Mikropolutanty je možné opísať ako organické zlúčeniny, ktoré môžu už vo veľmi malých koncentráciách (mikro- až nanogramoch na liter) vykazovať nežiaduce účinky na celý náš ekosystém. Ich prítomnosť v rôznych zložkách životného prostredia sa stala celosvetovo významným environmentálnym problémom. Nové zistenia o negatívnom vplyve mikropolutantov na životné prostredie výrazne zvyšujú záujem a potrebu hľadať inovatívne metódy čistenia odpadových vôd.
Mikropolutanty sa často uvoľňujú do vodných tokov cez domáce a rôzne priemyselné odpadové vody. Typickým príkladom sú zvyšky liečiv, drog, umelých sladidiel, kontrastných látok, produktov osobnej starostlivosti či hormónov, ktoré sa počas bežných procesov čistenia odpadových vôd nepodarí úplne odstrániť, a tak sa hromadia v životnom prostredí. Je vedecky preukázané, že zlúčeniny, akými sú antibiotiká či psychoaktívne liečivá, môžu v malých koncentráciách negatívne ovplyvňovať najmä vodné organizmy, narúšať ich fyziologické procesy, zhoršovať reprodukčné schopnosti, ovplyvňovať rast a celkové zdravie a potenciálne viesť k poklesu ich populácií.
Antimikrobiálna rezistencia
Dlhodobé pôsobenie najmä antibiotík v životnom prostredí prispieva k vzniku antimikrobiálnej rezistencie a predstavuje tak závažnú globálnu hrozbu pre zdravie, pričom každoročne prispieva k miliónom úmrtí. Zistenia WHO z roku 2019 uvádzajú, že antimikrobiálna rezistencia bola priamo zodpovedná za 1,27 milióna úmrtí, pričom celkovo bolo s liekovo rezistentnými infekciami spojených 4,95 milióna úmrtí. To znamená, že v mnohých prípadoch antimikrobiálna rezistencia zhoršila výsledky liečby, aj keď nebola priamou príčinou smrti. Tieto čísla vyvolali celosvetové obavy, pretože baktérie, huby a parazity sa stávajú čoraz odolnejšími proti dostupným liekom. Svetová zdravotnícka organizácia (pozri Nature 1/2022) označila antimikrobiálnu rezistenciu za jednu z najväčších svetových hrozieb pre verejné zdravie popri nádorových ochoreniach a v roku 2019 bola zodpovedná za viac úmrtí ako HIV/AIDS alebo malária.
Podľa Európskej environmentálnej agentúry (EEA) je na Slovensku až 93 % odpadových vôd čistených v súlade s legislatívou Európskej únie. Napriek tomu však čistenie odpadových vôd často nedokáže úplne odstrániť všetky farmaceutické látky, ktoré sa následne dostávajú do vodných ekosystémov. Aj preto tieto nové zistenia o negatívnom vplyve mikropolutantov na životné prostredie výrazne zvyšujú záujem a potrebu inovatívnych metód čistenia odpadových vôd.
Nové právne predpisy
Na základe akútnosti riešiť tento problém schválilo plénum Európskeho parlamentu v tomto roku revíziu smernice Rady 91/271/ EHS o čistení mestských odpadových vôd, známu ako Smernica o čistení mestských odpadových vôd. Tá obsahuje ciele pre pokročilé tzv. kvartérne čistenie zamerané na znižovanie šírenia nových znečisťujúcich látok, ktorých prítomnosť v povrchových vodách neustále rastie a predstavuje hrozbu pre ľudské zdravie a biodiverzitu vodných ekosystémov. Nová smernica nadobudne účinnosť po zverejnení a členské štáty budú mať 30 mesiacov na jej implementáciu do národnej legislatívy.
Smernica zavádza okrem iného aj novú požiadavku na kvartérne čistenie vo veľkých čistiarňach odpadových vôd (ČOV) obsluhujúcich aglomerácie nad 10 000 obyvateľov s cieľom znížiť obsah mikropolutantov vrátane liečiv, produktov osobnej starostlivosti a mikroplastov. Účinnosť odstránenia pre konkrétne mikropolutanty, najmä liečivá, musí byť minimálne 80 % a do konca roku 2045 musia všetky aglomerácie nad 10 000 obyvateľov splniť tieto požiadavky.
Vývoj analytických metód
Implementácia nových právnych predpisov tak otvára nové možnosti pre výskum a inovácie v oblasti pokročilého čistenia, resp. dočisťovania odpadových vôd, ktoré doteraz nebolo preferované. Súčasné právne predpisy z roku 1991 totiž vôbec nereflektovali zvýšené množstvo mikropolutantov vo vode a čistiarne odpadových vôd tak do prostredia vypúšťajú rôzne skupiny a množstvá mikropolutantov v malých koncentráciách (jednotky až tisícky ng/l).
Zároveň sa otvára priestor pre vývoj rýchlych a spoľahlivých analytických metód na identifikáciu a stanovenie známych aj neznámych zlúčenín, ktoré môžu negatívne vplývať na ekosystém. Napríklad podľa nedávno publikovanej štúdie analýza odtoku z ČOV s napojenou populáciou do 30 000 obyvateľov zistila prítomnosť zlúčenín s preukázanými nežiaducimi účinkami ako klaritromycín (antibiotikum), diklofenak (protizápalové liečivo) či metoprolol (betablokátor). Analýza pritom potvrdila prítomnosť aj iných liečiv a drog, ktoré sa vypúšťajú do povrchových vôd. Podobné výsledky sa ukazujú pri väčšine ČOV nielen na Slovensku, ale aj v EÚ či po celom svete.
Sorpcia a degradácia
Oddelenie environmentálneho inžinierstva na Fakulte chemickej a potravinárskej technológie Slovenskej technickej univerzity (FCHPT STU) už viac ako 10 rokov skúma nové technológie, ktoré dokážu vyčistiť odpadovú vodu od mikropolutantov a mikroplastov a začleniť tak pokročilé, resp. kvartérne čistenie do nových štandardov kladených na ČOV. Tím odborníkov pod vedením prof. Tomáša Mackuľaka (Ing. Alexandra Paulína Drdanová, Ing. Alexandra Tulipánová, Ing. Jozef Ryba, PhD., a Ing. Zuzana Imreová, PhD.) sa intenzívne zaoberá vývojom pokročilých nanomateriálov a nanovláken, ktoré môžu v dohľadnej budúcnosti tvoriť základ kvartérneho čistenia odpadových vôd.
Princíp fungovania týchto nanomateriálov spočíva v dvoch úplne rozdielnych procesoch, ktoré môžu prebiehať oddelene alebo kombinovane. Prvým je sorpcia, teda využitie extrémne veľkého aktívneho povrchu nanomateriálov: napr. 1 g nanomateriálu môže mať aktívny povrch s veľkosťou stovky až tisícky štvorcových metrov. Ak je navyše ešte povrch vhodne chemický upravený, môže aktívne sorbovať, čiže zachytávať rôzne molekuly, a teda aj mikropolutanty.
Druhým javom je degradácia teda rozklad mikropolutantov a ich rozpad na menšie fragmenty, ktoré už nemusia byť škodlivé pre ekosystém. V praxi však môžu často produkty rozkladu mikropolutantov vykazovať toxicitu, a preto sú ich rozkladné schémy predmetom intenzívneho výskumu. Úspešný rozklad mikropolutantov pomocou nanomateriálov je možné dosiahnuť napríklad procesmi známymi pod všeobecným označením pokročilé oxidačné procesy (AOP, z angl. advanced oxidation processes).
Pokročilé oxidačné procesy
Ide o termín používaný pre súbor chemických postupov určených na odstránenie organických a anorganických kontaminantov z vody. Tieto procesy sa vyznačujú tvorbou vysoko reaktívnych látok, najmä hydroxylových radikálov (·OH). Tie majú silný oxidačný potenciál a reagujú so znečisťujúcimi mikropolutantmi, rýchlo ich rozkladajú na jednoduchšie zlúčeniny. Často tieto postupy vedú k ich úplnej mineralizácii na vodu, oxid uhličitý a soli.
Medzi AOP môžu byť zaradené postupy ako úpravy vody s využitím ozónu, resp. ozónu kombinovaného s peroxidom vodíka (ozón reaguje s peroxidom vodíka za vzniku opäť aj hydroxylových radikálov), UV žiarenia kombinovaného s peroxidom vodíka, tzv. Fentonovým činidlom (železo katalyzuje tvorbu hydroxylových radikálov z peroxidu vodíka) alebo fotokatalýzy či elektrochemickej oxidácie s využitím rôznych typov elektród. Práve posledné dva prístupy najväčšmi využívajú rôzne nanomateriály a ich modifikácie. Samotný nanomateriál sa pri fotokatalýze nespotrebúva, poskytuje len potrebné elektróny a diery pre reakciu, pri ktorej sa priamo z vody tvoria hydroxylové radikály.
doc. RNDr. Tomáš Homola, PhD.
oddelenie environmentálneho inžinierstva
Fakulta chemickej a potravinárskej technológie
Slovenská technická univerzita v Bratislave
