Valutazione della ecotossicità di Ciprofloxacina e Sulfametossazolo in Daphnia magna e Spirodela polyrhiza

The increasing presence of pharmaceutical drugs in the aquatic environment has been recognized as an evolving environmental issue, whose long-term consequences are still unpredictable. The concentrations of antibiotics in watercourses range from ng/L to g/L, with the primary sources of contamination being urban and hospital discharges, pharmaceutical manufacturing plants, aquaculture facilities, and waste from treated livestock. These "emerging pollutants," in addition to promoting the development of antibiotic resistance, can also cause toxic effects on non-target organisms, leading to inevitable ecosystem alterations. This study aims to assess the ecotoxicity of two antibiotics, ciprofloxacin and sulfamethoxazole, through laboratory tests on freshwater model organisms: the planktonic crustacean Daphnia magna and the floating plant Spirodela polyrhiza. For D. magna, acute toxicity was tested in accordance with the OECD 202 guideline "Daphnia sp. Acute Immobilization Test." The two antibiotics were tested individually at concentrations of 50, 25, 12.5, 6.25, and 3.125 mg L⁻¹ for ciprofloxacin, and 500, 250, 125, 62.5, and 31.25 mg L⁻¹ for sulfamethoxazole. In both cases, a 10-day follow-up in pure medium (Rocchetta® water) was performed to assess any delayed toxicity. This was observed for ciprofloxacin, where the post-follow-up EC50 (14.98 mg L-1) was more than three times lower than that recorded at 48 hours (47.12 mg L-1). In contrast, no delayed toxicity was observed for sulfamethoxazole, with EC50 values remaining quite similar (439.2 vs. 470.9 mg L-1). For Spirodela polyrhiza, in the absence of a specific guideline, one for a closely related genus was used, namely the OECD 221 "Lemna sp. Growth Inhibition Test." Ciprofloxacin and sulfamethoxazole were tested individually at the following concentrations: 2, 0.625, 0.195, 0.061, and 0.019 mg L⁻¹. The parameters considered were number of fronds, surface area, fresh weight, and root length. For both antibiotics, the endpoint “root growth inhibition” yielded the lowest EC50 values, proving to be the most sensitive of all parameters considered (0.03603 mg L-1 for ciprofloxacin and 0.7669 mg L-1 for sulfamethoxazole). The lack of literature data on Spirodela made a comparison with the Lemna genus unavoidable. It was found that for ciprofloxacin, S. polyrhiza has similar or even greater sensitivity than Lemna species, while for sulfamethoxazole, the sensitivity was lower. Finally, based on the concentrations detected in watercourses and reported in the literature, the risk quotient (RQ) was calculated. The results revealed a significant risk to the aquatic ecosystem from ciprofloxacin (RQ>1 in 25% of measured concentrations), while for sulfamethoxazole, a more reassuring value was found (RQ<1). However, to be more precautionary, it would be necessary to consider the likely co-occurrence of compounds from the same class (fluoroquinolones and sulfonamides) and, following the precautionary principle of Concentration Addition, recalculate the RQ.

La crescente presenza di farmaci nel comparto acquatico è stata riconosciuta come una problematica ambientale in continua evoluzione, le cui conseguenze a lungo termine non sono ancora prevedibili. Le concentrazioni di antibiotici presenti nei corsi d’acqua si aggirano tra i nanog/L e i microg/L e le principali fonti di contaminazione sono rappresentate da scarichi urbani, ospedali, impianti di produzione dei farmaci, impianti di acquacoltura e deiezioni di animali da reddito trattati. Questi “inquinanti emergenti”, oltre a favorire lo sviluppo della resistenza agli antibiotici, sono in grado di causare effetti tossici su organismi non target, portando ad una inevitabile alterazione degli ecosistemi. Il presente studio ha l’obiettivo di saggiare l’ecotossicità di due antibiotici, ciprofloxacin e sulfametossazolo, tramite l’esecuzione di test di laboratorio su organismi modello d’acqua dolce: il crostaceo planctonico Daphnia magna e la pianta galleggiante Spirodela polyrhiza. In D. magna la tossicità acuta è stata testata in conformità alla linea guida OECD 202 “Daphnia sp. Acute Immobilization Test”, i due antibiotici sono stati saggiati individualmente alle concentrazioni di 50, 25, 12.5, 6.25, 3.125 mg L⁻¹ per ciprofloxacin e 500, 250, 125, 62.5, 31.25 mg L⁻¹ per sulfametossazolo. In entrambi i casi è stato poi eseguito un follow-up di 10 giorni in medium puro (acqua Rocchetta®) per valutare una eventuale tossicità ritardata. Questa, è stata riscontrata per ciprofloxacin, la cui EC50 post follow-up (14,98 mg L-1) è risultata più di tre volte inferiore rispetto a quella delle 48 ore (47,12 mg L-1), mentre per sulfametossazolo non è stata osservata, poichè le EC50 sono rimaste molto simili (439,2 contro 470,9 mg L-1). Per Spirodela polyrhiza, in mancanza di una linea guida specifica, ne è stata utilizzata una prevista per un genere affine, ovvero la OECD 221 “Lemna sp. Growth Inhibition Test”. Ciprofloxacin e sulfametossazolo sono stati testati individualmente alle medesime concentrazioni: 2, 0.625, 0.195, 0.061, 0.019 mg L⁻¹ e i parametri considerati sono stati: numero delle fronde, superficie, peso fresco e lunghezza delle radici. Per entrambi gli antibiotici, l’endpoint “inibizione della crescita delle radici” ha fatto registrare i valori di EC50 più bassi, risultando il più sensibile tra tutti quelli considerati (0,03603 mg L-1 per ciprofloxacin e 0,7669 mg L-1 per sulfametossazolo). La mancanza di dati in letteratura riguardanti Spirodela ha reso il confronto con il genere Lemna inevitabile. Da questo è emerso che, per ciprofloxacin, la sensibilità di S. polyrhiza è simile o superiore a quella delle lemnacee, mentre per il sulfametossazolo è inferiore. Infine, sulla base delle concentrazioni rilevate nei corsi d’acqua e riportate in letteratura, è stato calcolato il quoziente di rischio (RQ). I risultati hanno evidenziato un rischio significativo per l'ecosistema acquatico associato a ciprofloxacin (RQ>1 nel 25% delle concentrazioni misurate), mentre per sulfametossazolo è emerso un valore più rassicurante (RQ<1). Tuttavia, per essere più cautelativi, sarebbe necessario considerare la co-presenza, molto probabile, di composti della stessa classe (fluorochinoloni e sulfamidici) e, basandosi sul principio della Concentration Addition, ricalcolare l’RQ.