Multimedia fate modelling and impact of pharmaceutical compounds on freshwater ecosystems

Abstract

Esta tesis tiene como objetivo principal contribuir al desarrollo de las mejores prácticas disponibles en la modelización del destino multimedia y de los efectos de compuestos farmacéuticos para evaluar su impacto en los ecosistemas. La distribución de fármacos a través de los distintos compartimentos ambientales representa un riesgo potencial de toxicidad para los ecosistemas acuáticos. La capacidad de ionización de muchos de estos compuestos en el medio ambiente es un reto para la modelización de su destino multimedia, de su exposición y efectos. El uso de modelos convencionales no polares representa un elevado nivel de incertidumbre en la modelización de la movilidad de compuestos orgánicos ionizables, y en la modelización de su biodisponibilidad para la exposición a organismos y para la degradación en el medio ambiente. El desarrollo y la evaluación de modelos alternativos que incluyan estos puntos son esenciales para mejorar la simulación del comportamiento ambiental de microcontaminantes. La comparación de modelos y la cuantificación de la incertidumbre de sus resultados son fundamentales para su correcta interpretación. Además, la cuantificación de estas incertidumbres es necesaria para establecer prioridades de monitoreo y de investigación adicional entre el gran número de fármacos activos en uso actual teniendo en cuenta las diferentes vías de contaminación ambiental. En este contexto, se consideraron los siguientes objetivos específicos: 1. Desarrollo de un modelo de destino multimedia, exposición y toxicidad con base en álgebra matricial y adaptado a compuestos farmacéuticos consistente con modelos de evaluación del impacto de ciclo de vida. 2. Desarrollo de un método para la cuantificación de la incertidumbre del modelo, incluyendo la incertidumbre de los modelos de regresión aplicados, y la identificación de los parámetros más pertinentes a la incertidumbre total. 3. Comparar y cuantificar las incertidumbres de los modelos alternativos en términos de los factores de caracterización y de los resultados finales de impacto, contribuyendo a la identificación de las mejores prácticas de modelización del destino multimedia, exposición y efectos de fármacos con base en los conocimientos científicos actuales. 4 Priorización de compuestos farmacéuticos en términos de su impacto probabilístico en los ecosistemas de agua dulce considerando las emisiones directas y indirectas de plantas de tratamiento de aguas para posterior monitorización e investigación adicional. Capítulo 1 establece el contexto de la tesis y sus objetivos. Capítulo 2 presenta un modelo de destino multimedia, exposición y efectos con base en álgebra matricial, adaptado a fármacos y consistente con el modelo consensual de la UNEP/SETAC, el modelo USEtox. Se presenta un enfoque para cuantificar la incertidumbre de los resultados del modelo usando el análisis de Monte Carlo. El enfoque incluye la incertidumbre asociada a los modelos de regresión utilizados y a los efectos tóxicos, y la variabilidad asociada a los parámetros ambientales y experimentales. El modelo se aplicó a fármacos detectados en lodos de depuradora, posteriormente aplicados a suelos agrícolas. En relación a los compuestos de mayor relevancia, los parámetros más influyentes en la evaluación probabilística de impacto fueron identificados así como temas para investigación futura. El capítulo 3 presenta una comparación detallada entre el modelo USEtox y el modelo alternativo adaptado a compuestos farmacéuticos. Este modelo alternativo incluye modelos de regresión para estimar parámetros teniendo en cuenta la fracción iónica de una molécula. La comparación se hizo al nivel de los factores de caracterización y al nivel de los resultados finales del impacto teniendo en cuenta tres escenarios de emisiones en distintos compartimientos ambientales. Los parámetros más sensibles de los modelos fueron identificados por análisis de Monte Carlo. Los capítulos 4 y 5 presentan una priorización de los fármacos detectados en plantas de tratamiento de aguas residuales europeas al nivel de su monitorización ambiental y de temas para investigación futura. En el Capítulo 4 las emisiones directas de efluentes al compartimiento de agua dulce son estudiadas. En el capítulo 5 se consideran las emisiones indirectas: la aplicación de lodos de depuración y de efluentes en suelos agrícolas como fertilizante y como agua de irrigación, respectivamente. Los temas de investigación futura se definieran tanto por la identificación de lagunas en el conocimiento acerca del comportamiento ambiental de los fármacos, como por la contribución de la incertidumbre de los parámetros estimados del modelo a la varianza de los impactos calculados. En el capítulo 6 se presentan las conclusiones generales y recomendaciones para trabajo futuro. Palabras clave: Modelo de destino multimedia, Análisis de incertidumbre, fármacos, microcontaminantes, compuestos orgánicos ionizables, ecotoxicidad en agua dulce, plantas de tratamiento de aguas residuales, lodos de depuración, agua regenerada, Evaluación de riego, Impacto comparativo probabilístico, Análisis de ciclo de vida, USEtox.

The overall objective of this dissertation is to contribute to the development of best available practices in environmental multimedia fate and effect modelling for ecosystem impacts assessment of pharmaceutical compounds. The distribution of pharmaceuticals through several environmental media poses a potential toxic hazard to freshwater ecosystems, among other endpoints. The ionising properties of pharmaceuticals represent additional challenges when modelling the multimedia fate, exposure, and effect of this class of chemicals. Large uncertainties are expected when modelling the mobility, as well as the bioavailability for uptake by exposed biota and degradation, of ionising organic chemicals using conventional models. The development and evaluation of alternative approaches that include these issues are essential for the improvement of micropollutants environmental behaviour simulation. Model comparison and quantification of uncertainties of model results are vital for their correct interpretation. Furthermore, the quantification of uncertainties of model results is detrimental to establish priorities for further monitoring, as well as research, the wide number of pharmaceutical active compounds currently in use considering the most important pathways of environmental contamination. In order to achieve that, the following specific objectives are addressed: 1. Develop a consistent matrix algebra framework for multimedia fate, multipathway exposure and toxicity effects models adapted for pharmaceutical compounds and consistent with life cycle impact assessment models. 2. Develop an approach to quantify the uncertainty of model results, accounting for regression model uncertainty, and identifying the main contributing parameters to overall uncertainty. 3. Compare and quantify the uncertainty of alternative model approaches on the level of characterisation factors as well as of final impact results, contributing to the identification of the best available practices on multimedia fate, exposure and effect modelling of PCs based on current scientific knowledge. 4. Prioritise pharmaceutical compounds on their probabilistic impact on freshwater ecosystems from both WWTP direct emissions and indirect emissions for further monitoring and research. Chapter 1 puts this dissertation into its context and defines its objectives. Chapter 2 presents a multimedia fate, exposure, and effect model based on matrix algebra adapted for pharmaceutical compounds and consistent with the UNEP/SETAC consensus model USEtox. An approach to quantify the uncertainty of model results using Monte Carlo analysis is presented. The approach accounts for the uncertainty of regression models and toxicity effects, as well as the variability of environmental parameters and experimental parameter values. The framework is applied to pharmaceuticals detected in biosolids following application on agricultural soils. The most influential parameters of the probabilistic comparative impact assessment were identified, as well as topics for further research for the compounds of most concern. Chapter 3 is a detailed comparison of the USEtox model with the alternative framework adapted for pharmaceutical compounds. The alternative framework includes regressions to estimate fate parameters that account for the ionized fraction of a molecule. The comparison has been performed at the level of characterisation factors as well as of final impact results for 3 emissions scenarios into different environmental media. The most sensitive model parameters in the estimation of ecotoxicological characterization factors of micropollutants were evaluated by Monte Carlo analysis in both the default USEtox model and in the alternative approach. Chapter 4 and 5 present a prioritisation of PCs detected in European wastewater treatment plants for further monitoring and research. Chapter 4 presents the pathway of direct discharge of WWTPs emissions to surface waters. In Chapter 5 the indirect emissions pathways to the freshwater compartment are addressed. The indirect emission pathways include the application of biosolids from WWTPs and of effluents as reclaimed water for irrigation, both on agricultural areas and landscapes. Research topics were defined by indentifying important gaps of knowledge as well as by computing the contribution of estimated model parameters’ uncertainty to the impact variance. Chapter 6 presents general conclusions on the research outlined and will provide recommendations for future research. Keywords: Multimedia fate model, Uncertainty analysis, Pharmaceuticals, Micropollutants, Dissociating organics, Freshwater ecotoxicity, Wastewater treatment plants, Biosolids, Land application, Reclaimed water, Probabilistic comparative impact, Risk Assessment, LCA, USEtox.