VEDA/LECHB

Residues of pharmaceuticals and their metabolites can be found in surface waters, where they can adversely affect aquatic organisms and the ecosystem. As part of the project financed by the Czech Science Foundation, in cooperation with our University's Faculty of Science, we conducted a mesocosm experiment focused on the effects of one-time pharmaceutical pollution on various species of aquatic invertebrates. In addition, we simulated the effects of global warming, which is another critical environmental stressor.

The experiment was conducted in four groups: an exposed group (organisms exposed to a mixture of 15 pharmaceuticals commonly found in surface waters), a control group (without pharmaceuticals), and variants of the previous two with a temperature of 4 °C higher. The design of the experiment simulated a pulse contamination of the habitat in the cold season (September to March) and then in the summer (June to August). During the experiment, we monitored the concentrations of added pharmaceuticals and their metabolites in water. At the end of the experiment, we analyzed the concentration of these compounds in individual invertebrate species, as well as other mesocosm components, by liquid chromatography with mass spectrometric detection.

A few pharmaceuticals, e.g., atenolol and metoprolol, were converted to transformation products during the experiment, but most were still present in the water even several months after the single application. The pharmaceuticals were also detected in biota. Those with the highest bioaccumulation included the opioid tramadol, the antiepileptic drug carbamazepine, the cardiovascular drug telmisartan, the antidepressants venlafaxine and citalopram, and the antihistamine cetirizine. This bioaccumulation was taxon, season, and temperature dependent. Water louse(Asselus aquaticus) and great ramshorn (Planorbarius corneus) showed bioaccumulation of the highest number of pharmaceuticals and their metabolites and can be used as sentinel bioindicators for environmental studies dealing with climate change and anthropogenic pollution.

Detail information can be found in the original paper Grabicová, K., Duchet, C., Švecová, H., Randák, T., Boukal, D.S. and Grabic, R., 2024. The effect of warming and seasonality on bioaccumulation of selected pharmaceuticals in freshwater invertebrates. Water Research 254: 121360. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121360

“Out of sight, out of mind” is how we often treat what is flushed down our toilets. But the drugs we take, from anxiety medications to antibiotics, don’t simply vanish after leaving our bodies. Many are not fully removed by wastewater treatment systems and end up in rivers, lakes and streams, where they can linger and affect wildlife in unexpected ways.

In the new international study published in Science journal, researchers investigated how psychoactive pharmaceuticals influence the migration of juvenile Atlantic salmon (Salmo salar). Successful seaward migration is the great challenge for the salmon smolts who spend their first two years in the upper stretches of the rivers. However, their chances to getting back for the reproduction after growing and maturing in the ocean is dependent on this very journey.

To study the migration of juvenile salmon in its natural habitat, fish were equipped with miniature transmitters allowing researchers to track their movement along the Swedish river Dalälven towards their ultimate goal – the Baltic Sea. Besides the transmitters, each fish also received an implant that slowly released studied pharmaceuticals in the fish body over the period of several weeks. The dose of the pharmaceuticals corresponded to concentrations that has been previously measured in aquatic organisms captured in the wild and therefore considered as “environmentally relevant”.

The results show that clobazam, a drug used to treat anxiety and epilepsy, among others, affected the natural behavior of juvenile salmon vital for their survival in the wild. The fish that received the clobazam implant had a higher chance to succeed in their river-to-sea migration compared with untreated fish, but they also participated less in shoaling. While an increase in migration success might initially sound like a positive effect, any disruption to natural behaviour is likely to be negative in the long term. The fact that clobazam exposed fish cared less about shoaling and migrated faster in the river is making them more vulnerable to predation from the bigger fish and fish eating birds that are plentiful in the area.

In any case, this unique study represents one of the first to describe the effects of pharmaceuticals on fish behavior in their natural habitat as until now, only laboratory based studies were performed.

A detailed information could be found in the original article:

Brand, J.A., Michelangeli, M., Shry, S.J.,  Moore, E.R.,  Bose, A.P.H, Cerveny, D., Martin, J.M., Hellström, G.,  McCallum, E.S., Holmgren, A., Thoré, E.S.J.,  Fick, J., Brodin, T., Bertram, M.G., 2025. Pharmaceutical pollution influences river-to-sea migration in Atlantic salmon (Salmo salar). Science 388 (6743), 217—222. https://doi.org/10.1126/science.adp7174

The publicly accessible simplified version can be found here.

Intro. fig. 1. Two years old Atlantic salmon (smolt) ready for release.

Fig. 2. Release of experimental smolts into the Swedish river Dalälven.

Fig. 3. Application of the implant containing studied pharmaceuticals.

Written by: Daniel Červený

Photo by: Michael Bertram

In water chemical monitoring, grab sampling is commonly used, providing information on pollution only at the moment of sampling. However, passive sampling provides a representative time-weighted average concentration over the sampling period, better reflecting the exposure of aquatic organisms to chemical substances in water. A passive sampler is a small, simple device consisting of a sorbent separated from the water by a permeable barrier, such as a polymer membrane or a thin layer of hydrogel. The sorbent inside the sampler is capable of capturing chemical substances from the water that can pass through the barrier. This process of capturing (accumulating) chemical substances from the water occurs spontaneously, based solely on the difference in concentrations of the chemical substance in the sampled water and in the sampler. After a certain period, the passive sampler is retrieved from the water, processed, and analysed in the laboratory. From the results of the concentrations of chemical substances found in the sampler, we are then able to determine the concentration of these substances in the water. The advantage of a passive sampler is that it can be left in the water for several days to weeks, during which it captures chemical substances from the water, allowing us to determine their time-weighted average concentration.

In this study, we tested three types of passive samplers, which differed in construction, type of sorbent, diffusion barrier used, but also in the surface area of the sampler exposed to water. These three types of passive samplers were immersed for several weeks in treated water effluent from a wastewater treatment plant, which contains residues of pharmaceuticals, pesticides, and other chemical substances, as the existing purification technology cannot completely remove them. The aim of the study was to compare the three selected passive samplers according to several criteria, such as the range of identified chemical substances, the duration of time-integrative sampling (how long the concentration in the sampler increases linearly over time), and the resistance of the sampler to damage. It was found that all three samplers provide comparable results and are suitable for use in monitoring pharmaceuticals and pesticides in wastewater. However, one passive sampler (Speedisk) overcomes the others in some parameters, especially in the duration of time-integrative sampling and physical resistance to external conditions.

Detailed information is available in the original article:Fialová, P., Šverclová, K., Grabicová, K., Grabic, R., Švecová, H., Nováková, P., Vrana, B., 2024. Performance comparison of three passive samplers for monitoring of polar organic contaminants in treated municipal wastewater. Science of the Total Environment 907: 168153. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168153

Written by: Pavla Fialová

Even invisible water pollution can leave a substantial mark on nature. The results of a study published in the Journal of Hazardous Materials showed that seemingly clean water discharged from wastewater treatment plants can still pose risks to aquatic organisms in our rivers and streams.

Brown trout (Salmo trutta m. fario) is a species sensitive to environmental changes and a valuable indicator of water quality. In our experiment, we introduced trout into a watercourse receiving treated urban wastewater upstream and downstream of the wastewater treatment plant. We monitored fish for toxicological parameters at intervals of 6, 14, and 24 weeks. Simultaneously, using a non-invasive method called passive sampling, we monitored pollutants in the water and tested their biological effects through in vitro laboratory tests. This experiment was unique in combining real-world fish exposure with advanced trace analytical methods followed by toxicological assays. We measured specific changes in fish, such as hormone levels, stress responses, and tissue damage indicators, to understand their reactions to long-term exposure to low concentrations of pollutants.

The study results indicated that even treated water may contain micropollutants (residues of chemicals from commonly used products such as medications, cleaning agents, or pesticides) that accumulate over time. These substances can disrupt fish hormonal systems, weaken their defence capacity, and potentially endanger their reproduction.

Our study also highlighted the possibility of predicting environmental threats before visible damage occurs – thanks to passive water sampling and sensitive laboratory tests. This approach can contribute to better biodiversity protection, especially in urbanised areas where watercourses often receive treated but not entirely clean water. Furthermore, it could be part of future strategies to prioritise wastewater treatment plants to upgrade their purification technologies in line with new legislation. Our findings underscore the need for more effective wastewater management to protect aquatic organisms safely.

Further details can be found in the original paper: 

Koubová, A., Toušová, Z., Šauer, P., de Sales-Ribeiro, C., Vrana, B., Smutná, M., Kocour Kroupová, H., Grabicová, K., Schmidt-Posthaus, H., Randák, T., Grabic, R., Hilscherová, K., Žlábek, V., 2025. Biomarker responses in wild brown trout from a headwater stream and their causal link to water pollution assessed through chemical analysis and in vitroreporter gene bioassays. Journal of Hazardous Materials 494, 138433. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138433

Author: Anna Koubová

V monitoringu chemických látek ve vodě se standardně používají bodové odběry, které poskytují informaci o znečištění pouze v okamžik odběru. Pasivní vzorkování však poskytuje reprezentativní časově váženou průměrnou koncentraci za vzorkované období, a lépe tak odráží expozici vodních organismů chemickým látkám přítomným ve vodě. Pasivní vzorkovač je malé jednoduché zařízení, které se skládá ze sorbentu, který je oddělen od vody propustnou bariérou, např. polymerní membránou nebo tenkou vrstvou hydrogelu. Sorbent uvnitř vzorkovače je schopný zachytávat chemické látky z vody, které dokáží projít bariérou. Tento proces zachytávání (akumulace) chemických látek z vody je samovolný, a to pouze na základě rozdílu koncentrací chemické látky ve vzorkované vodě a ve vzorkovači. Po uplynutí určené doby je pasivní vzorkovač vyjmut z vody, zpracován a analyzován v laboratoři. Z výsledků koncentrací chemických látek, které jsme našli ve vzorkovači, jsme pak přepočtem schopni určit, jaká byla koncentrace těchto látek ve vodě. Výhodou pasivního vzorkovače je, že ho ve vodě můžeme nechat po dobu několika dní až týdnů, po kterou zachycuje chemické látky z vody, a dokážeme tak určit jejich časově váženou průměrnou koncentraci.

V naší současné studii jsme testovali tři pasivní vzorkovače, které se lišily konstrukcí, typem sorbentu, použitou difúzní bariérou, ale také plochou vzorkovače, která je vystavena vodě. Tyto tři typy pasivních vzorkovačů byly několik týdnů ponořeny do vyčištěné vody odtékající z čistírny odpadních vod, která ale obsahuje zbytky léčiv, pesticidů a dalších chemických látek, jelikož je stávající technologie čištění nedokáže dokonale odstranit. Cílem studie bylo tři vybrané pasivní vzorkovače porovnat, a to podle několika kritérií, jako je rozsah identifikovaných chemických látek, délka časově-integrativního vzorkování (jak dlouho roste koncentrace ve vzorkovači lineárně v čase) a odolnost vzorkovače vůči poškození. Bylo zjištěno, že všechny tři vzorkovače poskytují srovnatelné výsledky, a jsou vhodné pro použití v monitoringu léčiv a pesticidů v odpadní vodě. Jeden pasivní vzorkovač (Speedisk) však v některým parametrech překonává ostatní, a to zejména v délce časově-integrativního vzorkování a také fyzické odolnosti vůči vnějším vlivům.

Podrobné informace jsou dostupné v původním článku: Fialová, P., Šverclová, K., Grabicová, K., Grabic, R., Švecová, H., Nováková, P., Vrana, B., 2024. Performance comparison of three passive samplers for monitoring of polar organic contaminants in treated municipal wastewater. Science of the Total Environment 907: 168153. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168153

Autorka: Pavla Fialová

Scientists from Faculty of Fisheries and Protection of Waters of the University of South Bohemia in České Budějovice (USB) monitored the occurrence of psychoactive drugs in water and in the early developmental stages of fish living in a stream affected by municipal pollution. As part of an international research collaboration with colleagues from Baylor University in the USA, they found groundbreaking information on the accumulation of psychoactive drugs in the eggs and fry of trout - a native species in our streams. Its eggs develop hidden in gravel for several months after spawning and can be affected by foreign substances present in the water throughout this time. Researchers have provided the first evidence of the accumulation of psychoactive drugs, which must not be given to pregnant women because of potential harm to the mother, the fetus, or disruption of the pregnancy, in the eggs and hatchlings. The results of the research, which was carried out within the framework of the project 20-04676X of the Grant Agency of the Czech Republic, have been published in the prestigious journal Environmental Science and Technology.

The research was conducted under realistic conditions of a small stream influenced by the inflow of "treated" wastewater from a wastewater treatment plant (WWTP). It was conducted at two sites: a control site above the WWTP and a polluted site below it. Scientists monitored and compared the development of eggs and subsequently hatched fry between sites over several months. At the same time, the concentrations of selected psychoactive drugs in continuously sampled samples of these developmental stages were monitored and the level of their so-called bioaccumulation, i.e. their potential to accumulate in organisms, was assessed.

"This was unique research that was not conducted in the laboratory but under real flow conditions. It is a real scenario relevant to a significant group of our streams that are affected by this type of pollution. Successful natural reproduction is crucial for wild fish populations, and this success can be threatened by this type of pollution," explains Assoc. Roman Grabic from the Laboratory of Environmental Chemistry and Biochemistry at the Faculty of Fisheries and Protection of Waters, USB. He conducted the research together with Assoc. Kateřina Grabicová from the same laboratory and Bryan W. Brooks, professor of environmental science and public health at Baylor University.

Many factors influence the health of fish in our streams

The World Health Organization has noted an increase in the global consumption of psychoactive drugs since the COVID-19 pandemic, prompting South Bohemia and Baylor scientists to look more intensively at the occurrence of these substances in aquatic ecosystems and their effects on aquatic organisms. As the human population's consumption of psychoactive substances increases, so does their presence in treated wastewater and subsequently in the aquatic environment. Some psychoactive drugs must not be used by pregnant women because of their ability to cross the maternal placental barrier into the developing foetus, which may affect its development. The fish brain shares many receptors and enzymes with the human brain, suggesting that the bioaccumulation of psychoactive drugs during early development may compromise proper development.

By tracking fish from eggs to young wild individuals, scientists have found that drugs used to treat conditions such as depression, anxiety, or cognitive decline accumulate in these fish.  Several of the drugs studied exceeded the internationally recognised safe limit for bioaccumulation, meaning that concentrations in eggs and other developmental stages of the fish were higher than regulators consider acceptable from a water-quality perspective.

Researchers on this team broke further boundaries with a new approach that enabled them to obtain deeper, repeatable results on the effects of pollution on fish egg and hatchling development, directly upstream and downstream of the pollution source. This approach has allowed scientists to observe the effects of long-term pollution exposure on developing early-stage fish under completely natural conditions.

"We used special floating apparatus for egg incubation, which we placed in numbers of several directly in the stream above and below the outflow of treated wastewater from the WWTP. We placed trout eggs in the apparatus and then periodically monitored mortality and sampled for analyses of developmental rates and levels of observed psychoactive substances at early developmental stages during incubation and subsequent development. At the same time, we also monitored the occurrence of foreign substances in river water. After flushing the fry, we planted them in the stream and then monitored them further by electrofishing. At the end of the experiment, we also analysed the sex ratio of the control and exposed groups," adds Kateřina Grabicová.

Czech-American cooperation

Researchers from the University of South Bohemia and Baylor University have long collaborated on projects related to water quality, fish contamination, and public health. Each of the partners has unique know-how and infrastructural facilities, represented by the South Bohemian Research Centre for Aquaculture and Biodiversity of Hydrocenoses /CENAKVA/ at USB and the "Environmental Health Science centre" at Baylor University.

"The partnership with Baylor University represents an exceptional alignment of complementary expertise. By combining our expertise, we are able to bring scientifically sound answers to some of the most pressing environmental challenges of our time," adds Prof. Vladimír Žlábek, Vice-Rector for International Relations at the University of South Bohemia.

"International partnerships such as this one uniquely advance science and bring mutual benefits to both institutions, as our skills complement each other in finding answers to new questions about water resources in Central Texas and Central Europe that are important for advancing global knowledge," concludes Prof. Bryan W. Brooks on behalf of the American side.

The results of the current research raise an important question: how can chemicals affect fish development, behaviour, and long-term population health? The researchers note that the purpose of the research is not to stigmatize psychoactive drugs, but to provide data that can support the development of more environmentally friendly pharmaceuticals, promote proper disposal of unused drugs, lead to innovations for more sustainable healthcare, and promote healthy freshwater ecosystems and fisheries.

„Sejde z očí, sejde z mysli“, i tak by se dal popsat náš vztah k tomu, co opouští naše domovy skrze toaletní mísu. Bohužel celá řada léčiv včetně psychoaktivních látek, jako například antidepresiva nebo léky proti úzkosti, jednoduše nezmizí poté, co opustí naše tělo. Namísto toho se vlivem nedostatečného čištění odpadních vod dostávají tyto látky do vodního prostředí, kde negativně ovlivňují organismy v něm žijící, včetně ryb.

V nové mezinárodní studii publikované v prestižním časopisu Science se vědci zaměřili na vliv psychoaktivních léčiv na migrační schopnost raných stadií lososa atlantského (Salmo salar). Pro mladé lososy, kteří se vylíhnou a stráví první dva roky života v horních úsecích řek, je úspěšná migrace do moře první těžkou zkouškou nezbytnou pro dosažení dospělosti a následný návrat zpět do řek za účelem rozmnožování.

Aby bylo možné efektivně zkoumat účinky vybraných léčiv na pohyb ryb v jejich přirozeném prostředí, byli jedinci lososa vybaveni malými vysílačkami monitorujícími jejich pohyb švédskou řekou Dalälven na cestě do Baltského moře. Kromě vysílaček byl rybám také aplikován implantát, který po dobu několika týdnů uvolňoval do jejich těla malé množství studovaných léčiv, odpovídající koncentracím, jež byly v minulosti zjištěny u řady volně žijících vodních organismů.

Z výsledků studie vyplývá, že clobazam, lék používaný například při léčbě úzkosti a epilepsie, ovlivňuje přirozené chování mladých lososů nezbytné pro jejich přežití ve volné přírodě. Ryby ovlivněné clobazamem měly menší tendenci zdržovat se v hejně s ostatními jedinci a dosáhly moře ve větším počtu než kontrolní skupina, která nebyla účinkům testovaného léčiva vystavena. Jakkoliv mohou tyto závěry navozovat pocit pozitivního efektu směrem k úspěšné migraci, na výsledky je nutné pohlížet mnohem širší optikou. Skutečnost, že se mladí lososi vystavení účinkům clobazamu nedrží hejna a migrují řekou rychleji, je totiž s mnohem větší pravděpodobností vystavuje riziku predace jak ze strany větších ryb, tak rybožravých ptáků.

V každém ohledu však tato unikátní studie, jako jedna z prvních, přináší poznání o dopadech léčiv na chování vodních organismů ve volné přírodě, jež byly do této doby pozorovány pouze v laboratorních podmínkách.

Brand, J.A., Michelangeli, M., Shry, S.J.,  Moore, E.R.,  Bose, A.P.H, Cerveny, D., Martin, J.M., Hellström, G.,  McCallum, E.S., Holmgren, A., Thoré, E.S.J.,  Fick, J., Brodin, T., Bertram, M.G., 2025. Pharmaceutical pollution influences river-to-sea migration in Atlantic salmon (Salmo salar). Science 388 (6743), 217—222. https://doi.org/10.1126/science.adp7174

Případně ve zjednodušené, veřejně přístupné verzi zde.

Úvodní obr. 1. Dvouletý losos atlantský (smolt) připravený k vysazení.

Obr. 2. Vysazení experimentálních smoltů do švédské řeky Dalälven.

Obr. 3. Aplikace implantátu obsahujícího studovaná léčiva.

Autor: Daniel Červený

Foto: Michael Bertram

I neviditelné znečištění vody může zanechat výraznou stopu v přírodě. Výsledky studie publikované  v časopise Journal of Hazardous Materialsukázaly, že zdánlivě čistá voda vypouštěná z čistíren odpadních vod může stále představovat riziko pro volně žijící organismy v našich řekách a potocích.

Pstruh obecný potoční (Salmo truttam. fario) je druh citlivý na změny prostředí a cenný ukazatel kvality vody. V našem experimentu jsme do vodního toku, který přijímá čištěnou městskou odpadní vodu, nasadili pstruhy do úseku nad a pod čistírnou odpadních vod, a v časových intervalech po 6, 14 a 24 týdnech jsme sledovali toxikologické parametry u ryb. Současně jsme pomocí neinvazivní metody zvané pasivní vzorkovánímonitorovali znečišťující látky ve vodě a testovali jejich biologické účinky prostřednictvím laboratorních in vitrotestů. Tento experiment byl výjimečný tím, že kombinoval expozici ryb v reálném prostředí s nejmodernějšími analytickými a toxikologickými metodami. U ryb jsme měřili konkrétní změny, jako jsou hladiny hormonů, reakce na stres a známky poškození tkání, abychom zjistili, jak reagují na dlouhodobé působení nízkých koncentrací znečištění.

Výsledky studie ukázaly, že i čištěná voda může obsahovat mikropolutanty(zbytky chemických látek z běžně používaných produktů, jako jsou léky, čisticí prostředky nebo pesticidy), které se v čase hromadí. Tyto látky mohou narušovat hormonální systém ryb, oslabovat jejich přirozenou obranyschopnost a potenciálně ohrozit jejich rozmnožování.

Naše studie zároveň poukázala na to, že je možné předpovědět environmentální hrozby dříve, než dojde k viditelnému poškození – díky pasivnímu vzorkování vody a citlivým laboratorním testům. Tento přístup může pomoci lépe chránit biodiverzitu, zejména v urbanizovaných oblastech, kde vodní toky často přijímají sice čištěnou, ale ne zcela čistou vodu. Dále může být v budoucnu součástí strategie pro prioritizaci čistíren odpadních vod z hlediska modernizace jejich čistírenských technologií, ke které bude muset dojít v souvislosti s novou legislativou. Naše výsledky zdůrazňují potřebu efektivnějšího nakládání s odpadními vodami, aby bylo možné bezpečně chránit vodní organismy.

Další podrobnosti naleznete v původním článku:

Koubová, A., Toušová, Z., Šauer, P., de Sales-Ribeiro, C., Vrana, B., Smutná, M., Kocour Kroupová, H., Grabicová, K., Schmidt-Posthaus, H., Randák, T., Grabic, R., Hilscherová, K., Žlábek, V., 2025. Biomarker responses in wild brown trout from a headwater stream and their causal link to water pollution assessed through chemical analysis and in vitroreporter gene bioassays. Journal of Hazardous Materials 494, 138433. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.138433

Autor: Anna Koubová

Nová studie „Eyes as a Novel Target of Psychoactive Contaminants in Fish“ (Fedorova a kol.) odhaluje, že oči ryb mohou být ovlivněny stopovými koncentracemi psychoaktivních léčiv přítomných ve vodním prostředí.

Psychoaktivní farmaka, jako jsou antidepresiva či anxiolytika, představují nově se objevující kontaminanty, které jsou často detekovány v povrchových vodách. Tyto látky působí na neurotransmiterové systémy, které jsou evolučně konzervovány napříč obratlovci.

Pomocí analýz kapalinové chromatografie spojené s hmotnostní spektrometrií autoři prokázali, že tyto látky mohou ovlivňovat oční tkáně ryb – nejen jejich mozek. Mezi pozorovanými účinky byly změny v hladinách neurotransmiterů v očních tkáních, které mohou vést až k poruchám vidění.

Studie naznačuje, že zdraví očí a zrakové zpracování mohou sloužit jako citlivé a integrované ukazatele expozice kontaminantům, s možnými důsledky pro přežívání ryb v důsledku zhoršeného vyhledávání potravy či schopnosti vyhnout se predátorům. Toto zjištění je mimořádně nové, protože většina ekotoxikologických studií psychoaktivních kontaminantů se doposud zaměřovala především na nervové nebo behaviorální projevy, zatímco účinky na oči zůstávaly téměř neprozkoumané.

Tento výzkum otevírá novou oblast v akvatické toxikologii a zdůrazňuje význam hodnocení odpovědí celého organismu – nejen mozku a chování – při posuzování rizik spojených s farmaceutickým znečištěním.

Článek byl rovněž vybrán pro titulní stranu aktuálního čísla časopisu Environmental Science & Technology Letters a doprovází jej ilustrace vytvořená samotnými autory. Toto ocenění podtrhuje vědecký i vizuální přínos studie a přináší mezinárodní pozornost výzkumu realizovanému na FROV JU a CENAKVA.

Reference:

Fedorova, G., Sotnikov, A., Turek, J., Galicová, P., Kapukotuwa, G. R., Randák, T., Boryshpolets, S. (2025). Eyes as a Novel Target of Psychoactive Contaminants in Fish. Environmental Science & Technology Letters, 12 (10), 1301–1307.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.5c00607

The Danube is the largest river in the EU that flows 2826 km southeastwards from Germany to the Black Sea and collects water from a river basin that includes 19 countries, more than any other river in the world. With the aim of obtaining a complex picture of the water quality in the Danube and its major tributaries, the International Commission for the Protection of the Danube River organises periodic investigations: the Joint Danube Surveys (JDS).

The key purpose of JDS is to gather vital data on carefully selected elements of water quality across the entire length of the Danube River and its major tributaries. Four JDSs have been previously conducted - in 2001, 2007, 2013 and 2019 - and the fifth of its kind, JDS5, takes place throughout 2025. The outcome of the JDS5 should cover the information gaps deemed necessary for the planned 2027 update of the Danube River Basin Management Plan.

Since 2013, researchers from the Centre RECETOX of Masaryk University in Brno (www.recetox.cz)  and the Centre CENAKVA of the Faculty of Fisheries and Protection of Waters of the University of South Bohemia in České Budějovice (www.cenakva.cz) , with the support of the NORMAN association, have actively contributed to the JDS. In 2019, their study set a baseline for characterising chemical pollution in the Danube River using an innovative approach, combining the use of passive sampling technology with comprehensive chemical and bioanalytical assessment at ten sampling sites along the river. In 2025, the study will be repeated to investigate how the contamination patterns and trends have changed in six years.

Toxicologist Branislav Vrana from the RECETOX Centre of Masaryk University in Brno spoke about the research on the Danube River on "Český rozhlas Plus" (7:44-7:52).

Zbytky léčiv a jejich metabolitů lze najít v povrchových vodách, kde mohou negativně působit na vodní organismy i celý ekosystém. V rámci projektu GAČR jsme ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou naší univerzity provedli mesokosmový experiment, ve kterém jsme se zaměřili na vliv jednorázového znečištění léčivy na různé druhy vodních bezobratlých. K tomu jsme navíc simulovali vliv globálního oteplování, které je dalším důležitým stresorem.

Experiment by proveden ve čtyřech skupinách: exponovaná skupina (organismy, které byly vystaveny směsi 15 léčiv běžně se vyskytujících ve vodních tocích), kontrolní skupina (bez léčiv) a varianty obou předchozích s teplotou o 4 °C vyšší. Uspořádání pokusu simulovalo jednorázové znečištění biotopu v chladné sezóně (září až březen) a poté v létě (červen až srpen). Během experimentu jsme sledovali koncentrace přidaných léčiv a také jejich metabolitů ve vodě. Po ukončení experimentu jsme v jednotlivých druzích bezobratlých a také dalších složkách mesokosmů analyzovali koncentraci léčiv a jejich metabolitů kapalinovou chromatografií s hmotnostně-spektrometickou detekcí.

Několik léčiv, např. atenolol a metoprolol, bylo během pokusu přeměněno na transformační produkty, ale velká část byla ve vodě přítomna i několik měsíců po jednorázové aplikaci. Další léčiva pak byla nalezena v biotě. Mezi léčiva s nejvyšší bioakumulací patřil opioid tramadol, antiepileptikum karbamazepin, kardiovaskulární telmisartan, antidepresiva venlafaxin a citalopram a antihistaminikum cetirizin. Tato bioakumulace byla závislá na druhu, teplotě i sezóně. Beruška vodní (Asselus) a okružák ploský (Planorbarius corneus) vykazovaly hromadění nejvyšší počtu léčiv a jejich metabolitů a mohou být využity jako bioindikátory environmentálních studií zabývajících se klimatickými změnami a antropogenním znečištěním.

Podrobné informace lze nalézt v původním článku Grabicová, K., Duchet, C., Švecová, H., Randák, T., Boukal, D.S., Grabic, R., 2024. The effect of warming and seasonality on bioaccumulation of selected pharmaceuticals in freshwater invertebrates. Water Research 254: 121360. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121360

Vědci z Fakulty rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích (JU) sledovali výskyt psychoaktivních léčiv ve vodě a v raných vývojových stadiích ryb žijících v toku ovlivněném komunálním znečištěním. V rámci mezinárodního výzkumu, na kterém spolupracovali s kolegy z Baylor University v USA, zjistili přelomové informace o hromadění psychoaktivních léčiv v jikrách a plůdku pstruha obecného – původního druhu v našich tocích. Jeho jikry se po nakladení vyvíjejí ukryté ve štěrku několik měsíců a po celou dobu je tak mohou ovlivňovat cizorodé látky přítomné ve vodě. Výzkumníci přinesli první důkaz o hromadění psychoaktivních léčiv, které nesmí být podávány těhotným ženám z důvodu možného poškození matky, plodu nebo narušení průběhu těhotenství, v jikrách a vylíhlém váčkovém plůdku. Výsledky výzkumu dosaženého v rámci projektu Grantové agentury ČR 20-04676X zveřejnil prestižní časopis Environmental Science and Technology. 

Výzkum byl proveden v reálných podmínkách malého toku ovlivněného přítokem „vyčištěné“ odpadní vody z čistírny odpadních vod (ČOV). Probíhal ve dvou lokalitách – v kontrolní nad ČOV a znečištěné pod ČOV. Vědci po dobu několika měsíců sledovali a mezi lokalitami porovnávali vývoj jiker a následně vylíhlého plůdku. Zároveň byly sledovány koncentrace vybraných psychoaktivních léčiv v průběžně odebíraných vzorcích těchto vývojových stadií a posuzována úroveň jejich tzv. bioakumulace, tzn. potenciál jejich hromadění v organismech.

„Šlo o unikátní výzkum, který neprobíhal v laboratoři, ale v podmínkách skutečného toku. Jedná se o reálný scénář relevantní pro významnou skupinu našich toků, které jsou ovlivněny tímto typem znečištění. Pro volně žijící populace ryb je klíčové jejich úspěšné přirozené rozmnožování a tato úspěšnost může být právě tímto druhem znečištění ohrožena," vysvětluje doc. Roman Grabic z Laboratoře environmentální chemie a biochemie Fakulty rybářství a ochrany vod JU. Výzkum vedl společně s doc. Kateřinou Grabicovou ze stejné laboratoře a profesorem environmentálních věd a veřejného zdraví na Baylor University Bryanem W. Brooksem.

Zdraví ryb v našich tocích ovlivňuje mnoho faktorů

Světová zdravotnická organizace zaznamenala od pandemie COVID-19 nárůst celosvětové spotřeby psychoaktivních léčiv, což jihočeské a baylorské vědce přimělo se intenzivněji zabývat výskytem těchto látek ve vodních ekosystémech a jejich vlivem na vodní organismy. Vzhledem k tomu, že v lidské populaci spotřeba psychoaktivních látek roste, roste i jejich přítomnost ve vyčištěné odpadní vodě a následně i ve vodním prostředí. Některá psychoaktivní léčiva nesmí být užívána těhotnými ženami kvůli jejich schopnosti pronikat přes placentární bariéru matky do vyvíjejícího se plodu, což může ovlivňovat jeho vývoj. Mozek ryb má mnoho receptorů a enzymů společných s lidským mozkem, což znamená, že v důsledku bioakumulace psychoaktivních léčiv v průběhu raného vývoje jedince může být ohrožen jeho správný vývoj.  

Sledováním ryb od jiker až po mladé volně se pohybující jedince vědci zjistili, že se v těchto rybách hromadí léčiva používaná k léčbě stavů jako je deprese, úzkost nebo pokles kognitivních funkcí.  Několik sledovaných léčiv překročilo mezinárodně uznávanou bezpečnou mez bioakumulace, což znamená, že koncentrace v jikrách a dalších vývojových stádiích ryb byla vyšší než regulační orgány považují za přijatelné z pohledu kvality vody.

Výzkumníci z tohoto týmu prolomili další hranice díky novému přístupu, který umožnil získat hlubší a opakovatelné výsledky týkající se vlivu znečištění na vývoj rybích jiker a vylíhlého plůdku přímo v toku nad i pod zdrojem znečištění. Tento přístup umožnil vědcům pozorovat dopady dlouhodobého působení znečištění na vyvíjející se raná stadia ryb ve zcela přirozených podmínkách. 

„Použili jsme speciální plovoucí aparáty pro inkubaci jiker, které jsme v počtu několika kusů umístili přímo do toku nad a pod odtok vyčištěné odpadní vody z ČOV. Do aparátů jsme umístili jikry pstruha obecného a pak v průběhu inkubace a následného vývoje pravidelně zjišťovali mortalitu a odebírali vzorky pro analýzy rychlosti vývoje a obsahu sledovaných psychoaktivních látek v raných vývojových stadiích. Současně jsme sledovali výskyt cizorodých látek i v říční vodě. Po rozplavání plůdku jsme ho vysadili do toku a následně jej dále sledovali pomocí odlovů elektrickým agregátem. Na konci experimentu jsme analyzovali i poměr pohlaví v rámci kontrolní a exponované skupiny,“ dodává Kateřina Grabicová.

Česko-americká spolupráce

Výzkumníci z Jihočeské univerzity a Baylor University dlouhodobě spolupracují na projektech týkajících se kvality vody, kontaminace ryb a veřejného zdraví. Každý z partnerů disponuje unikátním know-how a infrastrukturním zázemím, které je zastoupeno Jihočeským výzkumným centrem pro akvakulturu a biodiverzitu hydrocenóz /CENAKVA/ na JU a centrem „Environmental Health Science“ na Baylorské univerzitě.

„Partnerství s Baylor University představuje výjimečné sladění vzájemně se doplňujících odborných znalostí. Spojením našich odborných znalostí jsme schopni přinést vědecky podložené odpovědi na některé z nejnaléhavějších environmentálních výzev současnosti," dodává prof. Vladimír Žlábek, prorektor pro zahraniční vztahy Jihočeské univerzity.

„Mezinárodní partnerství, jako je toto, jedinečným způsobem rozvíjí vědu a přináší oboustranný prospěch oběma institucím, protože se vzájemně doplňují naše dovednosti při hledání odpovědí na nové otázky týkající se vodních zdrojů ve středním Texasu i ve střední Evropě, které jsou důležité pro rozvoj celosvětového poznání," uzavírá za americkou stranu prof.  Bryan W. Brooks.

Výsledky aktuálního výzkumu otevírají důležitou otázku: jak mohou chemické látky ovlivňovat vývoj ryb, jejich chování a dlouhodobý zdravotní stav populace? Výzkumníci poznamenávají, že smyslem výzkumu není stigmatizovat psychoaktivní léčiva, ale poskytnout údaje, které mohou podpořit vývoj ekologicky šetrnějších forem léčiv, správnou likvidaci nepoužívaných léků, vést k inovacím pro udržitelnější zdravotní péči a podpořit zdravé sladkovodní ekosystémy a rybolov.

Reportáž z České telezice (21. minuta) ke zhlédnutí zde.

Dunaj je největší řekou v Evropské unii, která teče 2 826 km jihovýchodním směrem z Německa do Černého moře a sbírá vodu z povodí, které zahrnuje 19 zemí, což je více než kterákoli jiná řeka na světě. S cílem získat komplexní obraz o kvalitě vody v Dunaji a jeho hlavních přítocích pořádá Mezinárodní komise pro ochranu Dunaje pravidelný Společný průzkum Dunaje (JDS).

Hlavním účelem JDS je shromáždit důležité údaje o kvalitě vody v celé délce Dunaje a jeho hlavních přítoků. V minulosti byly provedeny čtyři JDS – v letech 2001, 2007, 2013 a 2019 – a pátý svého druhu, JDS5, probíhá v průběhu roku 2025. Cílem JDS5 je pokrýt informační mezery, nezbytné pro plánovanou aktualizaci Plánu povodí Dunaje v roce 2027.

Od roku 2013 se výzkumníci z Centra RECETOX Masarykovy univerzity v Brně (www.recetox.cz) a z Centra CENAKVA Fakulty rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích (www.cenakva.cz) s podporou asociace NORMAN (www.norman-network.net) aktivně podílejí na projektu JDS. V roce 2019 jejich studie stanovila základní linii pro charakterizaci chemického znečištění v řece Dunaj pomocí inovativního přístupu, který kombinuje využití pasivní technologie odběru vzorků s komplexním chemickým a bioanalytickým hodnocením na deseti odběrných místech podél řeky. V roce 2025 je studie zopakována, aby se zjistilo, jak se vzorce a trendy kontaminace dunajské vody změnily za uplynulých šest let.

O výzkumu na Dunaji hovořil na Českém rozhlase Plus toxikolog Branislav Vrana z Centra RECETOX Masarykovy univerzity v Brně v čase (7:44–7:52).