Τύχη και συμπεριφορά φαρμάκων και νανοσωματιδίων στο υπέδαφος
Authors: Φουντούλη Θεοδοσία 
Published: April 2022

Το έδαφος μαζί με τα υδάτινα οικοσυστήματα αποτελεί τον κυριότερο αποδέκτη ανθρωπογενούς ρύπανσης. Η ποικιλία και η ποσότητα των ρύπων που εναποτίθεται στο έδαφος είναι μεγάλη, γι’ αυτό και είναι δύσκολο να εκτιμηθούν οι επιπτώσεις τους, οι οποίες συχνά δεν περιορίζονται μόνο στη θέση απόθεσης, αλλά είναι πιθανό να επεκταθούν και στην ευρύτερη περιοχή. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τις χημικές, φυσικές και βιολογικές διεργασίες που είναι υπεύθυνες για την «τύχη», τη μεταφορά και την αποικοδόμηση των ρύπων αυτών. Η γνώση της τύχης των ρύπων αυτών σε εδάφη ή ιζήματα είναι σημαντική για την εκτίμηση της περιβαλλοντικής έκθεσης και την αξιολόγηση κινδύνου. Τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποσκοπούν στο να συμβάλλουν στην εκτίμηση της ανθεκτικότητας των εξεταζόμενων ουσιών στο περιβάλλον και της πιθανότητας να συσσωρευτούν στους φυσικούς πόρους και στους περιβαλλοντικούς αποδέκτες (υπόγεια και επιφανειακά νερά, έδαφος). Στόχος της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η μελέτη της συμπεριφοράς διαφόρων ειδών ρύπων, φαρμάκων (φαρμακευτικές ουσίες και φυτοφάρμακα) και νανοσωματιδίων (ή κολλοειδών) στο υπέδαφος. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν ουσίες που ανήκουν στις τρεις κατηγορίες ρύπων: τα φαρμακευτικά προϊόντα acyclovir και fluconazole, το απολυμαντικό φορμαλδεΰδη (FA) και το νανοσωματίδιο διοξειδίου του τιτανίου (TiO2). Οι συγκεκριμένοι ρύποι επιλέχθηκαν λόγω της ευρείας κατανάλωσής τους και της συχνότητας με την οποία συναντώνται στο υδάτινο περιβάλλον και το υπέδαφος. Αρχικά, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των φαρμάκων (acyclovir και fluconazole) με χαλαζιακή άμμο. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκε η συμπεριφορά της προσρόφησης του acyclovir και του fluconazole σε χαλαζιακή άμμο σε τρεις διαφορετικές θερμοκρασίες (40C, 100C και 220C) υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Επιπλέον, τα δεδομένα της κινητικής προσρόφησης περιγράφηκαν με ένα μοντέλο ψευδο-δεύτερης τάξης και τα δεδομένα προσρόφησης ισορροπίας ποσοτικοποιήθηκαν με γραμμική ισοθερμική προσρόφηση. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα αυτής της μελέτης, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το acyclovir και το fluconazole προσροφώνται ασθενώς στην χαλαζιακή άμμο, και ως εκ τούτου θα είναι σημαντικά κινητικά σε αμμώδεις σχηματισμούς στο υπέδαφος, και δυνητικά μπορούν να μεταφερθούν στο υδάτινο περιβάλλον με πιθανές αρνητικές επιπτώσεις στους ζωντανούς οργανισμούς και την ανθρώπινη υγεία.Μελετήθηκε η αλληλεπίδραση της φορμαλδεΰδης με χαλαζιακή άμμο και κολλοειδή σωματίδια καολινίτη υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ότι η φορμαλδεΰδη προσροφήθηκε ασθενώς στην χαλαζιακή άμμο, ενώ προσροφήθηκε σημαντικά στα σωματίδια καολινίτη. Εξετάστηκε επίσης η μεταφορά της φορμαλδεΰδης μέσω στηλών πληρωμένων με χαλαζιακή άμμο, υπό διαφορετικές συγκεντρώσεις αλατότητας. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η αλατότητα είχε ελάχιστη επίδραση στη ρόφηση της φορμαλδεΰδης επί της χαλαζιακής άμμου, αλλά κάπως πιο σημαντική επίδραση στη ρόφηση της φορμαλδεΰδης επί του καολινίτη (KGa-1b). Συνεπώς, η φορμαλδεΰδη θα μπορούσε να είναι σχετικά κινητική σε φυσικό έδαφος και ιζήματα και θα μπορούσε δυνητικά να μολύνει το υδάτινο περιβάλλον με πιθανές ανεπιθύμητες επιπτώσεις στους ζωντανούς οργανισμούς και την ανθρώπινη υγεία.Εξετάστηκε η επιδράση δύο αντιπροσωπευτικών σωματιδίων αργίλου κολλοειδούς μεγέθους (καολινίτης, KGa-1b και μοντμοριλλονίτης, STx-1b) στη μεταφορά της φορμαλδεΰδης σε ακόρεστα πορώδη μέσα. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκε η μεταφορά της φορμαλδεΰδης με και χωρίς την παρουσία σωματιδίων αργίλου υπό διάφορους ρυθμούς ροής και διάφορα επίπεδα κορεσμού σε στήλες πληρωμένες με χαλαζιακή άμμο, υπό ακόρεστες συνθήκες. Χρησιμοποιήθηκε η κλασική θεωρία Derjaguin – Landau – Verwey – Overbeek (DLVO) για τον υπολογισμό της συνολικής ενέργειας αλληλεπίδρασης, στη διεπιφάνεια αέρα-υγρού (air-water interface, AWI) και στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού (solid-water interface, SWI). Τα πειραματικά αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι η παρουσία κολλοειδών καολινίτη και μοντμοριλλονίτη παρεμπόδισε σημαντικά τη μεταφορά της φορμαλδεΰδης υπό ακόρεστες συνθήκες.Επιπρόσθετα, διερευνήθηκε η συμμεταφορά νανοσωματιδίων διοξειδίου του τιτανίου (TiO2), και της φορμαλδεΰδης (FA) σε στήλες γεμάτες με χαλαζιακή άμμο υπό συνθήκες κορεσμένης και ακόρεστης ροής νερού. Εξετάστηκαν οι επιδράσεις της ταχύτητας και της ιοντικής ισχύος του διαλύματος στη συμμεταφορά του TiO2 και της φορμαλδεϋδης. Ακόμα, υπολογίστηκαν οι ενέργειες αλληλεπίδρασης DLVO μεταξύ των νανοσωματιδίων του TiO2 και της χαλαζιακής άμμου, της διεπιφάνειας στερεού - υγρού (SWI), καθώς και της διεπιφάνειας αέρα - υγρού (AWI). Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ουσιαστική κατακράτηση νανοσωματιδίων TiO2 συμβαίνει τόσο σε κορεσμένα όσο και σε ακόρεστα πορώδη μέσα. Η ιοντική ισχύς του διαλύματος βρέθηκε να έχει αξιοσημείωτη επίδραση στη συγκράτηση νανοσωματιδίων του TiO2 στις πληρωμένες στήλες. Επιπλέον, τα αποτελέσματα από τα πειράματα μεταφοράς νανοσωματιδίων TiO2 σε κορεσμένες στήλες υποδηλώνουν ότι η ανάκτηση μάζας νανοσωματιδίων TiO2 αυξάνεται με την αύξηση του ρυθμού ροής. Τα αποτελέσματα από τα πειράματα συμμεταφοράς νανοσωματιδίων του TiO2 και της φορμαλδεΰδης σε κορεσμένες και ακόρεστες στήλες δεν αποκάλυψαν μια διακριτή σχέση μεταξύ της ανάκτησης μάζας και του ρυθμού ροής. Η μεταφορά της φορμαλδεΰδης τόσο σε κορεσμένες όσο και σε ακόρεστες συσκευασμένες στήλες παρεμποδίστηκε παρουσία των νανοσωματιδίων TiO2, ιδιαίτερα σε υψηλή ιοντική ισχύ.