Relatório antibióticosdefault

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas Geoquímica Aplicada 14/15

Elaborado por: Zacarias Oliveira 31719 Engenharia Geológica

Universidade de Aveiro

1|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

Resumo Os antibióticos existem desde a década 20 do século passado e desde dessa altura, a sua produção e consumo têm vindo a democratizar-se e a aumentar consideravelmente no mundo. Estes têm vindo a ser motivo de preocupação devido às quantidades totais que são usadas, quer a nível terapêutico como a nível sub-terapêutico, como por exemplo no suplemento de alimentação para promoção do crescimento de animais.

O aparecimento de bactérias resistentes tem vindo a chamar atenção para a consequência do uso persistente de antibióticos assim como o seu uso continuado e de forma excessiva. Este assunto tem gerado uma grande preocupação relativamente ao possível impacto que estas quantidades de antibióticos têm nos ecossistemas assim como na cadeia alimentar, visto que muito pouco se sabe sobre o assunto.

Este trabalho pretende identificar os diferentes antibióticos e as suas aplicações, assim como a analisar as fontes de contaminação e implicações futuras do crescimento de certos sectores na economia. A parte final deste trabalho vai focar-se no impacto que diferentes antibióticos tem no ambiente e possíveis métodos de remediação dessas contaminações.

Palavras-chave: Antibióticos, poluição, qualidade da água, micro-poluidores emergentes

Abstract Antibiotics exist since the 20s of the last century, and since then their production and consumption have become democratised and increased considerably in the world. They have been a cause of concern due to the total quantities that are used every year, either in therapeutical level or subtherapeutical levels, as an animal feed to promote growth in animals.

The emergence of resistant bacterias, has been showing that the persistent, and sometimes the excessive use of antibiotics is not without problems. This subject has been generating great concern in the possible impact that this quantities of antibiotics have in the ecosystems and in the food chain, due to the fact that little is known about this.

This report’s goal is to identify the different antibiotics and its uses, as well as the analysis of different contamination sources and implications that the future growth of certain sectors in the economy will generate. The final part of the report will focus on the impact that the different antibiotics have in the environment and the possible methods to remediate this contaminations.

Keywords: Antibiotics, pollution, water quality, emergent micro-pollutants

2|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

Índice Resumo ...................................................................................................................................... 2 Abstract ...................................................................................................................................... 2 Indice de Figuras ........................................................................................................................ 4 1.

Introdução .......................................................................................................................... 5

2.Tipos de Antibióticos............................................................................................................... 6 3.Usos dos Antibióticos .............................................................................................................. 7 3.1 Uso em Medicina.............................................................................................................. 8 3.2 Uso em Pecuária............................................................................................................... 9 3.3 Uso em Aquacultura ....................................................................................................... 10 3.4 Uso em Botânica ............................................................................................................ 10 4.Meios de dispersão ............................................................................................................... 12 4.1 Estabilidade dos Antibióticos ......................................................................................... 13 pH...................................................................................................................................... 13 Hidrólise ............................................................................................................................ 13 Temperatura ..................................................................................................................... 13 Fotólise ............................................................................................................................. 14 Tempo de Meia Vida......................................................................................................... 14 4.2 Mobilidade ..................................................................................................................... 15 5. Impacto dos Antibióticos ..................................................................................................... 16 5.1 Ecotoxicidade directa ..................................................................................................... 16 Fitotoxicidade ................................................................................................................... 16 5.2 Ecotoxicidade indirecta .................................................................................................. 18 Ciclo de Nutrientes ........................................................................................................... 18 Cadeia Alimentar .............................................................................................................. 18 Fitoplâncton ...................................................................................................................... 18 Resistência a antibióticos ................................................................................................. 18 6. Remediação.......................................................................................................................... 19 Fitoremediação ................................................................................................................. 19 Controlo ............................................................................................................................ 19 7. Conclusões ........................................................................................................................... 20

3|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

Indice de Figuras Figura 1 - Exemplos de Antibióticos das diferentes classes ...................................................... 6 Figura 2 - Sistema de funcionamento das diferentes classes de antibióticos ........................... 6 Figura 3 - Uso de antibióticos na UE (Krümmerer, 2001) e nos EUA (Mellon et al., 2001) ....... 7 Figura 4 - Uso sistémico de Antibióticos na UE na sociedade em 2010 (ECDC 2012) ............... 8 Figura 5 - Taxa de excreção Humana de Antibióticos (Adaptado de Kumar et al.l 2009) ......... 8 Figura 6 - Taxa de excreção em animais de Antibióticos ........................................................... 9 Figura 7 - Concentrações encontradas em diferentes estrumes (adaptado de K.Kumar et al., 2009) .......................................................................................................................................... 9 Figura 8 - Taxa de Metabolismo dos antibióticos administrados ............................................ 10 Figura 9 - Utilização de Antibióticos em medicina, veterinária e botânica ............................. 11 Figura 10 - Meios de Dispersão de Antibióticos (Adaptado de Hirsch et al, 1999) ................. 12 Figura 11 - Estabilidade dos diferentes grupos de antibióticos em meios alcalinos e ácidos . 13 Figura 12 – Taxa de Biodegradação a diferentes temperaturas.............................................. 13 Figura 13 – Rácios de Meia-vida de Antibióticos com fotossensibilizadores .......................... 14 Figura 14 - Tempo de meia vida da Oxitetraciclina ................................................................. 14 Figura 15 - Valores de Kd para diferentes antibióticos (adaptado de Tolls, 2001) ................. 15 Figura 16 - NOEC valores.......................................................................................................... 16 Figura 17 - Figura com os dados de fitotoxicidade dos antibióticos ....................................... 16 Figura 18 - Fitotoxicidade de plantas ....................................................................................... 17 Figura 19 - Fitoremediação em Plantas ................................................................................... 19

4|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

1. Introdução Em 1928, Alexander Fleming, descobriu a penicilina, um dos fármacos de maior impacto do século 20. No final da década de 30, os antibióticos são produzidos em grande escala por Chain & Florey. O grande teste foi a sua aplicação extensiva durante a segunda guerra mundial, com sucesso. Desde dessa altura, diferentes antibióticos têm sido isolados e produzidos em grande escala, tornando-se agora indispensáveis ao combate de infeções bacterianas, tendo sido identificados como um dos responsáveis pelo aumento da esperança média de vida. O aparecimento de novos antibióticos no mercado foi exponencial no século passado.

Os antibióticos são usados em medicina e veterinária, para o tratamento de infeções, mas são também extensivamente utilizados em suplementos para ajuda de crescimento animal em pecuárias e aquacultura, tendo este uso sub-terapêutico ultrapassado mesmo o consumo para meios terapêuticos, como acontece nos EUA. Em 2008, a aquacultura já contava com 50% da cota de mercado de produção de peixe no mundo, onde a china é responsável por cerca de 70% da produção em aquacultura e o resto da região Asia-Pacifico 22%.

O sector da pecuária representa 40% do PIB gerado na agricultura, e emprega 1.3 mil milhões de pessoas pelo mundo, produzindo um terço de todas as proteínas que os humanos ingerem. O crescimento de poder de compra em países emergentes e a mudança de hábitos alimentares está a gerar uma grande pressão neste sector continuar a produzir ainda mais. É esperado que a produção de carne aumente para o dobro em 2050 relativamente a 1999, aumentado para 465 milhões de toneladas.

Os Antibióticos são usados como suplemento alimentar no crescimento de animais.

Nos EUA e Reino Unido desde 1950 que são usados como tal. No entanto, o que torna este consumo mais preocupante, é o facto de os antibióticos não serem completamente metabolizados pelos animais ou mesmo por humanos, chegando em certos casos a que a taxa de absorção do princípio activo dos antibióticos seja apenas de 10% do total, sendo o resto excretado. Estes resíduos podem ser utilizados como estrume ou então, despejados em estações de tratamento de águas, ou simplesmente em cursos de água.

Nos últimos anos, cada vez mais tem sido noticiadas o aparecimento de bactérias resistentes ou multirresistentes a antibióticos, pressupõe-se que é devido ao aumento da quantidade de antibióticos que se encontram no ambiente. Estas quantidades, levam a que as bactérias, por pressão selectiva adquiriram resistência a antibióticos e por mecanismos biológicos essa resistência vai sendo passada a outros indivíduos.

Conjugando o que pouco se sabe sobre o impacto a longo ou curto prazo que estas quantidades de antibióticos produzem nos ecossistemas naturais e a falta de regulação ou monotorização regular torna este caso bastante problemático.

A sociedade-civil em geral não vê os antibióticos como uma fonte de poluição e há uma forte pressão e lobbying em alguns países para os antibióticos continuarem sem regulação.

5|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

2.Tipos de Antibióticos Os Antibióticos são substâncias químicas que em traços gerais mata ou inibe o crescimento de certos microrganismos, normalmente bactérias, sendo designados por bacteriostáticos quando inibem o crescimento e bactericida quando mata as bactérias. Desde a descoberta da penicilina, houve o desenvolvimento exponencial de novos antibióticos. A figura 1 apresenta quatro classes importantes de antibióticos e exemplos de antibióticos mais comuns em cada uma das classes.

Classes de Antibióticos Tetraciclinas

Macrílidos

B - Lactâmicos

Aminoglicosídeos

Clorotetraciclina

Tilosin

Penicilina

Estreptomicina

Oxitetraciclina

Eritromicina

Amoxicilina

Gentamicina Neomicina

Figura 1 - Exemplos de Antibióticos das diferentes classes

Os antibióticos são divididos por classes em relação à sua estrutura química, no entanto cada uma das classes interage de maneira diferente com os microrganismos. Na figura 2 pode-se encontrar os mecanismos de acção que as principais classes de antibióticos utilizam, nomeadamente a inibição de certas estruturas dos microrganismos.

Inibição da síntese de: Parede celular

Proteínas

Ácido fólico

B - Lactâmicos

Tetraciclinas

Sulfonamidas

Glicopeptídeos

Macrólidos Aminoglicosídeos Figura 2 - Sistema de funcionamento das diferentes classes de antibióticos

Existem cerca de 18 classes de antibióticos no mercado e em cada uma dessas classes vários antibióticos. É estimado no entanto que estes representem apenas 1% de todos os antibióticos conhecidos, sendo que os outros não têm aplicações comerciais. Em 2013, a Sociedade Americana da Doenças Infecciosas, alertou para o facto do surgimento de bactérias resistentes não estar a ser acompanhado pelo desenvolvimento de antibióticos mais potentes, nos EUA desde 2009 apenas 2 antibióticos foram aprovados. O custo total de desenvolvimento de um antibiótico é cerca de 1000 milhões de euros.

6|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

3.Usos dos Antibióticos Os antibióticos são usados extensivamente na sociedade moderna e com tendência a aumentar. Entre 2000 e 2010 o consumo de antibióticos aumentou 36% em humanos, em que 76% desse crescimento veio dos países BRIC. Os antibióticos são usados como; Metafilácticos ou terapêuticos, quando têm como objectivo a aplicação medicinal em animais doentes, podendo também actuar no grupo de animais para prevenção da propagação da doença.

Profiláticos ou sub-terapêutico, quando têm como objectivo a prevenção de infeções, ajudando ao crescimento dos animais ou ainda combatendo as condições de higiene deficientes.

A figura 3 apresenta os dados relativamente ao uso de antibióticos nos EUA e na UE, em humanos e em animais em 2001 EUA

UE

Humanos - Terapêutico

1361

5000

Cremes, sabões, desinfectantes

680

Não disponível

Total em Humanos

2041

5000

Animais - Não terapêutico

12.471

3500

Animais - terapêutico

907

1500

Total em Animais

13.378

5000

Figura 3 - Uso de antibióticos na UE (Krümmerer, 2001) e nos EUA (Mellon et al., 2001)

No entanto, estes valores podem pecar por defeito. Um estudo do mesmo ano refere uma estimativa de uso de antibióticos sub-terapêuticos em animais nos EUA, na ordem dos 24600 milhões de libras, duplicando o valor estimado na figura 3.

Na União Europeia, em 2006, o consumo de antibióticos como suplemento de alimentação para animais foi banido, sendo que já haviam sido banidos anteriormente neste sector todos os antibióticos usados em medicina humana. Apesar do seu uso ter vindo a diminuir, continuam ainda a ser usados em alguns países.

O uso indevido de antibióticos tem merecido uma grande atenção por parte das autoridades, tentando sensibilizar cada vez mais a sociedade civil para o uso consciente de antibióticos. Na UE foi criado o Dia Europeu dos Antibióticos (dia 18 de Novembro), onde existem campanhas de alerta para o perigo do uso indevido de antibióticos e a forma como deve ser usado.

Um dos grandes problemas associados com o uso de antibióticos é o facto de estes não serem totalmente metabolizados pelos organismos dos animais, sendo excretados e acabando assim em ETARs, água subterrânea ou em estrume, que é posteriormente aplicado nos campos, contaminando solos, águas superficiais e subterrâneas.

7|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

3.1 Uso em Medicina A utilização inicial dos antibióticos foi na medicina como um agente terapêutico. Este tem sido usado em grande escala desde a Segunda Guerra Mundial e está previsto que deva aumentar consideravelmente nas próximas décadas. Na figura 4 apresenta-se um estudo sobre o uso sistémico de antibióticos no sector hospitalar público nos países da UE/EEA, publicado em 2010 pelo Centro Europeu de prevenção e controlo de doenças (ECDC). Os números são apresentados em DDD (Dose Diária Recomendada) por 1000 Habitantes. E aqui é apresentado o uso sistémico de antibióticos na sociedade em geral;

Figura 4 - Uso sistémico de Antibióticos na UE na sociedade em 2010 (ECDC 2012)

O aumento do uso de antibióticos assim como o seu uso indevido é preocupante. Este é agravado com o facto já que a taxa de metabolização dos antibióticos em Humanos e animais em geral é muito baixa. Na figura 5 pode-se verificar que a taxa de excreção é bastante elevada face à dose total inicial ingerida.

Taxa de Excreção de Antibióticos em Humanos Antibiótico

Dose diária (mg)

% excrecção da dose

Amoxicilina

750 - 2250

80 - 90%

Penicilina G

240 - 720

50 - 70%

Sulfametoxazole

400 - 1600

~15%

Eritromicina

200 - 1000

> 60%

Clorotetraciclina

Clorotetraciclina

80 - 90%

Oxitetraciclina

Oxitetraciclina

> 80%

Figura 5 - Taxa de excreção Humana de Antibióticos (Adaptado de Kumar et al.l 2009)

8|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

3.2 Uso em Pecuária Em pecuária, para além do uso medicinal de antibióticos normais, os profilácticos neste sector têm como objectivos;    

Aumentar a quantidade de nutrientes que os animais conseguem absorver (fazendo com que os animais cheguem ao mercado mais cedo); Ajuda a minimizar os efeitos de cultura intensiva; Ajuda a minimizar as pobres condições de higiene; Minimiza as infeções e reduz o crescimento de micróbios.

Tal como se verifica em humanos, a taxa de metabolização destes compostos é bastante baix.

A figura 6 mostra a percentagem de excreção da dose ingerida inicial.

Figura 6 - Taxa de excreção de Antibióticos em animais

Taxa de Excreção de Antibióticos em Animais Antibiótico

% excrecção da dose

Tetraciclina

80%

Clorotetraciclina

75%

Tilosina

50 - 90%

Lincomicina

60%

(Adaptado de Kumar et al.l 2009)

Este facto é de grande relevância já que a maior parte dos dejectos de animais são usados como estrume para adubar as terras. A figura 7 mostra uma compilação de dados de vários estudos realizados em vários países onde se analisou a concentração dos compostos.

Um dado interessante é a diferença na concentração no estrume de mães porcas e o estrume das suas crias, podendo ser um indicador de bioacumulação de antibióticos. A diferença que se observa entre estrume fresco e envelhecido, será provavelmente justificado pela degradação da clorotetraciclina.

Concentrações em estrumes Antibióticos

Concentrações (mg/L)

Clorotetraciclina

3,5 - 5,2

Tilosina

3,3 - 7,9

Tetraciclina

5 - 24

Alemanha, 2002

Tetraciclina

0,04 - 0,07

Dinamarca, 2003

Gado - Fresco

Clorotetraciclina

14,0

Gado -envelhecido

Clorotetraciclina

0,34

Mães Porcas

Sulfametazina

3,3 - 8.7

Porcos de engorda

Sulfametazina

0,13 - 0,23

Tipo de Estrume Suíno

Suíno

Países e ano EUA, 2004

EUA, 1971

Suíça, 2002

Figura 7 - Concentrações encontradas em diferentes estrumes (adaptado de K.Kumar et al., 2009)

9|Página

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas O aumento da população mundial, com o aumento da qualidade de vida nos países subdesenvolvidos e a sua mudança de hábitos alimentares (consumindo maior quantidade de proteínas) vai gerar uma maior pressão neste ramo para uma maior produção. Os antibióticos com o seu uso sub-terapêutico são uma grande ajuda para o aumento da produção mantendo as mesmas condições, gerando mais lucro

3.3 Uso em Aquacultura Em aquacultura, os antibióticos são usados como metafilácticos e profilácticos para prevenção de doenças ou infeções. Estes são administrados por via oral, sob forma de rações ou então com terapia de imersão.

A administração por via oral tem um problema associado, como os peixes doentes têm falta de apetite, a concentração é calculada com base nesse facto, fazendo com que os peixes doentes adquiram uma concentração ideal dos princípios activos. No entanto, os peixes saudáveis ficam com excesso da concentração. Na terapia de imersão em ambientes marinhos, devido à salinidade do meio, as concentrações de antibióticos têm de ser mais elevadas.

Para além disso, é estimado que 75% dos antibióticos são excretados pelos peixes para o ecossistema em redor. Nos EUA e na Europa, o uso de antibióticos em aquacultura é bastante restrito, no entanto estes representam apenas 3.5% e 1,3% respectivamente da produção total mundial, estando a quase totalidade concentrada na região da Ásia-Pacífico, representando 92% da produção.

Figura 8 - Taxa de Metabolismo dos antibióticos administrados

Taxa de Metabolização em Aquacultura Classe de Antibiótico

Taxa de Metabolização

Macrólidos

Baixa < 20%

Aminoglicosídeos

Baixa a elevada

Lincosamidas

Moderada 20 80% Moderada a elevada Elevada > 80%

Tetraciclinas

Flouroquinolonas Sulfonamidas

Baixa < 20%

O sudoeste asiático é o maior consumidor de peixe e o seu maior produtor. No entanto comos recursos piscícolas têm uma tendência de diminuição no Pacífico e Índico, haverá uma maior pressão em aumentar a produção no sector da aquacultura, aumentando por isso o foco de poluição naquele oceano.

3.4 Uso em Botânica Há muitas culturas e plantas ornamentais que são afectadas por doenças de base bacteriológica, que são complicadas de controlar e que podem representar grandes prejuízos para os agricultores. Em regiões do mundo com monoculturas, este pode ser um grande problema. Nos EUA apenas dois antibióticos estão aprovados pelas autoridades; Oxitetraciclina e Esteptomicina. Este último é tóxico para peixes e muito tóxico para algas.

Por outro lado em outras regiões é permitido outros antibióticos.

Outro problema relacionado com as plantas é o facto de serem usadas plantas transgénicas para o fabrico de antibióticos mais baratos. Estas plantas têm uma concentração mais elevada do que o normal. Estas podem ser foco de contaminação, quando são usadas para adubo, assim como a sua exsudação para o solo e água superficiais.

10 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas Na figura 9 estão sumarizados diferentes antibióticos tipicamente usados em pecuária, aquacultura, plantas e humanos. A linha a verde marca a separação dos antibióticos também usados em humanos, e os sublinhados a azul são os antibióticos também usados de modo sub-terapêutico como suplemento alimentar àqueles animais.

Humanos

Gado

Suínos

Aviário

Amoxicilina

Amoxicilina

Amoxicilina

Gentamicina

Gentamicina

Gentamicina

Gentamicina

Penicilina

Penicilina

Penicilina

Penicilina

Oxitetraciclina

Oxitetraciclina

Eritromicina

Eritromicina

Eritromicina

Clorotetraciclina

Clorotetraciclina

Clorotetraciclina

Espectnomicina

Espectnomicina

Peixes

Ovelhas

Plantas

Amoxicilina Gentamicina Penicilina Oxitetraciclina

Oxitetraciclina

Eritromicina

Eritromicina

Eritromicina

Clorotetraciclina

Clorotetraciclina

Clorotetraciclina

Espectnomicina

Espectnomicina

Oxitetraciclina

Espectnomicina Antibióticos usados em Humanos Antibióticos não usados em Humanos

Tilosin

Tilosin

Tilosin Sulfonamidas

Sulfonamidas Bacitracina

Bacitracina

Neomicina

Bacitracina Neomicina

Neomicina

Legenda: Antibióticos usados para fins terapêuticos Antibióticos usados para fins terapêutico e também como suplemento alimentar (dados conhecidos)

11 | P á g i n a

Figura 9 - Utilização de Antibióticos em medicina, veterinária e botânica (adaptado de K.Kumar et al 2005 ; S. Gastalho 2014

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

4.Meios de dispersão A dispersão dos antibióticos está intimamente ligada aos diferentes focos de contaminação, já descrito no capítulo anterior. Como referido anteriormente ss antibióticos tem uma taxa de metabolização relativamente baixa, em geral.

Em pecuária e aquacultura a maior parte dos antibióticos acabam por ser excretados pelos animais, acabando no esgoto, ou sendo usados como estrume e posteriormente aplicado no solo. O estrume normalmente é armazenado e durante esse processo pode ocorrer lixiviação em águas superficiais e infiltração em águas subterrâneas.

Em aquacultura, normalmente acabam por ser depositados nos sedimentos ou em suspensão na água superficial.

Outro foco é de origem antropogénica, por excreção dos pacientes que tomam os antibióticos ou por resíduos de instalações hospitalares quer por meio de esgoto ou de lixiviação de aterros/lixeiras onde os resíduos foram depositados.

Os antibióticos sofrem uma dispersão química, quando por exemplo há o transporte químico em solução nas aquaculturas e os resíduos dos antibióticos aí acabam em águas superficiais em solução, acabando por parar nos sedimentos.

Estes compostos sofrem também uma dispersão mecânica, quando por exemplo há a aplicação de estrume contaminado num solo.

Os principais meios de dispersão de antibióticos estão descritos na figura 10;

Pecuária

Humanos

Resíduos de produção

Aquacultura

Excreção Adubo

Esgoto ETAR

Aterro Sedimentos

Solo Águas Subterrâneas

Águas Superficiais

Águas para consumo humano Figura 10 - Meios de Dispersão de Antibióticos (Adaptado de Hirsch et al, 1999)

12 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

4.1 Estabilidade dos Antibióticos A estabilidade dos antibióticos está ligado a vários factores, tais como; (a) o tipo do solo, (b) temperatura, (c) quantidade de matéria orgânica, (d) pH, (e) a composição e estrutura química dos antibióticos, (f) solubilidade ou (g) fotossensibilidade. Tendo em conta estes factores e o facto de cada antibiótico reagir de maneira diferente, a análise de todo o universo de antibióticos é extremamente complicada de se fazer sem um esforço conjunto da comunidade científica.

pH A figura 11 representa a estabilidade de classes de antibióticos em diferentes pHs e respectivas sensibilidades. (descrever) Estabilidade de Antibióticos em função do pH Grupo

em Bases

em Ácidos

Notas

Tetraciclinas

Fotodegrádaveis

Macrólidos

-

B-Lactâmicos

-

Aminoglicosídeos

Bastante solúveis, Fotodegrádaveis

Fluoroquinoles

Bastante estáveis, Fotodegrádaveis

Sulfonamidas

Formam sais

Figura 11 - Estabilidade dos diferentes grupos de antibióticos em meios alcalinos e ácidos

Hidrólise Como os antibióticos são normalmente produzidos para ingestão oral muitos deles são resistentes à hidrólise. Por sua vez essa resistência diminui com a diminuição do pH no meio.

Temperatura A Figura 12 apresenta a taxa de biodegradação a diferentes temperaturas.

Vários estudos comprovam que a diminuição da temperatura aumenta a persistência dos antibióticos no meio, tornado a aplicação de estrumes no outono / inverno problemática em zonas de temperaturas baixas

% Biodegradação de Antibióticos em 30 dias Antibiótico

30 ºC

20 ºC

4ºC

Clorotetraciclin a Tilosina

56 %

12 %

0%

100 %

100 %

60 %

Eritromicina

100 %

75 %

3%

Figura 12 – Taxa de Biodegradação a diferentes temperaturas (Adaptado de K. Kumar et al., 2009)

13 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

Fotólise A fotólise é o mecanismo principal de degradação de antibióticos em águas superficiais. Os antibióticos são vulneráveis à incidência de raios UV, sendo tanto maior a fotólise primária quanto a exposição de raios UV. Existe também um mecanismo secundário de fotólise, associado à presença de nitratos e ácido húmico. A vulnerabilidade à fotólise aumenta, sendo que a presença destes compostos nos rios pode aumentar a degradação dos antibióticos em rios.

Na figura 13, pode-se verificar que em presença de nitratos, os tempos de meia vida dos antibióticos diminui, exepto para o Propanolol. Por outro lado, em a presença de ácido húmico, a fotólise é desacelerada no Carbamazepina e Diclofenac.

Rácio de Meia-Vida de Antibióticos na presença de fotossensibilizadores

Antibiótico

Nitratos (10mg/L)

Ácido Húmico (10mg/L)

Diclofenac

0.62

2.23

Sulfametoxazole

0.24

0.33

Propanolol

1.02

0.75

Carbamazepina

0.43

4.22

Figura 13 – Rácios de Meia-vida de Antibióticos com fotossensibilizadores (Adaptado de Andreozzi et al.,2003)

Tempo de Meia Vida Os tempos de meia vida dos antibióticos foram analisados, e embora, haja valores muito distintos, há uma tendência entre eles, que se verifica com o caso da Oxitetraciclina, e em condições redutoras o antibiótico é estável. Na figura 14 apresentam-se os dados de um estudo relativamente ao tempo de meia vida da Oxitetraciclina em diferentes ambientes.

Com o aumento da profundidade, o tempo de meia-vida aumenta substancialmente (no caso dos sedimentos marinhos superficiais e os correspondentes de 5-7cm de espessura, o tempo de meia vida, duplica.)

Estes dados demonstram que a meia-vida dos antibióticos, em geral aumenta com baixas temperaturas e no escuro, por isso, os antibióticos devem permanecer mais tempo nas camadas profundas de solo e de água.

Figura 14 - Tempo de meia vida da Oxitetraciclina

14 | P á g i n a

Tempo Meia Vida da Oxitetraciclina Matriz

Meia Vida (dias)

Sedimentos (Aeróbico)

< 47

Sedimentos (Anaeróbico)

Estável

Sedimentos Marinhos ( <1cm)

151

Sedimentos Marinhos (5-7cm)

>300

Água superficial

42 - 46

Água intersticial (no Solo)

270

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

4.2 Mobilidade As ligações dos antibióticos ao solo depende das diferentes propriedades e características do solo e do antibiótico. No entanto, estudos revelam que o principal mecanismo de ligação aos solos é através das argilas, ligando-se entre as camadas de argila.

A quantidade de matéria orgânica é também um factor que influencia a ligação dos antibióticos aos solos.

Está estudada a relação dos antibióticos com o solo, com base no coeficiente de distribuição, Kd, que representa a relação entre a concentração adsorvida e a concentração da solução em equilíbrio.  Quanto menor o valor de Kd, menos ligado o antibiótico está ao solo, sendo portanto mais móvel, e consequentemente ser transportado em águas superficiais ou águas subterrâneas.  Quanto maior o valor de Kd, mais ligado está o antibiótico ao solo e portanto poderá ser transportado em sedimentos ou por gravidade.

A figura 15 apresenta os valores de Kd e os valores normalizados tendo em conta a matéria orgânica. De acordo com a informação disponibilizada refere-se que com a presença de matéria orgânica os valores absorvidos de antibióticos são muito maiores.

Valores de absorção Antibiótico

Kd sólido (L Kg -1)

Koc (L Kg-1)

Tetraciclina

400 - 1620

-

Oxitetraciclina

420 - 1030

27.800 - 93.300

Enrofloxacina

260 - 6310

16.500 - 770.000

Efrotomicina

8 - 290

580 - 11.000

Tilosina

8,3 - 128

550 - 7990

Sulfametazina

0,6 - 31

60 - 208

Figura 15 - Valores de Kd para diferentes antibióticos (adaptado de Tolls, 2001)

Em águas superficiais, a quantidade de matéria orgânica dissolvida e o valor de pH têm um papel importante. Outras características, por exemplo, a solubilidade na água e a ionização são também factores a ter em conta.

A mobilidade dos antibióticos é também maior quando maior for a quantidade de carbono orgânico presente, seja este do solo ou de estrume. A ligação dos antibióticos aos solos pode ser tão forte que os torna não biodisponíveis, como acontece com a saraflorixina. Também deve-se que a reação que os antibióticos têm com certos iões metálicos, (por exemplo a reação que as tetraciclinas têm com os iões de Fe, torna os antibióticos imóveis).

15 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

5. Impacto dos Antibióticos Há uma contínua descarga de antibióticos, não existe uma rede de monotorização em relação aos antibióticos e não se sabe o impacto que estas concentrações irão ter a longo termo. Alguns autores consideram que devido à heterogeneidade das fontes de contaminação e ao facto de ocorrerem descargas continuamente, a contaminação é pseudopresistente.

Embora estando presentes em concentrações pequenas, sabe-se que em certa fauna e flora estes níveis são tóxicos e até certo nível não se sabe o impacto que a longo prazo a introdução desta quantidade de antibióticos vai gerar. Os impactos mais significativos dos antibióticos, podem ser definidos como; (a) ecotoxicidade directa, quando afectam os organismos directamente e (b) ecotoxicidade indirecta quando ao afectar esses organismos gera consequências.

5.1 Ecotoxicidade directa A ecotoxicidade directa ocorre quando as concentrações de antibióticos vão ser nefastas para os microrganismos e fauna. Na figura 16 apresenta os dados de concentrações que se estima serem perigosas para organismos no solo.

Noec Minhocas

Micróbios

Plantas

Sarafloxacina

1000

300

1,3

Tilmicocina

918

-

100

Pirlimicina

1000

0,13

0,40

Apramicina

100

0,10

160

Antibióticos

Figura 16 - NOEC valores

Fitotoxicidade Os antibióticos podem afectar as plantas de maneiras diferentes. Na figura 17 apresenta-se o impacto que a Oxitetraciclina em diferentes plantas.

Fitotoxicidade da Oxitetraciclina em diferentes plantas Planta

Concentrações (mg/L)

Efeito

Alfalfa

0 - 9,2

Cenoura

0,001- 10

Feijão

0 - 160

mortalidade cresce até, > 160 mortal

Feijão (Solos argilosos)

0 - 160

o crescimento não foi afectado

Trigo

0 - 37

3,3 / 52,2 inibe o crescimento

Alface

0,001- 10

> 1 inibe o crescimento 0,0031 / 1.141

0,0056 / >10

Figura 17 - Figura com os dados de fitotoxicidade dos antibióticos

16 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas O grau de fitotoxicidade varia de antibiótico para antibióticos e depende das características da planta, da estabilidade do antibiótico e da sua mobilidade ou biodisponibilidade. A figura 18 mostra o grau da fitotoxicidade de diferentes antibióticos em duas plantas.

Fitotoxicidade em Plantas Planta

Antibiótico

Concentrações (mg/L)

0,0625 - 0,5 Clorotetraciclina Trigo

Alface

Efeito

Aumenta um pouco o crescimento

> 25

Inibe a germinação

> 10

Aumento de cromossomas aberrantes

Oxytetraciclina

0 - 37

Enrofloxacina

0,05 - 5

Amoxicilina

0,001 - 10

Tóxico

Tilosina Oxitetraciclina

0,001 - 10

>10/>10 EC 50

0,001 - 10

0.0056/>10

Clorotetraciclina

0,001 - 10

0,851/>10

Tetraciclina

0,001 - 10

1,815/>10

Enrofloxacina

1 mg/Kg (Solo)

Amoxicilina

1 mg/Kg (Solo)

Tilosina

1 mg/Kg (Solo)

Oxitetracicina

1 mg/Kg (Solo)

Azitromicina

1μg/Kg (Areia)

Clindamicina

1μg/Kg (Areia)

Inibe o crescimento de raízes e total Tóxico, alteração no crescimento

Crescimento da planta foi bastante reduzido

Não foi observada fitotoxicidade

Figura 18 - Fitotoxicidade de plantas

Da análise da figura 18, pode-se verificar que em geral, todos os antibióticos tem efeitos nefastos nas duas plantas. No entanto a Clototetraciclina em concentrações baixas ajuda a germinação, mas quando as concentrações aumentam acima de 0,5 mg/L começa a inibir a germinação.

17 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

5.2 Ecotoxicidade indirecta Os antibióticos já foram encontrados em pequenas quantidades, normalmente em concentrações muito reduzidas na ordem dos nano gramas ou microgramas por Litro em vários rios, lagos, em águas subterrâneas e mesmo em águas para consumo humano. Estas concentrações quando actuam em organismos podem causar problemas maiores.

Ciclo de Nutrientes Os microrganismos são o motor de decomposição de matéria orgânica. Esta ficará disponível para ser usada por outros organismos, podendo assim perturbar o ciclo de nutrientes, afectando assim indirectamente animais e plantas mais acima na cadeira alimentar.

Cadeia Alimentar Semelhante ao que foi dito no ponto anterior. Estes organismos sendo a base da cadeia alimentar, onde são a fonte de alimento de outros organismos. Ao eliminar ou reduzir a quantidade destes microrganismos poderá ter consequências nocivas na cadeia alimentar.

Fitoplâncton Estima-se que 90% do oxigénio gerado no planeta é proveniente de fitoplâncton, entre eles as cianobactérias ou algas azuis, que são afectadas pelos antibióticos, mas pouco se sabe sobre as possíveis consequências. No Pacífico tem havido uma grande expansão na aquacultura. As possíveis consequências das descargas dos antibióticos usados nessas culturas no fitoplâncton dos oceanos será um importante dado a monitorizar no futuro.

Resistência a antibióticos Outro factor muito importante, que está a gerar muito interesse por parte da comunidade científica é o facto que as concentrações de antibióticos exercerem uma pressão selectiva nas bactérias, fazendo com que estas adquiram rapidamente resistência a estes compostos. As bactérias têm mecanismos biológicos que permitem que essas características sejam facilmente passados a toda uma comunidade de bactérias, fazendo com que a potência de determinado antibiótico seja reduzida. Ou seja, a presença de antibióticos leva a uma pressão selectiva nas bactérias, que leva a que a indústria farmacêutica crie antibióticos mais fortes, que por sua vez induzem uma resposta nas bactérias, gerando um ciclo que será difícil de quebrar. Há certos autores que temem que em determinado ponto, se chegue a um futuro semelhante a um período pré antibiótico.

Existe em certos países uma tentativa de controlo deste problema. Por exemplo na UE, desde 2006, que todos os antibióticos foram proibidos como suplemento de crescimento de animais, e no passado já tinham sido proibidos aqueles que eram usados em medicina humana. Foi criado o dia Europeu do Antibiótico a 18 de Dezembro e criada a European Antimicrobial resistence survailance netwok e recomendações como tratar casos de bactérias resistentes, não havendo ainda nada para monitorizar as concentrações de antibióticos, só apenas as suas consequências.

18 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

6. Remediação Como em tudo relacionado com antibióticos, existe pouca informação sobre remediação. Devido às propriedades dos compostos serem tão variadas e o facto de estes serem usados normalmente em cocktails, leva a que existam diferentes antibióticos que muitas vezes reagem de maneira diferentes aos tratamentos de remediação, sendo então necessário analisar cada caso individualmente.

Existem várias técnicas de remediação que podem ser usadas de acordo com as características dos antibióticos.

Fitoremediação Ao analisar a fitotoxicidade dos antibióticos em plantas, descobriram-se algumas que são imunes ou resistentes a antibióticos, podendo ser usados para remoção de concentrações de solos ou águas. A figura 19 apresenta dados de um estudo onde se analisa a taxa de absorção que as plantas têm em diferentes antibióticos.

Fitoremediação Planta

Antibiótico

Concentrações (mg/L)

Taxa de Remoção

Vetiver (Chrysopogon zizanioides)

Tetraciclina

5 - 15

100%

Enrofloxacina

0,01 - 0,1

67 - 91%

0,1 em águas residuais

94%

0,01 - 0,1

67 - 91%

0,1 em águas residuais

75%

Tetraciclina

0,5 - 2,0

> 90%

Tetraciclina

0,5 - 2,0

> 90%

Sulfametazina

0,2

8 - 14%

Tetraciclina

0,2

92% *

Oxitetraciclina

0,2

92% *

Caniço (Phragmites autralis) Tetraciclina

Alface de água (Pistia stratiotes)

Planta aquática (Zannichellia Palustris)

* Maior parte por fotodegradação Figura 19 - Fitoremediação em Plantas

Controlo Outras formas de impedir a concentração tão elevada de antibióticos passaria pela prevenção, como;    

19 | P á g i n a

Controlo das doses usadas, principalmente em usos não terapêuticos; Substituição de antibióticos por bacteriófagos; Aumentar a eficiência da metabolização dos antibióticos; Criar mecanismos mais eficazes de eliminação de antibióticos em ETARs;

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

7. Conclusões Esta temática é difícil de abordar por três aspectos; a expansão que os antibióticos tiveram no século XX em termos de quantidade de antibióticos presentes no mercado e as suas características químicas diferentes torna complicado a sua análise como um todo; o seu consumo também foi exponencial e levou a maiores concentrações de antibióticos presentes no ambiente; falta de dados e estudos sobre o impacto que os antibióticos têm nos ecossistemas.

O seu uso inicial era a terapêutica de doenças, mas a partir de meados do século XX começaram a ser usados como profilácticos, no auxílio ao crescimento de animais ou combatendo as condições de cultura intensiva. O seu uso sub-terapêutico tem aumentado, em alguns países contando com a maior parte da utilização dos antibióticos.

A sua baixa taxa metabólica leva a que a maior parte da dose usada acabe por ser excretada pelos organismos, acabando por ser acumulada em solos ou águas, não tendo um tratamento eficiente em ETARs, não existe um mecanismo de controlo ou remediação destas contaminações.

Pensa-se que estas concentrações provocam o aparecimento cada vez mais frequente de bactérias multirresistentes, que têm chamado à atenção para esta temática, no entanto a maior parte dos estudos foca-se na análise dos impactos das bactérias multirresistentes e não há um foco na análise do impacto dos antibióticos como um todo e nos impactos directos que são gerados por estes compostos nos organismos.

O que se sabe sobre a sua estabilidade e mobilização nos ecossistemas é que existe um mecanismo de ligação dos antibióticos ao solo, sendo adsorvido pelas argilas e uma relação inversamente proporcional entre a estabilidade dos antibióticos e a temperatura.

O seu impacto poderá ser bastante nefasto nos ecossistemas, ainda não estando extensivamente estudado, mas qualquer impacto a nível da base da cadeia alimentar, irá gerar consequências a nível superior da cadeia alimentar.

O aumento da população mundial, vai gerar uma maior pressão no ramo de produção de animais, e os antibióticos são essenciais em certos países para esse aumento, existindo forças de lobbying em determinados países para manter este sector não regulado ou para o seu uso sub-terapêutico não ser banido como foi na UE. O seu impacto é difícil de prever, e é difícil que a sociedade em geral veja os antibióticos como uma droga a ter em atenção ao seu uso, existindo uma cada vez maior atenção a tentativa de sensibilização para o uso consciente do uso de antibióticos, como a criação do Dia Europeu dos Antibióticos que é no dia 18 de Novembro todos os anos.

20 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

8. Bibliografia - K. Kumar et al, 2005. Antibiotic use in agriculture and its impact on the terrestrial environment, Advances in agronomy, vol 87 2005 - S. Gastalho 2014. Uso de antibióticos em aquacultura e resistência bacteriana: Impacto em saúde humana, Acta farmaceutica Portuguesa, vol 3 n.1 2014 - E. Serapicos, 2008. Prevalência da Resistência a antibióticos, metais e desinfectantes em isolados de staphylococcus provenientes de uma ETAR municipal, Dissertação de mestrado Universidade do Porto - P.N. Carvalho 2013. A review of plant-pharmaceutical interactions: from uptake and effects in crop phytoremediation in constructed wetlands, 14th Euchems International conference on chemistry and the environment, 2013 - C. Stoate 2009. Ecological Impacts of early 21st Century agricultural change in Europe – A Review, Journal of Environment Management, 2009 - H. Steindeld. Livestock’s long shadow – Environmental issues and options, FAO 2006 - Towards setting guideline values for the protection of groundwater in Ireland – Interim report, EPA (Ireland) -M, Monforts. The trigger values in Enviromental risk assessment for (veterinary) medicines in the European Union: a critical appraisal, Expert centre for Substances of RIVM (Nederland’s), 2005 - Directiva da Qualidade da água para consume humano – Directiva 98/83/EC, 3 Novembro 1998 - Directiva relativa às emissões industriais (prevenção e controlo integrados da poluição), Dorectiva 2010/75/UE

21 | P á g i n a

Geoquímica Aplicada '14 Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas

Impacto dos Antibióticos nos Ecossistemas Geoquímica Aplicada 14/15

22 | P á g i n a