Les conditions anoxiques sont bénéfiques pour l'élimination abiotique du diclofénac de l'eau avec de l'oxyde de manganèse (MnO 2 )

Élimination des produits pharmaceutiques dans des conditions oxiques par rapport aux conditions anoxiques

En l’absence de MnO2, aucune élimination n’est observée pour les sept produits pharmaceutiques dans les 24 heures dans les deux conditions oxique et anoxique dans toutes les expériences (tableau S3). En présence de MnO2, le métoprolol, le propranolol et le diclofénac sont éliminés en 24 heures à la fois dans la demi-eau (Fig. 1a, b) et dans le tampon phosphate (Fig. 1c), alors qu’aucune élimination n’est observée pour les quatre autres produits pharmaceutiques (Fig. S3). De plus, les résultats montrent que l’efficacité d’élimination du diclofénac est plus élevée dans des conditions anoxiques, alors qu’une élimination plus importante est observée dans des conditions oxiques pour le métoprolol et le propranolol. Des efficacités d’élimination du diclofénac de 78% en conditions anoxiques et de 59% en conditions oxiques ont été observées après 24 heures d’incubation d’une solution de produits pharmaceutiques mélangés dans de l’eau déminéralisée (Fig. 1a). Cependant, seulement 33 % du métoprolol a été éliminé dans des conditions anoxiques, contre 69 % dans des conditions oxiques. De même, 51% du propranolol a été éliminé dans des conditions anoxiques contre 84% dans des conditions oxiques (Fig. 1a). L’efficacité de l’élimination du diclofénac dans un mélange avec six autres produits pharmaceutiques (Fig. 1a) s’est avérée plus faible que dans un système de demi-eau où seul le diclofénac était présent (Fig. 1b). Dans des conditions anoxiques, 92% du diclofénac est éliminé avec le MnO2, tandis que dans des conditions oxiques, 69% de l’élimination du diclofénac est observée (Fig. 1b).

Afin d’éliminer les effets du pH et de la force ionique sur l’élimination des produits pharmaceutiques avec MnO2 (Gao et al. 2012 ; Huguet et al. 2013), nous contrôlons le pH (~ 7) avec un tampon phosphate 50 mM et maintenons la force ionique (0,1 M) avec NaCl. Dans d’autres expériences avec le tampon phosphate, 90% du diclofénac est éliminé dans des conditions anoxiques, tandis qu’une élimination presque complète du diclofénac est observée dans des conditions oxiques (Fig. 1c). L’efficacité d’élimination du diclofénac est similaire dans des conditions anoxiques et oxiques. Dans des études antérieures, l’efficacité de l’élimination des matières organiques, y compris les produits pharmaceutiques, dans des conditions anoxiques est soit similaire, soit inférieure à celle dans des conditions oxiques (Barrett et McBride 2005 ; Gao et al. 2012 ; Zhang et Huang 2005a). Cependant, nous observons notamment que l’efficacité de l’élimination du diclofénac dans des conditions anoxiques peut être supérieure à celle dans des conditions oxiques. Ce résultat unique oriente nos études ultérieures sur le mécanisme d’élimination des produits pharmaceutiques dans des conditions anoxiques avec MnO2.

Un modèle de pseudo-premier ordre avec une période d’incubation initiale a été appliqué pour analyser la cinétique d’élimination (tableau 1), comme cela a été fait dans les études précédentes dans des conditions oxiques (Jiang et al. 2010a ; Zhang et al. 2008 ; Zhang et Huang 2005a). La comparaison du taux d’élimination initial (robs, init) et de la constante du taux d’élimination initial (kobs, init) de différents produits pharmaceutiques montre que l’oxygène affecte l’élimination des produits pharmaceutiques avec le MnO2. Dans la demi-eau avec le mélange pharmaceutique et avec seulement le diclofénac, l’élimination du diclofénac est accélérée dans des conditions anoxiques ; les taux d’élimination du métoprolol et du propranolol sont plus faibles dans des conditions anoxiques. En outre, le diclofénac a été éliminé au taux le plus élevé lorsqu’il était dissous en tant que composé unique dans un tampon phosphate oxique contenant du MnO2.

Influence du pH et des morphologies du MnO2 sur l’élimination du diclofénac

Le pH est un paramètre important qui affecte l’élimination pharmaceutique avec le MnO2. Des études précédentes montrent que les morphologies du MnO2 influencent également l’élimination des produits pharmaceutiques (Shin et Cheney 2004). Cependant, notre nouvelle observation de l’élimination du diclofénac dans des conditions anoxiques avec le MnO2 indique que les mécanismes d’élimination des produits pharmaceutiques avec le MnO2 dans des conditions anoxiques pourraient être différents des mécanismes d’élimination dans des conditions oxiques. Par conséquent, il est important d’étudier l’effet du pH et des morphologies du MnO2 sur l’élimination du diclofénac pour comprendre le mécanisme d’élimination. Nous étudions l’effet du pH et des morphologies de MnO2 en utilisant à la fois le MnO2 amorphe et le MnO2 cristallin dans des conditions anoxiques à pH ~ 4,5, pH ~ 7,0, et pH ~ 8,5 établies avec un tampon phosphate 50 mM.

Les efficacités d’élimination du diclofénac avec le MnO2 dans des conditions anoxiques sont inversement liées au pH (tableau 2). Dans les 48 heures, l’élimination du diclofénac dans des conditions anoxiques varie de 100% à environ pH ~ 4,5 et pH ~ 7,0, à 70% à pH ~ 8,5 avec le MnO2 amorphe. En revanche, l’élimination du diclofénac est nettement plus faible avec le MnO2 cristallin. Seulement 21% du diclofénac est éliminé avec le MnO2 cristallin à pH ~ 4,5. Dans les expériences réalisées à pH ~ 7,0 et pH ~ 8,5, aucune élimination du diclofénac n’est observée avec le MnO2 cristallin.

Tableau 2 Efficacité d’élimination du diclofénac en conditions anoxiques à différents pH avec deux morphologies de MnO2 après 48 h. Conditions expérimentales : 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Discussion

Généralement, l’élimination des matières organiques avec le MnO2 est un processus en deux étapes comprenant l’adsorption et l’oxydation (Remucal et Ginder-Vogel 2014). La contribution des deux étapes est différente selon les composés (He et al. 2012 ; Xu et al. 2008 ; Zhang et Huang 2005b). Dans des conditions oxiques, l’élimination des produits pharmaceutiques peut être accélérée par l’oxygène (Gao et al. 2012). Cependant, cela ne permet pas d’expliquer pourquoi les conditions anoxiques conviennent à l’élimination du diclofénac dans la demi eau lorsque l’oxygène n’est pas présent pour participer au processus d’élimination (Fig. S4). Différents intermédiaires sont formés dans des conditions oxiques et anoxiques pendant l’élimination du diclofénac avec le MnO2 (Fig. S4, S5). Ces intermédiaires ont des affinités d’adsorption différentes pour les sites réactifs sur la surface du MnO2, ce qui est peut-être la clé pour expliquer les différences entre les conditions oxiques et anoxiques. Sur la base des résultats, deux facteurs semblent influencer l’efficacité de l’élimination des produits pharmaceutiques et sont détaillés ci-dessous : (1) la structure moléculaire et les propriétés chimiques des produits pharmaceutiques, et (2) les propriétés du MnO2.

Structure moléculaire et propriétés chimiques des produits pharmaceutiques

La structure moléculaire et les propriétés chimiques des produits pharmaceutiques sont importantes pour l’élimination des composés organiques avec le MnO2. Des études antérieures montrent que l’oxydation avec MnO2 en présence d’oxygène implique le clivage de la liaison C-N du composé organique. Le métoprolol et le propranolol ont des liaisons C-N, dans lesquelles l’atome N est lié à un groupe alkyle. Ces composés sont similaires à ceux testés dans des études précédentes (Tableau S1, S2) dans lesquelles les conditions oxiques favorisent l’élimination. Ce clivage des liaisons C-N peut entraîner la formation de radicaux en présence d’oxygène (Barrett et McBride 2005 ; Gao et al. 2012). L’oxydation du diclofénac implique une hydroxylation et une décarboxylation au lieu du clivage C-N (Huguet et al. 2013), ce qui constitue un mécanisme différent de celui du métoprolol et du propranolol. Cela montre que le mécanisme d’élimination est étroitement lié à la structure moléculaire et aux propriétés chimiques du produit pharmaceutique.

Les propriétés du produit pharmaceutique sont également affectées par le pH. En raison du faible pKa du diclofénac (pKa = 4,15), un niveau de pH plus faible entraîne un composé moins chargé négativement. Cela entraîne une moindre répulsion électrostatique entre le diclofénac et le MnO2, qui est également chargé négativement (Murray 1974). Il est spéculé qu’un niveau de pH plus bas conduira à une plus grande affinité du diclofénac pour s’adsorber sur la surface du MnO2 et a donc une première étape d’élimination plus favorable avec le MnO2.

Propriétés du MnO2

Les propriétés du MnO2 sont également affectées par le pH. À pH acide, le MnO2 est également moins chargé négativement en raison de son point isoélectrique, ce qui entraîne une moindre répulsion électrostatique et une meilleure adsorption des composés organiques. De plus, le potentiel redox du MnO2 passe de 0,76 V à pH 8,0 à 0,99 V à pH 4,0 (Lin et al. 2009). Ainsi, la réaction de dégradation est énergétiquement plus favorable à un pH plus faible. Ces deux facteurs peuvent conduire à une dégradation plus rapide, comme le montre notre étude (tableau 2). Cette expérience utilise un pH neutre, qui s’est avéré défavorable à l’oxydation des produits pharmaceutiques dans des études précédentes (Chen et al. 2011 ; He et al. 2012 ; Xu et al. 2008). En outre, il y a moins de protons au faible potentiel redox de MnO2 à un pH plus élevé, ce qui est crucial pour le transfert d’électrons de Mn(IV) à Mn(II). Par conséquent, aucune élimination de la caféine, de la carbamazépine, de l’ibuprofène et du naproxène n’a été observée dans cette étude (Fig. S3), tandis que l’efficacité d’élimination du métoprolol et du propranolol est faible dans les deux conditions oxique et anoxique.

Différentes morphologies de MnO2 ont différentes propriétés affectant l’élimination du diclofénac. Dans notre recherche, l’élimination du diclofénac est meilleure avec le MnO2 amorphe que celle avec le MnO2 cristallin, ce qui est conforme aux résultats précédemment rapportés (Remucal et Ginder-Vogel 2014 ; Shin et Cheney 2004 ; Ukrainczyk et Mcbride 1992). Les particules de MnO2 amorphe sont généralement plus petites que les particules cristallines. Ainsi, les particules de MnO2 amorphe ont une plus grande surface, ce qui augmente l’élimination des produits pharmaceutiques. Malheureusement, en raison des limites analytiques, l’analyse de la taille du MnO2 amorphe semble techniquement irréalisable (Fig. S6). En outre, le MnO2 amorphe contient de petites quantités de Mn(III) qui peuvent augmenter la réactivité et la capacité d’oxydation du MnO2 (Remucal et Ginder-Vogel 2014), ce qui favorise encore plus l’élimination des produits pharmaceutiques.

En présence de phosphate, l’élimination du diclofénac avec le MnO2 est légèrement améliorée dans des conditions oxiques par rapport à celle dans des conditions anoxiques. L’utilisation de l’O2 pour oxyder le Mn(II) en Mn(III) est une réaction thermodynamiquement favorable. En présence de tampon phosphate, le phosphate peut former Mn3(PO4)2 avec Mn(II) à partir de l’oxydation du diclofénac (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)

Les calculs montrent que la structure chimique de Mn3(PO4)2 peut stabiliser le Mn(III) et ainsi faciliter l’oxydation du Mn(II) en Mn(III) dans des conditions oxiques (Jin et al. 2014). L’analyse du Mn2+ montre la présence de concentrations de Mn(II) plus élevées dans le tampon phosphate que dans la demi-eau, ce que nous expliquons par des quantités plus importantes de Mn(III) formées dans des conditions oxiques. La concentration plus élevée de Mn(III) est probablement la raison pour laquelle plus de diclofénac est éliminé que dans des conditions anoxiques, comme nous l’avons observé (Fig. 1) et présenté mécaniquement dans la Fig. 2.

Sites réactifs sur la surface du MnO2

L’adsorption de molécules organiques sur une surface d’oxyde métallique réactive s’avère être le paramètre clé dictant l’élimination de nombreux composés organiques, et spécifiquement aux sites réactifs sur la surface du MnO2 (He et al. 2012 ; Xu et al. 2008 ; Zhang et Huang 2005b). Nos résultats avec la solution pharmaceutique mixte dans la demi-eau suggèrent une compétition pour les sites réactifs entre le diclofénac et les autres différents produits pharmaceutiques. Ceci est mis en évidence par l’élimination plus faible du diclofénac en présence d’autres produits pharmaceutiques (Fig. 1a, b).

Sur la base de nos résultats FTIR, il n’y a pas eu de disparition évidente des sites réactifs au cours de l’élimination du diclofénac avec le MnO2 dans les deux conditions oxique et anoxique (Fig. S5), peut-être en raison d’une concentration relativement élevée de MnO2 dans l’expérience. Cependant, il est clair que les spectres FTIR sont différents entre le MnO2 avant et après la réaction avec le diclofenac, surtout dans des conditions anoxiques. Ceci indique que les intermédiaires du diclofenac changent la structure du MnO2. Ce changement peut contribuer à une meilleure élimination du diclofénac avec le MnO2 dans des conditions anoxiques.

Dans un tampon phosphate, le phosphate peut réduire l’élimination du diclofénac en étant adsorbé sur la surface du MnO2 et en entrant en compétition avec le DFC pour les sites réactifs du MnO2 (Yao et Millero 1996). Par conséquent, bien que le niveau de pH plus faible dans le tampon phosphate devrait favoriser l’élimination du diclofénac (pH 7 dans le tampon contre pH 8~9 dans la demi-eau), l’élimination du diclofénac est meilleure dans la demi-eau car les sites réactifs du MnO2 ne sont pas bloqués par le phosphate (Tableau 1). Cependant, des efficacités et des cinétiques d’élimination similaires sont observées dans la demi-eau et le tampon phosphate dans des conditions anoxiques (Fig. 1). Cela indique qu’il existe un mécanisme favorisant l’élimination du diclofénac dans le tampon phosphate, qui entre en compétition avec l’inhibition par le phosphate qui s’adsorbe et occupe les sites réactifs sur la surface du MnO2. Des études précédentes ont montré que le Mn(II) peut occuper des sites réactifs sur la surface du MnO2 et inhiber l’élimination des produits pharmaceutiques (He et al. 2012 ; Xu et al. 2008). Nos résultats d’élimination dans le tampon phosphate montrent que 1,54 μM de Mn2+ a été généré dans des conditions oxiques, tandis que 2,16 μM ont été générés dans des conditions anoxiques. Moins de Mn(II) dans des conditions oxiques a entraîné probablement moins de formation de Mn3(PO4)2 via l’équation 1, ce qui a vraisemblablement conduit à plus de sites réactifs disponibles pour l’élimination du diclofénac. Dans des conditions anoxiques, l’équilibre de ces effets promoteurs et inhibiteurs par l’adsorption du phosphate conduit à une élimination similaire du diclofénac dans la demi-eau et le tampon phosphate.