Ozonation as sewage effluent treatment: toxicological effects in adult and embryonic zebrafish, Danio rerio

Pharmaceutical residues are not efficiently removed by current sewage treatment plant (STP) technologies. This allows for the release of pharmaceutical residues into the aquatic environment. Pharmaceuticals and their metabolites are problematic because they are designed to affect biological processes in non-target aquatic species. It is therefore of interest to limit the release of pharmaceutical residues in order to protect the surface water environment. One potential method for the improvement of sewage effluent treatment is ozonation, a technology capable of eliminating pharmaceutical residues. This licentiate thesis aimed to evaluate the biological effects in adult and embryonic zebrafish, Danio rerio, exposed to ozonated effluent at a Swedish municipal STP outfitted with a full scale effluent ozonation step. Reproduction-related endpoints (e.g. fecundity and gonad maturation), behaviour and hepatic gene expression (e.g. vitellogenin) were sampled in fish exposed for 21 days. Responses in fish exposed to ozonated STP effluent diverged from fish exposed to the normal, non-ozonated STP effluent and tap water control. Firstly, they produced twice the amount of fertilized eggs and had a higher degree of gonadal maturation. Secondly, male hepatic vitellogenin gene expression was induced, indicating estrogenicity due to ozonation. Thirdly, fish exposed to the ozonated effluent effluent exhibited a stress-like behaviour. While ozonation has proven to be very efficient in reducing pharmaceutical parent compound concentrations in STP effluents (on average 77% at Knivsta STP), much remains unclear regarding potentially toxic ozonated by-product (OBP) formation. Therefore, the second part of the thesis explored how zebrafish embryotoxicity of three pharmaceuticals of environmental relevance would be modulated by ozonation in a bench-scale ozonation study. Carbamazepine embryotoxicity increased following ozonation, possibly explained by formation of the OBP carbamazepine-epoxide. Furthermore, ozonation of oxazepam seemingly potentiated its anxiolytic mode of action in exposed zebrafish larvae. Diclofenac embryotoxicity was however completely abolished by ozonation. The results presented in this thesis highlight the importance of new chemical and toxicological knowledge regarding the formation of OBPs in post-ozonated effluents.
I nuläget riskerar läkemedelsrester från att läcka ut i vattenmiljön då dessa inte avskiljs effektivt i våra reningsverk. Detta är problematiskt eftersom läkemedel och deras metaboliter har förmågan att kunna påverka biologiska processer hos vattenlevande organismer. Därför är det av intresse att begränsa utsläppen av läkemedelsrester för att kunna skydda dricksvattenkällor och akvatiska ekosystem. En möjlig lösning för att förbättra avloppsvattenrening vid reningsverken är ozonering av den utgående effluenten. Denna licentiatavhandling syftade till att utvärdera de biologiska effekterna hos vuxna och embryonala sebrafiskar, Danio rerio, exponerade för ozonerad effluent och utvalda läkemedel. Försöket med ozonerat avloppsvatten skedde på ett kommunalt reningsverk i Knivsta, Sverige, där ett fullskaligt ozoneringssteg hade installerats. Fortplantnings-förmågan (t.ex. antal befruktade ägg och gonadmognad), beteende och genuttryck (t.ex. vitellogenin) mättes i fisken som var exponerad under 21 dagar. Fiskarna som var exponerade för ozonerad effluent skilde sig åt från de fiskar som var exponerade för den vanliga effluenten samt dricksvattenkontrollen. De producerade dubbelt så många befruktade ägg och hade en högre grad av gonadmognad. Hanfiskarnas vitellogenin-uttryck i levern var upreglerat, vilket indikerar ökad estrogenicitet i den ozonerade effluenten. De uppvisade även ett förmodat stress-relaterat simbeteende. Trots att ozonering har visat sig vara ett mycket effektivt sätt att minska concentrationen av läkemedelssubstanser i effluenten (i genomsnitt 77 % i Knivsta reningsverk) kvarstod många frågetecken kring hur skadliga eventuella ozoneringsbiprodukter är. Därför ägnades den andra halvan av avhandlingen åt undersökningar av zebrafiskembryotoxicitet kopplad till tre ozonering av tre läkemedel med miljömässig relevans (karbamazepin, diklofenak och oxazepam). Karbamazepinets embryotoxicitet ökade efter ozonering, vilket skulle kunna kopplas ihop med att OBP formationen karbamazepin-epoxid bildades. Ozoneringen av oxazepam ledde till att dess ångestdämpande effekt förstärktes. Diklofenaks embryotoxicitet eliminerades helt efter ozonering. Resultaten som presenteras i denna licentiatavhandling understryker behovet av ny kemisk och toxikologisk kunskap kring de ozoneringsbiprodukter som kan uppstå i ozonerade effluenter.