Las condiciones anóxicas son beneficiosas para la eliminación abiótica de diclofenaco del agua con óxido de manganeso (MnO 2 )

La eliminación de productos farmacéuticos en condiciones óxicas frente a anóxicas

En ausencia de MnO2, no se observa eliminación de los siete productos farmacéuticos en 24 horas bajo condiciones tóxicas y anóxicas en todos los experimentos (Tabla S3). En presencia de MnO2, el metoprolol, el propranolol y el diclofenaco se eliminan en 24 horas tanto en demiagua (Fig. 1a, b) como en tampón fosfato (Fig. 1c), mientras que no se observa ninguna eliminación para los otros cuatro productos farmacéuticos (Fig. S3). Además, los resultados muestran que la eficiencia de eliminación del diclofenaco es mayor en condiciones anóxicas, mientras que se observa una mayor eliminación en condiciones óxicas para el metoprolol y el propranolol. Se observaron eficiencias de eliminación de diclofenaco del 78% en condiciones anóxicas y del 59% en condiciones óxicas después de 24 horas, incubando una solución de productos farmacéuticos mezclados en agua desmineralizada (Fig. 1a). Sin embargo, sólo se eliminó el 33% de metoprolol en condiciones anóxicas, frente al 69% en condiciones óxicas. Del mismo modo, el 51% del propranolol se eliminó en condiciones anóxicas en comparación con el 84% en condiciones óxicas (Fig. 1a). La eficiencia de eliminación del diclofenaco en una mezcla junto con otros seis productos farmacéuticos (Fig. 1a) resultó ser menor que en un sistema demiagua en el que sólo estaba presente el diclofenaco (Fig. 1b). En condiciones anóxicas, se elimina el 92% de diclofenaco con MnO2, mientras que en condiciones óxicas se observa una eliminación del 69% de diclofenaco (Fig. 1b).

Para eliminar los efectos del pH y la fuerza iónica en la eliminación de fármacos con MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), controlamos el pH (~ 7) con tampón fosfato 50 mM y mantenemos la fuerza iónica (0,1 M) con NaCl. En otros experimentos con tampón fosfato, el 90% del diclofenaco se elimina en condiciones anóxicas, mientras que en condiciones óxicas se observa una eliminación casi completa del diclofenaco (Fig. 1c). La eficiencia de eliminación del diclofenaco es similar en condiciones anóxicas y óxicas. En estudios anteriores, la eficiencia de eliminación de materias orgánicas, incluyendo productos farmacéuticos, en condiciones anóxicas es similar o menor que en condiciones óxicas (Barrett y McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang y Huang 2005a). Sin embargo, observamos notablemente que la eficiencia de eliminación del diclofenaco en condiciones anóxicas puede ser mayor que en condiciones óxicas. Este resultado único dirige nuestros estudios posteriores sobre el mecanismo de eliminación del fármaco en condiciones anóxicas con MnO2.

Se aplicó un modelo de pseudo-primer orden con un periodo de incubación inicial para analizar la cinética de eliminación (Tabla 1), como se realizó en estudios anteriores en condiciones óxicas (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang y Huang 2005a). La comparación de la tasa de eliminación inicial (robs, init) y la constante de la tasa de eliminación inicial (kobs, init) de diferentes productos farmacéuticos muestra que el oxígeno afecta a la eliminación de productos farmacéuticos con MnO2. En el agua desmineralizada con la mezcla de productos farmacéuticos y sólo con diclofenaco, la eliminación de diclofenaco se acelera en condiciones anóxicas; las tasas de eliminación de metoprolol y propranolol son menores en condiciones anóxicas. Además, el diclofenaco se eliminó a la tasa más alta cuando se disolvió como único compuesto en un tampón de fosfato óxico que contenía MnO2.

Influencia del pH y de las morfologías del MnO2 en la eliminación del diclofenaco

El pH es un parámetro importante que afecta a la eliminación de fármacos con MnO2. Estudios anteriores muestran que las morfologías del MnO2 también influyen en la eliminación de fármacos (Shin y Cheney 2004). Sin embargo, nuestra novedosa observación de la eliminación de diclofenaco en condiciones anóxicas con MnO2 indica que los mecanismos de eliminación de productos farmacéuticos con MnO2 en condiciones anóxicas podrían ser diferentes de los mecanismos de eliminación en condiciones óxicas. Por lo tanto, es importante investigar el efecto del pH y las morfologías del MnO2 en la eliminación del diclofenaco para entender el mecanismo de eliminación. Investigamos el efecto del pH y las morfologías del MnO2 utilizando tanto MnO2 amorfo como MnO2 cristalino en condiciones anóxicas a pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 y pH ~ 8,5 establecidas con un tampón de fosfato de 50 mM.

Las eficiencias de eliminación de diclofenaco con MnO2 en condiciones anóxicas están inversamente relacionadas con el pH (Tabla 2). En 48 h, la eliminación de diclofenaco en condiciones anóxicas varía del 100% en torno a pH ~ 4,5 y pH ~ 7,0, al 70% en pH ~ 8,5 con MnO2 amorfo. En cambio, la eliminación de diclofenaco es notablemente inferior con MnO2 cristalino. Sólo el 21% del diclofenaco se elimina con MnO2 cristalino a pH ~ 4,5. En los experimentos realizados a pH ~ 7,0 y pH ~ 8,5, no se observa eliminación de diclofenaco con MnO2 cristalino.

Tabla 2 Eficiencia de eliminación de diclofenaco en condiciones anóxicas a diferentes condiciones de pH con dos morfologías de MnO2 después de 48 h. Condiciones experimentales: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Discusión

Generalmente, la eliminación de materias orgánicas con MnO2 es un proceso de dos pasos que incluye la adsorción y la oxidación (Remucal y Ginder-Vogel 2014). La contribución de los dos pasos es diversa según los distintos compuestos (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang y Huang 2005b). En condiciones óxicas, la eliminación de productos farmacéuticos puede ser acelerada por el oxígeno (Gao et al. 2012). Sin embargo, esto no explica por qué las condiciones anóxicas son adecuadas para la eliminación de diclofenaco en demiagua cuando el oxígeno no está presente para participar en el proceso de eliminación (Fig. S4). Hay diferentes intermedios formados bajo condiciones óxicas y anóxicas durante la eliminación de diclofenaco con MnO2 (Fig. S4, S5). Estos intermedios tienen diferentes afinidades de adsorción para los sitios reactivos en la superficie del MnO2, lo cual es posiblemente la clave para explicar las diferencias entre las condiciones óxicas y anóxicas. A partir de los resultados, hay dos factores que parecen influir en la eficacia de la eliminación de los productos farmacéuticos y que se explican a continuación (1) la estructura molecular y las propiedades químicas de los productos farmacéuticos, y (2) las propiedades del MnO2.

Estructura molecular y propiedades químicas de los productos farmacéuticos

La estructura molecular y las propiedades químicas de los productos farmacéuticos son importantes en la eliminación de compuestos orgánicos con MnO2. Estudios anteriores muestran que la oxidación con MnO2 en presencia de oxígeno implica la escisión del enlace C-N del compuesto orgánico. El metoprolol y el propranolol tienen enlaces C-N, en los que el átomo N está unido a un grupo alquilo. Estos compuestos son similares a los probados en estudios anteriores (Tabla S1, S2) en los que las condiciones tóxicas promueven la eliminación. Esta escisión del enlace C-N puede dar lugar a la formación de radicales en presencia de oxígeno (Barrett y McBride 2005; Gao et al. 2012). La oxidación del diclofenaco implica la hidroxilación y la descarboxilación en lugar de la escisión del C-N (Huguet et al. 2013), que es un mecanismo diferente al del metoprolol y el propranolol. Esto demuestra que el mecanismo de eliminación está estrechamente relacionado con la estructura molecular del fármaco y sus propiedades químicas.

Las propiedades del fármaco también se ven afectadas por el pH. Debido al bajo pKa del diclofenaco (pKa = 4,15), un nivel de pH más bajo da lugar a un compuesto menos cargado negativamente. Esto conduce a una menor repulsión electrostática entre el diclofenaco y el MnO2, que también está cargado negativamente (Murray 1974). Se especula que un nivel de pH más bajo conducirá a una mayor afinidad del diclofenaco para adsorberse en la superficie del MnO2 y, por tanto, tiene un primer paso más favorable en la eliminación con el MnO2.

Propiedades del MnO2

Las propiedades del MnO2 también se ven afectadas por el pH. A un pH ácido, el MnO2 también está menos cargado negativamente debido a su punto isoeléctrico, lo que resulta en una menor repulsión electrostática y una mejor adsorción de los compuestos orgánicos. Además, el potencial redox del MnO2 aumenta de 0,76 V a pH 8,0 a 0,99 V a pH 4,0 (Lin et al. 2009). Así, la reacción de degradación es energéticamente más favorable a un pH más bajo. Ambos factores pueden conducir a una degradación más rápida, como se muestra en nuestro estudio (Tabla 2). En este experimento se utiliza el pH neutro, que se consideró desfavorable para la oxidación de productos farmacéuticos en estudios anteriores (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Además, hay menos protones en el bajo potencial redox del MnO2 a un pH más alto, que es crucial para la transferencia de electrones del Mn(IV) al Mn(II). Como resultado, no se observó ninguna eliminación de cafeína, carbamazepina, ibuprofeno y naproxeno en este estudio (Fig. S3), mientras que la eficiencia de eliminación de metoprolol y propranolol es baja tanto en condiciones óxicas como anóxicas.

Diferentes morfologías de MnO2 tienen diferentes propiedades que afectan a la eliminación de diclofenaco. En nuestra investigación, la eliminación de diclofenaco es mejor con el MnO2 amorfo que con el MnO2 cristalino, lo que coincide con los hallazgos comunicados anteriormente (Remucal y Ginder-Vogel 2014; Shin y Cheney 2004; Ukrainczyk y Mcbride 1992). Las partículas amorfas de MnO2 suelen ser más pequeñas que las cristalinas. Así, las partículas amorfas de MnO2 tienen una mayor superficie, lo que aumenta la eliminación de productos farmacéuticos. Desgraciadamente, debido a los límites analíticos, el análisis del tamaño del MnO2 amorfo parece técnicamente inviable (Fig. S6). Además, el MnO2 amorfo contiene pequeñas cantidades de Mn(III) que pueden aumentar la reactividad y la capacidad de oxidación del MnO2 (Remucal y Ginder-Vogel 2014), lo que favorece aún más la eliminación del fármaco.

En presencia de fosfato, la eliminación de diclofenaco con MnO2 es ligeramente mayor en condiciones óxicas que en condiciones anóxicas. El uso de O2 para oxidar Mn(II) a Mn(III) es una reacción termodinámicamente favorable. En presencia de tampón de fosfato, el fosfato puede formar Mn3(PO4)2 con Mn(II) a partir de la oxidación del diclofenaco (Ecuación 1) (Jin et al. 2014).

$$ 3{{mathrm{Mn}^{2+}+2{mathrm{PO}_4^{3-a {\mathrm{Mn}}_3{left({\mathrm{PO}_4\right)}_2 $$

(1)

Los cálculos muestran que la estructura química del Mn3(PO4)2 puede estabilizar el Mn(III) y, por tanto, facilitar la oxidación del Mn(II) a Mn(III) en condiciones óxicas (Jin et al. 2014). El análisis de Mn2+ muestra la presencia de mayores concentraciones de Mn(II) en el tampón de fosfato que en el demiagua, lo que explicamos como resultado de las mayores cantidades de Mn(III) formadas en condiciones óxicas. La mayor concentración de Mn(III) es probablemente la razón por la que se elimina más diclofenaco que en condiciones anóxicas, como hemos observado (Fig. 1) y se presenta mecánicamente en la Fig. 2.

Sitios reactivos en la superficie de MnO2

La adsorción de moléculas orgánicas en una superficie de óxido metálico reactivo se encuentra como el parámetro clave que dicta la eliminación de muchos compuestos orgánicos, y específicamente a los sitios reactivos en la superficie de MnO2 (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang y Huang 2005b). Nuestros resultados con la solución farmacéutica mixta en el agua desmineralizada sugieren una competencia por los sitios reactivos entre el diclofenaco y los otros productos farmacéuticos diferentes. Esto se evidencia por la menor eliminación de diclofenaco en presencia de otros productos farmacéuticos (Fig. 1a, b).

En base a nuestros resultados de FTIR, no hubo una desaparición obvia de sitios reactivos durante la eliminación de diclofenaco con MnO2 tanto en condiciones óxicas como anóxicas (Fig. S5), posiblemente debido a una concentración relativamente alta de MnO2 en el experimento. Sin embargo, está claro que los espectros FTIR son diferentes entre el MnO2 antes y después de reaccionar con diclofenaco, especialmente en condiciones anóxicas. Esto indica que los intermediarios del diclofenaco cambian la estructura del MnO2. Este cambio puede contribuir a la mejor eliminación del diclofenaco con el MnO2 en condiciones anóxicas.

En el tampón fosfato, el fosfato puede reducir la eliminación del diclofenaco al adsorberse en la superficie del MnO2 y competir con el DFC por los sitios reactivos del MnO2 (Yao y Millero 1996). En consecuencia, aunque el nivel de pH más bajo en el tampón de fosfato debería promover la eliminación de diclofenaco (pH 7 en el tampón frente a pH 8~9 en el agua desmineralizada), la eliminación de diclofenaco es mejor en el agua desmineralizada porque los sitios reactivos del MnO2 no están bloqueados por el fosfato (Tabla 1). Sin embargo, se observan eficiencias y cinéticas de remoción similares en el agua desmineralizada y en el buffer de fosfato bajo condiciones anóxicas (Fig. 1). Esto indica que existe un mecanismo que promueve la eliminación de diclofenaco en el tampón de fosfato, que compite con la inhibición por adsorción de fosfato y la ocupación de los sitios reactivos en la superficie de MnO2. A partir de estudios anteriores, se sabe que el Mn(II) puede ocupar sitios reactivos en la superficie del MnO2 y luego inhibir la eliminación del fármaco (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Nuestros resultados de eliminación en tampón fosfato muestran que se generó 1,54 μM de Mn2+ en condiciones óxicas, mientras que se generaron 2,16 μM en condiciones anóxicas. Una menor cantidad de Mn(II) en condiciones óxicas resultó en una posible menor formación de Mn3(PO4)2 a través de la Ecuación 1, lo que presumiblemente condujo a más sitios reactivos disponibles para la eliminación de diclofenaco. En condiciones anóxicas, el equilibrio de estos efectos promotores e inhibidores mediante la adsorción de fosfato conduce a una eliminación similar de diclofenaco en demiagua y en tampón de fosfato.