Anoxische omstandigheden zijn gunstig voor abiotische diclofenacverwijdering uit water met mangaanoxide (MnO 2 )

Pharmaceutische verwijdering onder oxische versus anoxische omstandigheden

In afwezigheid van MnO2, geen verwijdering wordt waargenomen voor alle zeven geneesmiddelen binnen 24 uur onder zowel oxische als anoxische omstandigheden in alle experimenten (tabel S3). In aanwezigheid van MnO2 worden metoprolol, propranolol en diclofenac binnen 24 uur verwijderd in zowel demiwater (Fig. 1a, b) als fosfaatbuffer (Fig. 1c), terwijl geen verwijdering wordt waargenomen voor de andere vier farmaceutica (Fig. S3). Bovendien blijkt uit de resultaten dat de verwijderingsefficiëntie van diclofenac hoger is onder anoxische omstandigheden, terwijl voor metoprolol en propranolol een hogere verwijdering wordt waargenomen onder oxische omstandigheden. De verwijderingsefficiëntie van diclofenac bedroeg 78% onder anoxische omstandigheden en 59% onder oxische omstandigheden na 24 uur incubatie van een oplossing van gemengde geneesmiddelen in gedemineraliseerd water (Fig. 1a). Echter, slechts 33% metoprolol werd verwijderd onder anoxische omstandigheden vergeleken met 69% onder oxische omstandigheden. Evenzo werd propranolol voor 51% verwijderd onder zuurstofloze omstandigheden, vergeleken met 84% onder zuurstofloze omstandigheden (Fig. 1a). De verwijderingsefficiëntie van diclofenac in een mengsel met zes andere geneesmiddelen (Fig. 1a) bleek lager te zijn dan die in een demiwater systeem waarin alleen diclofenac aanwezig was (Fig. 1b). Onder anoxische omstandigheden wordt 92% diclofenac verwijderd met MnO2, terwijl onder oxische omstandigheden 69% diclofenacverwijdering wordt waargenomen (Fig. 1b).

Om de effecten van pH en ionensterkte op farmaceutische verwijdering met MnO2 te elimineren (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), regelen we de pH (~ 7) met 50 mM fosfaatbuffer en handhaven we de ionensterkte (0,1 M) met NaCl. Bij verdere experimenten met fosfaatbuffer wordt 90% van de diclofenac verwijderd onder anoxische omstandigheden, terwijl een bijna volledige verwijdering van diclofenac wordt waargenomen onder oxische omstandigheden (Fig. 1c). De verwijderingsefficiëntie van diclofenac is vergelijkbaar onder anoxische en oxische omstandigheden. In eerdere studies is de verwijderingsefficiëntie van organische stoffen, waaronder geneesmiddelen, onder anoxische omstandigheden vergelijkbaar of lager dan onder oxische omstandigheden (Barrett en McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang en Huang 2005a). Wij stellen echter vast dat de verwijderingsefficiëntie van diclofenac in anoxische omstandigheden hoger kan zijn dan in oxische omstandigheden. Dit unieke resultaat geeft richting aan onze verdere studies naar het mechanisme van farmaceutische verwijdering onder anoxische omstandigheden met MnO2.

Een pseudo-eerste-orde model met een initiële incubatieperiode werd toegepast om de verwijderingskinetiek te analyseren (tabel 1), zoals uitgevoerd in eerdere studies onder oxische omstandigheden (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang en Huang 2005a). Vergelijking van de initiële verwijderingssnelheid (robs, init) en de initiële verwijderingssnelheidsconstante (kobs, init) van verschillende farmaceutica toont aan dat zuurstof de verwijdering van farmaceutica met MnO2 beïnvloedt. In demiwater met het farmaceutische mengsel en met alleen diclofenac wordt diclofenac sneller verwijderd onder anoxische omstandigheden; de verwijderingssnelheid van metoprolol en propranolol is lager onder anoxische omstandigheden. Bovendien werd diclofenac verwijderd tegen de hoogste snelheid wanneer opgelost als een enkele verbinding in oxische fosfaatbuffer met MnO2.

Invloed van pH en MnO2 morfologieën op diclofenac verwijdering

pH is een belangrijke parameter die farmaceutische verwijdering met MnO2 beïnvloedt. Eerdere studies tonen aan dat MnO2 morfologieën ook invloed farmaceutische verwijdering (Shin en Cheney 2004). Onze nieuwe observatie van de verwijdering van diclofenac onder anoxische condities met MnO2 geeft echter aan dat de verwijderingsmechanismen van farmaceutica met MnO2 onder anoxische condities verschillend kunnen zijn van de verwijderingsmechanismen onder oxische condities. Daarom is het belangrijk om het effect van pH en MnO2 morfologieën op de verwijdering van diclofenac te onderzoeken om het verwijderingsmechanisme te begrijpen. We onderzoeken het effect van pH en MnO2 morfologieën met behulp van zowel amorfe MnO2 en kristallijne MnO2 onder anoxische omstandigheden bij pH ~ 4,5, pH ~ 7,0, en pH ~ 8,5 vastgesteld met een 50 mM fosfaatbuffer.

Diclofenac verwijderingsefficiënties met MnO2 onder anoxische omstandigheden zijn omgekeerd evenredig met pH (tabel 2). Binnen 48 uur varieert de diclofenacverwijdering onder anoxische omstandigheden van 100% bij ongeveer pH ~ 4,5 en pH ~ 7,0, tot 70% bij pH ~ 8,5 met amorf MnO2. Daarentegen is de diclofenacverwijdering beduidend lager met kristallijn MnO2. Slechts 21% van diclofenac wordt verwijderd met kristallijn MnO2 bij pH ~ 4,5. In de experimenten uitgevoerd bij pH ~ 7,0 en pH ~ 8,5 wordt geen diclofenacverwijdering waargenomen met kristallijn MnO2.

Tabel 2 Diclofenacverwijderingsefficiëntie onder anoxische omstandigheden bij verschillende pH-condities met twee MnO2-morfologieën na 48 h. Experimentele omstandigheden: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Discussie

Generaliseerd is verwijdering van organische stoffen met MnO2 een tweestapsproces dat adsorptie en oxidatie omvat (Remucal en Ginder-Vogel 2014). De bijdrage van de twee stappen is verschillend van verschillende verbindingen (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang en Huang 2005b). Onder oxische omstandigheden kan de verwijdering van farmaceutische stoffen worden versneld door zuurstof (Gao et al. 2012). Dit verklaart echter niet waarom anoxische omstandigheden geschikt zijn voor de verwijdering van diclofenac in demiwater wanneer zuurstof niet aanwezig is om deel te nemen aan het verwijderingsproces (Fig. S4). Er worden verschillende tussenproducten gevormd onder oxische en anoxische omstandigheden tijdens de verwijdering van diclofenac met MnO2 (Fig. S4, S5). Deze tussenproducten hebben verschillende adsorptieaffiniteiten voor de reactieve plaatsen op het MnO2 oppervlak, wat mogelijk de sleutel is tot de verklaring van de verschillen tussen oxische en anoxische omstandigheden. Op basis van de resultaten lijken twee factoren van invloed te zijn op de efficiëntie van de farmaceutische verwijdering; deze worden hieronder nader toegelicht: (1) de farmaceutische moleculaire structuur en chemische eigenschappen, en (2) de MnO2 eigenschappen.

Farmaceutische moleculaire structuur en chemische eigenschappen

De moleculaire structuur en chemische eigenschappen van farmaceutische stoffen zijn belangrijk bij de verwijdering van organische verbindingen met MnO2. Eerdere studies tonen aan dat oxidatie met MnO2 in aanwezigheid van zuurstof gepaard gaat met splitsing van de C-N binding van de organische verbinding. Metoprolol en propranolol hebben C-N bindingen, waarbij het N-atoom gebonden is aan een alkylgroep. Deze verbindingen zijn vergelijkbaar met die welke in eerdere studies zijn getest (tabel S1, S2), waarbij de verwijdering wordt bevorderd door oxidatie. Deze splitsing van de C-N-binding kan leiden tot de vorming van radicalen in aanwezigheid van zuurstof (Barrett en McBride 2005; Gao et al. 2012). Oxidatie van diclofenac gaat gepaard met hydroxylering en decarboxylering in plaats van C-N-splitsing (Huguet et al. 2013), wat een ander mechanisme is dan dat van metoprolol en propranolol. Dit toont aan dat het verwijderingsmechanisme nauw samenhangt met de farmaceutische moleculaire structuur en chemische eigenschappen.

De eigenschappen van het geneesmiddel worden ook beïnvloed door de pH. Door de lage pKa van diclofenac (pKa = 4,15), resulteert een lagere pH in een minder negatief geladen verbinding. Dit leidt tot minder elektrostatische afstoting tussen diclofenac en MnO2, dat ook negatief geladen is (Murray 1974). Gespeculeerd wordt dat een lagere pH zal leiden tot een hogere affiniteit van diclofenac om aan het MnO2-oppervlak te adsorberen en daardoor een gunstiger eerste stap in verwijdering met MnO2 heeft.

MnO2-eigenschappen

De eigenschappen van MnO2 worden ook beïnvloed door de pH. Bij zure pH is MnO2 ook minder negatief geladen door zijn isoëlektrisch punt, wat resulteert in minder elektrostatische afstoting en betere adsorptie van organische verbindingen. Bovendien neemt de redoxpotentiaal van MnO2 toe van 0,76 V bij pH 8,0 tot 0,99 V bij pH 4,0 (Lin et al. 2009). De afbraakreactie is dus energetisch gunstiger bij lagere pH. Beide factoren kunnen leiden tot een snellere afbraak, zoals blijkt uit onze studie (tabel 2). In dit experiment wordt een neutrale pH gebruikt, die in eerdere studies ongunstig werd bevonden voor de oxidatie van geneesmiddelen (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Bovendien zijn er minder protonen bij het lage redoxpotentiaal van MnO2 bij hogere pH, wat cruciaal is voor de elektronenoverdracht van Mn(IV) naar Mn(II). Als gevolg hiervan werd in deze studie geen verwijdering van cafeïne, carbamazepine, ibuprofen en naproxen waargenomen (Fig. S3), terwijl de verwijderingsefficiëntie van metoprolol en propranolol laag is onder zowel oxische als anoxische omstandigheden.

Verschillende MnO2-morfologieën hebben verschillende eigenschappen die de verwijdering van diclofenac beïnvloeden. In ons onderzoek is diclofenacverwijdering beter met amorf MnO2 dan met kristallijn MnO2, wat in overeenstemming is met eerder gerapporteerde bevindingen (Remucal en Ginder-Vogel 2014; Shin en Cheney 2004; Ukrainczyk en Mcbride 1992). Amorfe MnO2-deeltjes zijn meestal kleiner dan kristallijne deeltjes. De amorfe MnO2-deeltjes hebben dus een groter oppervlak, waardoor de farmaceutische verwijdering toeneemt. Door de analytische beperkingen bleek een grootteanalyse van amorf MnO2 helaas technisch niet haalbaar (Fig. S6). Bovendien bevat amorf MnO2 kleine hoeveelheden Mn(III), wat de reactiviteit en het oxidatievermogen van MnO2 kan verhogen (Remucal en Ginder-Vogel 2014), waardoor de farmaceutische verwijdering nog verder wordt bevorderd.

In aanwezigheid van fosfaat is de diclofenacverwijdering met MnO2 onder oxische omstandigheden iets beter dan die onder anoxische omstandigheden. Het gebruik van O2 om Mn(II) te oxideren tot Mn(III) is een thermodynamisch gunstige reactie. In aanwezigheid van fosfaatbuffer kan fosfaat Mn3(PO4)2 vormen met Mn(II) uit diclofenac-oxidatie (Eq. 1) (Jin et al. 2014).

$$ 3{\mathrm{Mn}}^{2+}+2{\mathrm{PO}}_4^{3-}tot {mathrm{Mn}}_3{links({mathrm{PO}}_4rechts)}_2 $$

(1)

Computaties tonen aan dat de chemische structuur van Mn3(PO4)2 Mn(III) kan stabiliseren en daardoor de oxidatie van Mn(II) tot Mn(III) kan vergemakkelijken onder oxische omstandigheden (Jin et al. 2014). De Mn2+ analyse toont de aanwezigheid van hogere Mn(II) concentraties in fosfaatbuffer dan in demiwater, wat we verklaren als een gevolg van grotere hoeveelheden Mn(III) gevormd onder oxische omstandigheden. De hogere Mn(III)-concentratie is waarschijnlijk de reden dat er meer diclofenac wordt verwijderd dan onder anoxische omstandigheden, zoals we hebben waargenomen (Fig. 1) en mechanistisch weergegeven in Fig. 2.

Reactieve sites op het MnO2-oppervlak

De adsorptie van organische moleculen op een reactief metaaloxideoppervlak blijkt de belangrijkste parameter te zijn die de verwijdering van veel organische verbindingen dicteert, en specifiek naar reactieve sites op het MnO2-oppervlak (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang en Huang 2005b). Onze resultaten met de gemengde farmaceutische oplossing in het demiwater suggereren concurrentie voor reactieve plaatsen tussen diclofenac en de andere verschillende farmaceutica. Dit blijkt uit de lagere diclofenacverwijdering in aanwezigheid van andere farmaceutica (Fig. 1a, b).

Op basis van onze FTIR-resultaten was er geen duidelijke verdwijning van reactieve sites tijdens diclofenacverwijdering met MnO2 onder zowel oxische als anoxische omstandigheden (Fig. S5), mogelijk als gevolg van een relatief hoge concentratie van MnO2 in het experiment. Het is echter duidelijk dat de FTIR-spectrums verschillend zijn tussen MnO2 voor en na de reactie met diclofenac, vooral onder anoxische omstandigheden. Dit geeft aan dat de tussenproducten van diclofenac de structuur van MnO2 veranderen. Deze verandering kan bijdragen aan de betere diclofenacverwijdering met MnO2 onder anoxische omstandigheden.

In fosfaatbuffer kan fosfaat de diclofenacverwijdering verminderen doordat het geadsorbeerd wordt aan het MnO2-oppervlak en concurreert met DFC voor de reactieve plaatsen van MnO2 (Yao en Millero 1996). Bijgevolg, hoewel de lagere pH-waarde in fosfaatbuffer de verwijdering van diclofenac zou moeten bevorderen (pH 7 in buffer versus pH 8~9 in demiwater), is de verwijdering van diclofenac beter in demiwater omdat de reactieve sites van MnO2 niet geblokkeerd worden door fosfaat (tabel 1). Echter, vergelijkbare verwijderingsefficiënties en kinetiek in demiwater en fosfaatbuffer onder anoxische omstandigheden worden waargenomen (Fig. 1). Dit wijst erop dat er een mechanisme is dat diclofenacverwijdering in fosfaatbuffer bevordert, dat concurreert met de remming door fosfaat dat adsorbeert en de reactieve plaatsen op het MnO2 oppervlak bezet. Uit eerdere studies is bekend dat Mn(II) reactieve plaatsen op het MnO2 oppervlak kan bezetten en vervolgens de verwijdering van geneesmiddelen kan remmen (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Onze verwijderingsresultaten in fosfaatbuffer tonen aan dat 1,54 μM Mn2+ werd gegenereerd onder oxische omstandigheden, terwijl 2,16 μM werd gegenereerd onder anoxische omstandigheden. Minder Mn(II) onder oxische omstandigheden resulteerde mogelijk in minder vorming van Mn3(PO4)2 via Eq. 1, wat vermoedelijk leidde tot meer beschikbare reactieve sites voor diclofenacverwijdering. Onder anoxische omstandigheden leidt de balans van deze bevorderende en remmende effecten door adsorptie van fosfaat tot een vergelijkbare diclofenacverwijdering in demiwater en fosfaatbuffer.