A gyógyszer eltávolítása oxikus versus anoxikus körülmények között
MnO2 hiányában, hiányában mind a hét gyógyszer esetében nem figyelhető meg eltávolítás 24 órán belül oxikus és anoxikus körülmények között sem (S3. táblázat). MnO2 jelenlétében a metoprolol, a propranolol és a diklofenák 24 órán belül eltávolodik mind demi vízben (1a, b ábra), mind foszfát pufferben (1c ábra), míg a másik négy gyógyszer esetében nem figyelhető meg eltávolodás (S3 ábra). Az eredmények továbbá azt mutatják, hogy a diklofenák eltávolítási hatékonysága anoxikus körülmények között nagyobb, míg a metoprolol és a propranolol esetében oxikus körülmények között nagyobb eltávolítás figyelhető meg. A diklofenák eltávolítási hatékonysága anoxikus körülmények között 78%, oxikus körülmények között pedig 59% volt 24 óra elteltével, amikor vegyes gyógyszeroldatot inkubáltunk demineralizált vízben (1a. ábra). A metoprolol azonban csak 33%-ban távolodott el anoxikus körülmények között, míg oxikus körülmények között 69%-ban. Hasonlóképpen, a propranolol 51%-a távolodott el anoxikus körülmények között, míg 84%-a oxikus körülmények között (1a. ábra). A diklofenák eltávolításának hatékonysága a többi hat gyógyszerrel együtt (1a. ábra) alacsonyabbnak bizonyult, mint a demivizes rendszerben, amelyben csak diklofenák volt jelen (1b. ábra). Anoxikus körülmények között a diklofenák 92%-a távolítható el MnO2-vel, míg oxikus körülmények között 69%-os diklofenák eltávolítás figyelhető meg (1b. ábra).
A gyógyszer eltávolítása MnO2-vel demivízben gyógyszer-keverékkel (a), demivízben csak diclofenac-oldattal (b), foszfátpufferben csak diclofenac-oldattal oxikus körülmények között (fekete négyzet) és anoxikus körülmények között (fekete felfelé mutató háromszög) (c). Kísérleti körülmények: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, pH ~ 8,5. Foszfátpufferben diklofenák oldattal, = 50 mM, = 0,1 M. A hibasávok a meghatározott standard eltérések
A pH és az ionerősség MnO2-vel történő gyógyszereltávolításra gyakorolt hatásának kiküszöbölése érdekében (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013) a pH-t (~ 7) 50 mM foszfátpufferrel szabályozzuk, az ionerősséget (0,1 M) pedig NaCl-lal tartjuk fenn. A foszfátpufferrel végzett további kísérletek során anoxikus körülmények között a diklofenák 90%-a, míg oxikus körülmények között a diklofenák közel teljes eltávolítása figyelhető meg (1c. ábra). A diklofenák eltávolításának hatékonysága hasonló anoxikus és oxikus körülmények között. Korábbi vizsgálatok szerint a szerves anyagok, köztük a gyógyszerek eltávolításának hatékonysága anoxikus körülmények között hasonló vagy alacsonyabb, mint oxikus körülmények között (Barrett és McBride 2005; Gao és mtsai. 2012; Zhang és Huang 2005a). Mi azonban feltűnően megfigyeltük, hogy a diklofenák eltávolítási hatékonysága anoxikus körülmények között magasabb lehet, mint oxikus körülmények között. Ez az egyedülálló eredmény irányítja további vizsgálatainkat a gyógyszer eltávolításának mechanizmusára anoxikus körülmények között MnO2-vel.
A eltávolítás kinetikájának elemzésére pszeudo-elsőrendű modellt alkalmaztunk egy kezdeti inkubációs periódussal (1. táblázat), ahogyan azt korábbi, oxikus körülmények között végzett vizsgálatokban is tettük (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang és Huang 2005a). A különböző gyógyszerek kezdeti eltávolítási sebességének (robs, init) és a kezdeti eltávolítási sebességállandójának (kobs, init) összehasonlítása azt mutatja, hogy az oxigén befolyásolja a gyógyszerek MnO2-vel történő eltávolítását. A gyógyszer-keveréket és csak a diklofenákot tartalmazó demivízben a diklofenák eltávolítása anoxikus körülmények között felgyorsul; a metoprolol és a propranolol eltávolítási sebessége anoxikus körülmények között alacsonyabb. Továbbá a diklofenákot akkor távolították el a legnagyobb arányban, amikor egyedüli vegyületként MnO2-t tartalmazó oxikus foszfátpufferben oldották.
A pH és a MnO2 morfológiájának hatása a diklofenák eltávolítására
A pH fontos paraméter, amely befolyásolja a gyógyszer eltávolítását MnO2-vel. Korábbi vizsgálatok szerint a MnO2 morfológiák is befolyásolják a gyógyszereltávolítást (Shin és Cheney 2004). A diklofenák MnO2-vel történő anoxikus körülmények közötti eltávolítására vonatkozó újszerű megfigyelésünk azonban arra utal, hogy a gyógyszerek MnO2-vel történő eltávolítási mechanizmusai anoxikus körülmények között eltérőek lehetnek az oxikus körülmények közötti eltávolítási mechanizmusoktól. Ezért fontos megvizsgálni a pH és a MnO2 morfológiájának hatását a diklofenák eltávolítására az eltávolítási mechanizmus megértése érdekében. Vizsgáljuk a pH és a MnO2 morfológiák hatását mind az amorf MnO2, mind a kristályos MnO2 felhasználásával anoxikus körülmények között, 50 mM foszfát pufferrel megállapított pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 és pH ~ 8,5 mellett.
A diklofenák eltávolítási hatékonysága MnO2-vel anoxikus körülmények között fordítottan függ a pH-tól (2. táblázat). 48 órán belül a diklofenák eltávolítása anoxikus körülmények között 100% között változik pH ~ 4,5 és pH ~ 7,0 körül, és 70% között pH ~ 8,5 körül amorf MnO2-vel. Ezzel szemben a diklofenák eltávolítása lényegesen alacsonyabb a kristályos MnO2 esetében. A diklofenaknak csak 21%-a távolítható el kristályos MnO2-vel pH ~ 4,5-nél. A pH ~ 7,0 és pH ~ 8,5 mellett végzett kísérletekben a kristályos MnO2-vel nem figyelhető meg diklofenák eltávolítás.
Megbeszélés
A szerves anyagok eltávolítása MnO2-vel általában kétlépcsős folyamat, amely magában foglalja az adszorpciót és az oxidációt (Remucal és Ginder-Vogel 2014). A két lépés hozzájárulása különböző vegyületekből különböző (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang és Huang 2005b). Oxidos körülmények között a gyógyszereltávolítást felgyorsíthatja az oxigén (Gao et al. 2012). Ez azonban nem ad magyarázatot arra, hogy miért alkalmasak az anoxikus körülmények a diklofenák eltávolítására demiavízben, amikor az oxigén nincs jelen, hogy részt vegyen az eltávolítási folyamatban (S4. ábra). A diklofenák MnO2-vel történő eltávolítása során oxikus és anoxikus körülmények között különböző köztitermékek képződnek (S4. ábra, S5. ábra). Ezek az intermedierek különböző adszorpciós affinitással rendelkeznek a MnO2 felületének reaktív helyeihez, ami valószínűleg a kulcs az oxikus és anoxikus körülmények közötti különbségek magyarázatához. Az eredmények alapján úgy tűnik, hogy két tényező befolyásolja a gyógyszereltávolítás hatékonyságát, amelyeket az alábbiakban részletezünk: (1) a gyógyszer molekulaszerkezete és kémiai tulajdonságai, valamint (2) a MnO2 tulajdonságai.
A gyógyszer molekulaszerkezete és kémiai tulajdonságai
A gyógyszerek molekulaszerkezete és kémiai tulajdonságai fontosak a szerves vegyületek MnO2-vel történő eltávolításában. Korábbi vizsgálatok azt mutatják, hogy a MnO2-vel történő oxidáció oxigén jelenlétében a szerves vegyület C-N kötésének hasadásával jár. A metoprolol és a propranolol C-N kötéssel rendelkezik, amelyben az N atom egy alkilcsoporthoz kötődik. Ezek a vegyületek hasonlóak a korábbi vizsgálatokban vizsgált vegyületekhez (S1, S2 táblázat), amelyekben oxikus körülmények elősegítik az eltávolítást. Ez a C-N kötésbontás oxigén jelenlétében gyökök képződését eredményezheti (Barrett és McBride 2005; Gao és mtsai. 2012). A diklofenák oxidációja C-N-hasadás helyett hidroxilációval és dekarboxilációval jár (Huguet és mtsai. 2013), ami más mechanizmus, mint a metoprolol és a propranolol esetében. Ez azt mutatja, hogy az eltávolítási mechanizmus szorosan összefügg a gyógyszer molekulaszerkezetével és kémiai tulajdonságaival.
A gyógyszer tulajdonságait a pH is befolyásolja. A diklofenák alacsony pKa értéke miatt (pKa = 4,15) az alacsonyabb pH-szint kevésbé negatív töltésű vegyületet eredményez. Ez kisebb elektrosztatikus taszítást eredményez a diklofenák és a szintén negatív töltésű MnO2 között (Murray 1974). Feltételezhető, hogy az alacsonyabb pH-szint a diklofenák nagyobb affinitását eredményezi a MnO2 felületén való adszorpcióhoz, és ezért kedvezőbb az első lépés az eltávolításban a MnO2-vel.
MnO2 tulajdonságai
A MnO2 tulajdonságait is befolyásolja a pH. Savas pH-n a MnO2 izoelektromos pontja miatt kevésbé negatívan töltött is, ami kisebb elektrosztatikus taszítást és a szerves vegyületek jobb adszorpcióját eredményezi. Emellett a MnO2 redoxpotenciálja a pH 8,0-nál 0,76 V-ról pH 4,0-nál 0,99 V-ra nő (Lin et al. 2009). Így a lebontási reakció energetikailag kedvezőbb alacsonyabb pH-nál. Mindkét tényező gyorsabb lebomláshoz vezethet, amint azt a mi vizsgálatunk is mutatja (2. táblázat). Ebben a kísérletben semleges pH-t használtunk, amelyet korábbi tanulmányokban kedvezőtlennek találtak a gyógyszerek oxidációja szempontjából (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Ráadásul a MnO2 alacsony redoxpotenciáljánál, magasabb pH-n kevesebb proton van, ami döntő fontosságú az elektronátvitelhez a Mn(IV)-ről a Mn(II)-re. Ennek eredményeként ebben a vizsgálatban a koffein, a karbamazepin, az ibuprofen és a naproxen eltávolítása nem volt megfigyelhető (S3 ábra), míg a metoprolol és a propranolol eltávolítási hatékonysága alacsony mind oxikus, mind anoxikus körülmények között.
A különböző MnO2-morfológiák különböző tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek befolyásolják a diklofenák eltávolítását. Kutatásunkban a diklofenák eltávolítása jobb az amorf MnO2-vel, mint a kristályos MnO2-vel, ami összhangban van a korábban közölt eredményekkel (Remucal és Ginder-Vogel 2014; Shin és Cheney 2004; Ukrainczyk és Mcbride 1992). Az amorf MnO2 részecskék általában kisebbek, mint a kristályos részecskék. Így az amorf MnO2-részecskék nagyobb felülettel rendelkeznek, ami növeli a gyógyszereltávolítást. Sajnos az analitikai korlátok miatt az amorf MnO2 méretelemzése technikailag nem tűnt megvalósíthatónak (S6. ábra). Ezenkívül az amorf MnO2 kis mennyiségű Mn(III)-at tartalmaz, ami növelheti a MnO2 reaktivitását és oxidáló képességét (Remucal és Ginder-Vogel 2014), így még inkább elősegíti a gyógyszereltávolítást.
Foszfát jelenlétében a diklofenák eltávolítása MnO2-vel oxikus körülmények között kissé fokozottabb, mint anoxikus körülmények között. Az O2 használata a Mn(II) Mn(III)-vá oxidálására termodinamikailag kedvező reakció. Foszfátpuffer jelenlétében a foszfát a diklofenák oxidációjából származó Mn(II)-vel Mn3(PO4)2-t képezhet (1. egyenlet) (Jin et al. 2014).
A számítások szerint a Mn3(PO4)2 kémiai szerkezete képes stabilizálni a Mn(III)-t és ezáltal elősegíteni a Mn(II) oxidációját Mn(III)-vá oxikus körülmények között (Jin et al. 2014). A Mn2+ analízis magasabb Mn(II)-koncentráció jelenlétét mutatja a foszfátpufferben, mint a demivízben, amit az oxikus körülmények között képződő nagyobb mennyiségű Mn(III)-mal magyarázunk. A magasabb Mn(III)-koncentráció valószínűleg az oka annak, hogy több diklofenák távolodik el, mint anoxikus körülmények között, ahogy azt megfigyeltük (1. ábra) és mechanisztikailag a 2. ábrán bemutatjuk.
Reaktív helyek a MnO2 felületén
A szerves molekulák adszorpciója egy reaktív fém-oxid felületén számos szerves vegyület eltávolítását diktáló kulcsparaméternek bizonyult, mégpedig a MnO2 felületén található reaktív helyekre (He és mtsai. 2012; Xu és mtsai. 2008; Zhang és Huang 2005b). A demivízben lévő vegyes gyógyszeroldattal kapott eredményeink arra utalnak, hogy a diklofenák és a többi különböző gyógyszer között verseny van a reaktív helyekért. Ezt bizonyítja a diklofenák kisebb mértékű eltávolítása a többi gyógyszer jelenlétében (1a, b ábra).
FTIR eredményeink alapján a diklofenák MnO2-vel történő eltávolítása során sem oxikus, sem anoxikus körülmények között nem volt nyilvánvaló a reaktív helyek eltűnése (S5 ábra), ami valószínűleg a kísérletben használt viszonylag magas MnO2 koncentrációnak köszönhető. Egyértelmű azonban, hogy az FTIR-spektrumok eltérnek a diklofenákkal való reagálás előtti és utáni MnO2 között, különösen anoxikus körülmények között. Ez azt jelzi, hogy a diklofenákból származó köztitermékek megváltoztatják a MnO2 szerkezetét. Ez a változás hozzájárulhat a diklofenák jobb eltávolításához MnO2-vel anoxikus körülmények között.
Foszfát pufferben a foszfát csökkentheti a diklofenák eltávolítását azáltal, hogy adszorbeálódik a MnO2 felületén és versenyez a DFC-vel a MnO2 reaktív helyeiért (Yao és Millero 1996). Következésképpen, bár a foszfátpufferben az alacsonyabb pH-értéknek elő kellene segítenie a diklofenák eltávolítását (pH 7 a pufferben szemben a pH 8~9 a demivízben), a diklofenák eltávolítása jobb a demivízben, mivel a MnO2 reaktív helyeit nem blokkolja a foszfát (1. táblázat). Ugyanakkor hasonló eltávolítási hatékonyság és kinetika figyelhető meg demivízben és foszfátos pufferben anoxikus körülmények között (1. ábra). Ez azt jelzi, hogy létezik egy mechanizmus, amely elősegíti a diklofenák eltávolítását a foszfátpufferben, és amely versenyez a foszfát adszorbeálódása és a MnO2 felületén lévő reaktív helyek elfoglalása által okozott gátlással. Korábbi vizsgálatokból ismert, hogy a Mn(II) elfoglalhatja a reaktív helyeket a MnO2 felületén, majd gátolja a gyógyszer eltávolítását (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Foszfátpufferben végzett eltávolítási eredményeink azt mutatják, hogy oxikus körülmények között 1,54 μM Mn2+ keletkezett, míg anoxikus körülmények között 2,16 μM keletkezett. A kevesebb Mn(II) oxikus körülmények között valószínűleg kevesebb Mn3(PO4)2 képződését eredményezte az 1. egyenleten keresztül, ami feltehetően több rendelkezésre álló reaktív helyet eredményezett a diklofenák eltávolításához. Anoxikus körülmények között ezeknek az elősegítő és gátló hatásoknak az egyensúlya a foszfát adszorbeálásával hasonló diklofenak eltávolításhoz vezet demi vízben és foszfát pufferben.