווח על זמן מחצית חיים של כ-18 יום ללא תלות משמעותית בתכולת החרסית [4].

מחקרים מעטים בחנו את פירוק המיקרוביאלי של חומרים רפואיים בקרקעות חקלאיות, ולמיטב ידיעתנו טרם פורסמו עבודות שבחנו פירוק של חומרים רפואיים בקרקעות המושקות בקולחים. בעבודה זו נבחנה ההשפעה של איכות מי ההשקיה, של מרקם הקרקע ושל מחזור הגידול על קצבי הפירוק בקרקע. השערות המחקר העיקריות הן שקצב הפירוק יושפע מהתכונות הכימיות והפיזיקליות של החומר הרפואי, וכן שחשיפה ארוכת טווח של הקרקע לחומרים אלה (עקב השקיה ממושכת בקולחים המכילים חומרים רפואיים) תביא להאצה בקצב פירוקם, בדומה לידוע על שימוש עקבי בחומרי הדברה [12]. לצורך ניסויי ההדגרה נדגמו קרקעות לס מצפון הנגב, בעלות מרקמים שונים, שנחשפו לחומרים רפואיים דרך השקיה בקולחים, וכן קרקעות זהות שהושקו במים שפירים ללא חשיפה מוקדמת לחומרים רפואיים. 

 

חומרים ושיטות

בניסויי ההדגרה נעשה שימוש בקרקעות לס שמקורן בצפון הנגב, אזור המושקה בקולחים. הקרקעות נדגמו ממערך ליזימטרים (חביות קרקע המדמות תנאי שדה) הממוקם במו"פ לכיש. הקרקעות נבדלות בתכולת החרסית שלהן (13, 7 ו-31%, להלן ייקראו L, M ו-H, בהתאמה). הדגימות נערכו בשלושה מועדים: (א) בזמן קציר כרוב סיני שהושקה בקולחים שניוניים או במים שפירים (פברואר 2011); (ב) לאחר עונה גשומה ללא גידול (מאי 2011); (ג) בסיום גידול גזר שהושקה בקולחים שניוניים או במים שפירים (ספטמבר 2011). הקרקעות שהושקו בקולחים נחשפו לחומרים הרפואיים בריכוז אופייני למים אלה (1 מיקרוגרם לליטר) [2]. קרקעות שהושקו במים שפירים לא נחשפו מעולם לחומרים הרפואיים. מיד לאחר הדגימות מהשטח החל ניסוי הדגרה של החומרים הרפואיים: החומר carbamazepine הנפוץ בטיפול בפרכוסים, החומרים נוגדי הדלקות - naproxen, diclofenac ו-ibuprofen וחומרים לוויסות שומנים בדם - gemfibrozil ו-bezafibrate. החומרים הוספו לקרקע בריכוז התחלתי של 5 מיקרוגרם/גרם, המאפשר ניתוח מדויק של קצב הפירוק. הקרקעות הודגרו בחדר חשוך, בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס ובתכולת רטיבות קבועה לכל קרקע. החומרים מוצו מהקרקע על-ידי טלטול עם מתנול ועם NaOH (0.0125 M). המיצוי נערך פעמיים לקבלת יכולת השבה גדולה מ-95%. ריכוז החומרים בתמיסת המיצוי נבדק בכרומטוגרפיית נוזלים תוך שימוש בסטנדרטים חיצוניים. זמן מחצית חיים (t1/2) חושב לפי מודל פירוק מסדר ראשון על סמך הנוסחה:  Ct = Co X e –kt

כאשר Ct הוא הריכוז בזמן מסוים (מיקרוגרם/גרם קרקע), Co הוא הריכוז ההתחלתי (מיקרוגרם/גרם קרקע), k הוא קבוע הקצב (1/ימים) ו-t הוא הזמן (ימים). 


תוצאות ודיון

החומר carbamazepine הראה יציבות לפירוק מיקרוביאלי בכל הקרקעות, בכל טיפולי ההשקיה ובכל הדגימות. יציבותו עומדת בניגוד לחומרים האחרים שהתפרקו במהלך ההדגרה, כפי שניתן לראות עבור החומר bezafibrate (איור 1). חשוב לציין כי היעלמות החומרים מהקרקע היא תוצאה של פעילות מיקרוביאלית, וזאת משום שבעקבות הדגרה בתנאים זהים אך בקרקעות מעוקרות, לא נצפתה ירידה בריכוז החומרים. הירידה בריכוז ה-carbamazepine לאחר הדגרה ממושכת של 90 יום מיוחסת לתהליכי קיבוע בלתי הפיכים (aging) בקרקע, שחלק מהם נגרם הודות לחברה המיקרוביאלית בקרקע. יציבותו של החומר carbamazepine לפירוק ביולוגי (בעל זמן מחצית חיים של למעלה משנה) כפי שהיא מוצגת באיור 1 מתאימה להגדרתו כסמן לזיהום אנושי [5, 10]. עקב יציבותו של החומר, התנהגותו בקרקעות השונות לא מוצגת עם שאר החומרים, וזמן מחצית החיים שלו לא חושב על פי מודל הפירוק לפי סדר ראשון. לעומת עמידותו לפירוק מיקרוביאלי בקרקע כפי שנמצא בעבודה זו, דווח כי ניתן לפרק אותו בעזרת תרבית נקייה של פטריות ממשפחת הריקבון הלבן, כדוגמת Pleurotus ostreatus [6].

ניכר כי קצב ההיעלמות של החומרים ibuprofen ,  diclofenac ,bezafibrate, gemfibrozil ו-naproxen מושפע בראש ובראשונה מתכונות החומר, שכן תבנית זמני מחצית החיים דומה בין קרקעות (L, M, H; איור 2) ואף בין מועדי הדגימות (א, ב, ג; איור 2). סדר היעלמות החומרים במהלך ההדגרה בקרקעות השונות נשמר, והוא כדלהלן - החומרים קלי הפירוק (t1/2 של ימים בודדים): diclofenac ו-ibuprofen; העמידים יותר (t1/2 של מספר שבועות): bezafibrate, gemfibrozil ו-naproxen; החומר העמיד ביותר carbamazepine (t1/2 של מספר שנים).

תופעה מעניינת נוספת היא שעבור מרבית החומרים הנבדקים לא נמצאה תלות ישירה בין זמן מחצית החיים ואיכות ההשקיה. כלומר, עבור אותו חומר נמצא זמן מחצית חיים דומה אם נחשף לקרקע בעלת היסטוריה של השקיה בקולחים או לקרקע מאותו סוג שהושקתה במים שפירים. תוצאות אלה מדגישות כי חשיפה מוקדמת לחומר רפואי בריכוז סביבתי (עם השקיה בקולחים) לא האיצה את היעלמותו. תופעה זו שונה מהידוע על חומרי הדברה, ששימוש עקבי בהם מאיץ את היעלמותם מהקרקע עקב העשרת הקרקע באוכלוסיות מיקרוביאליות האחראיות לפירוק [12]. ייתכן שמשך הזמן שהקרקעות נחשפו בו לחומרים רפואיים לא היה מספיק לצורך העשרת אוכלוסיות מפרקות, וכן כי ריכוז החשיפה היה מתחת לסף הרגישות הדרוש ליצירת ההשפעה על החברה המיקרוביאלית בקרקע. יוצא מן הכלל הוא החומר gemfibrozil, שעבורו חושבו זמני מחצית חיים קצרים יותר בקרקעות שהושקו בקולחים.

איור 1

בניגוד למחקרים דומים [7, 11], נראה כי תכולת החרסית בקרקע לא השפיעה על קצב היעלמות החומרים (הפירוק בקרקעות L, M ו-H היה דומה, איור 2), ודווקא התנאים הסביבתיים (מחזור הגידול) השפיעו יותר על קצב הפירוק. ניכר כי לאחר עונה חורפית גשומה ללא גידול (איור 2ב) היה קצב היעלמות החומרים מהיר יותר, וכן אחיד יותר בין הדוגמאות מהליזימטרים השונים. אנו משערים כי קציר הכרוב הסיני (סוף עונת ההשקיה הראשונה) הותיר בקרקע נפח שורשים גדול שהפך לחומר אורגני זמין וקל פירוק, ועודד חילוף חומרים משולב (cometabolism) של החומרים הרפואיים. שילוב נפח השורשים, כאמור, עם ההתחממות העונתית, עם העלייה בתכולת הרטיבות ועם הדחת המלחים מהקרקע הגביר ככל הנראה את הפעילות המיקרוביאלית הכללית ואת קצב הפירוק. 

איור 2
מסקנות

תוצאות מחקר זה מצביעות כי שיוריות של חומרים רפואיים בקרקע נקבעת בעיקר על פי תכונות החומר ולא על פי איכות מי ההשקיה (קולחים או שפירים) או מרקם הקרקע. כמו כן ניתן להסיק כי הפירוק המיקרוביאלי בקרקע מושפע מעונת השנה ומהגידול החקלאי, וייתכן שהוא קשור לשינויים שנמצאו לאחרונה בחברת המיקרואורגניזמים בקרקע בהשפעת ההשקיה בקולחים והאפקט העונתי [3]. הנתונים המופיעים בעבודה זו מלמדים כי הפירוק המיקרוביאלי של החומרים הרפואיים הקלים ביותר לפירוק מתבצע בטווח של ימים אחדים. פרק זמן זה ארוך מספיק כדי לאפשר לחומרים לעבור תהליכים כימיים ופיזיקליים בקרקע ואף תהליכים ביולוגיים, כמו למשל קליטה על-ידי צמחים. בעבודה זו התייחסנו להיעלמות חומר המוצא בלבד, אך יש לנטר גם את תוצרי פירוק [1] שעלולים להיות בעלי השפעה סביבתית העולה על זו של חומר המוצא. התוצאות המוצגות כאן נמדדו במהלך הדגרה של החומרים הרפואיים בריכוז גבוה יחסית בקרקע. כדי להבין את השפעת ריכוז החשיפה על השיוריות אנו בודקים בימים אלה את קצבי הפירוק של חומרים רפואיים בריכוז הקיים בסביבה. 


תודות

תודות לקרן לבריאות וסביבה על מימון המחקר וליונה חן וחורחה טרצ'יצקי על השיתוף הפעולה במערך הליזימטרים במו"פ לכיש. 

 מקורות

[1] דנור י. 2011. פירוק מיקרוביאלי של חומרים רפואיים בקרקעות חקלאיות המושקות בקולחים (עבודת גמר לתואר מוסמך). ירושלים: האוניברסיטה העברית בירושלים.


[2] Chefetz B, Mualem T, and Ben-Ari J. 2008. Sorption and mobility of pharmaceutical compounds in soil irrigated with reclaimed wastewater. Chemosphere 73: 1335-1343.

[3] Elifantz H, Kautsky L, Mor-Yosef M, et al. 2011. Microbial activity and organic matter dynamics during 4 Years of irrigation with treated wastewater. Microbial Ecology 62: 973-981.

[4] Fang Y, Karnjanapiboonwong A, Chase DA, et al. 2012. Occurrence, fate, and persistence of gemfibrozil in water and soil. Environmental Toxicology and Chemistry 31: 550-555.

[5] Gasser G, Rona M, Voloshenko A, et al. 2011. Evaluation of micropollutant tracers. II. Carbamazepine tracer for wastewater contamination from a nearby water recharge system and from non-specific sources. Desalination 273: 398-404.

[6] Golan-Rozen N, Chefetz B, Ben-Ari J, et al. 2011. Transformation of the recalcitrant pharmaceutical compound carbamazepine by Pleurotus ostreatus: Role of cytochrome P450 monooxygenase and manganese peroxidase. Environmental Science and Technology 45: 6800-6805.

[7] Lin KD and Gan J. 2011. Sorption and degradation of wastewater-associated non-steroidal anti-inflammatory drugs and antibiotics in soils. Chemosphere 83: 240-246.

[8] Maeng SK, Sharma SK, Abel CDT, et al. 2011. Role of biodegradation in the removal of pharmaceutically active compounds with different bulk organic matter characteristics through managed aquifer recharge: Batch and column studies. Water Research 45: 4722-4736.

[9] Ternes TA. 1998. Occurrence of drugs in German sewage treatment plants and rivers. Water Research 32: 3245-3260.

[10] Walters E, McClellan K, and Halden RU. 2010. Occurrence and loss over three years of 72 pharmaceuticals and personal care products from biosolids-soil mixtures in outdoor mesocosms. Water Research 44: 6011-6020.

[11] Xu J, Wu LS, and Chang AC. 2009. Degradation and adsorption of selected pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in agricultural soils. Chemosphere 77: 1299-1305.

[12] Zabolowicz RM, Weaver MA, and Locke MA. 2006. Microbial adaptation for accelerated atrazinemineralization/degradation in Mississippi Delta soils. Weed Science 54: 538-547.





רשות הטבע והגנים החברה להגנת הטבע Israel Nature and Parks Authority Society for the Protection of Nature in Israel