Warunki anoksyczne są korzystne dla abiotycznego usuwania diklofenaku z wody za pomocą tlenku manganu (MnO 2 )

Usuwanie farmaceutyków w warunkach tlenowych versus anoksycznych

W przypadku braku MnO2, nie obserwuje się usuwania wszystkich siedmiu farmaceutyków w ciągu 24 h zarówno w warunkach tlenowych jak i anoksycznych we wszystkich eksperymentach (Tabela S3). W obecności MnO2, metoprolol, propranolol i diklofenak są usuwane w ciągu 24 h zarówno w wodzie demineralnej (Rys. 1a, b) jak i buforze fosforanowym (Rys. 1c), podczas gdy dla pozostałych czterech farmaceutyków nie obserwuje się żadnego usuwania (Rys. S3). Ponadto wyniki wskazują, że skuteczność usuwania diklofenaku jest wyższa w warunkach anoksycznych, podczas gdy w warunkach tlenowych wyższe usuwanie obserwuje się dla metoprololu i propranololu. Po 24 h inkubacji roztworu mieszaniny farmaceutyków w wodzie zdemineralizowanej zaobserwowano skuteczność usuwania diklofenaku na poziomie 78% w warunkach anoksycznych i 59% w warunkach tlenowych (rys. 1a). Jednakże, tylko 33% metoprololu zostało usunięte w warunkach anoksycznych w porównaniu do 69% w warunkach tlenowych. Podobnie, 51% propranololu zostało usunięte w warunkach anoksycznych w porównaniu do 84% w warunkach tlenowych (Rys. 1a). Stwierdzono, że skuteczność usuwania diklofenaku w mieszaninie wraz z innymi sześcioma farmaceutykami (rys. 1a) była niższa niż w układzie wody demiurgicznej, w którym obecny był tylko diklofenak (rys. 1b). W warunkach anoksycznych 92% diklofenaku jest usuwane za pomocą MnO2, natomiast w warunkach tlenowych obserwuje się 69% usunięcie diklofenaku (Rys. 1b).

W celu wyeliminowania wpływu pH i siły jonowej na usuwanie farmaceutyków za pomocą MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), kontrolujemy pH (~ 7) za pomocą 50 mM buforu fosforanowego i utrzymujemy siłę jonową (0,1 M) za pomocą NaCl. W dalszych eksperymentach z buforem fosforanowym, 90% diklofenaku jest usuwane w warunkach anoksycznych, podczas gdy prawie całkowite usunięcie diklofenaku obserwuje się w warunkach tlenowych (Rys. 1c). Wydajność usuwania diklofenaku jest podobna w warunkach anoksycznych i oksycznych. W poprzednich badaniach, wydajność usuwania substancji organicznych, w tym farmaceutyków, w warunkach anoksycznych jest podobna lub niższa niż w warunkach tlenowych (Barrett i McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang i Huang 2005a). Jednakże, zaobserwowaliśmy, że wydajność usuwania diklofenaku w warunkach anoksycznych może być wyższa niż w warunkach tlenowych. Ten unikalny wynik ukierunkowuje nasze dalsze badania nad mechanizmem usuwania farmaceutyków w warunkach anoksycznych przy użyciu MnO2.

Do analizy kinetyki usuwania zastosowano model pseudo-pierwszego rzędu z początkowym okresem inkubacji (Tabela 1), tak jak w poprzednich badaniach w warunkach tlenowych (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang i Huang 2005a). Porównanie początkowej szybkości usuwania (robs, init) i początkowej stałej szybkości usuwania (kobs, init) różnych farmaceutyków pokazuje, że tlen wpływa na usuwanie farmaceutyków za pomocą MnO2. W wodzie demiurgicznej z mieszaniną farmaceutyków i tylko z diklofenakiem, usuwanie diklofenaku jest szybsze w warunkach anoksycznych; szybkości usuwania metoprololu i propranololu są niższe w warunkach anoksycznych. Co więcej, diklofenak był usuwany z największą szybkością, gdy był rozpuszczony jako jedyny związek w tlenowym buforze fosforanowym zawierającym MnO2.

Wpływ pH i morfologii MnO2 na usuwanie diklofenaku

PH jest ważnym parametrem wpływającym na usuwanie farmaceutyków za pomocą MnO2. Poprzednie badania wykazały, że morfologie MnO2 również wpływają na usuwanie farmaceutyków (Shin i Cheney 2004). Jednakże, nasza nowa obserwacja usuwania diklofenaku za pomocą MnO2 w warunkach anoksycznych wskazuje, że mechanizmy usuwania farmaceutyków za pomocą MnO2 w warunkach anoksycznych mogą różnić się od mechanizmów usuwania w warunkach tlenowych. Dlatego ważne jest, aby zbadać wpływ pH i morfologii MnO2 na usuwanie diklofenaku, aby zrozumieć mechanizm usuwania. Zbadaliśmy wpływ pH i morfologii MnO2 przy użyciu zarówno amorficznego MnO2, jak i krystalicznego MnO2 w warunkach anoksycznych przy pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 i pH ~ 8,5 ustalonych za pomocą 50 mM buforu fosforanowego.

Wydajność usuwania diklofenaku za pomocą MnO2 w warunkach anoksycznych jest odwrotnie zależna od pH (Tabela 2). W ciągu 48 h, usuwanie diklofenaku w warunkach anoksycznych waha się od 100% przy około pH ~ 4,5 i pH ~ 7,0, do 70% przy pH ~ 8,5 z amorficznym MnO2. W przeciwieństwie do tego, usuwanie diklofenaku jest znacznie niższe w przypadku krystalicznego MnO2. Tylko 21% diklofenaku jest usuwane przy użyciu krystalicznego MnO2 przy pH ~ 4,5. W eksperymentach przeprowadzonych przy pH ~ 7,0 i pH ~ 8,5 nie obserwuje się usuwania diklofenaku przy użyciu krystalicznego MnO2.

Tabela 2 Wydajność usuwania diklofenaku w warunkach anoksycznych przy różnych warunkach pH z dwoma morfologiami MnO2 po 48 h. Warunki eksperymentalne: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Dyskusja

Generalnie, usuwanie substancji organicznych za pomocą MnO2 jest procesem dwuetapowym obejmującym adsorpcję i utlenianie (Remucal i Ginder-Vogel 2014). Udział tych dwóch etapów jest różny w przypadku różnych związków (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang i Huang 2005b). W warunkach tlenowych, usuwanie farmaceutyków może być przyspieszone przez tlen (Gao et al. 2012). Nie wyjaśnia to jednak, dlaczego warunki anoksyczne są odpowiednie do usuwania diklofenaku w wodzie demiurgicznej, skoro tlen nie jest obecny, aby uczestniczyć w procesie usuwania (Rys. S4). Podczas usuwania diklofenaku za pomocą MnO2 w warunkach tlenowych i anoksycznych powstają różne produkty pośrednie (Rys. S4, S5). Te półprodukty mają różne powinowactwa adsorpcyjne do miejsc reaktywnych na powierzchni MnO2, co jest prawdopodobnie kluczem do wyjaśnienia różnic pomiędzy warunkami tlenowymi i anoksycznymi. W oparciu o uzyskane wyniki, dwa czynniki wydają się wpływać na skuteczność usuwania farmaceutyków i są omówione poniżej: (1) struktura molekularna i właściwości chemiczne farmaceutyków, oraz (2) właściwości MnO2.

Struktura molekularna i właściwości chemiczne farmaceutyków

Struktura molekularna i właściwości chemiczne farmaceutyków są ważne w usuwaniu związków organicznych za pomocą MnO2. Wcześniejsze badania wykazały, że utlenianie za pomocą MnO2 w obecności tlenu wiąże się z rozszczepieniem wiązania C-N związku organicznego. Metoprolol i propranolol mają wiązania C-N, w których atom N jest związany z grupą alkilową. Związki te są podobne do tych badanych w poprzednich badaniach (Tabela S1, S2), w których warunki tlenowe sprzyjają ich usuwaniu. Takie rozszczepienie wiązania C-N może prowadzić do powstania rodników w obecności tlenu (Barrett i McBride 2005; Gao i wsp. 2012). Utlenianie diklofenaku obejmuje hydroksylację i dekarboksylację zamiast rozszczepienia C-N (Huguet i wsp. 2013), co jest innym mechanizmem niż w przypadku metoprololu i propranololu. Świadczy to o tym, że mechanizm usuwania jest ściśle związany ze strukturą molekularną i właściwościami chemicznymi farmaceutyku.

Na właściwości farmaceutyku wpływa również pH. Ze względu na niskie pKa diklofenaku (pKa = 4,15), niższy poziom pH powoduje, że związek jest mniej naładowany ujemnie. Prowadzi to do mniejszego odpychania elektrostatycznego pomiędzy diklofenakiem a MnO2, który również jest ujemnie naładowany (Murray 1974). Spekuluje się, że niższy poziom pH prowadzi do wyższego powinowactwa diklofenaku do adsorpcji na powierzchni MnO2 i dlatego ma bardziej korzystny pierwszy krok w usuwaniu z MnO2.

Właściwości MnO2

Na właściwości MnO2 wpływa również pH. Przy kwaśnym pH, MnO2 jest również mniej ujemnie naładowany ze względu na swój punkt izoelektryczny, co powoduje mniejsze odpychanie elektrostatyczne i lepszą adsorpcję związków organicznych. Ponadto, potencjał redoks MnO2 wzrasta z 0,76 V przy pH 8,0 do 0,99 V przy pH 4,0 (Lin et al. 2009). Zatem reakcja degradacji jest energetycznie bardziej korzystna w niższym pH. Oba czynniki mogą prowadzić do szybszej degradacji, jak wykazano w naszych badaniach (Tabela 2). W tym eksperymencie zastosowano neutralne pH, które w poprzednich badaniach okazało się niekorzystne dla utleniania farmaceutyków (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Ponadto, przy niskim potencjale redoks MnO2 w wyższym pH jest mniej protonów, co jest kluczowe dla przeniesienia elektronu z Mn(IV) na Mn(II). W rezultacie, w tym badaniu nie zaobserwowano usuwania kofeiny, karbamazepiny, ibuprofenu i naproksenu (Rys. S3), podczas gdy wydajność usuwania metoprololu i propranololu jest niska zarówno w warunkach tlenowych, jak i anoksycznych.

Różne morfologie MnO2 mają różne właściwości wpływające na usuwanie diklofenaku. W naszych badaniach, usuwanie diklofenaku jest lepsze w przypadku amorficznego MnO2 niż krystalicznego MnO2, co jest zgodne z wcześniejszymi doniesieniami (Remucal i Ginder-Vogel 2014; Shin i Cheney 2004; Ukrainczyk i Mcbride 1992). Cząstki amorficznego MnO2 są zwykle mniejsze niż cząstki krystaliczne. Dzięki temu amorficzne cząstki MnO2 mają większą powierzchnię, co zwiększa usuwanie farmaceutyków. Niestety, ze względu na ograniczenia analityczne, analiza wielkości amorficznego MnO2 okazała się technicznie niewykonalna (Rys. S6). Ponadto, amorficzny MnO2 zawiera niewielkie ilości Mn(III), co może zwiększyć reaktywność MnO2 i zdolność utleniania (Remucal i Ginder-Vogel 2014), tym samym jeszcze bardziej promując usuwanie farmaceutyków.

W obecności fosforanu, usuwanie diklofenaku za pomocą MnO2 jest nieznacznie zwiększone w warunkach tlenowych niż w warunkach anoksycznych. Wykorzystanie O2 do utleniania Mn(II) do Mn(III) jest reakcją korzystną termodynamicznie. W obecności buforu fosforanowego, fosforan może tworzyć Mn3(PO4)2 z Mn(II) z utleniania diklofenaku (Eq. 1) (Jin et al. 2014).

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

(1)

Komputacje pokazują, że struktura chemiczna Mn3(PO4)2 może stabilizować Mn(III) i tym samym ułatwiać utlenianie Mn(II) do Mn(III) w warunkach tlenowych (Jin i in. 2014). Analiza Mn2+ wskazuje na obecność wyższych stężeń Mn(II) w buforze fosforanowym niż w demiwodzie, co tłumaczymy jako efekt większych ilości Mn(III) powstających w warunkach tlenowych. Wyższe stężenie Mn(III) jest prawdopodobnie przyczyną, że więcej diklofenaku jest usuwane niż w warunkach anoksycznych, co zaobserwowaliśmy (Rys. 1) i mechanistycznie przedstawiamy na Rys. 2.

Reaktywne miejsca na powierzchni MnO2

Asorpcja cząsteczek organicznych na reaktywnej powierzchni tlenku metalu jest kluczowym parametrem dyktującym usuwanie wielu związków organicznych, a w szczególności reaktywnych miejsc na powierzchni MnO2 (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang i Huang 2005b). Nasze wyniki dla mieszanego roztworu farmaceutycznego w wodzie demiwersalnej sugerują konkurencję o miejsca reaktywne pomiędzy diklofenakiem a innymi farmaceutykami. Świadczy o tym niższe usuwanie diklofenaku w obecności innych farmaceutyków (Rys. 1a, b).

W oparciu o nasze wyniki FTIR, nie było oczywistego zaniku miejsc reaktywnych podczas usuwania diklofenaku za pomocą MnO2 zarówno w warunkach tlenowych jak i anoksycznych (Rys. S5), prawdopodobnie z powodu stosunkowo wysokiego stężenia MnO2 w eksperymencie. Widać jednak wyraźnie, że widma FTIR różnią się pomiędzy MnO2 przed i po reakcji z diklofenakiem, szczególnie w warunkach anoksycznych. Wskazuje to, że półprodukty z diklofenaku zmieniają strukturę MnO2. Zmiana ta może przyczynić się do lepszego usuwania diklofenaku za pomocą MnO2 w warunkach anoksycznych.

W buforze fosforanowym, fosforan może zmniejszyć usuwanie diklofenaku poprzez adsorpcję na powierzchni MnO2 i konkurowanie z DFC o miejsca reaktywne MnO2 (Yao i Millero 1996). W konsekwencji, chociaż niższy poziom pH w buforze fosforanowym powinien sprzyjać usuwaniu diklofenaku (pH 7 w buforze w porównaniu z pH 8~9 w wodzie demiwarnej), usuwanie diklofenaku jest lepsze w wodzie demiwarnej, ponieważ miejsca reaktywne MnO2 nie są blokowane przez fosforan (Tabela 1). Jednakże, obserwuje się podobną wydajność usuwania i kinetykę w wodzie demiurgicznej i buforze fosforanowym w warunkach anoksycznych (Rys. 1). Wskazuje to na istnienie mechanizmu sprzyjającego usuwaniu diklofenaku w buforze fosforanowym, który konkuruje z inhibicją przez fosforan adsorbujący się i zajmujący miejsca reaktywne na powierzchni MnO2. Z wcześniejszych badań wiadomo, że Mn(II) może zajmować reaktywne miejsca na powierzchni MnO2, a następnie hamować usuwanie farmaceutyków (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Nasze wyniki usuwania w buforze fosforanowym pokazują, że 1,54 μM Mn2+ zostało wygenerowane w warunkach tlenowych, podczas gdy 2,16 μM zostało wygenerowane w warunkach anoksycznych. Mniejsza ilość Mn(II) w warunkach tlenowych skutkowała prawdopodobnie mniejszym tworzeniem się Mn3(PO4)2 zgodnie z równaniem 1, co przypuszczalnie prowadziło do większej ilości dostępnych miejsc reaktywnych do usuwania diklofenaku. W warunkach anoksycznych, równowaga tych promujących i hamujących efektów przez adsorbowanie fosforanu prowadzi do podobnego usuwania diklofenaku w wodzie demiwarnej i buforze fosforanowym.