Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В отличие от других соединений, лекарственные препараты создаются для направленного воздействия на организм человека. Большинство из них обладает побочным токсическим действием, которое к тому же может увеличиваться по истечении срока годности. В связи с этим проблема уничтожения таких лекарств заслуживает особого внимания.

Фактическими методами утилизации лекарственных препаратов в настоящее время являются: захоронение на специально отведенных полигонах, сжигание на свалках или высокотемпературная обработка в инсинераторах с доступом или без доступа кислорода.

Как показывает международный опыт, захоронение лекарственных препаратов на специальных полигонах и обычных свалках опасно загрязнением почвы, воздуха и водоносных слоев. Неорганизованное открытое сжигание на свалках вместе с прочими отходами представляет особую опасность, поскольку в процессе сгорания помимо окиси углерода в воздух выбрасываются как токсичные соединения (сера, мышьяк, фосфор), так и канцерогенные, в числе которых полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), нитрополиарены, нитрозамины, полихлорированные бифенилы и другие бластомогены.

На мусоросжигательных заводах перерабатываются крупнотоннажные отходы фармацевтических производств и больших лечебных объединений, но это далеко не решает проблему. Дело в том, что основное количество неиспользованных препаратов накапливается в семьях, в небольших аптеках и местных больницах. В каждом отдельном случае их объемы невелики, но в сумме они составляют основную массу лекарств, загрязняющих биосферу, поскольку обычно выбрасываются с общим мусором или спускаются в канализацию.

Мировое сообщество давно обеспокоено этой проблемой, поскольку в питьевой воде некоторых регионов были обнаружены следы фенобарбитала и других лечебных препаратов, представляющих опасность. В связи с этим в ряде стран существует практика сбора у населения просроченных лекарств за небольшую плату, проводится разъяснительная работа, на этикетках и в листовках инструкций добавляются сведения, как обращаться с лекарством по истечении срока годности и т.д. [1, 2].

Одной из эффективных мер по предотвращению накопления и бесконтрольного выбрасывания просроченных лекарств в аптеках и небольших лечебных учреждениях явилось использование малотоннажных установок, в которых производится их высокотемпературная обработка с доступом или без доступа кислорода [3]. Такого рода устройства используются и в России для уничтожения медицинских отходов, относящихся по СанПиН 2.1.7.2790-10 к классу «Г», обращение с которыми регулируется соответствующим законодательством [4]. Экологическая оценка этих устройств включает среди прочих показателей атмосферный выброс канцерогенных соединений, образующихся при термической обработке отходов.

Данная работа посвящена исследованию потенциальной канцерогенной опасности дымовых выбросов двух специализированных инсинераторов ЭЧУТО-150-03 и ЧЖБ-1 при утилизации просроченных лекарственных препаратов, поскольку ранее этот аспект проблемы охраны биосферы в отношении малотоннажных устройств никем не изучался.

Материалы и методы исследования

Инсинератор ЧЖБ-1

Инсинератор ЧЖБ-1 представляет собой печь открытого типа, имеющую комплекс устройств для очистки дымовых выбросов (рис. 1).

Отходы подаются в камеру сжигания, где идет горение с доступом кислорода (температура в камере 800–1000 °С); затем дымовые газы попадают в камеру, где при температуре 1200–1500 °С происходит дожиг несгоревших частиц и образовавшихся при горении газов. Время нахождения выбросов в камере дожига – несколько секунд. Камера дожига печи запатентована и является главной частью печи ЧЖБ [5]. В теплообменнике температура отходящих газов снижается до 300 °С. Циклон и мокрый скруббер очищают выбросы от частиц золы. Пройдя через дымосос и дополнительный фильтр, улавливающий остатки твердых частиц, дымовые газы через трубу выбрасываются в атмосферу.

ЭЧУТО-150.03

Современное устройство для экологически безопасной термической переработки небольших количеств отходов (до 50 кг в час) (рис. 2). Основной технологический принцип работы – непрямое двухступенчатое сжигание, включающее предварительное термическое разложение (пиролиз) органической части исходного сырья, сжигание газообразных продуктов с использованием выделяющегося тепла на поддержание процесса и дожиг коксового остатка. Температура пиролиза в реакторе 650 °С, температура дожига отходящих газов 1300–1400 °С. Все покидающие устройство продукты проходят через огневую зону, что в сочетании с дополнительными очистными устройствами должно обеспечивать экологически чистое уничтожение отходов [6, 7].

Отбор проб и подготовка к физико-химическому анализу

На обеих установках сжигали по отдельности образцы просроченных лекарств трех типов; Антибиотики (ампициллина тригидрат – таблетки 250 мг); Противоопухолевые препараты (метотрексат таблетки 5 мг, уромитексан, 400 мг действующего вещества); Ферменты (панкреатин – таблетки 25 ед). Образцы сжигали вместе с упаковками (флаконы стеклянные и полипропиленовые, алюминий, коробки картонные), как это обычно делается на мусоросжигательных заводах. Отбор проб корпускулярной фракции дымовых выбросов из дымоходов ЧЖБ-1 и ЭЧУТО 150-03 производили на патрон с аэрозольным фильтром из ткани Петрянова АФА-ХА с использованием автоматического пробоотборника «ОП-442ТЦ».

В процессе сжигания проведено исследование содержания ПАУ в дымовых выбросах обеих установок, в воздухе рабочего помещения, а также в воздухе у основания трубы ЧЖБ-1. Отбор проводили на фильтры при скорости потока 10 л/мин. Для подготовки к спектральному и хроматографическому анализу на содержание ПАУ, а также для микробиологического метода исследования мутагенности, первичную экстракцию образцов проводили дихлорметаном. Качественный и количественный состав канцерогенных соединений в экстрактах определяли физико-химическими методами. Предварительно определяли содержание бенз(a)пирена (БП), как индикаторного вещества, характеризующего общий состав и концентрации остальных ПАУ. Для этого использовали стандартный метод, при котором экстракт, содержащий исследуемое соединение, разделяют с помощью тонкослойной хроматографии на окиси алюминия и выделяют фракцию, содержащую БП. Массовая концентрация бенз(а)пирена определяется путем измерения и последующего сравнения относительной интенсивности его аналитической линии в спектре люминесценции методом добавки при данной аналитической длине волны возбуждения люминесценции. Спектры люминесценции регистрируются фотоэлектрически при температуре жидкого азота (tкип = 77 °К) и возбуждении ультрафиолетовым излучением ртутно-кварцевой лампы [8]. Анализ ПАУ проводили на высокоэффективном жидкостном хроматографе YL9100 YPLC System с ультрафиолетовым детектором в градиентном режиме ацетонитрил:вода со скоростью потока 2 мл/мин. Для расчетов была проведена калибровка исследуемых соединений с использованием стандартной смеси веществ. Расчеты проводили с использованием программного обеспечения Clarity.

Определение мутагенности в бактериальном тесте Эймса

Потенциальную канцерогенность дымовых выбросов исследовали с помощью бактериального теста на мутагенную активность (тест Эймса – сальмонелла/микросомы), поскольку показателем потенциальной канцерогенности является способность соединения или смеси соединений вызывать мутации в наследственном аппарате клетки. Экстракты, которые использовались для физико-химического определения ПАУ, исследовали в соответствии с российским и международным стандартами [9–11]. Суть метода заключается в регистрации способности испытуемого соединения (смеси соединений в экстракте) и/или его метаболитов индуцировать генные мутации у индикаторных микроорганизмов в системе с метаболической активации in vitro. Были использованы индикаторные штаммы Salmonella typhimurium ТА100 и ТА98. Наличие мутагенного эффекта у исследуемых препаратов учитывали по индукции обратных мутаций от ауксотрофности по гистидину к прототрофности [12, 13]. Ввиду предполагаемого наличия в выбросах канцерогенов прямого и непрямого действия, была использована методика с активацией проканцерогенов микросомной фракцией клеток печени крысы (S9) и без активации смесью полихлорированных бифенилов [14].

Эксперимент сопровождали положительными контролями. В качестве позитивных контролей использовали вещества, индуцирующие мутации в клетках соответствующих штаммов-тестеров при наличии или отсутствии метаболической активации [15] Для вариантов без активирующей смеси нами был использован Азид натрия и 2,7-диамино-4,9диокси-5,10-диоксо-4,5,9,10-тетрагидро-4,9-диазапирен (ДДДТДП) активность фракции S9 контролировали мутагенами – БП и 2-ацетиламинофлуореном (ААФ) или аминофлуорен (АФ) для обоих штаммов – ТА98 и ТА100. В каждом контрольном и опытном варианте использовали по 3 чашки на дозу. Эксперимент повторяли дважды. Результаты учитывали при наличии мутагенного эффекта во всех вариантах позитивного контроля и нормальном фоновом уровне. Результаты экспериментов представлены в табл. 2–5. Во всех экспериментах статистическую обработку результатов проводили с использованием t-критерия Стьюдента для определения М ± m, где М – среднее значение, m – стандартное отклонение.

Результаты исследования и их обсуждение

Содержание канцерогенных ПАУ в экстрактах дымовых выбросов

В дымовых выбросах обеих установок определены 8 ПАУ (табл. 1). Содержание наиболее активного канцерогенного ПАУ бенз(а)пирена в дымовых выбросах ЧЖБ-1 и ЭЧУТО 150-03 на 2–3 порядка ниже, чем при неорганизованном открытом сжигании отходов, выполненном в предыдущих экспериментах. При этом содержание бенз(а)пирена в выбросах установки ЭЧУТО 150-03 было ниже в сравнении с выбросом ЧЖБ-1. В то же время по сравнению с ЭЧУТО 150-03, ЧЖБ-1 выбрасывал меньше слабых канцерогенов – бенз(а)антрацена и дибенз(a,h)антрацена, а также пирена, прекурсора канцерогенных нитропиренов.

Поскольку утилизация антибиотиков, противоопухолевых препаратов и ферментов производилась вместе с упаковками, мы не можем отнести различия в содержании канцерогенов в их дыме к самим препаратам и утверждать, как это видно из табл. 1, что при сгорании противоопухолевых антибиотиков образуется меньше канцерогенных углеводородов, чем при сжигании антибиотиков и ферментов. В то же время можем констатировать, что в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе непосредственно у основания дымовой трубы значения концентрации БП соответствовали ПДК воздуха рабочей зоны – 150 нг/м3 [17].

Результаты биологических экспериментов

В представленных табл. 2–5 даны результаты двух повторных опытов определения мутагенной активности экстракта корпускулярной фазы дымового выброса. В каждом представлен естественный фон мутагенеза, позитивные контроли с использованием стандартных мутагенов и результаты исследований в вариантах с микросомальной активирующей смесью (+S9) и без нее (–S9). Активность каждой дозы экстракта представлена в виде средних значений от подсчета числа колоний ревертантов в трех чашках. В фоновом варианте частота индуцируемых мутаций не превышала стандартный уровень, соответствующий генетическим особенностям штаммов ТА100 и ТА98, а варианты позитивного контроля показали хорошую активность фракции S9, при которой промутагены ААФ, АФ и БП индуцировали высокий уровень реверсий. Высокая специфичность ответа на действие прямых мутагенов была подтверждена испытаниями штамма ТА98 с ДДДТДП (индуктор мутаций сдвига рамки считывания) и штамма ТА100 с азидом натрия (индукция мутаций замены пар оснований). Из этих данных следует, что, система тестирования (тест Эймса) соответствует стандартным параметрам.

Табл. 2 содержит данные, полученные при определении мутагенности выброса ЭЧУТО 150-03на штамме Salmonella typhimurium TA100, чувствительном к мутагенам, индуцирующим мутации типа замены пар оснований, а табл. 3 такого же рода данные, полученные при анализе выброса ЧЖБ-1. Общим результатом для обоих инсинераторов была предельно низкая мутагенность экстрактов их дымового выброса.

При сжигании в установке ЭЧУТО 150-03 антибиотиков и ферментов слабая активность была отмечена на обоих штаммах только при использовании предельно высоких концентраций экстракта без активации смесью S9, что говорит о наличии в дымовых частицах небольшого количества мутагенов прямого действия (табл. 2, 4).

При сжигании в ЧЖБ-1 мутагенная активность дымовых выбросов не проявлялась на обоих штаммах ни с активацией S9, ни без нее (табл. 3, 5). На штамме ТА98 (табл. 5) небольшой мутагенный эффект в отсутствии S9 был зарегистрирован только в экстракте дыма от сжигания ферментов, что так же, как и при использовании установки ЭЧУТО 150-03, говорит о наличии в выбросе прямых мутагенов.

Таблица 2

Действие экстракта дымовых выбросов установки ЭЧУТО 150-03 на индикаторный штамм бактерий ТА100

Примечание. Результаты эксперимента № 1 даны в верхней строке прямым шрифтом, результаты повторного – курсивом в нижней строке.

Обозначения к табл. 2–5:

*л/чашка – доза на чашку в пересчете на 1 л выброса.

Mi/Mo – отношение числа ревертантов в опыте к числу ревертантов в контроле.

МА – мутагенная активность препарата.

«+» означает наличие, а « – » отсутствие мутагенной активности.

*н.р. – неразведенный экстракт, соответствует 1,18 литров дымового выброса на чашку.

Таблица 3

Действие экстракта дымовых выбросов ЧЖБ-1 на индикаторный штамм бактерий ТА100

Примечание. Результаты эксперимента № 1 даны в верхней строке прямым шрифтом, результаты повторного – курсивом в нижней строке.

Таблица 4

Действие экстракта дымовых выбросов установки ЭЧУТО 150-03 на индикаторный штамм бактерий ТА98

Примечание. Результаты эксперимента № 1 даны в верхней строке прямым шрифтом, результаты повторного – курсивом в нижней строке.

Таблица 5

Действие экстракта дымовых выбросов ЧЖБ-1 на индикаторный штамм бактерий ТА98

Примечание. Результаты эксперимента № 1 даны в верхней строке прямым шрифтом, результаты повторного – курсивом в нижней строке.

Ранее нами было показано, что реальная оценка генотоксической опасности продуктов термической переработки отходов возможна только при сочетании физико-химических и биологических методов. В частности, было найдено, что низкое содержание в выбросе отдельных канцерогенов не может служить показателем его мутагенной и канцерогенной безопасности, поскольку экстракты дыма, содержавшие бенз(а)пирен и бензфлуорантен в количестве на порядок ниже минимально мутагенного при изолированном применении, вызывали реверсии сальмонеллы в тесте Эймса. Кроме того, они разобщали межклеточные контакты в культуре клеток млекопитающих, что свидетельствовало о наличии в них промоторов, т.е. соединений, способных стимулировать независимый рост трансформированных клонов [18]. В связи с этим в данном исследовании физико-химические и биологические методы оценки потенциальной канцерогенности продуктов сжигания лекарств использовались параллельно.

Изучение канцерогенной безопасности работы установки ЭЧУТО 150-03 показало, что ее дымовой выброс при сжигании пластмассовых отходов биомедицинского назначения в беспиролизном режиме содержит в несколько раз меньшие концентрации канцерогенных углеводородов, чем при открытом сжигании, а включение пиролиза дополнительно уменьшает их еще на один-два порядка, приближая к ПДК в воздухе рабочей зоны. Соответственно уменьшалась и мутагенность экстрактов дыма [18]. В связи с этим мы использовали установку ЭЧУТО 150-03 в качестве контрольной для сравнения с ЧЖБ-1, ранее не изученной в этом плане.

Температуры термического разложения различных лекарственных препаратов при их переработке без упаковок исследовались рядом зарубежных авторов с использованием портативной установки (PGWTS – Pyrolysis–gasification waste treatment system), перерабатывающей за 3–4 часа путем пиролиза и газификации при температуре 550–700 °С до 16 кг медицинских отходов, в том числе лекарственных препаратов. Результаты их исследований приведены в табл. 6, из которой видно, что большинство исследованных лекарств разлагается в интервале 250–400 °С и только два из них – хлорамфеникол и сульфометаксазол – требуют более высокой температуры [3]. Авторы определяли остаток неизмененного препарата и его метаболиты, но ни в одном случае не поднимался вопрос о возможной мутагенности и канцерогенности атмосферного выброса. В установках ЧЖБ-1 и ЭЧУТО150-03 лекарства перерабатывались при значительно более высокой температуре при пиролизе, сжигании и дожигании, что должно было обеспечить полное их разложение.

Опыт небольших британских медицинских и фармацевтических учреждений, для которых компания PyropureLtd разработала портативную печь PGWTS, показал рентабельность использования подобных устройств не только с экологической, но и с экономической точек зрения. Затраты на приобретение PGWTS окупались примерно в течение года за счет 95 % экономии средств, связанных с транспортировкой и платой за утилизацию отходов на мусоросжигающих заводах [3].

Наше исследование продемонстрировало относительную канцерогенную безопасность сжигания трех категорий просроченных лекарств в малотоннажных инсинераторах ЭЧУТО 150-03 и ЧЖБ-1. Хотя антибиотики, ферменты и противоопухолевые препараты сжигались по отдельности, охарактеризовать их специфический вклад в образование бластомогенных продуктов не представляется возможным, поскольку они перерабатывались вместе с блистерными упаковками, которые помимо подложки из картона или алюминиевой фольги изготавливаются из формованного пластика различного происхождения: поливинилхлорида, полистирола, полипропилена, полиэтилена, полиэтилентерефталата, ацетата целлюлозы и других пластиков. Эти пластики, особенно поливинилхлорид, при сгорании могут давать генотоксические соединения [16, 19, 20]. Несмотря на это, содержание канцерогенных ПАУ в дымовых выбросах обеих установок было невелико. Расчет с использованием полученных данных позволит определить приемлемую границу санитарно-защитной зоны, за пределами которой количество вредных, в том числе канцерогенных, составляющих будет снижено до ПДК содержания бенз(а)пирена в атмосферном воздухе населенных мест, установленной Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ на уровне 1.10-6 мг/м3 [21].

Мутагенность экстрактов дымовых выбросов ЭЧУТО 150-03 была минимальной и определялась лишь в концентрированных экстрактах частиц. В выбросах ЧЖБ-1 мутагенная активность выбросов была аналогичной и тоже выявлялась в экспериментах без активации метаболизирующей фракцией S9. Это говорит о том, что мутации вызывали не ПАУ, превращающиеся в активные электрофилы (эпоксиды, диолэпоксиды, хиноны и др.) с помощью микросомной монооксигеназной фракции, а мутагены прямого действия, не определяемые использованными физико-химическими методами.

Поскольку количество канцерогенных соединений и уровень мутагенной активности выбросов от сжигания использованных групп препаратов вместе с упаковками не отличались от показателей, полученных ранее при переработке других биомедицинских отходов, можно считать, что собственный вклад лекарств в эти показатели потенциальной канцерогенности был незначительным.

Заключение

В целом уровень содержания канцерогенных ПАУ в выбросах ЭЧУТО 150-03 и ЧЖБ-1, а также генотоксичность выбросов снижены на порядки по сравнению с неорганизованным открытым сжиганием. Содержание бенз(а)пирена в воздухе рабочей зоны и в непосредственной близости к дымовой трубе соответствует ПДК, что позволяет рассчитать границы санитарно-защитной зоны. Полученные данные дают основание считать инсинераторы ЭЧУТО 150-03 и ЧЖБ-1 пригодными для уничтожения медицинских отходов типа «Г», аналогичных изученным в данном исследовании. Возможность использования данных установок для утилизации других типов лекарственных препаратов подлежит дальнейшему исследованию.