Fate and effects of sewage derived estrogens on aquatic ecosystems

Abstract

Estrogens are steroidal hormones that can affect the endocrine system at very low levels. Impacts of natural and synthetic estrogens on environment are under arising concern, since they are systematically discharged into environment and impacts on ecosystems and accumulation via food webs are not fully known. Natural and synthetic estrogens originating from households enter the sewage systems and are conveyed to wastewater treatment plants (WWTP). Because current WWTPs are not designed to remove these compounds, they are then discharged into the environment. Other significant source of estrogens is e.g. livestock waste. Combined and synergetic effects with other chemicals make the evaluation of the impacts of estrogens very complex. Furthermore, analysis costs are high which reduce the capabilities of environmental authorities and researchers of conducting extensive monitoring programs. Environmental fate modelling is a fast and cost-effective tool to evaluate the environmental fate of chemical compounds (degradation, advection etc.), which are influenced by several complex processes. Using models, the impacts can be predicted before the chemicals are discharged in the environment making it an important tool in assessing environmental impacts of chemicals such as estrogens.

The main objective of this thesis was to investigate the occurrence, concentration, fate and estimated environmental impacts of the synthetic estrogen 17-alpha-ethinylestradiol (EE2) and the natural estrogens 17-beta-estradiol (E2) and estrone (E1). These estrogen compounds were included in the European Commission watch list of compounds posing a significant risk to the aquatic environment. The secondary aim was to evaluate the suitability of environmental fate models in predicting the fate of sewage derived estrogens in aquatic ecosystems.

Research methods included literature review and a case study where FATEMOD modelling software was used to estimate the fate of estrogens in the selected study site Lake Pyhäjärvi located in Tampere, Finland. The modelling part was conducted in collaboration with Finnish Environmental Institute. Two separate models representing parts of Lake Pyhäjärvi were constructed. The modelling process involved the compartmentalization of the environment including the attribution of parameters describing environmental compartments, the attribution of properties of the estrogens and the transport and transformation processes linked to the evaluated compounds and study site. These properties, parameters, etc. were found from available literature and databases.

Based on the literature review conducted, estrogens are found in trace amounts (ngL⁻¹) in WWTP effluents, and usually natural estrogens are detected in higher concentrations than synthetic estrogens. However, synthetic estrogens are more persistent in the environment and cause impacts at lower levels. Although several studies report on the concentration of estrogens in WWTP effluents and receiving waterbodies, the detected concentrations vary significantly, and number of samples and replicates are low due mostly to the costs of analysis. Predicted no-effect concentrations used in risk assessment of aquatic organisms vary between 0.1–6 ng L⁻¹ and for example estrogens has been detected in the water of Lake Pyhäjärvi in concentrations of 0.4–0.6 ngL⁻¹ for E1 and 0.064 ngL⁻¹ for EE2, while E2 was below limit of detection (rapid transformation of E2 into E1 can occur in the environment). Impacts on aquatic ecosystems have been consistently observed with for example the feminization and other abnormalities occurring in fish, and reproduction changes in zooplankton, mussels and snails.

Results from the FATEMOD models were promising, leading to the conclusion that the software can be seen as a useful tool for evaluating the fate of estrogens in aquatic ecosystems, although more accurate input data, especially regarding to degradation processes of estrogens in cold climate is still needed.

Estrogeenit ovat steroidihormoneja, jotka voivat vaikuttaa endokriiniseen järjestelmään hyvin pieninä pitoisuuksina. Luonnollisten ja synteettisten estrogeenien ympäristövaikutukset ovat herättäneet lisääntynyttä huolestuneisuutta, sillä niitä johdetaan systemaattisesti ympäristöön ja niiden vaikutuksia ekosysteemeihin ja kertyvyyttä ravintoketjuissa ei täysin tunneta. Kotitalouksista lähtöisin olevat luonnolliset ja synteettiset estrogeenit siirtyvät viemäriverkostojen kautta jätevedenpuhdistamoille, joista ne kulkeutuvat ympäristöön, sillä nykyisiä puhdistamoita ei ole suunniteltu tällaisten yhdisteiden poistamiseen. Merkittävä estrogeenien lähde on myös esimerkiksi karjanlanta. Yhteisvaikutukset muiden kemikaalien kanssa tekevät estrogeenien ympäristövaikutusten arvioinnista hyvin hankalaa. Lisäksi analyysikustannukset ovat korkeita, mikä vähentää ympäristöviranomaisten ja tutkijoiden mahdollisuutta suorittaa laajoja tarkkailuohjelmia. Mallintaminen on nopea ja kustannustehokas työväline kemikaalien ympäristökohtalon (hajoaminen, kulkeutuminen jne.) arvioimiseen, mihin vaikuttaa useat monimutkaiset prosessit. Malleja hyödyntämällä vaikutuksia voidaan ennustaa ennen kuin kemikaaleja johdetaan ympäristöön, mikä tekee malleista tärkeän työvälineen kemikaalien, kuten estrogeenien, ympäristövaikutusten arvioimisessa.

Tämän diplomityön päätavoitteena oli tutkia synteettisen estrogeenin 17-alfa-etinyyliestradiolin (EE2), sekä luonnollisten estrogeenien 17-beta-estradiolin (E2) ja estronin (E1) esiintyneisyyttä, pitoisuuksia, ympäristökohtaloa ja arvioituja ympäristövaikutuksia. Nämä estrogeenit sisältyvät Euroopan komission luetteloon tarkkailtavista aineista, jotka voivat aiheuttaa vesiympäristölle merkittävän riskin. Tavoitteena oli myös tutkia ympäristökohtalomallien soveltuvuutta jätevesien sisältämien estrogeenien ympäristökohtalon ennustamiseen.

Tutkimusmenetelmät sisälsivät kirjallisuuskatsauksen ja tapaustutkimuksen, jossa FATEMOD-mallinnussovellusta käytettiin estrogeenien ympäristökohtalon mallintamisessa valitulla tutkimuspaikalla Tampereen Pyhäjärvellä. Mallinnusosuus suoritettiin yhteistyössä Suomen ympäristökeskuksen kanssa. Osasta Pyhäjärveä laadittiin kaksi erillistä mallia. Mallinnusprosessi sisälsi ympäristön osittelun mukaan lukien ympäristöosien parametrien määrittämisen, estrogeenien ominaisuuksien määrittämisen, sekä estrogeeneihin ja tutkimuspaikkaan liittyvien kulkeutumis- ja muuntumisprosessien määrittämisen. Nämä ominaisuudet, parametrit ym. kerättiin käytettävissä olevista kirjallisuudesta ja tietokannoista.

Suoritetun kirjallisuuskatsauksen perusteella estrogeeneja löydetään pieninä (ngL⁻¹) pitoisuuksina jätevedenpuhdistamoiden purkuvesistä ja yleensä luonnollisia estrogeeneja korkeampina pitoisuuksina kuin synteettisiä. Synteettiset estrogeenit ovat kuitenkin ympäristössä pysyvämpiä ja vaikuttavat pienempinä pitoisuuksina. Vaikka useita tutkimuksia on raportoitu estrogeenien pitoisuuksista jätevedenpuhdistamoiden purkuvesissä ja vesistöissä, havaitut pitoisuudet vaihtelevat merkittävästi ja näytemäärät ovat vähäisiä johtuen korkeista analyysikustannuksista. Riskien arvioinnissa käytetyt ennustetut haitattomat pitoisuudet (PNEC, predicted no-effect concentration) estrogeeneille ovat 0.1–6 ngL⁻¹ ja esimerkiksi Pyhäjärvestä on mitattu pitoisuuksia 0.4–0.6 ngL⁻¹ E1:stä ja 0.064 ngL⁻¹ EE2:sta, kun E2 oli määritysrajojen alapuolella (nopea muuntuminen E2:sta E1:ksi voi tapahtua ympäristössä). Vaikutuksia vesistöjen ekosysteemeihin on havaittu usein esimerkiksi kalojen naisistumisina ja muina poikkeavuuksina sekä muutoksina eläinplanktonin, etanoiden ja simpukoiden lisääntymisessä.

Tulokset FATEMOD-malleista olivat lupaavia ja ohjelma voidaan nähdä käyttökelpoisena työkaluna mallintaa estrogeenien ympäristökohtaloa vesiekosysteemeissä. Tästä huolimatta vielä tarvitaan kattavampia lähtötietoja erityisesti liittyen estrogeenien hajoamisprosesseihin kylmissä ilmastoissa.