IA - Depuratore di Milano Nosedo

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IA - INGEGNERIA AMBIENTALE
ANNO XXXVIII N. 7/8 LUGLIO-AGOSTO 2009
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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
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ANNO XXXVIII N. 7/8 LUGLIO-AGOSTO 2009
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ISSN: 0394 - 5871
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INGEGNERIA
AMBIENTALE
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L’INQUINAMENTO AMBIENTALE DA FARMACI E IL
DEPURATORE DI NOSEDO
Ettore Zuccato*, Sara Castiglioni*, Roberto Mazzini**
INTRODUZIONE
In copertina:
PARTICOLARE DEL DEPURATORE 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.
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 influen-
* Dipartimento Ambiente e Salute, Istituto di
Ricerche Farmacologiche Mario Negri, Milano
** MilanoDepur, Milano.
ti 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.
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Fig. 1 – Percentuali medie di rimozione dei principali farmaci
nell’impianto di Milano Nosedo
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 depu-
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Fig. 2 – Effetto della disinfezione sulla rimozione (percentuale
della rimozione totale dei principali farmaci attribuibili
alla disinfezione)
ratori 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).
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L’INQUINAMENTO AMBIENTALE
DA FARMACI E IL DEPURATORE DI NOSEDO
Tab. 1 – Depuratore di Nosedo – Dati principali
Potenzialità Impianto: 1.250.000 abitanti equivalenti
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 m3/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
Portata in ingresso media giornaliera: 432.000 m3/giorno
Portata in ingresso in tempo secco: 5 m3/s
Portata in ingresso in tempo di pioggia: 15 m3/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)
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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 cari-
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co 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.
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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.
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