Anoxiske forhold er fordelagtige for abiotisk fjernelse af diclofenac fra vand med manganoxid (MnO 2 )

Farmaceutisk fjernelse under oxiske versus anoxiske forhold

I mangel af MnO2, observeres der ingen fjernelse for alle syv lægemidler inden for 24 timer under både oxiske og anoxiske forhold i alle eksperimenter (tabel S3). I tilstedeværelse af MnO2 fjernes metoprolol, propranolol og diclofenac inden for 24 timer i både demiwater (fig. 1a, b) og fosfatbuffer (fig. 1c), mens der ikke observeres nogen fjernelse for de fire andre lægemidler (fig. S3). Endvidere viser resultaterne, at fjernelseseffektiviteten for diclofenac er højere under anoxiske forhold, mens der observeres en højere fjernelse under oxiske forhold for metoprolol og propranolol. Der blev observeret en fjernelseseffektivitet for diclofenac på 78 % under anoxiske forhold og 59 % under oxiske forhold efter 24 timer ved inkubation af en opløsning af blandede lægemidler i demineraliseret vand (fig. 1a). Derimod blev kun 33 % metoprolol fjernet under anoxiske forhold sammenlignet med 69 % under oxiske forhold. Tilsvarende blev 51 % propranolol fjernet under anoxiske forhold sammenlignet med 84 % under oxiske forhold (fig. 1a). Det blev konstateret, at effektiviteten af fjernelse af diclofenac i en blanding sammen med seks andre lægemidler (fig. 1a) var lavere end i et demivandssystem, hvor der kun var diclofenac til stede (fig. 1b). Under anoxiske forhold fjernes 92 % diclofenac med MnO2, mens der under oxiske forhold observeres en fjernelse af diclofenac på 69 % (fig. 1b).

For at eliminere virkningerne af pH og ionisk styrke på lægemiddelfjernelse med MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), kontrollerer vi pH (~ 7) med 50 mM fosfatbuffer og opretholder ionstyrken (0,1 M) med NaCl. I yderligere eksperimenter med fosfatbuffer fjernes 90 % af diclofenac under anoxiske forhold, mens næsten fuldstændig fjernelse af diclofenac observeres under oxiske forhold (fig. 1c). Fjernelseeffektiviteten af diclofenac er den samme under anoxiske og oxiske forhold. I tidligere undersøgelser er fjernelseseffektiviteten af organiske stoffer, herunder lægemidler, under anoxiske forhold enten tilsvarende eller lavere end under oxiske forhold (Barrett og McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang og Huang 2005a). Vi har dog især observeret, at fjernelseseffektiviteten af diclofenac under anoxiske forhold kan være højere end under oxiske forhold. Dette unikke resultat leder os til yderligere undersøgelser af mekanismen for fjernelse af lægemidler under anoxiske forhold med MnO2.

En pseudo-første-ordningsmodel med en indledende inkubationsperiode blev anvendt til at analysere fjernelseskinetikken (tabel 1), som udført i tidligere undersøgelser under oxiske forhold (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang og Huang 2005a). En sammenligning af den indledende fjernelseshastighed (robs, init) og den indledende fjernelseshastighedskonstant (kobs, init) for forskellige lægemidler viser, at ilt påvirker fjernelsen af lægemidler med MnO2. I demivand med lægemiddelblandingen og kun med diclofenac er fjernelsen af diclofenac hurtigere under anoxiske forhold; metoprolol- og propranolol-fjernelseshastigheden er lavere under anoxiske forhold. Desuden blev diclofenac fjernet med den højeste hastighed, når det var opløst som en enkelt forbindelse i oxisk fosfatbuffer indeholdende MnO2.

Indflydelse af pH og MnO2-morfologier på fjernelse af diclofenac

pH er en vigtig parameter, der påvirker fjernelsen af lægemidler med MnO2. Tidligere undersøgelser viser, at MnO2-morfologier også påvirker fjernelsen af lægemidler (Shin og Cheney 2004). Vores nye observation af fjernelse af diclofenac under anoxiske forhold med MnO2 tyder imidlertid på, at fjernelsesmekanismerne for lægemidler med MnO2 under anoxiske forhold kan være forskellige fra fjernelsesmekanismerne under oxiske forhold. Derfor er det vigtigt at undersøge virkningen af pH og MnO2-morfologier på fjernelse af diclofenac for at forstå fjernelsesmekanismen. Vi undersøger virkningen af pH og MnO2-morfologier ved hjælp af både amorf MnO2 og krystallinsk MnO2 under anoxiske forhold ved pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 og pH ~ 8,5 etableret med en 50 mM fosfatbuffer.

Diclofenacfjernelseffektiviteten med MnO2 under anoxiske forhold er omvendt relateret til pH (tabel 2). Inden for 48 timer varierer fjernelsen af diclofenac under anoxiske forhold fra 100 % ved pH ~ 4,5 og pH ~ 7,0 til 70 % ved pH ~ 8,5 med amorf MnO2. I modsætning hertil er fjernelsen af diclofenac betydeligt lavere med krystallinsk MnO2. Kun 21 % af diclofenac fjernes med krystallinsk MnO2 ved pH ~ 4,5. I de forsøg, der blev udført ved pH ~ 7,0 og pH ~ 8,5, blev der ikke observeret nogen fjernelse af diclofenac med krystallinsk MnO2.

Tabel 2 Diclofenac-fjernelseffektivitet under anoxiske forhold ved forskellige pH-betingelser med to MnO2-morfologier efter 48 timer. Eksperimentelle betingelser: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Diskussion

Generelt er fjernelse af organiske stoffer med MnO2 en to-trins proces, herunder adsorption og oxidation (Remucal og Ginder-Vogel 2014). Bidraget fra de to trin er forskelligt fra forskellige forbindelser (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang og Huang 2005b). Under oxiske forhold kan fjernelse af lægemidler fremskyndes af ilt (Gao et al. 2012). Dette forklarer imidlertid ikke, hvorfor anoxiske forhold er egnede til fjernelse af diclofenac i demiwater, når der ikke er ilt til stede til at deltage i fjernelsesprocessen (fig. S4). Der er forskellige mellemprodukter, der dannes under oxiske og anoxiske forhold under fjernelse af diclofenac med MnO2 (Fig. S4, S5). Disse intermediater har forskellige adsorptionsaffiniteter for de reaktive steder på MnO2-overfladen, hvilket muligvis er nøglen til at forklare forskellene mellem oxiske og anoxiske forhold. På baggrund af resultaterne synes to faktorer at have indflydelse på effektiviteten af lægemiddelfjernelsen, og de er uddybet nedenfor: (1) lægemidlernes molekylære struktur og kemiske egenskaber og (2) MnO2-egenskaberne.

Lægemidlernes molekylære struktur og kemiske egenskaber

Lægemidlernes molekylære struktur og kemiske egenskaber er vigtige for fjernelse af organiske forbindelser med MnO2. Tidligere undersøgelser viser, at oxidation med MnO2 i tilstedeværelse af ilt indebærer spaltning af C-N-bindingen i den organiske forbindelse. Metoprolol og propranolol har C-N-bindinger, hvor N-atomet er bundet til en alkylgruppe. Disse forbindelser ligner dem, der er testet i tidligere undersøgelser (tabel S1, S2), hvor oxiske forhold fremmer fjernelsen. Denne C-N-bindingsspaltning kan resultere i dannelse af radikaler i tilstedeværelse af ilt (Barrett og McBride 2005; Gao et al. 2012). Oxidation af diclofenac involverer hydroxylering og decarboxylering i stedet for C-N-spaltning (Huguet et al. 2013), hvilket er en anden mekanisme end den for metoprolol og propranolol. Dette viser, at fjernelsesmekanismen er tæt forbundet med lægemidlets molekylære struktur og kemiske egenskaber.

Lægemidlets egenskaber påvirkes også af pH-værdien. På grund af diclofenacs lave pKa (pKa = 4,15) resulterer et lavere pH-niveau i en mindre negativt ladet forbindelse. Dette fører til mindre elektrostatisk frastødning mellem diclofenac og MnO2, som også er negativt ladet (Murray 1974). Det spekuleres, at et lavere pH-niveau vil føre til en højere affinitet for diclofenac til at adsorbere på MnO2-overfladen og derfor har et mere gunstigt første trin i fjernelsen med MnO2.

MnO2-egenskaber

Egenskaberne af MnO2 påvirkes også af pH. Ved sur pH er MnO2 også mindre negativt ladet på grund af dets isoelektriske punkt, hvilket resulterer i mindre elektrostatisk afstødning og bedre adsorption af organiske forbindelser. Desuden stiger MnO2’s redoxpotentiale fra 0,76 V ved pH 8,0 til 0,99 V ved pH 4,0 (Lin et al. 2009). Nedbrydningsreaktionen er således energimæssigt mere gunstig ved lavere pH. Begge faktorer kan føre til hurtigere nedbrydning, som det fremgår af vores undersøgelse (tabel 2). I dette forsøg anvendes neutral pH, som i tidligere undersøgelser er fundet ugunstig for oxidation af lægemidler (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008; Chen et al. 2011; He et al. 2012). Desuden er der færre protoner ved det lave redoxpotentiale af MnO2 ved højere pH, hvilket er afgørende for elektronoverførslen fra Mn(IV) til Mn(II). Som følge heraf blev der ikke observeret nogen fjernelse af koffein, carbamazepin, ibuprofen og naproxen i denne undersøgelse (Fig. S3), mens fjernelseseffektiviteten af metoprolol og propranolol er lav under både oxiske og anoxiske forhold.

Differente MnO2-morfologier har forskellige egenskaber, der påvirker fjernelse af diclofenac. I vores forskning er diclofenacfjernelsen bedre med amorf MnO2 end med krystallinsk MnO2, hvilket er i overensstemmelse med tidligere rapporterede resultater (Remucal og Ginder-Vogel 2014; Shin og Cheney 2004; Ukrainczyk og Mcbride 1992). Amorfe MnO2-partikler er normalt mindre end krystallinske partikler. De amorfe MnO2-partikler har således et større overfladeareal, hvilket øger lægemiddelfjernelsen. Desværre viste det sig på grund af de analytiske begrænsninger, at størrelsesanalyse af amorft MnO2 teknisk set ikke var mulig (fig. S6). Desuden indeholder amorf MnO2 små mængder Mn(III), som kan øge MnO2’s reaktivitet og oxideringsevne (Remucal og Ginder-Vogel 2014) og dermed fremme fjernelsen af lægemidler yderligere.

I nærvær af fosfat er fjernelsen af diclofenac med MnO2 en smule bedre under oxiske forhold end under anoxiske forhold. Anvendelse af O2 til oxidering af Mn(II) til Mn(III) er en termodynamisk gunstig reaktion. I tilstedeværelse af fosfatbuffer kan fosfat danne Mn3(PO4)2 med Mn(II) fra oxidation af diclofenac (Eq. 1) (Jin et al. 2014).

$$$ 3{\mathrm{Mn}}^{2+}+2{\mathrm{PO}}_4^{3-}\to {\mathrm{Mn}}}_3{\left({\mathrm{PO}}_4\right)}_2 $$$

(1)

Beregninger viser, at den kemiske struktur af Mn3(PO4)2 kan stabilisere Mn(III) og derved lette Mn(II)oxidation til Mn(III) under oxiske forhold (Jin et al. 2014). Mn2+ -analysen viser tilstedeværelsen af højere Mn(II)-koncentrationer i fosfatbuffer end i demiwater, hvilket vi forklarer som et resultat af større mængder Mn(III) dannet under oxiske forhold. Højere Mn(III)-koncentrationer er sandsynligvis årsagen til, at der fjernes mere diclofenac end under anoxiske forhold, som vi observerede (fig. 1) og mekanisk præsenteret i fig. 2.

Reaktive steder på MnO2-overfladen

Adsorption af organiske molekyler på en reaktiv metaloxidoverflade har vist sig at være den nøgleparameter, der dikterer fjernelsen af mange organiske forbindelser, og specifikt til reaktive steder på MnO2-overfladen (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang og Huang 2005b). Vores resultater med den blandede lægemiddelopløsning i demivandet tyder på konkurrence om reaktive steder mellem diclofenac og de andre forskellige lægemidler. Dette fremgår af den lavere fjernelse af diclofenac i tilstedeværelse af andre lægemidler (Fig. 1a, b).

Baseret på vores FTIR-resultater var der ingen åbenlys forsvinden af reaktive steder under fjernelse af diclofenac med MnO2 under både oxiske og anoxiske forhold (Fig. S5), muligvis på grund af en relativt høj koncentration af MnO2 i forsøget. Det er dog tydeligt, at FTIR-spektrene er forskellige mellem MnO2 før og efter reaktion med diclofenac, især under anoxiske forhold. Dette tyder på, at mellemprodukterne fra diclofenac ændrer MnO2-strukturen. Denne ændring kan bidrage til den bedre fjernelse af diclofenac med MnO2 under anoxiske forhold.

I fosfatbuffer kan fosfat reducere fjernelsen af diclofenac ved at blive adsorberet på MnO2-overfladen og konkurrere med DFC om de reaktive steder i MnO2 (Yao og Millero 1996). Selv om det lavere pH-niveau i fosfatbuffer burde fremme fjernelsen af diclofenac (pH 7 i buffer mod pH 8-9 i demiwater), er fjernelsen af diclofenac derfor bedre i demiwater, fordi de reaktive MnO2-steder ikke er blokeret af fosfat (tabel 1). Der er imidlertid observeret lignende fjernelseseffektivitet og kinetik i demiwater og fosfatbuffer under anoxiske forhold (fig. 1). Dette tyder på, at der er en mekanisme, der fremmer fjernelse af diclofenac i fosfatbuffer, som konkurrerer med den inhibering, som fosfat adsorberer og besætter de reaktive steder på MnO2-overfladen. Fra tidligere undersøgelser er det kendt, at Mn(II) kan besætte reaktive steder på MnO2-overfladen og derefter hæmme fjernelse af lægemidler (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Vores fjernelsesresultater i fosfatbuffer viser, at 1,54 μM Mn2+ blev genereret under oxiske forhold, mens 2,16 μM blev genereret under anoxiske forhold. Mindre Mn(II) under oxiske forhold resulterede muligvis i mindre dannelse af Mn3(PO4)2 via Eq. 1, hvilket formodentlig førte til flere tilgængelige reaktive steder for fjernelse af diclofenac. Under anoxiske forhold fører balancen mellem disse fremmende og hæmmende virkninger ved adsorberende fosfat til en lignende fjernelse af diclofenac i demiwater og fosfatbuffer.