Le condizioni anossiche sono vantaggiose per la rimozione abiotica di diclofenac dall'acqua con ossido di manganese (MnO 2 )

Rimozione farmaceutica in condizioni ossiche contro anossiche

In assenza di MnO2, non è stata osservata alcuna rimozione per tutti e sette i farmaci entro 24 ore in entrambe le condizioni oxic e anoxic in tutti gli esperimenti (Tabella S3). In presenza di MnO2, metoprololo, propranololo e diclofenac vengono rimossi entro 24 ore sia in demiwater (Fig. 1a, b) che in tampone fosfato (Fig. 1c), mentre nessuna rimozione viene osservata per gli altri quattro farmaci (Fig. S3). Inoltre, i risultati mostrano che l’efficienza di rimozione del diclofenac è più alta in condizioni anossiche, mentre la rimozione più alta è osservata in condizioni ossessive per il metoprololo e il propranololo. L’efficienza di rimozione del diclofenac è del 78% in condizioni anossiche e del 59% in condizioni ossessive sono state osservate dopo 24 ore, incubando una soluzione di farmaci misti in acqua demineralizzata (Fig. 1a). Tuttavia, solo il 33% di metoprololo è stato rimosso in condizioni anossiche, rispetto al 69% in condizioni ossessive. Allo stesso modo, il propranololo è stato rimosso per il 51% in condizioni anossiche rispetto all’84% in condizioni ossigenate (Fig. 1a). L’efficienza di rimozione del diclofenac in una miscela insieme ad altri sei farmaci (Fig. 1a) è risultata inferiore a quella in un sistema demiwater in cui era presente solo il diclofenac (Fig. 1b). In condizioni anossiche, il 92% di diclofenac viene rimosso con MnO2, mentre in condizioni ossessive, si osserva una rimozione del 69% di diclofenac (Fig. 1b).

Per eliminare gli effetti del pH e della forza ionica sulla rimozione dei farmaci con MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), controlliamo il pH (~ 7) con tampone fosfato 50 mM e manteniamo la forza ionica (0,1 M) con NaCl. In ulteriori esperimenti con il tampone fosfato, il 90% del diclofenac viene rimosso in condizioni anossiche, mentre la rimozione quasi completa di diclofenac viene osservata in condizioni di oxic (Fig. 1c). L’efficienza di rimozione del diclofenac è simile in condizioni anossiche e tossiche. In studi precedenti, l’efficienza di rimozione di sostanze organiche, compresi i farmaci, in condizioni anossiche è simile o inferiore a quella in condizioni tossiche (Barrett e McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang e Huang 2005a). Tuttavia, osserviamo in particolare che l’efficienza di rimozione del diclofenac in condizioni anossiche può essere superiore a quella in condizioni ossigenate. Questo risultato unico indirizza i nostri ulteriori studi sul meccanismo di rimozione farmaceutica in condizioni anossiche con MnO2.

Un modello di pseudo-primo ordine con un periodo di incubazione iniziale è stato applicato per analizzare la cinetica di rimozione (Tabella 1), come eseguito in studi precedenti in condizioni di oxic (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang e Huang 2005a). Il confronto tra il tasso di rimozione iniziale (robs, init) e la costante di tasso di rimozione iniziale (kobs, init) di diversi farmaci mostra che l’ossigeno influenza la rimozione dei farmaci con MnO2. In demiwater con la miscela farmaceutica e con solo diclofenac, la rimozione di diclofenac è accelerata in condizioni anossiche; i tassi di rimozione di metoprololo e propranololo sono inferiori in condizioni anossiche. Inoltre, il diclofenac è stato rimosso al più alto tasso quando disciolto come unico composto in un tampone di fosfato ossigenato contenente MnO2.

Influenza del pH e delle morfologie di MnO2 sulla rimozione del diclofenac

pH è un parametro importante che influenza la rimozione farmaceutica con MnO2. Studi precedenti mostrano che anche le morfologie di MnO2 influenzano la rimozione dei farmaci (Shin e Cheney 2004). Tuttavia, la nostra nuova osservazione della rimozione di diclofenac in condizioni anossiche con MnO2 indica che i meccanismi di rimozione dei farmaci con MnO2 in condizioni anossiche potrebbero essere diversi dai meccanismi di rimozione in condizioni ossessive. Pertanto, è importante studiare l’effetto del pH e delle morfologie MnO2 sulla rimozione di diclofenac per capire il meccanismo di rimozione. Indaghiamo l’effetto del pH e MnO2 morfologie utilizzando sia amorfo MnO2 e cristallino MnO2 in condizioni anossiche a pH ~ 4.5, pH ~ 7.0, e pH ~ 8.5 stabilito con un buffer fosfato 50 mM.

Efficienze di rimozione Diclofenac con MnO2 in condizioni anossiche sono inversamente correlati al pH (Tabella 2). Entro 48 ore, la rimozione diclofenac in condizioni anossiche varia dal 100% a circa pH ~ 4.5 e pH ~ 7.0, al 70% a pH ~ 8.5 con MnO2 amorfo. Al contrario, la rimozione di diclofenac è notevolmente inferiore con MnO2 cristallino. Solo il 21% di diclofenac viene rimosso con MnO2 cristallino a pH ~ 4,5. Negli esperimenti effettuati a pH ~ 7.0 e pH ~ 8.5, nessuna rimozione di diclofenac è osservata con MnO2 cristallino.

Tabella 2 Efficienza di rimozione del diclofenac in condizioni anossiche a diverse condizioni di pH con due morfologie di MnO2 dopo 48 ore. Condizioni sperimentali: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Discussione

Generalmente, la rimozione di sostanze organiche con MnO2 è un processo in due fasi che comprende l’adsorbimento e l’ossidazione (Remucal e Ginder-Vogel 2014). Il contributo delle due fasi è vario da diversi composti (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang e Huang 2005b). In condizioni di ossidazione, la rimozione dei farmaci può essere accelerata dall’ossigeno (Gao et al. 2012). Tuttavia, questo non riesce a spiegare perché le condizioni anossiche sono adatte per la rimozione di diclofenac in demiwater quando l’ossigeno non è presente per partecipare al processo di rimozione (Fig. S4). Ci sono diversi intermedi formati in condizioni oxic e anoxic durante la rimozione diclofenac con MnO2 (Fig. S4, S5). Questi intermedi hanno diverse affinità di adsorbimento per i siti reattivi sulla superficie MnO2, che è forse la chiave per spiegare le differenze tra le condizioni oxic e anoxic. Sulla base dei risultati, due fattori sembrano influenzare l’efficienza della rimozione farmaceutica e sono elaborati di seguito: (1) la struttura molecolare farmaceutica e le proprietà chimiche, e (2) le proprietà del MnO2.

Struttura molecolare farmaceutica e proprietà chimiche

La struttura molecolare e le proprietà chimiche dei farmaci sono importanti nella rimozione dei composti organici con MnO2. Studi precedenti mostrano che l’ossidazione con MnO2 in presenza di ossigeno comporta la scissione del legame C-N del composto organico. Metoprololo e propranololo hanno legami C-N, in cui l’atomo N è legato a un gruppo alchilico. Questi composti sono simili a quelli testati in studi precedenti (Tabella S1, S2) in cui le condizioni di ossidazione promuovono la rimozione. Questa scissione del legame C-N può portare alla formazione di radicali in presenza di ossigeno (Barrett e McBride 2005; Gao et al. 2012). L’ossidazione del diclofenac comporta idrossilazione e decarbossilazione invece della scissione del legame C-N (Huguet et al. 2013), che è un meccanismo diverso da quello del metoprololo e del propranololo. Questo dimostra che il meccanismo di rimozione è strettamente legato alla struttura molecolare del farmaco e alle proprietà chimiche.

Le proprietà del farmaco sono anche influenzate dal pH. A causa del basso pKa di diclofenac (pKa = 4,15), un livello di pH più basso risulta in un composto meno caricato negativamente. Questo porta a una minore repulsione elettrostatica tra diclofenac e MnO2, che è anche caricato negativamente (Murray 1974). Si ipotizza che un livello di pH più basso porti ad una maggiore affinità del diclofenac per adsorbire sulla superficie di MnO2 e quindi ha un primo passo più favorevole nella rimozione con MnO2.

Proprietà di MnO2

Le proprietà di MnO2 sono anche influenzate dal pH. A pH acido, MnO2 è anche meno carico negativamente a causa del suo punto isoelettrico, con conseguente minore repulsione elettrostatica e migliore adsorbimento dei composti organici. Inoltre, il potenziale redox del MnO2 aumenta da 0,76 V a pH 8,0 a 0,99 V a pH 4,0 (Lin et al. 2009). Quindi, la reazione di degradazione è energeticamente più favorevole a un pH più basso. Entrambi i fattori possono portare a una degradazione più veloce, come mostrato nel nostro studio (Tabella 2). Questo esperimento utilizza un pH neutro, che è stato trovato sfavorevole per l’ossidazione dei farmaci in studi precedenti (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Inoltre, ci sono meno protoni al basso potenziale redox di MnO2 a pH più alto, che è fondamentale per il trasferimento di elettroni da Mn(IV) a Mn(II). Come risultato, nessuna rimozione di caffeina, carbamazepina, ibuprofene e naprossene è stata osservata in questo studio (Fig. S3), mentre l’efficienza di rimozione di metoprololo e propranololo è bassa in condizioni sia oxic che anoxic.

Diverse morfologie di MnO2 hanno diverse proprietà che influenzano la rimozione di diclofenac. Nella nostra ricerca, la rimozione di diclofenac è migliore con MnO2 amorfo rispetto a quello con MnO2 cristallino, che è in linea con i risultati precedentemente riportati (Remucal e Ginder-Vogel 2014; Shin e Cheney 2004; Ukrainczyk e Mcbride 1992). Le particelle amorfe di MnO2 sono solitamente più piccole di quelle cristalline. Pertanto, le particelle amorfe di MnO2 hanno una superficie maggiore, che aumenta la rimozione dei farmaci. Sfortunatamente, a causa dei limiti analitici, l’analisi delle dimensioni del MnO2 amorfo non sembra tecnicamente fattibile (Fig. S6). Inoltre, MnO2 amorfo contiene piccole quantità di Mn (III) che può aumentare la reattività di MnO2 e la capacità ossidante (Remucal e Ginder-Vogel 2014), promuovendo così la rimozione farmaceutica ancora di più.

In presenza di fosfato, la rimozione di diclofenac con MnO2 è leggermente migliorata in condizioni di oxic rispetto a quella in condizioni anoxic. Utilizzare O2 per ossidare Mn(II) a Mn(III) è una reazione termodinamicamente favorevole. In presenza di tampone fosfato, il fosfato può formare Mn3(PO4)2 con Mn(II) dall’ossidazione di diclofenac (Eq. 1) (Jin et al. 2014).

$$ 3{mathrm{Mn}^{2+}+2{mathrm{PO}}_4^{3-a {mathrm{Mn}}3{sinistra({mathrm{PO}}_4{destra)}_2 $$

(1)

I calcoli mostrano che la struttura chimica del Mn3(PO4)2 può stabilizzare il Mn(III) e quindi facilitare l’ossidazione del Mn(II) a Mn(III) in condizioni di ossidazione (Jin et al. 2014). L’analisi Mn2+ mostra la presenza di concentrazioni più elevate di Mn(II) nel tampone fosfato rispetto all’acqua demi, che spieghiamo come risultato di maggiori quantità di Mn(III) formate in condizioni di ossidazione. Una maggiore concentrazione di Mn(III) è probabilmente la ragione per cui viene rimosso più diclofenac che in condizioni anossiche, come abbiamo osservato (Fig. 1) e meccanicamente presente in Fig. 2.

Siti reattivi sulla superficie di MnO2

L’adsorbimento di molecole organiche su una superficie di ossido metallico reattivo è trovato essere il parametro chiave che detta la rimozione di molti composti organici, e in particolare ai siti reattivi sulla superficie di MnO2 (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang e Huang 2005b). I nostri risultati con la soluzione farmaceutica mista nell’acqua demi suggeriscono una competizione per i siti reattivi tra il diclofenac e gli altri diversi farmaci. Questo è evidenziato dalla rimozione diclofenac inferiore in presenza di altri farmaci (Fig. 1a, b).

Sulla base dei nostri risultati FTIR, non c’era evidente scomparsa di siti reattivi durante la rimozione diclofenac con MnO2 in entrambe le condizioni oxic e anoxic (Fig. S5), probabilmente a causa di una concentrazione relativamente elevata di MnO2 nell’esperimento. Tuttavia, è chiaro che gli spettri FTIR sono diversi tra il MnO2 prima e dopo la reazione con diclofenac, soprattutto in condizioni anossiche. Questo indica che gli intermedi del diclofenac cambiano la struttura del MnO2. Questo cambiamento può contribuire alla migliore rimozione del diclofenac con MnO2 in condizioni anossiche.

Nel tampone fosfato, il fosfato può ridurre la rimozione del diclofenac essendo adsorbito sulla superficie del MnO2 e competendo con il DFC per i siti reattivi del MnO2 (Yao e Millero 1996). Di conseguenza, anche se il livello di pH più basso nel tampone fosfato dovrebbe promuovere la rimozione di diclofenac (pH 7 nel tampone contro pH 8 ~ 9 in acqua demi), la rimozione diclofenac è migliore in acqua demi perché i siti reattivi MnO2 non sono bloccati dal fosfato (Tabella 1). Tuttavia, si osservano efficienze di rimozione e cinetiche simili in acqua demi e tampone fosfato in condizioni anossiche (Fig. 1). Questo indica che c’è un meccanismo che promuove la rimozione di diclofenac nel tampone fosfato, che compete con l’inibizione dal fosfato adsorbendo e occupando i siti reattivi sulla superficie MnO2. Da studi precedenti, è noto che Mn(II) può occupare siti reattivi sulla superficie MnO2 e quindi inibire la rimozione farmaceutica (He et al. 2012; Xu et al. 2008). I nostri risultati di rimozione in tampone fosfato mostrano che 1,54 μM Mn2+ è stato generato in condizioni di ossidazione, mentre 2,16 μM è stato generato in condizioni anossiche. Meno Mn (II) in condizioni di oxic ha portato in forse meno formazione di Mn3 (PO4) 2 attraverso Eq. 1, che presumibilmente ha portato a più siti reattivi disponibili per la rimozione diclofenac. In condizioni anossiche, l’equilibrio di questi effetti di promozione e inibizione da fosfato adsorbente porta alla rimozione diclofenac simile in demiwater e tampone fosfato.