To provide the first nationwide reconnaissance of the occurrence of pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants (OWCs) in water resources, the U.S. Geological Survey used five newly developed analytical methods to measure concentrations of 95 OWCs in water samples from a network of 139 streams across 30 states during 1999 and 2000. The selection of sampling sites was biased toward streams susceptible to contamination (i.e. downstream of intense urbanization and livestock production). OWCs were prevalent during this study, being found in 80% of the streams sampled. The compounds detected represent a wide range of residential, industrial, and agricultural origins and uses with 82 of the 95 OWCs being found during this study. The most frequently detected compounds were coprostanol (fecal steroid), cholesterol (plant and animal steroid), N,N-diethyltoluamide (insect repellant), caffeine (stimulant), triclosan (antimicrobial disinfectant), tri(2-chloroethyl)phosphate (fire retardant), and 4-nonylphenol (nonionic detergent metabolite). Measured concentrations for this study were generally low and rarely exceeded drinking-water guidelines, drinking-water health advisories, or aquatic-life criteria. Many compounds, however, do not have such guidelines established. The detection of multiple OWCs was common for this study, with a median of seven and as many as 38 OWCs being found in a given water sample. Little is known about the potential interactive effects (such as synergistic or antagonistic toxicity) that may occur from complex mixtures of OWCs in the environment. In addition, results of this study demonstrate the importance of obtaining data on metabolites to fully understand not only the fate and transport of OWCs in the hydrologic system but also their ultimate overall effect on human health and the environment.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVCorrespondence/Rebut...Correspondence/RebuttalNEXTResponse to Comment on "Pharmaceuticals, Hormones, and Other Organic Wastewater Contaminants in U.S. Streams, 1999−2000: A National Reconnaissance"Dana W. Kolpin, Edward T. Furlong, Michael T. Meyer, E. Michael Thurman, Steven D. Zaugg, Larry B. Barber, and Herbert T. BuxtonView Author Information U.S. Geological Survey 400 South Clinton Street Box 1230 Iowa City, Iowa 52244 U.S. Geological Survey Box 25046, MS 407 Denver, Colorado 80225-0046 U.S. Geological Survey 4500 SW 40th Avenue Ocala, Florida 34474 U.S. Geological Survey 4821 Quail Crest Place Lawrence, Kansas 66049 U.S. Geological Survey Box 25046, MS 407 Denver, Colorado 80225-0046 U.S. Geological Survey 3215 Marine Street Boulder, Colorado 80303 U.S. Geological Survey 810 Bear Tavern Road West Trenton, New Jersey 08628Cite this: Environ. Sci. Technol. 2002, 36, 18, 4004Publication Date (Web):August 14, 2002Publication History Published online14 August 2002Published inissue 1 September 2002https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es0201350https://doi.org/10.1021/es0201350article-commentaryACS PublicationsCopyright © Not subject to U.S. Copyright. Published 2002 American Chemical Society. This publication is available under these Terms of Use. Request reuse permissions This publication is free to access through this site. Learn MoreArticle Views921Altmetric-Citations111LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail PDF (16 KB) Get e-AlertscloseSUBJECTS:Impurities,Mathematical methods,Pharmaceuticals,Wastewater Get e-Alerts

Numerous studies have shown that a variety of manufactured and natural organic compounds such as pharmaceuticals, steroids, surfactants, flame retardants, fragrances, plasticizers and other chemicals often associated with wastewaters have been detected in the vicinity of municipal wastewater discharges and livestock agricultural facilities. To provide new data and insights about the environmental presence of some of these chemicals in untreated sources of drinking water in the United States targeted sites were sampled and analyzed for 100 analytes with sub-parts per billion detection capabilities. The sites included 25 ground- and 49 surface-water sources of drinking water serving populations ranging from one family to over 8 million people. Sixty-three of the 100 targeted chemicals were detected in at least one water sample. Interestingly, in spite of the low detection levels 60% of the 36 pharmaceuticals (including prescription drugs and antibiotics) analyzed were not detected in any water sample. The five most frequently detected chemicals targeted in surface water were: cholesterol (59%, natural sterol), metolachlor (53%, herbicide), cotinine (51%, nicotine metabolite), β-sitosterol (37%, natural plant sterol), and 1,7-dimethylxanthine (27%, caffeine metabolite); and in ground water: tetrachloroethylene (24%, solvent), carbamazepine (20%, pharmaceutical), bisphenol-A (20%, plasticizer), 1,7-dimethylxanthine (16%, caffeine metabolite), and tri (2-chloroethyl) phosphate (12%, fire retardant). A median of 4 compounds were detected per site indicating that the targeted chemicals generally occur in mixtures (commonly near detection levels) in the environment and likely originate from a variety of animal and human uses and waste sources. These data will help prioritize and determine the need, if any, for future occurrence, fate and transport, and health-effects research for subsets of these chemicals and their degradates most likely to be found in water resources used for drinking water in the United States.

As part of the continuing effort to collect baseline information on the environmental occurrence of pharmaceuticals, and other organic wastewater contaminants (OWCs) in the Nation's water resources, water samples were collected from a network of 47 groundwater sites across 18 states in 2000. All samples collected were analyzed for 65 OWCs representing a wide variety of uses and origins. Site selection focused on areas suspected to be susceptible to contamination from either animal or human wastewaters (i.e. down gradient of a landfill, unsewered residential development, or animal feedlot). Thus, sites sampled were not necessarily used as a source of drinking water but provide a variety of geohydrologic environments with potential sources of OWCs. OWCs were detected in 81% of the sites sampled, with 35 of the 65 OWCs being found at least once. The most frequently detected compounds include N,N-diethyltoluamide (35%, insect repellant), bisphenol A (30%, plasticizer), tri(2-chloroethyl) phosphate (30%, fire retardant), sulfamethoxazole (23%, veterinary and human antibiotic), and 4-octylphenol monoethoxylate (19%, detergent metabolite). Although sampling procedures were intended to ensure that all groundwater samples analyzed were indicative of aquifer conditions it is possible that detections of some OWCs could have resulted from leaching of well-construction materials and/or other site-specific conditions related to well construction and materials. Future research will be needed to identify those factors that are most important in determining the occurrence and concentrations of OWCs in groundwater.

Antidepressant pharmaceuticals are widely prescribed in the United States; release of municipal wastewater effluent is a primary route introducing them to aquatic environments, where little is known about their distribution and fate. Water, bed sediment, and brain tissue from native white suckers (Catostomus commersoni) were collected upstream and at points progressively downstream from outfalls discharging to two effluent-impacted streams, Boulder Creek (Colorado) and Fourmile Creek (Iowa). A liquid chromatography/tandem mass spectrometry method was used to quantify antidepressants, including fluoxetine, norfluoxetine (degradate), sertraline, norsertraline (degradate), paroxetine, citalopram, fluvoxamine, duloxetine, venlafaxine, and bupropion in all three sample matrices. Antidepressants were not present above the limit of quantitation in water samples upstream from the effluent outfalls but were present at points downstream at ng/L concentrations, even at the farthest downstream sampling site 8.4 km downstream from the outfall. The antidepressants with the highest measured concentrations in both streams were venlafaxine, bupropion, and citalopram and typically were observed at concentrations of at least an order of magnitude greater than the more commonly investigated antidepressants fluoxetine and sertraline. Concentrations of antidepressants in bed sediment were measured at ng/g levels; venlafaxine and fluoxetine were the predominant chemicals observed. Fluoxetine, sertraline, and their degradates were the principal antidepressants observed in fish brain tissue, typically at low ng/g concentrations. A qualitatively different antidepressant profile was observed in brain tissue compared to streamwater samples. This study documents that wastewater effluent can be a point source of antidepressants to stream ecosystems and that the qualitative composition of antidepressants in brain tissue from exposed fish differs substantially from the compositions observed in streamwater and sediment, suggesting selective uptake.

To assess the impact of an estrogenic wastewater treatment plant (WWTP) effluent on fish reproduction, white suckers (Catostomus commersoni) were collected from immediately upstream and downstream (effluent site) of the city of Boulder, CO, WWTP outfall. Gonadal intersex, altered sex ratios, reduced gonad size, disrupted ovarian and testicular histopathology, and vitellogenin induction consistent with exposure to estrogenic wastewater contaminants were identified in white suckers downstream from the WWTP outfall and not at the upstream site. The sex ratio was female-biased at the effluent site in both the fall of 2003 and the spring of 2004; the frequency of males at the effluent site (17-21%) was half that of the upstream site (36-46%). Intersex white suckers comprised 18-22% of the population at the effluent site. Intersex fish were not found at the upstream site. Chemical analyses determined that the WWTP effluent contained a complex mixture of endocrine-active chemicals, including 17beta-estradiol (E2) 17alpha-ethynylestradiol, alkylphenols, and bisphenol A resulting in an estimated total estrogen equivalence of up to 31 ng E2 L(-1). These results indicate that the reproductive potential of native fishes may be compromised in wastewater-dominated streams.

The effects of embryonic and larval exposure to environmentally relevant (ng/L) concentrations of common antidepressants, fluoxetine, sertraline, venlafaxine, and bupropion (singularly and in mixture) on C-start escape behavior were evaluated in fathead minnows (Pimephales promelas). Embryos (postfertilization until hatching) were exposed for 5 d and, after hatching, were allowed to grow in control well water until 12 d old. Similarly, posthatch fathead minnows were exposed for 12 d to these compounds. High-speed (1,000 frames/s) video recordings of escape behavior were collected and transferred to National Institutes of Health Image for frame-by-frame analysis of latency periods, escape velocities, and total escape response (combination of latency period and escape velocity). When tested 12 d posthatch, fluoxetine and venlafaxine adversely affected C-start performance of larvae exposed as embryos. Conversely, larvae exposed for 12 d posthatch did not exhibit altered escape responses when exposed to fluoxetine but were affected by venlafaxine and bupropion exposure. Mixtures of these four antidepressant pharmaceuticals slowed predator avoidance behaviors in larval fathead minnows regardless of the exposure window. The direct impact of reduced C-start performance on survival and, ultimately, reproductive fitness provides an avenue to assess the ecological relevance of exposure in an assay of relatively short duration.

Surface water from 38 streams nationwide was assessed using 14 target-organic methods (719 compounds). Designed-bioactive anthropogenic contaminants (biocides, pharmaceuticals) comprised 57% of 406 organics detected at least once. The 10 most-frequently detected anthropogenic-organics included eight pesticides (desulfinylfipronil, AMPA, chlorpyrifos, dieldrin, metolachlor, atrazine, CIAT, glyphosate) and two pharmaceuticals (caffeine, metformin) with detection frequencies ranging 66–84% of all sites. Detected contaminant concentrations varied from less than 1 ng L–1 to greater than 10 μg L–1, with 77 and 278 having median detected concentrations greater than 100 ng L–1 and 10 ng L–1, respectively. Cumulative detections and concentrations ranged 4–161 compounds (median 70) and 8.5–102 847 ng L–1, respectively, and correlated significantly with wastewater discharge, watershed development, and toxic release inventory metrics. Log10 concentrations of widely monitored HHCB, triclosan, and carbamazepine explained 71–82% of the variability in the total number of compounds detected (linear regression; p-values: < 0.001–0.012), providing a statistical inference tool for unmonitored contaminants. Due to multiple modes of action, high bioactivity, biorecalcitrance, and direct environment application (pesticides), designed-bioactive organics (median 41 per site at μg L–1 cumulative concentrations) in developed watersheds present aquatic health concerns, given their acknowledged potential for sublethal effects to sensitive species and lifecycle stages at low ng L–1.

Increasing global reliance on stormwater control measures to reduce discharge to surface water, increase groundwater recharge, and minimize contaminant delivery to receiving waterbodies necessitates improved understanding of stormwater–contaminant profiles. A multiagency study of organic and inorganic chemicals in urban stormwater from 50 runoff events at 21 sites across the United States demonstrated that stormwater transports substantial mixtures of polycyclic aromatic hydrocarbons, bioactive contaminants (pesticides and pharmaceuticals), and other organic chemicals known or suspected to pose environmental health concern. Numerous organic-chemical detections per site (median number of chemicals detected = 73), individual concentrations exceeding 10 000 ng/L, and cumulative concentrations up to 263 000 ng/L suggested concern for potential environmental effects during runoff events. Organic concentrations, loads, and yields were positively correlated with impervious surfaces and highly developed urban catchments. Episodic storm-event organic concentrations and loads were comparable to and often exceeded those of daily wastewater plant discharges. Inorganic chemical concentrations were generally dilute in concentration and did not exceed chronic aquatic life criteria. Methylmercury was measured in 90% of samples with concentrations that ranged from 0.05 to 1.0 ng/L.

First posted July 19, 2024 For additional information, contact: Chesapeake Bay ActivitiesU.S. Geological Survey5522 Research Park DriveBaltimore, MD 21228Contact Pubs Warehouse The Chesapeake Bay Partnership is implementing conservation practices (CPs) throughout the Chesapeake Bay watershed to reduce nutrient and sediment delivery to the Bay. This study intends to provide an integrated and detailed understanding of how local streams respond to these CP-driven management efforts.Key issue: To what extent do CPs positively affect the health of local streams in the nontidal watershed (cobenefits)?Critical unknown: How do CPs change water quality and the stressors that affect stream aquatic life? Which CPs improve stream health more effectively?Critical knowledge to be delivered to stakeholders includes—the effects of CPs on local water-quality conditions,the degree to which these same CPs also provide local stream-ecosystem benefits, anda deeper understanding of local stream-ecosystems, including stressors and CPs, to guide the selection of management efforts that enhance both water quality and overall stream-ecosystem health.