Remoção de fármacos anticancerígenos de efluentes hospitalares sintéticos por meio da adição de ferro zero valente em processos biológicos anaeróbios

Abstract

Estudos recentes têm destacado a remoção incompleta de poluentes por processos de tratamento biológico em efluentes, especialmente contaminantes emergentes (também chamados de micropoluentes), indicando risco ambiental significativo devido à sua descarga contínua e de seus produtos de degradação. Entre esses poluentes, os medicamentos anticancerígenos, cada vez mais detectados em águas superficiais e efluentes, representam uma preocupação particular devido à sua alta toxicidade. Apesar das vantagens dos reatores anaeróbios no tratamento de águas residuais, eles não apresentam altas eficiências de remoção para poluentes emergentes. No entanto, pesquisas recentes sugerem que a adição de nanopartículas de ferro zero valente (nFZV) podem melhorar a digestão anaeróbia e auxiliar na remoção de micropoluentes, tornando-a uma estratégia promissora para o tratamento sustentável de águas residuais. Para avaliar o impacto de diferentes concentrações de nFZV (0,2; 0,5; 1; 2 e 4 g.L-1) na digestão anaeróbia e degradação de medicamentos anticancerígenos, ensaios em batelada foram realizados na presença ou ausência de fármacos e nFZV. As nanopartículas de ferro zero valente foram sintetizadas pela redução de uma solução de sulfato de ferro (II) 0,27 mol.L-1. Os fármacos selecionados, fluorouracil, ciclofosfamida, etoposídeo, citarabina e metotrexato, comumente utilizados em tratamentos oncológicos, foram misturados a uma concentração de 200 µg.L-1, considerada ambientalmente relevante. Os reatores com volume útil de 80 mL foram hermeticamente selados e mantidos a 35°C ± 2°C com agitação constante até a estabilidade da produção de biogás (44 dias), com medições diárias de volume de biogás. A determinação do volume de biogás foi realizada usando uma seringa de vidro, enquanto a identificação e quantificação dos compostos foram feitas por Cromatografia Gasosa. Os ensaios de pH, sólidos e demanda química de oxigênio também foram avaliados. Os resultados indicaram que a concentração ideal foi de 2 g.L-1 de nFZV para cada 10 g.Kg-1 de sólidos voláteis do lodo, pois mostrou acumulo de gás e produção de metano semelhantes aos reatores com concentrações mais altas de nFZV. Nos ensaios controle (sem fármaco) o nFZV contribuiu para o incremento da velocidade de produção de biogás, diferentemente do observado na mistura nFZV e fármaco, onde apenas até a concentração de 1g nFZV.L-1 houve aumento de velocidade. Entretanto, o ferro auxiliou a redução da fase de latência em cada condição. Houve também modificação na produção de SMP e EPS, sendo que a presença de baixas concentrações de nFZV podem aumentar e excreta destes compostos. Assim, o uso de nFZV mostrou resultados promissores, sugerindo seu potencial como adjuvante na digestão anaeróbia.

Abstract: Recent studies have highlighted the incomplete removal of pollutants, especially emerging contaminants (also known as micropollutants), by biological treatment processes in effluents, indicating a significant environmental risk due to the continuous discharge of pharmaceuticals and their degradation products. Among these pollutants, anticancer medications, increasingly detected in surface waters and effluents, represent a particular concern due to their high toxicity. Despite the advantages of anaerobic reactors in wastewater treatment, they do not exhibit high removal efficiencies for emerging pollutants. However, recent research suggests that the addition of zero-valent iron nanoparticles (nZVI) may enhance anaerobic digestion and assist in the removal of micropollutants, making it a promising strategy for sustainable wastewater treatment. To assess the impact of different concentrations of nZVI (0.2, 0.5, 1, 2, and 4 g.L-1) on anaerobic digestion and degradation of anticancer drugs, 39 bottles were inoculated under 13 conditions, including presence or absence of drugs and nZVI. Zero-valent iron nanoparticles were synthesized by reducing a solution of 0.27 mol/L iron (II) sulfate. The selected drugs?fluorouracil, cyclophosphamide, etoposide, cytarabine, and methotrexate, commonly used in oncological treatments?were mixed at a concentration of 200 µg.L-1, considered environmentally relevant. The reactors with a useful volume of 80 mL were hermetically sealed and maintained at 35°C ± 2°C with constant agitation until the depletion of biogas production (44 days), with daily measurements of temperature and biogas volume. Biogas volume determination was performed using a glass syringe, while compound identification and quantification were done by Gas Chromatography. pH, solids, and chemical oxygen demand assays were also evaluated. The results indicated that the optimal concentration was 2 g.kg-1 for every 10 g.kg-1 of volatile solids in the sludge, as it showed similar gas accumulation and methane production to reactors with higher concentrations of nZVI. In trials without drugs, nZVI contributed to an increase in biogas production rate, unlike what was observed in the nZVI and drug mixture, where only up to a concentration of 1 g nZVI.L-1 resulted in speed enhancement. However, iron aided in reducing the latency phase in each condition. There were also modifications in the production of EPS e SMP, with low concentrations of nZVI potentially increasing the excretion of these compounds. Thus, the use of nZVI showed promising results, suggesting its potential as an adjunct in anaerobic digestion.