Anoksiset olosuhteet ovat suotuisat abioottisen diklofenaakin poistossa vedestä, jossa on mangaanioksidia (MnO 2 )

Farmaseuttisen aineen poisto hapellisissa vs. anoksisissa olosuhteissa

MnO2:n puuttuessa, ei havaittu kaikkien seitsemän lääkeaineen poistumista 24 tunnin kuluessa sekä oksisissa että anoksisissa olosuhteissa kaikissa kokeissa (taulukko S3). MnO2:n läsnä ollessa metoprololi, propranololi ja diklofenaakki poistuvat 24 tunnin kuluessa sekä demiavedessä (Kuva 1a, b) että fosfaattipuskurissa (Kuva 1c), kun taas muiden neljän lääkeaineen osalta ei havaita poistumista (Kuva S3). Lisäksi tulokset osoittavat, että diklofenaakin poistotehokkuus on suurempi anoksisissa olosuhteissa, kun taas metoprololin ja propranololin poistuminen on suurempaa oksisissa olosuhteissa. Diklofenaakin poistotehokkuus oli 78 % anoksisissa olosuhteissa ja 59 % oksisissa olosuhteissa 24 tunnin kuluttua siitä, kun sekoitettujen lääkeaineiden liuosta inkuboitiin demineralisoidussa vedessä (kuva 1a). Metoprololi poistui kuitenkin vain 33 prosenttia anoksisissa olosuhteissa, kun taas oksisissa olosuhteissa se poistui 69 prosenttia. Vastaavasti propranololista poistui 51 % anoksisissa olosuhteissa verrattuna 84 %:iin oksisissa olosuhteissa (kuva 1a). Diklofenaakin poistotehokkuus seoksessa yhdessä kuuden muun lääkeaineen kanssa (kuva 1a) todettiin alhaisemmaksi kuin demi-vesijärjestelmässä, jossa oli vain diklofenaakkia (kuva 1b). Anoksisissa olosuhteissa 92 % diklofenaakista poistuu MnO2:lla, kun taas oksisissa olosuhteissa diklofenaakin poistuma on 69 % (kuva 1b).

Voidaksemme eliminoida pH:n ja ionivahvuuden vaikutukset lääkeaineen poistoon MnO2:lla (Gao ym. 2012; Huguet ym. 2013) säädämme pH:n (~ 7) 50 mM:n fosfaattipuskurilla ja säilytämme ionivahvuuden (0,1 M) NaCl:lla. Fosfaattipuskurilla tehdyissä lisäkokeissa 90 % diklofenaakista poistuu anoksisissa olosuhteissa, kun taas oksisissa olosuhteissa diklofenaakista havaitaan lähes täydellinen poistuminen (kuva 1c). Diklofenaakin poistotehokkuus on samanlainen anoksisissa ja oksisissa olosuhteissa. Aiemmissa tutkimuksissa orgaanisten aineiden, myös lääkeaineiden, poistotehokkuus anoksisissa olosuhteissa on joko samanlainen tai alhaisempi kuin oksisissa olosuhteissa (Barrett ja McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang ja Huang 2005a). Olemme kuitenkin havainneet, että diklofenaakin poistotehokkuus anoksisissa olosuhteissa voi olla korkeampi kuin oksisissa olosuhteissa. Tämä ainutlaatuinen tulos ohjaa jatkotutkimuksiamme lääkkeen poistomekanismista anoksisissa olosuhteissa MnO2:n avulla.

Poistokinetiikan analysointiin sovellettiin pseudo-ensimmäisen kertaluvun mallia, johon sisältyi alkuvaiheen inkubaatiojakso (taulukko 1), kuten aiemmissa tutkimuksissa on tehty oksisissa olosuhteissa (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang ja Huang 2005a). Eri lääkeaineiden alkupoistumisnopeuden (robs, init) ja alkupoistumisnopeusvakion (kobs, init) vertailu osoittaa, että happi vaikuttaa lääkeaineiden poistumiseen MnO2:lla. Diklofenaakin poistuminen nopeutuu hapettomissa olosuhteissa demiavedessä, jossa on lääkeseos ja jossa on vain diklofenaakkia; metoprololin ja propranololin poistumisnopeudet ovat alhaisemmat hapettomissa olosuhteissa. Lisäksi diklofenaakki poistui nopeimmin, kun se liuotettiin ainoana yhdisteenä oksiseen fosfaattipuskuriin, joka sisälsi MnO2:ta.

PH:n ja MnO2-morfologian vaikutus diklofenaakin poistumiseen

PH on tärkeä parametri, joka vaikuttaa lääkeaineiden poistumiseen MnO2:n avulla. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että myös MnO2-morfologiat vaikuttavat lääkeaineiden poistoon (Shin ja Cheney 2004). Uusi havaintomme diklofenaakin poistumisesta anoksisissa olosuhteissa MnO2:n avulla osoittaa kuitenkin, että lääkeaineiden poistomekanismit MnO2:n avulla anoksisissa olosuhteissa saattavat olla erilaisia kuin poistomekanismit oksisissa olosuhteissa. Siksi on tärkeää tutkia pH:n ja MnO2-morfologian vaikutusta diklofenaakin poistoon poistomekanismin ymmärtämiseksi. Tutkimme pH:n ja MnO2-morfologioiden vaikutusta käyttämällä sekä amorfista MnO2:ta että kiteistä MnO2:ta anoksisissa olosuhteissa pH:ssa ~ 4,5, pH:ssa ~ 7,0 ja pH:ssa ~ 8,5, jotka on määritetty 50 mM:n fosfaattipuskurilla.

Diklofenaakin poistotehokkuudet MnO2:lla anoksisissa olosuhteissa ovat kääntäen verrannollisia pH:han (taulukko 2). Diklofenaakin poistuminen 48 tunnin kuluessa anoksisissa olosuhteissa vaihtelee 100 prosentista noin pH ~ 4,5:n ja pH ~ 7,0:n kohdalla 70 prosenttiin pH ~ 8,5:n kohdalla amorfisella MnO2:lla. Sitä vastoin diklofenaakin poistuminen on huomattavasti vähäisempää kiteisellä MnO2:lla. Vain 21 % diklofenaakista poistuu kiteisellä MnO2:lla pH:ssa ~ 4,5. Kokeissa, jotka tehtiin pH:ssa ~ 7,0 ja pH:ssa ~ 8,5, diklofenaakin poistumista ei havaittu kiteisellä MnO2:lla.

Taulukko 2 Diklofenaakin poistotehokkuus anoksisissa olosuhteissa eri pH-olosuhteissa kahdella MnO2-morfologialla 48 tunnin kuluttua. koeolosuhteet: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Keskustelu

Yleisesti orgaanisten aineiden poisto MnO2:lla on kaksivaiheinen prosessi, joka sisältää adsorption ja hapetuksen (Remucal ja Ginder-Vogel 2014). Näiden kahden vaiheen osuus on erilainen eri yhdisteiden osalta (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang ja Huang 2005b). Oksisissa olosuhteissa happi voi nopeuttaa lääkeaineiden poistumista (Gao et al. 2012). Tämä ei kuitenkaan selitä sitä, miksi anoksiset olosuhteet soveltuvat diklofenaakin poistoon demiavedessä, kun happea ei ole läsnä osallistumassa poistoprosessiin (kuva S4). Oksisissa ja anoksisissa olosuhteissa muodostuu erilaisia välituotteita diklofenaakin poistossa MnO2:lla (Kuva S4, S5). Näillä välituotteilla on erilainen adsorptioaffiniteetti MnO2:n pinnalla oleviin reaktiivisiin kohtiin, mikä on mahdollisesti avain selittämään eroavaisuudet oksisten ja anoksisten olosuhteiden välillä. Tulosten perusteella kaksi tekijää näyttää vaikuttavan lääkeaineiden poiston tehokkuuteen, ja niitä käsitellään tarkemmin jäljempänä: (1) lääkkeiden molekyylirakenne ja kemialliset ominaisuudet sekä (2) MnO2:n ominaisuudet.

Lääkkeiden molekyylirakenne ja kemialliset ominaisuudet

Lääkkeiden molekyylirakenteella ja kemiallisilla ominaisuuksilla on merkitystä orgaanisten yhdisteiden poistossa MnO2:n avulla. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että hapettuminen MnO2:lla hapen läsnä ollessa merkitsee orgaanisen yhdisteen C-N-sidoksen pilkkoutumista. Metoprololilla ja propranololilla on C-N-sidoksia, joissa N-atomi on sitoutunut alkyyliryhmään. Nämä yhdisteet ovat samanlaisia kuin aiemmissa tutkimuksissa testatut yhdisteet (taulukko S1, S2), joissa hapelliset olosuhteet edistävät poistumista. Tämä C-N-sidoksen irtoaminen voi johtaa radikaalien muodostumiseen hapen läsnä ollessa (Barrett ja McBride 2005; Gao ym. 2012). Diklofenaakin hapettumiseen liittyy C-N-sidoksen pilkkoutumisen sijasta hydroksylaatiota ja dekarboksylaatiota (Huguet ym. 2013), mikä on erilainen mekanismi kuin metoprololin ja propranololin. Tämä osoittaa, että poistomekanismi liittyy läheisesti lääkkeen molekyylirakenteeseen ja kemiallisiin ominaisuuksiin.

Lääkkeen ominaisuuksiin vaikuttaa myös pH. Diklofenaakin alhaisen pKa:n (pKa = 4,15) vuoksi alhaisempi pH-taso johtaa vähemmän negatiivisesti varautuneeseen yhdisteeseen. Tämä johtaa pienempään sähköstaattiseen repulsioon diklofenaakin ja MnO2:n välillä, joka on myös negatiivisesti varautunut (Murray 1974). On arveltu, että alhaisempi pH-taso johtaa siihen, että diklofenaakilla on suurempi affiniteetti adsorboitua MnO2:n pinnalle ja siksi sillä on suotuisampi ensimmäinen vaihe poistossa MnO2:n avulla.

MnO2:n ominaisuudet

MnO2:n ominaisuuksiin vaikuttaa myös pH. Happamassa pH:ssa MnO2 on myös vähemmän negatiivisesti varautunut sen isoelektrisen pisteen vuoksi, mikä johtaa pienempään sähköstaattiseen hylkimiseen ja orgaanisten yhdisteiden parempaan adsorptioon. Lisäksi MnO2:n redox-potentiaali kasvaa 0,76 V:sta pH 8,0:ssa 0,99 V:iin pH 4,0:ssa (Lin et al. 2009). Näin ollen hajoamisreaktio on energeettisesti edullisempi alhaisemmassa pH:ssa. Molemmat tekijät voivat johtaa nopeampaan hajoamiseen, kuten tutkimuksessamme osoitettiin (taulukko 2). Tässä kokeessa käytettiin neutraalia pH:ta, joka on aiemmissa tutkimuksissa todettu epäedulliseksi lääkeaineiden hapettumiselle (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Lisäksi MnO2:n alhaisella redox-potentiaalilla on vähemmän protoneja korkeammassa pH:ssa, mikä on ratkaisevaa elektronien siirtymiselle Mn(IV):stä Mn(II:een.) Tämän seurauksena tässä tutkimuksessa ei havaittu kofeiinin, karbamatsepiinin, ibuprofeenin ja naprokseenin poistumista (Kuva S3), kun taas metoprololin ja propranololin poistotehokkuus on alhainen sekä oksisissa että anoksisissa olosuhteissa.

Erilaisilla MnO2-morfologioilla on erilaiset ominaisuudet, jotka vaikuttavat diklofenakin poistumiseen. Tutkimuksessamme diklofenaakin poistuma on parempi amorfisella MnO2:lla kuin kiteisellä MnO2:lla, mikä on linjassa aiemmin raportoitujen havaintojen kanssa (Remucal ja Ginder-Vogel 2014; Shin ja Cheney 2004; Ukrainczyk ja Mcbride 1992). Amorfiset MnO2-hiukkaset ovat yleensä pienempiä kuin kiteiset hiukkaset. Näin ollen amorfisilla MnO2-hiukkasilla on suurempi pinta-ala, mikä lisää lääkkeiden poistumista. Valitettavasti amorfisen MnO2:n kokoanalyysi ei näyttänyt olevan teknisesti mahdollista analyysirajoitusten vuoksi (kuva S6). Lisäksi amorfinen MnO2 sisältää pieniä määriä Mn(III):a, joka voi lisätä MnO2:n reaktiivisuutta ja hapetuskykyä (Remucal ja Ginder-Vogel 2014), mikä edistää lääkkeiden poistumista entisestään.

Fosfaatin läsnä ollessa diklofenaakin poistuminen MnO2:lla tehostuu hiukan paremmin hapellisissa olosuhteissa kuin hapettomissa olosuhteissa. O2:n käyttäminen Mn(II)n hapettamiseen Mn(III)ksi on termodynaamisesti suotuisa reaktio. Fosfaattipuskurin läsnä ollessa fosfaatti voi muodostaa Mn3(PO4)2:n Mn(II):n kanssa diklofenaakin hapettumisesta (yhtälö 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)

Laskelmat osoittavat, että Mn3(PO4)2:n kemiallinen rakenne voi vakauttaa Mn(III):a ja siten helpottaa Mn(II:n hapettumista Mn(III:ksi) hapettumisessa hapettumisessa hapettuvissa olosuhteissa (Jin et al. 2014). Mn2+ -analyysi osoittaa, että fosfaattipuskurissa on korkeampia Mn(II)-pitoisuuksia kuin demiavedessä, minkä selitämme johtuvan suuremmista määristä Mn(III):a, joka muodostuu oksisissa olosuhteissa. Suurempi Mn(III)-pitoisuus on todennäköisesti syy siihen, että diklofenaakkia poistuu enemmän kuin anoksisissa olosuhteissa, kuten havaitsimme (kuva 1) ja mekaanisesti esitetään kuvassa 2.

Reaktiiviset kohteet MnO2-pinnalla

Organisten molekyylien adsorption reaktiiviselle metallioksidipinnalle on todettu olevan keskeinen parametri, joka sanelee monien orgaanisten yhdisteiden poiston, ja nimenomaan MnO2-pinnan reaktiivisiin kohtiin (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang ja Huang 2005b). Diklofenaakin ja muiden eri lääkeaineiden väliseen kilpailuun reaktiivisista paikoista viittaavat tuloksemme, jotka saatiin sekalaisesta lääkeliuoksesta demiavedessä. Tästä on osoituksena diklofenaakin vähäisempi poistuminen muiden lääkeaineiden läsnä ollessa (Kuva 1a, b).

FTIR-tulostemme perusteella reaktiivisten paikkojen häviäminen ei ollut ilmeistä diklofenaakin poiston aikana MnO2:n avulla sekä hapellisissa että hapettomissa olosuhteissa (Kuva S5), mikä johtui mahdollisesti MnO2:n suhteellisen suuresta konsentraatiosta kokeessa. On kuitenkin selvää, että FTIR-spektrit eroavat MnO2:n välillä ennen ja jälkeen diklofenaakin kanssa reagoimisen, erityisesti anoksisissa olosuhteissa. Tämä osoittaa, että diklofenaakin välituotteet muuttavat MnO2:n rakennetta. Tämä muutos voi osaltaan vaikuttaa diklofenaakin parempaan poistumiseen MnO2:lla anoksisissa olosuhteissa.

Fosfaattipuskurissa fosfaatti voi vähentää diklofenaakin poistumista adsorboitumalla MnO2:n pinnalle ja kilpailemalla DFC:n kanssa MnO2:n reaktiivisista paikoista (Yao ja Millero 1996). Näin ollen, vaikka fosfaattipuskurin alhaisemman pH-tason pitäisi edistää diklofenaakin poistumista (pH 7 puskurissa verrattuna pH 8~9 demiavedessä), diklofenaakin poistuminen on parempaa demiavedessä, koska fosfaatti ei estä MnO2:n reaktiivisia kohtia (taulukko 1). Poistumistehokkuus ja kinetiikka ovat kuitenkin samanlaiset demi- ja fosfaattipuskurissa anoksisissa olosuhteissa (kuva 1). Tämä osoittaa, että on olemassa mekanismi, joka edistää diklofenaakin poistumista fosfaattipuskurissa ja joka kilpailee MnO2:n pinnalla olevien reaktiivisten paikkojen adsorboitumisesta ja miehittämisestä johtuvan eston kanssa. Aiemmista tutkimuksista tiedetään, että Mn(II) voi miehittää reaktiivisia paikkoja MnO2-pinnalla ja estää sitten lääkeaineen poistumisen (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Poistotuloksemme fosfaattipuskurissa osoittavat, että hapellisissa olosuhteissa syntyi 1,54 μM Mn2+:aa, kun taas anoksisissa olosuhteissa syntyi 2,16 μM. Vähemmän Mn(II):ta oksisissa olosuhteissa johti mahdollisesti vähäisempään Mn3(PO4)2:n muodostumiseen yhtälön 1 kautta, mikä oletettavasti johti useampiin käytettävissä oleviin reaktiivisiin paikkoihin diklofenaakin poistoa varten. Anoksisissa olosuhteissa näiden edistävien ja estävien vaikutusten tasapaino fosfaatin adsorboimalla johtaa samanlaiseen diklofenaakin poistumiseen demiavedessä ja fosfaattipuskurissa.