Anoxische Bedingungen sind vorteilhaft für die abiotische Diclofenac-Entfernung aus Wasser mit Manganoxid (MnO 2 )

Pharma-Entfernung unter oxischen versus anoxischen Bedingungen

In Abwesenheit von MnO2, wird bei allen sieben Arzneimitteln innerhalb von 24 Stunden sowohl unter oxischen als auch unter anoxischen Bedingungen in allen Experimenten keine Entfernung beobachtet (Tabelle S3). In Anwesenheit von MnO2 werden Metoprolol, Propranolol und Diclofenac innerhalb von 24 Stunden sowohl in Demiwasser (Abb. 1a, b) als auch in Phosphatpuffer (Abb. 1c) entfernt, während für die anderen vier Arzneimittel keine Entfernung beobachtet wird (Abb. S3). Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die Entfernungseffizienz von Diclofenac unter anoxischen Bedingungen höher ist, während für Metoprolol und Propranolol eine höhere Entfernung unter oxischen Bedingungen beobachtet wird. Nach 24 Stunden Inkubation einer Lösung gemischter Arzneimittel in entmineralisiertem Wasser wurde eine Entfernungseffizienz von Diclofenac von 78 % unter anoxischen Bedingungen und 59 % unter oxischen Bedingungen festgestellt (Abb. 1a). Unter anoxischen Bedingungen wurden jedoch nur 33 % Metoprolol entfernt, unter oxischen Bedingungen dagegen 69 %. In ähnlicher Weise wurde Propranolol unter anoxischen Bedingungen zu 51 %, unter oxischen Bedingungen dagegen zu 84 % entfernt (Abb. 1a). Die Effizienz der Entfernung von Diclofenac in einem Gemisch mit anderen sechs Arzneimitteln (Abb. 1a) war geringer als in einem Demiwasser-System, in dem nur Diclofenac vorhanden war (Abb. 1b). Unter anoxischen Bedingungen werden 92 % Diclofenac mit MnO2 entfernt, während unter oxischen Bedingungen 69 % Diclofenac entfernt werden (Abb. 1b).

Um die Auswirkungen des pH-Werts und der Ionenstärke auf die Arzneimittelentfernung mit MnO2 zu eliminieren (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), kontrollieren wir den pH-Wert (~ 7) mit 50 mM Phosphatpuffer und halten die Ionenstärke (0,1 M) mit NaCl aufrecht. In weiteren Experimenten mit Phosphatpuffer werden 90 % des Diclofenacs unter anoxischen Bedingungen entfernt, während unter oxischen Bedingungen eine fast vollständige Entfernung von Diclofenac beobachtet wird (Abb. 1c). Die Entfernungseffizienz von Diclofenac ist unter anoxischen und oxischen Bedingungen ähnlich. In früheren Studien war die Entfernungseffizienz von organischen Stoffen, einschließlich Arzneimitteln, unter anoxischen Bedingungen entweder ähnlich oder niedriger als unter oxischen Bedingungen (Barrett und McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang und Huang 2005a). Wir stellen jedoch fest, dass die Entfernungseffizienz von Diclofenac unter anoxischen Bedingungen höher sein kann als unter oxischen Bedingungen. Dieses einzigartige Ergebnis leitet unsere weiteren Studien zum Mechanismus der pharmazeutischen Entfernung unter anoxischen Bedingungen mit MnO2.

Ein Pseudo-Modell erster Ordnung mit einer anfänglichen Inkubationszeit wurde angewandt, um die Entfernungskinetik zu analysieren (Tabelle 1), wie in früheren Studien unter oxischen Bedingungen (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang und Huang 2005a). Der Vergleich der anfänglichen Entfernungsrate (robs, init) und der anfänglichen Entfernungsgeschwindigkeitskonstante (kobs, init) verschiedener Arzneimittel zeigt, dass Sauerstoff die Arzneimittelentfernung mit MnO2 beeinflusst. In Demiwasser mit der Arzneimittelmischung und nur mit Diclofenac wird die Diclofenac-Entfernung unter anoxischen Bedingungen beschleunigt; die Entfernungsraten von Metoprolol und Propranolol sind unter anoxischen Bedingungen geringer. Außerdem wurde Diclofenac am schnellsten entfernt, wenn es als einzige Verbindung in oxischem Phosphatpuffer mit MnO2 gelöst war.

Einfluss von pH-Wert und MnO2-Morphologie auf die Entfernung von Diclofenac

Der pH-Wert ist ein wichtiger Parameter, der die Entfernung von Arzneimitteln mit MnO2 beeinflusst. Frühere Studien zeigen, dass die Morphologie von MnO2 auch die Entfernung von Arzneimitteln beeinflusst (Shin und Cheney 2004). Unsere neue Beobachtung der Entfernung von Diclofenac unter anoxischen Bedingungen mit MnO2 deutet jedoch darauf hin, dass sich die Mechanismen der Entfernung von Arzneimitteln mit MnO2 unter anoxischen Bedingungen von den Mechanismen der Entfernung unter oxischen Bedingungen unterscheiden könnten. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen von pH-Wert und MnO2-Morphologie auf die Diclofenac-Entfernung zu untersuchen, um den Entfernungsmechanismus zu verstehen. Wir haben die Auswirkungen des pH-Werts und der MnO2-Morphologie untersucht, indem wir sowohl amorphes MnO2 als auch kristallines MnO2 unter anoxischen Bedingungen bei pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 und pH ~ 8,5 in einem 50 mM Phosphatpuffer eingesetzt haben.

Die Diclofenac-Entfernungseffizienz mit MnO2 unter anoxischen Bedingungen ist umgekehrt proportional zum pH-Wert (Tabelle 2). Innerhalb von 48 Stunden schwankt die Diclofenac-Entfernung unter anoxischen Bedingungen zwischen 100 % bei pH ~ 4,5 und pH ~ 7,0 und 70 % bei pH ~ 8,5 mit amorphem MnO2. Im Gegensatz dazu ist die Entfernung von Diclofenac bei kristallinem MnO2 deutlich geringer. Nur 21 % des Diclofenacs wird mit kristallinem MnO2 bei pH ~ 4,5 entfernt. In den Experimenten, die bei pH ~ 7,0 und pH ~ 8,5 durchgeführt wurden, wird mit kristallinem MnO2 keine Diclofenac-Entfernung beobachtet.

Tabelle 2 Diclofenac-Entfernungseffizienz unter anoxischen Bedingungen bei verschiedenen pH-Bedingungen mit zwei MnO2-Morphologien nach 48 h. Experimentelle Bedingungen: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Diskussion

Generell ist die Entfernung von organischen Stoffen mit MnO2 ein zweistufiger Prozess, der Adsorption und Oxidation umfasst (Remucal und Ginder-Vogel 2014). Der Beitrag der beiden Schritte ist bei verschiedenen Verbindungen unterschiedlich (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang und Huang 2005b). Unter oxischen Bedingungen kann der Abbau von Arzneimitteln durch Sauerstoff beschleunigt werden (Gao et al. 2012). Dies erklärt jedoch nicht, warum anoxische Bedingungen für die Entfernung von Diclofenac in Demiwasser geeignet sind, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, der am Entfernungsprozess teilnimmt (Abb. S4). Bei der Diclofenac-Entfernung mit MnO2 bilden sich unter oxischen und anoxischen Bedingungen unterschiedliche Zwischenprodukte (Abb. S4, S5). Diese Zwischenprodukte haben unterschiedliche Adsorptionsaffinitäten für die reaktiven Stellen auf der MnO2-Oberfläche, was möglicherweise der Schlüssel zur Erklärung der Unterschiede zwischen oxischen und anoxischen Bedingungen ist. Ausgehend von den Ergebnissen scheinen zwei Faktoren die Effizienz der Arzneimittelentfernung zu beeinflussen, die im Folgenden näher erläutert werden: (1) die molekulare Struktur und die chemischen Eigenschaften von Arzneimitteln und (2) die Eigenschaften von MnO2.

Molekulare Struktur und chemische Eigenschaften von Arzneimitteln

Die molekulare Struktur und die chemischen Eigenschaften von Arzneimitteln sind wichtig für die Entfernung organischer Verbindungen mit MnO2. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Oxidation mit MnO2 in Anwesenheit von Sauerstoff die Spaltung der C-N-Bindung der organischen Verbindung beinhaltet. Metoprolol und Propranolol haben C-N-Bindungen, bei denen das N-Atom an eine Alkylgruppe gebunden ist. Diese Verbindungen ähneln denen, die in früheren Studien getestet wurden (Tabelle S1, S2), bei denen oxische Bedingungen die Abspaltung fördern. Diese C-N-Bindungsspaltung kann in Gegenwart von Sauerstoff zur Bildung von Radikalen führen (Barrett und McBride 2005; Gao et al. 2012). Die Oxidation von Diclofenac beinhaltet Hydroxylierung und Decarboxylierung anstelle der C-N-Spaltung (Huguet et al. 2013), was ein anderer Mechanismus ist als der von Metoprolol und Propranolol. Dies zeigt, dass der Entfernungsmechanismus eng mit der molekularen Struktur und den chemischen Eigenschaften des Arzneimittels zusammenhängt.

Die Eigenschaften des Arzneimittels werden auch vom pH-Wert beeinflusst. Aufgrund des niedrigen pKa-Wertes von Diclofenac (pKa = 4,15) führt ein niedriger pH-Wert zu einer weniger negativ geladenen Verbindung. Dies führt zu einer geringeren elektrostatischen Abstoßung zwischen Diclofenac und MnO2, das ebenfalls negativ geladen ist (Murray 1974). Es wird vermutet, dass ein niedrigerer pH-Wert zu einer höheren Affinität von Diclofenac zur Adsorption an der MnO2-Oberfläche führt und daher einen günstigeren ersten Schritt bei der Entfernung mit MnO2 darstellt.

MnO2-Eigenschaften

Die Eigenschaften von MnO2 werden auch vom pH-Wert beeinflusst. Bei saurem pH-Wert ist MnO2 aufgrund seines isoelektrischen Punktes auch weniger negativ geladen, was zu einer geringeren elektrostatischen Abstoßung und einer besseren Adsorption organischer Verbindungen führt. Außerdem steigt das Redoxpotenzial von MnO2 von 0,76 V bei pH 8,0 auf 0,99 V bei pH 4,0 (Lin et al. 2009). Somit ist die Abbaureaktion bei einem niedrigeren pH-Wert energetisch günstiger. Beide Faktoren können zu einem schnelleren Abbau führen, wie in unserer Studie gezeigt wurde (Tabelle 2). In diesem Experiment wird ein neutraler pH-Wert verwendet, der sich in früheren Studien als ungünstig für die Oxidation von Arzneimitteln erwiesen hat (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Darüber hinaus gibt es bei dem niedrigen Redoxpotenzial von MnO2 bei höherem pH-Wert weniger Protonen, was für die Elektronenübertragung von Mn(IV) auf Mn(II) entscheidend ist. Infolgedessen wurde in dieser Studie keine Entfernung von Koffein, Carbamazepin, Ibuprofen und Naproxen beobachtet (Abb. S3), während die Entfernungseffizienz von Metoprolol und Propranolol sowohl unter oxischen als auch unter anoxischen Bedingungen gering ist.

Unterschiedliche MnO2-Morphologien haben unterschiedliche Eigenschaften, die die Entfernung von Diclofenac beeinflussen. In unserer Forschung ist die Diclofenac-Entfernung mit amorphem MnO2 besser als mit kristallinem MnO2, was im Einklang mit früher berichteten Ergebnissen steht (Remucal und Ginder-Vogel 2014; Shin und Cheney 2004; Ukrainczyk und Mcbride 1992). Amorphe MnO2-Partikel sind in der Regel kleiner als kristalline Partikel. Daher haben die amorphen MnO2-Partikel eine größere Oberfläche, was die Entfernung von Arzneimitteln erhöht. Leider war eine Größenanalyse von amorphem MnO2 aufgrund der analytischen Grenzen technisch nicht möglich (Abb. S6). Darüber hinaus enthält amorphes MnO2 geringe Mengen an Mn(III), das die Reaktivität und die Oxidationsfähigkeit von MnO2 erhöhen kann (Remucal und Ginder-Vogel 2014), wodurch die Entfernung von Arzneimitteln noch weiter gefördert wird.

In Gegenwart von Phosphat ist die Entfernung von Diclofenac mit MnO2 unter oxischen Bedingungen etwas besser als unter anoxischen Bedingungen. Die Verwendung von O2 zur Oxidation von Mn(II) zu Mn(III) ist eine thermodynamisch günstige Reaktion. In Gegenwart von Phosphatpuffer kann Phosphat mit Mn(II) aus der Diclofenac-Oxidation Mn3(PO4)2 bilden (Gl. 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)

Berechnungen zeigen, dass die chemische Struktur von Mn3(PO4)2 Mn(III) stabilisieren kann und dadurch die Oxidation von Mn(II) zu Mn(III) unter oxischen Bedingungen erleichtert (Jin et al. 2014). Die Mn2+-Analyse zeigt das Vorhandensein höherer Mn(II)-Konzentrationen im Phosphatpuffer als im Demiwasser, was wir als Ergebnis größerer Mengen von Mn(III) erklären, die unter oxischen Bedingungen gebildet werden. Die höhere Mn(III)-Konzentration ist wahrscheinlich der Grund dafür, dass mehr Diclofenac als unter anoxischen Bedingungen entfernt wird, wie wir beobachtet haben (Abb. 1) und in Abb. 2 mechanistisch dargestellt ist.

Reaktive Stellen auf der MnO2-Oberfläche

Die Adsorption organischer Moleküle an einer reaktiven Metalloxidoberfläche gilt als Schlüsselparameter, der die Entfernung vieler organischer Verbindungen bestimmt, und zwar speziell an reaktiven Stellen auf der MnO2-Oberfläche (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang und Huang 2005b). Unsere Ergebnisse mit der gemischten pharmazeutischen Lösung im Demiwasser deuten auf einen Wettbewerb um reaktive Stellen zwischen Diclofenac und den anderen verschiedenen Arzneimitteln hin. Dies wird durch die geringere Diclofenac-Entfernung in Anwesenheit anderer Pharmazeutika belegt (Abb. 1a, b).

Auf der Grundlage unserer FTIR-Ergebnisse gab es kein offensichtliches Verschwinden reaktiver Stellen während der Diclofenac-Entfernung mit MnO2 sowohl unter oxischen als auch unter anoxischen Bedingungen (Abb. S5), was möglicherweise auf eine relativ hohe Konzentration von MnO2 im Experiment zurückzuführen ist. Es ist jedoch klar, dass sich die FTIR-Spektren von MnO2 vor und nach der Reaktion mit Diclofenac unterscheiden, insbesondere unter anoxischen Bedingungen. Dies deutet darauf hin, dass die Zwischenprodukte von Diclofenac die MnO2-Struktur verändern. Diese Veränderung kann dazu beitragen, dass Diclofenac mit MnO2 unter anoxischen Bedingungen besser entfernt wird.

In Phosphatpuffer kann Phosphat die Diclofenac-Entfernung verringern, indem es an der MnO2-Oberfläche adsorbiert wird und mit DFC um die reaktiven Stellen des MnO2 konkurriert (Yao und Millero 1996). Obwohl der niedrigere pH-Wert im Phosphatpuffer die Diclofenac-Entfernung fördern sollte (pH 7 im Puffer gegenüber pH 8~9 im Demiwasser), ist die Diclofenac-Entfernung im Demiwasser besser, weil die reaktiven MnO2-Stellen nicht durch Phosphat blockiert werden (Tabelle 1). Allerdings werden in Demiwasser und Phosphatpuffer unter anoxischen Bedingungen ähnliche Entfernungseffizienzen und Kinetiken beobachtet (Abb. 1). Dies deutet darauf hin, dass es einen Mechanismus gibt, der die Entfernung von Diclofenac in Phosphatpuffer fördert, der mit der Hemmung durch Phosphat, das adsorbiert und die reaktiven Stellen auf der MnO2-Oberfläche besetzt, konkurriert. Aus früheren Studien ist bekannt, dass Mn(II) reaktive Stellen auf der MnO2-Oberfläche besetzen und dann die pharmazeutische Entfernung hemmen kann (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Unsere Entfernungsergebnisse in Phosphatpuffer zeigen, dass unter oxischen Bedingungen 1,54 μM Mn2+ gebildet wurden, während unter anoxischen Bedingungen 2,16 μM gebildet wurden. Weniger Mn(II) unter oxischen Bedingungen führte möglicherweise zu einer geringeren Bildung von Mn3(PO4)2 über Gl. 1, was vermutlich zu mehr verfügbaren reaktiven Stellen für die Entfernung von Diclofenac führte. Unter anoxischen Bedingungen führt das Gleichgewicht zwischen diesen fördernden und hemmenden Effekten durch die Adsorption von Phosphat zu einer ähnlichen Diclofenac-Entfernung in Demiwasser und Phosphatpuffer.