Presence, behavior and risk assessment of pharmaceutical products in aquatic ecosystems

Active Pharmaceutical Ingredients (APIs) represent a growing concern for marine ecosystems due to their ubiquitous occurrence and documented adverse effects on non-target organisms. The overall aim of the present PhD thesis was to clarify the impact of 15 APIs and 6 mixtures in terms of bioaccumulation and onset of adverse effects in non-target aquatic species, toward the development of an environmental risk assessment procedure for these chemicals. In vivo, ex vivo and in vitro approaches were applied using various organisms of different trophic levels. Results from chronic in vivo exposures highlighted mussels’ capability to accumulate most of tested APIs, the impairment of immune system, lipid and oxidative metabolisms, a faster drugs excretion compared to the recovery of the adverse effects, and a lack of additive or synergistic interactions in mixtures. The same metabolic pathways were also modulated in the same species tested through an ex vivo approach. Climate change related stressors increased APIs toxicity: acidification exacerbated the oxidative stress while marine heatwaves amplified immune responses. Acute in vivo and in vitro tests revealed that psychiatric drugs were the most reactive therapeutic class, and that in mixtures toxicity was not related to the number of the combined APIs but rather to the potential interaction among their components. Overall results integrated through a Weight of Evidence model helped the development of the first environmental risk assessment procedure for pharmaceuticals in marine ecosystems.

I composti farmaceutici (API) rappresentano una crescente preoccupazione per gli ecosistemi marini a causa della loro presenza ubiquitaria e della loro capacità di indurre alterazioni negli organismi non-target. L'obiettivo della presente tesi di dottorato è stato quello di chiarire l'impatto di 15 API e 6 miscele studiando il bioaccumulo e l’insorgenza di effetti in specie aquatiche non-target, con l'intento di sviluppare una procedura di valutazione di rischio ambientale per queste sostanze. Sono stati applicati approcci in vivo, ex vivo e in vitro su vari organismi appartenenti a livelli trofici differenti. I risultati delle esposizioni croniche in vivo hanno evidenziato la capacità dei mitili di accumulare la maggior parte degli API testati, il danneggiamento del sistema immunitario, dei metabolismi lipidico e ossidativo, il persistere delle alterazioni biologiche anche al termine di un periodo di depurazione e l'assenza di interazioni additive/sinergiche nelle miscele. Le stesse vie metaboliche sono state modulate negli studi ex vivo condotti sul mitilo. Il cambiamento climatico aumenta la tossicità degli API: l’acidificazione, esacerbando lo stress ossidativo, e le ondate di calore marine, amplificando risposte immunitarie. I test acuti in vivo e in vitro hanno rivelato che i farmaci psichiatrici risultano essere la classe terapeutica più reattiva, e che nelle miscele la tossicità non è correlata al numero di API combinati, ma alle possibili interazioni che si instaurano tra le singole molecole. I risultati complessivi, integrati attraverso un modello di Weight of Evidence, hanno contribuito allo sviluppo della prima procedura di valutazione del rischio ambientale per i farmaci negli ecosistemi marini.