Odstraňování léčiv za oxických versus anoxických podmínek

Při absenci MnO2, nebylo ve všech experimentech pozorováno odstranění všech sedmi léčivých látek během 24 h za oxických i anoxických podmínek (tabulka S3). V přítomnosti MnO2 jsou metoprolol, propranolol a diklofenak odstraněny během 24 h jak v demi vodě (obr. 1a, b), tak ve fosfátovém pufru (obr. 1c), zatímco u ostatních čtyř léčivých látek není odstranění pozorováno (obr. S3). Výsledky dále ukazují, že účinnost odstranění diklofenaku je vyšší za anoxických podmínek, zatímco u metoprololu a propranololu je vyšší odstranění pozorováno za oxických podmínek. Účinnost odstranění diklofenaku 78 % za anoxických podmínek a 59 % za oxických podmínek byla pozorována po 24 hodinách inkubace roztoku směsných léčiv v demineralizované vodě (obr. 1a). Metoprolol byl však za anoxických podmínek odstraněn pouze z 33 % ve srovnání s 69 % za oxických podmínek. Podobně 51 % propranololu bylo odstraněno za anoxických podmínek ve srovnání s 84 % za oxických podmínek (obr. 1a). Bylo zjištěno, že účinnost odstranění diklofenaku ve směsi spolu s dalšími šesti léčivy (obr. 1a) je nižší než v systému demi vody, ve kterém byl přítomen pouze diklofenak (obr. 1b). Za anoxických podmínek je pomocí MnO2 odstraněno 92 % diklofenaku, zatímco za oxických podmínek je pozorováno 69 % odstranění diklofenaku (obr. 1b).

Odstranění léčiva pomocí MnO2 v demi vodě s farmaceutickou směsí (a), demi vodě pouze s roztokem diklofenaku (b), fosfátovém pufru pouze s roztokem diklofenaku za oxických podmínek (černý čtverec) a anoxických podmínek (černý trojúhelník směřující nahoru) (c). Experimentální podmínky: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, pH ~ 8,5. Ve fosfátovém pufru s roztokem diklofenaku, = 50 mM, = 0,1 M. Chybové úsečky jsou směrodatné odchylky stanovené

Abychom eliminovali vliv pH a iontové síly na odstraňování léčiv pomocí MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), kontrolujeme pH (~ 7) pomocí 50 mM fosfátového pufru a iontovou sílu (0,1 M) udržujeme pomocí NaCl. Při dalších experimentech s fosfátovým pufrem se za anoxických podmínek odstraní 90 % diklofenaku, zatímco za oxických podmínek je pozorováno téměř úplné odstranění diklofenaku (obr. 1c). Účinnost odstranění diklofenaku je za anoxických a oxických podmínek podobná. V předchozích studiích je účinnost odstraňování organických látek včetně léčiv za anoxických podmínek buď podobná, nebo nižší než za oxických podmínek (Barrett a McBride 2005; Gao a kol. 2012; Zhang a Huang 2005a). My však zejména pozorujeme, že účinnost odstraňování diklofenaku za anoxických podmínek může být vyšší než za oxických podmínek. Tento jedinečný výsledek nás nasměruje k dalšímu studiu mechanismu odstraňování léčiv za anoxických podmínek pomocí MnO2.

K analýze kinetiky odstraňování byl použit model pseudo prvního řádu s počáteční inkubační dobou (tab. 1), jak bylo provedeno v předchozích studiích za oxických podmínek (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang a Huang 2005a). Srovnání počáteční rychlosti odstraňování (robs, init) a počáteční rychlostní konstanty odstraňování (kobs, init) různých léčiv ukazuje, že kyslík ovlivňuje odstraňování léčiv pomocí MnO2. V demi vodě se směsí léčiv a pouze s diklofenakem je odstranění diklofenaku urychleno za anoxických podmínek; rychlost odstranění metoprololu a propranololu je za anoxických podmínek nižší. Navíc byl diklofenak odstraňován nejvyšší rychlostí, když byl rozpuštěn jako jediná sloučenina v oxickém fosfátovém pufru obsahujícím MnO2.

Vliv pH a morfologie MnO2 na odstraňování diklofenaku

PH je důležitý parametr ovlivňující odstraňování léčiv pomocí MnO2. Předchozí studie ukazují, že morfologie MnO2 také ovlivňuje odstraňování léčiv (Shin a Cheney 2004). Naše nové pozorování odstraňování diklofenaku za anoxických podmínek pomocí MnO2 však naznačuje, že mechanismy odstraňování léčiv pomocí MnO2 za anoxických podmínek se mohou lišit od mechanismů odstraňování za oxických podmínek. Proto je důležité zkoumat vliv pH a morfologie MnO2 na odstraňování diklofenaku, abychom pochopili mechanismus odstraňování. Zkoumáme vliv pH a morfologie MnO2 pomocí amorfního MnO2 i krystalického MnO2 za anoxických podmínek při pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 a pH ~ 8,5 stanovených s 50 mM fosfátovým pufrem.

Účinnost odstranění diklofenaku pomocí MnO2 za anoxických podmínek je nepřímo úměrná pH (tab. 2). Během 48 h se odstranění diklofenaku za anoxických podmínek pohybuje od 100 % při pH ~ 4,5 a pH ~ 7,0 až po 70 % při pH ~ 8,5 s amorfním MnO2. Naproti tomu u krystalického MnO2 je odstranění diklofenaku výrazně nižší. Při pH ~ 4,5 se s krystalickým MnO2 odstraní pouze 21 % diklofenaku. V experimentech prováděných při pH ~ 7,0 a pH ~ 8,5 není s krystalickým MnO2 pozorováno žádné odstranění diklofenaku.

Diskuse

Obecně je odstraňování organických látek pomocí MnO2 dvoustupňový proces zahrnující adsorpci a oxidaci (Remucal a Ginder-Vogel 2014). Příspěvek těchto dvou kroků je u různých sloučenin různý (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang a Huang 2005b). Za oxických podmínek může být odstraňování léčiv urychleno kyslíkem (Gao et al. 2012). To však nevysvětluje, proč jsou anoxické podmínky vhodné pro odstraňování diklofenaku v demi vodě, když kyslík není přítomen, aby se podílel na procesu odstraňování (obr. S4). Při odstraňování diklofenaku pomocí MnO2 vznikají za oxických a anoxických podmínek různé meziprodukty (obr. S4, S5). Tyto meziprodukty mají různou adsorpční afinitu k reaktivním místům na povrchu MnO2, což je pravděpodobně klíčem k vysvětlení rozdílů mezi oxickými a anoxickými podmínkami. Na základě výsledků se zdá, že účinnost odstraňování léčiv ovlivňují dva faktory, které jsou podrobněji popsány níže: (1) molekulární struktura a chemické vlastnosti léčiv a (2) vlastnosti MnO2.

Molekulární struktura a chemické vlastnosti léčiv

Molekulární struktura a chemické vlastnosti léčiv jsou důležité při odstraňování organických sloučenin pomocí MnO2. Předchozí studie ukazují, že oxidace pomocí MnO2 v přítomnosti kyslíku zahrnuje štěpení vazby C-N organické sloučeniny. Metoprolol a propranolol mají vazbu C-N, v níž je atom N vázán na alkylovou skupinu. Tyto sloučeniny jsou podobné sloučeninám testovaným v předchozích studiích (tabulka S1, S2), u nichž oxické podmínky podporují odstranění. Toto štěpení vazby C-N může v přítomnosti kyslíku vést ke vzniku radikálů (Barrett a McBride 2005; Gao et al. 2012). Oxidace diklofenaku zahrnuje hydroxylaci a dekarboxylaci místo štěpení C-N vazby (Huguet et al. 2013), což je jiný mechanismus než u metoprololu a propranololu. To ukazuje, že mechanismus odstraňování úzce souvisí s molekulární strukturou a chemickými vlastnostmi léčiva.

Vlastnosti léčiva jsou také ovlivněny pH. Vzhledem k nízké pKa diklofenaku (pKa = 4,15) má nižší hodnota pH za následek méně záporně nabitou sloučeninu. To vede k menšímu elektrostatickému odpuzování mezi diklofenakem a MnO2, který je také záporně nabitý (Murray 1974). Předpokládá se, že nižší úroveň pH povede k vyšší afinitě diklofenaku k adsorpci na povrch MnO2, a proto má příznivější první krok při odstraňování pomocí MnO2.

Vlastnosti MnO2

Vlastnosti MnO2 jsou také ovlivněny pH. Při kyselém pH je MnO2 díky svému izoelektrickému bodu také méně záporně nabitý, což má za následek menší elektrostatické odpuzování a lepší adsorpci organických sloučenin. Kromě toho se redoxní potenciál MnO2 zvyšuje z 0,76 V při pH 8,0 na 0,99 V při pH 4,0 (Lin et al. 2009). Degradační reakce je tedy energeticky výhodnější při nižším pH. Oba faktory mohou vést k rychlejší degradaci, jak ukázala naše studie (tab. 2). V tomto experimentu bylo použito neutrální pH, které bylo v předchozích studiích shledáno jako nepříznivé pro oxidaci léčiv (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Kromě toho je při nízkém redoxním potenciálu MnO2 při vyšším pH méně protonů, což je rozhodující pro přenos elektronů z Mn(IV) na Mn(II). V důsledku toho nebylo v této studii pozorováno odstranění kofeinu, karbamazepinu, ibuprofenu a naproxenu (obr. S3), zatímco účinnost odstranění metoprololu a propranololu je nízká za oxických i anoxických podmínek.

Různé morfologie MnO2 mají různé vlastnosti ovlivňující odstranění diklofenaku. V našem výzkumu je odstraňování diklofenaku lepší u amorfního MnO2 než u krystalického MnO2, což je v souladu s dříve uvedenými zjištěními (Remucal a Ginder-Vogel 2014; Shin a Cheney 2004; Ukrainczyk a Mcbride 1992). Amorfní částice MnO2 jsou obvykle menší než krystalické částice. Amorfní částice MnO2 tak mají větší povrch, což zvyšuje odstraňování léčiv. Bohužel vzhledem k analytickým limitům se analýza velikosti amorfního MnO2 jevila jako technicky neproveditelná (obr. S6). Kromě toho amorfní MnO2 obsahuje malé množství Mn(III), které může zvýšit reaktivitu a oxidační schopnost MnO2 (Remucal a Ginder-Vogel 2014), a tím ještě více podpořit odstraňování léčiv.

V přítomnosti fosfátu je odstraňování diklofenaku pomocí MnO2 za oxických podmínek mírně lepší než za anoxických podmínek. Použití O2 k oxidaci Mn(II) na Mn(III) je termodynamicky příznivá reakce. V přítomnosti fosfátového pufru může fosfát tvořit Mn3(PO4)2 s Mn(II) z oxidace diklofenaku (rovnice 1) (Jin et al. 2014).

Výpočty ukazují, že chemická struktura Mn3(PO4)2 může stabilizovat Mn(III), a tím usnadnit oxidaci Mn(II) na Mn(III) za oxických podmínek (Jin et al. 2014). Analýza Mn2+ ukazuje přítomnost vyšších koncentrací Mn(II) ve fosfátovém pufru než v demi vodě, což vysvětlujeme jako důsledek většího množství Mn(III) vznikajícího za oxických podmínek. Vyšší koncentrace Mn(III) je pravděpodobně důvodem, proč se odstraňuje více diklofenaku než za anoxických podmínek, jak jsme pozorovali (obr. 1) a mechanisticky prezentovali na obr. 2.

Reaktivní místa na povrchu MnO2

Asorpce organických molekul na reaktivní povrch oxidu kovů se ukazuje jako klíčový parametr diktující odstraňování mnoha organických sloučenin, a to konkrétně na reaktivní místa na povrchu MnO2 (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang a Huang 2005b). Naše výsledky se směsným roztokem léčiv v demi vodě naznačují konkurenci o reaktivní místa mezi diklofenakem a dalšími různými léčivy. Svědčí o tom nižší odstraňování diklofenaku v přítomnosti ostatních léčiv (obr. 1a, b).

Na základě našich výsledků FTIR nedošlo při odstraňování diklofenaku pomocí MnO2 za oxických i anoxických podmínek ke zjevnému zániku reaktivních míst (obr. S5), což je pravděpodobně způsobeno relativně vysokou koncentrací MnO2 v experimentu. Je však zřejmé, že FTIR spektra se liší mezi MnO2 před a po reakci s diklofenakem, zejména za anoxických podmínek. To naznačuje, že meziprodukty z diklofenaku mění strukturu MnO2. Tato změna může přispívat k lepšímu odstraňování diklofenaku pomocí MnO2 za anoxických podmínek.

Ve fosfátovém pufru může fosfát snižovat odstraňování diklofenaku tím, že se adsorbuje na povrch MnO2 a soutěží s DFC o reaktivní místa MnO2 (Yao a Millero 1996). V důsledku toho, ačkoli nižší úroveň pH ve fosfátovém pufru by měla podporovat odstraňování diklofenaku (pH 7 v pufru oproti pH 8~9 v demivodě), je odstraňování diklofenaku lepší v demivodě, protože reaktivní místa MnO2 nejsou blokována fosfáty (tabulka 1). Nicméně je pozorována podobná účinnost a kinetika odstraňování v demivodě a fosfátovém pufru za anoxických podmínek (obr. 1). To naznačuje, že existuje mechanismus podporující odstraňování diklofenaku ve fosfátovém pufru, který konkuruje inhibici adsorpcí fosforečnanů a obsazením reaktivních míst na povrchu MnO2. Z předchozích studií je známo, že Mn(II) může obsazovat reaktivní místa na povrchu MnO2 a poté inhibovat odstraňování léčiv (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Naše výsledky odstraňování ve fosfátovém pufru ukazují, že za oxických podmínek vzniklo 1,54 μM Mn2+ , zatímco za anoxických podmínek 2,16 μM. Méně Mn(II) za oxických podmínek mělo pravděpodobně za následek menší tvorbu Mn3(PO4)2 podle rovnice 1, což pravděpodobně vedlo k většímu počtu dostupných reaktivních míst pro odstranění diklofenaku. Za anoxických podmínek vede rovnováha těchto podporujících a inhibičních účinků adsorpcí fosforečnanů k podobnému odstraňování diklofenaku v demi vodě a fosforečnanovém pufru

.