Effetti della siccità sui processi di fotodegradazione di inquinanti emergenti nei fiumi

Recently, the occurrence of a new class of water pollutants at variable concentrations has been acknowledged. They are defined as "Emerging Contaminants” and include pharmaceutical products collectively known as PPCPs (pharmaceuticals and personal care products). The low concentrations of pharmaceutical residues have led to underestimating the risks they pose to human health and the ecosystem. However, it has been recently recognized that drugs are substances designed to be biologically active and exert therapeutic effects at low doses, but they potentially induce non-specific side effects at higher doses or in case of prolonged intake. The continuous and massive use of drugs accounts for their presence in various aquatic compartments, where they are currently ranked as one of the main classes of bioactive molecules. Natural waters have the ability to get self-purified and detoxified through processes involving biodegradation, photodegradation, and dilution. Nevertheless, these processes are not sufficient to solve the pollution problem. The aim of this thesis is to further investigate some drugs (Acetaminophen, Diclofenac, and Naproxen) and the influence that the reduction in river flow rate, due to climate change, has on their direct and indirect photodegradation kinetics. In fact, it is shown here that a decrease in flow rate accelerates the phototransformation processes of pollutants, thereby reducing their half-life times and allowing for more rapid attenuation within shorter river stretches. In particular, two different scenarios have been hypothesized. In the first case, defined as "two-dimensional", the variation in water flow is reflected solely in changes in depth and flow velocity, while width is geometrically bound to stay constant. In the second case, which is more common and is here referred to as "three-dimensional", the variation in water flow also results in a modification of the river's width in addition to depth and flow velocity. However, a second contrasting effect of drought on pollutants in rivers needs to be considered. It is the increase in the concentration of dissolved pharmaceutical residues in water, which is proportional to the reduction of water flow in the river while the flow of wastewater is approximately constant. In this way, drugs undergo lesser dilution and can reach significantly more harmful levels for the ecosystem compared to normal flow conditions, especially in case of severe droughts. It is thus necessary to assess whether, and to what extent, the acceleration of photodegradation counteracts the increase in concentration, also taking the overall river length into account.

Recentemente ci si è resi conto della presenza nelle acque, a concentrazioni variabili, di una nuova classe di inquinanti definiti “Contaminanti Emergenti”, di cui fanno parte anche prodotti farmaceutici collettivamente chiamati PPCP (pharmaceuticals and personal care products). Le modeste concentrazioni dei residui farmaceutici hanno portato a sottovalutare il rischio che questi rappresentano per la salute dell'uomo e dell'ecosistema ma, negli ultimi anni, si è preso atto che i farmaci sono sostanze concepite per essere biologicamente attive ed avere un effetto terapeutico a basse dosi, con possibilità di produrre effetti collaterali non specifici a dosi maggiori o per assunzioni prolungate. L’utilizzo sempre più massiccio dei farmaci, oltre a spiegare il loro ritrovamento in diversi comparti acquatici, li classifica allo stato attuale come una delle principali fonti di molecole bioattive in tali ambienti. Le acque naturali sono in grado di autodepurarsi e di disinquinarsi tramite processi che coinvolgono la biodegradazione, la fotodegradazione e la diluizione, tuttavia questi processi non sono sufficienti per risolvere il problema dell'inquinamento. Lo scopo di questa tesi è approfondire alcuni farmaci del gruppo dei PPCP (Acetaminofene, Diclofenac e Naprossene) e l’influenza che la riduzione della portata dei fiumi, a causa del cambiamento climatico, ha sulla loro cinetica di fotodegradazione diretta e indiretta. Si è visto che una diminuzione della portata provoca un’accelerazione dei processi di fototrasformazione degli inquinanti e, di conseguenza, una riduzione dei tempi di dimezzamento, permettendo una attenuazione più rapida in tratti di fiume più brevi. In particolare, sono stati ipotizzati due scenari differenti. Nel primo caso, definito “bidimensionale”, la variazione della portata d’acqua si riflette unicamente in un cambiamento della profondità e della velocità del flusso, nell’ipotesi che la larghezza del fiume si mantenga costante. Nel secondo caso, più realistico e definito “tridimensionale”, oltre alla profondità e alla velocità del flusso, la variazione della portata d’acqua si traduce anche in una modifica della larghezza del fiume. Tuttavia, oltre ai processi fotochimici, è necessario considerare un secondo effetto della siccità sugli inquinanti, contrastante col primo. Esso consiste nell’aumento della concentrazione iniziale dei residui farmaceutici disciolti in acqua, proporzionale alla riduzione della portata d’acqua di un fiume a parità di flusso di acqua di scarico. In tal caso le concentrazioni degli inquinanti possono raggiungere livelli dannosi per l’ecosistema, soprattutto in scenari di siccità crescente. Occorre dunque valutare se, e in quali termini di lunghezza del fiume, l’accelerazione della fotodegradazione contrasta l’aumento di concentrazione.