Forskere identificerer det molekyle, der er ansvarligt for et potent kræftfremkaldende stof, der findes i genanvendt spildevand

Ingeniører på spildevandsgenbrugsanlæg kan være rolige ved at vide, at deres metoder til at minimere dannelsen af ​​et potent kræftfremkaldende stof er rettet mod den rigtige kemiske forbindelse.

USC Viterbi assisterende professor Daniel McCurry, bachelorstuderende Meredith Huang og kandidatstuderende Shiyang Huang har bekræftet det kemikalie, der er ansvarligt for dannelsen af ​​kræftfremkaldende stof N-nitrosodimethyalmin, eller NDMA, i genanvendt spildevand. De begyndte deres undersøgelse, efter at modstridende resultater dukkede op i miljøforskningsmiljøet, forårsager tøven i forbindelse med vedtagelsen af ​​NDMA interventionsmetoder på behandlingsfaciliteter. Deres arbejde blev udgivet i Miljøvidenskab og teknologibreve som marts-forsideundersøgelsen.

"Den nylige tørke i Californien og den efterfølgende vandsårbarhed har øget interessen for genbrug af vand, " sagde Meredith Huang, undersøgelsens første forfatter. "Imidlertid, desinfektionsbiprodukter som NDMA, dannet i processen med at rense spildevand, er skadelige for mennesker og introducerer nogle problemer, når målet er genforbrug."

I slutningen af ​​90'erne, høje koncentrationer af NDMA blev fundet i, hvad der ellers var ekstremt rent genbrugsspildevand, som i de fleste stater udledes i floder, der bruges som kilder til drikkevand. Denne opdagelse satte gang i en årelang forskningsindsats fra flere laboratorier for at finde ud af, hvordan den skadelige kemiske forbindelse blev dannet.

"Koncentrationen af ​​NDMA, som vi er bekymrede over, er meget, meget lav, " sagde McCurry, der arbejder i Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering. "I modsætning til mange organiske forurenende stoffer i drikkevand, hvor den lovmæssige grænse kan være i mikrogram pr. liter området, for NDMA, den lovgivningsmæssige retningslinje spænder mange steder fra 10 nanogram per liter til 100 nanogram per liter. Så, tre til fire størrelsesordener lavere i koncentration, fordi det bare er et superpotent kræftfremkaldende stof."

Mest genanvendt spildevand, der vil blive brugt som drikkevand gennem en proces kendt som genbrug af drikkevarer, kommer først i jorden, inden den går til et drikkevandsanlæg. Jorden fungerer som et filter, fjernelse af kemikalier og nedbrydning af skadelige forbindelser som NDMA. Men de høje omkostninger ved at pumpe vand ind og ud af jorden har ført til en øget interesse for direkte genbrug af drikkevarer, hvor genanvendt spildevand går direkte til et drikkevandsanlæg.

"NDMA er en af ​​de største hindringer for direkte genbrug af drikkevarer, fordi det er virkelig svært at slippe af med grundige traditionelle behandlingsprocesser, " sagde McCurry. Det er i stedet nemmere og mere overkommeligt at sænke NDMA-koncentrationer ved at eliminere de molekyler, der er ansvarlige for dets dannelse.

Oprindeligt, forskere fandt, at NDMA er resultatet af kloreringstrinnet i den genanvendte spildevandsbehandlingsproces. Specifikt, dichloramin, en mindre bestanddel af klorblandingen, forårsager dannelsen af ​​NDMA. Disse resultater fik renseanlæg til at begynde at manipulere klorkemi for at sænke dichloraminkoncentrationer og, ultimativt, reducere NDMA-dannelsen.

Imidlertid, forskere var stadig usikre på, hvad dichloramin reagerede med for at danne NDMA indtil for fem år siden, da forskere i Toronto fandt ud af, at visse lægemidler, som det syreneutraliserende middel Zantac, kan danne NDMA ved klorering i spildevandslignende forhold. Efterfølgende andre forskere begyndte at undersøge dannelsesmekanismen fra Zantac-lignende kemikalier.

"De besluttede, at det var monochloramin, der var ansvarlig i modsætning til flere praktiske undersøgelser, der viser, at minimering af dichloramin i ægte genbrugsspildevand minimerer NDMA-dannelse, " sagde McCurry. "De kom til den forkerte konklusion, fordi monochloramin og dichloramin er indbyrdes konverterbare. Så, eksperimentelt, det er ret svært at skille dem ad."

Med det i tankerne, McCurry og hans team designede omhyggeligt deres eksperiment for at undgå konverteringer mellem de to molekyler ved at bruge meget lavere doser. Derefter, ved systematisk at anvende en række monochloramin- og dichloramindoser på farmaceutiske prækursorer, de var i stand til at bestemme, hvilket molekyle der var årsagen til NDMA-dannelsen.

Resultaterne

For at verificere deres tilgang, de brugte først et prækursormolekyle med en velkendt reaktion, dimethylamin, og sammenlignede deres eksperimentelle resultater med resultaterne af et computermodelleringsprogram, før de testede de fire andre forstadier. Modellen, som ikke inkluderer en reaktion fra monochloramin og dimethylamin til NDMA, matchede deres eksperimentelle resultater og beviste, at dannelsen af ​​NDMA fra monochloramin enten ikke eksisterer eller er ligegyldig.

"Vores papir viste, at dichloramin er ansvarlig for dannelsen af ​​NDMA fra disse farmaceutisk-afledte prækursorer. Og vi kunne se, at du får mere og mere NDMA, efterhånden som du øger monochloramin, men det er bare på grund af at monochloramin går til dichloramin, " sagde McCurry. "Så, vores resultater fra grundlæggende kemiarbejde understøtter den praktiske observation, at minimering af dichloramin minimerer NDMA-dannelse."

Mens deres undersøgelse bekræfter identiteten af ​​den forbindelse, der er ansvarlig for NDMA-dannelse, og tilskynder renseanlæg til at fortsætte med at implementere interventionsmetoder, deres arbejde er langt fra færdigt. Shiyang Huang arbejder i øjeblikket på en model, der i detaljer vil vise den komplette mekanisme for NDMA-dannelse.

"Vores resultater er baseret på NDMA-udbytteeksperimenter, der kun tager højde for de endelige produkter af reaktionerne. Den nøjagtige vej fra prækursorer til NDMA er ikke blevet opdaget endnu, Shiyang Huang sagde. "Forståelse af den komplette mekanisme ville give os mere information til at forklare, hvilken faktor - pH, temperatur, andre kemikalier - ville påvirke NDMA-dannelsen i praksis."