Anoxiska förhållanden är fördelaktiga för abiotisk avskiljning av diklofenak från vatten med manganoxid (MnO 2 )

Farmaceutisk avskiljning under oxiska respektive anoxiska förhållanden

I avsaknad av MnO2, ingen borttagning observerades för alla sju läkemedel inom 24 timmar under både oxiska och anoxiska förhållanden i alla experiment (tabell S3). I närvaro av MnO2 avlägsnas metoprolol, propranolol och diklofenak inom 24 timmar i både demivatten (fig. 1a, b) och fosfatbuffert (fig. 1c), medan inget avlägsnande observeras för de övriga fyra läkemedlen (fig. S3). Dessutom visar resultaten att avlägsnandeeffektiviteten för diklofenak är högre under anoxiska förhållanden, medan högre avlägsnande observeras under oxiska förhållanden för metoprolol och propranolol. Diclofenak avlägsnades med 78 % under anoxiska förhållanden och 59 % under oxiska förhållanden efter 24 timmars inkubation av en lösning av blandade läkemedel i demineraliserat vatten (fig. 1a). Metoprolol avlägsnades dock endast till 33 % under anoxiska förhållanden jämfört med 69 % under oxiska förhållanden. På samma sätt avlägsnades 51 % propranolol under anoxiska förhållanden jämfört med 84 % under oxiska förhållanden (fig. 1a). Avskiljningseffektiviteten för diklofenak i en blandning tillsammans med sex andra läkemedel (fig. 1a) visade sig vara lägre än i ett demivattensystem där endast diklofenak förekom (fig. 1b). Under anoxiska förhållanden avlägsnas 92 % diklofenak med MnO2, medan man under oxiska förhållanden observerar 69 % avlägsnande av diklofenak (fig. 1b).

För att eliminera effekterna av pH och jonstyrka på läkemedelsavskiljning med MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), kontrollerar vi pH (~ 7) med 50 mM fosfatbuffert och bibehåller jonstyrkan (0,1 M) med NaCl. I ytterligare experiment med fosfatbuffert avlägsnas 90 % av diklofenak under anoxiska förhållanden medan nästan fullständigt avlägsnande av diklofenak observeras under oxiska förhållanden (fig. 1c). Avlägsnandeeffektiviteten för diklofenak är likartad under anoxiska och oxiska förhållanden. I tidigare studier har avlägsnandeeffektiviteten för organiska ämnen, inklusive läkemedel, under anoxiska förhållanden varit antingen liknande eller lägre än under oxiska förhållanden (Barrett och McBride 2005, Gao et al. 2012, Zhang och Huang 2005a). Vi har dock noterat att avlägsnandeeffektiviteten för diklofenak under anoxiska förhållanden kan vara högre än under oxiska förhållanden. Detta unika resultat styr våra ytterligare studier av mekanismen för avlägsnande av läkemedel under anoxiska förhållanden med MnO2.

En pseudo-första ordning-modell med en inledande inkubationsperiod tillämpades för att analysera avlägsnandekinetiken (tabell 1), som utförts i tidigare studier under oxiska förhållanden (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang och Huang 2005a). En jämförelse av den initiala avskiljningshastigheten (robs, init) och den initiala avskiljningshastighetskonstanten (kobs, init) för olika läkemedel visar att syre påverkar avskiljningen av läkemedel med MnO2. I demivatten med läkemedelsblandningen och med endast diklofenak påskyndas avlägsnandet av diklofenak under anoxiska förhållanden; avlägsnandet av metoprolol och propranolol är lägre under anoxiska förhållanden. Dessutom avlägsnades diklofenak med högst hastighet när det löstes som enda förening i oxisk fosfatbuffert innehållande MnO2.

Influens av pH och MnO2-morfologier på avlägsnande av diklofenak

pH är en viktig parameter som påverkar avlägsnande av läkemedel med MnO2. Tidigare studier visar att MnO2-morfologier också påverkar avlägsnandet av läkemedel (Shin och Cheney 2004). Vår nya observation av avlägsnande av diklofenak under anoxiska förhållanden med MnO2 tyder dock på att avlägsnandemekanismerna för läkemedel med MnO2 under anoxiska förhållanden kan skilja sig från avlägsnandemekanismerna under oxiska förhållanden. Därför är det viktigt att undersöka effekten av pH och MnO2-morfologier på avlägsnande av diklofenak för att förstå avlägsnandemekanismen. Vi undersöker effekten av pH och MnO2-morfologier med hjälp av både amorft MnO2 och kristallint MnO2 under anoxiska förhållanden vid pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 och pH ~ 8,5 etablerade med en 50 mM fosfatbuffert.

Diclofenacs avskiljningseffektivitet med MnO2 under anoxiska förhållanden är omvänt relaterad till pH (tabell 2). Inom 48 timmar varierar avlägsnandet av diklofenak under anoxiska förhållanden från 100 % vid pH ~ 4,5 och pH ~ 7,0 till 70 % vid pH ~ 8,5 med amorft MnO2. Däremot är avlägsnandet av diklofenak betydligt lägre med kristallint MnO2. Endast 21 % av diklofenak avlägsnas med kristallint MnO2 vid pH ~ 4,5. I de experiment som utfördes vid pH ~ 7,0 och pH ~ 8,5 observerades inget avlägsnande av diklofenak med kristallint MnO2.

Tabell 2 Avlägsnandeeffektivitet för diklofenak under anoxiska förhållanden vid olika pH-värden med två MnO2-morfologier efter 48 timmar. Experimentella förhållanden: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0,1 M

Diskussion

Generellt sett är avlägsnande av organiska ämnen med MnO2 en tvåstegsprocess som inkluderar adsorption och oxidation (Remucal och Ginder-Vogel 2014). Bidraget från de två stegen är olika från olika föreningar (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang och Huang 2005b). Under oxiska förhållanden kan avlägsnandet av läkemedel påskyndas av syre (Gao et al. 2012). Detta förklarar dock inte varför anoxiska förhållanden är lämpliga för avlägsnande av diklofenak i demivatten när syre inte är närvarande för att delta i avlägsnandeprocessen (fig. S4). Det finns olika intermediärer som bildas under oxiska och anoxiska förhållanden under avlägsnande av diklofenak med MnO2 (fig. S4, S5). Dessa intermediärer har olika adsorptionsaffinitet för de reaktiva platserna på MnO2-ytan, vilket möjligen är nyckeln till att förklara skillnaderna mellan oxiska och anoxiska förhållanden. Baserat på resultaten verkar två faktorer påverka effektiviteten i avlägsnandet av läkemedel och de beskrivs närmare nedan: (1) läkemedlens molekylära struktur och kemiska egenskaper och (2) MnO2-egenskaperna.

Läkemedels molekylära struktur och kemiska egenskaper

Läkemedlens molekylära struktur och kemiska egenskaper är viktiga vid avlägsnande av organiska föreningar med MnO2. Tidigare studier visar att oxidation med MnO2 i närvaro av syre innebär klyvning av den organiska föreningens C-N-bindning. Metoprolol och propranolol har C-N-bindningar där N-atomen är bunden till en alkylgrupp. Dessa föreningar liknar dem som testats i tidigare studier (tabell S1, S2) där oxiska förhållanden främjar avlägsnandet. Denna C-N-bindningsklyvning kan leda till att radikaler bildas i närvaro av syre (Barrett och McBride 2005; Gao et al. 2012). Oxidation av diklofenak innebär hydroxylering och dekarboxylering i stället för C-N-klyvning (Huguet et al. 2013), vilket är en annan mekanism än metoprolol och propranolol. Detta visar att avlägsnandemekanismen är nära relaterad till läkemedlets molekylära struktur och kemiska egenskaper.

Läkemedlets egenskaper påverkas också av pH. På grund av diklofenacs låga pKa (pKa = 4,15) resulterar en lägre pH-nivå i en mindre negativt laddad förening. Detta leder till mindre elektrostatisk repulsion mellan diklofenak och MnO2, som också är negativt laddat (Murray 1974). Det spekuleras att en lägre pH-nivå kommer att leda till en högre affinitet hos diklofenak att adsorbera på MnO2-ytan och därför har ett mer gynnsamt första steg i avlägsnandet med MnO2.

MnO2-egenskaper

MnO2:s egenskaper påverkas också av pH. Vid surt pH är MnO2 också mindre negativt laddat på grund av sin isoelektriska punkt, vilket resulterar i mindre elektrostatisk repulsion och bättre adsorption av organiska föreningar. Dessutom ökar MnO2:s redoxpotential från 0,76 V vid pH 8,0 till 0,99 V vid pH 4,0 (Lin et al. 2009). Nedbrytningsreaktionen är således energimässigt mer gynnsam vid lägre pH. Båda faktorerna kan leda till snabbare nedbrytning, vilket visas i vår studie (tabell 2). I detta experiment används neutralt pH, som i tidigare studier visat sig vara ogynnsamt för oxidation av läkemedel (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Dessutom finns det färre protoner vid MnO2:s låga redoxpotential vid högre pH, vilket är avgörande för elektronöverföringen från Mn(IV) till Mn(II). Som ett resultat observerades ingen avskiljning av koffein, karbamazepin, ibuprofen och naproxen i den här studien (Fig. S3), medan avskiljningseffektiviteten av metoprolol och propranolol är låg under både oxiska och anoxiska förhållanden.

Olika MnO2-morfologier har olika egenskaper som påverkar avskiljningen av diklofenak. I vår forskning är avlägsnandet av diklofenak bättre med amorft MnO2 än med kristallint MnO2, vilket är i linje med tidigare rapporterade resultat (Remucal och Ginder-Vogel 2014; Shin och Cheney 2004; Ukrainczyk och Mcbride 1992). Amorfa MnO2-partiklar är vanligtvis mindre än kristallina partiklar. De amorfa MnO2-partiklarna har således en större yta, vilket ökar avlägsnandet av läkemedel. På grund av de analytiska begränsningarna verkade tyvärr storleksanalysen av amorft MnO2 vara tekniskt omöjlig att genomföra (fig. S6). Dessutom innehåller amorft MnO2 små mängder Mn(III) som kan öka MnO2:s reaktivitet och oxidationsförmåga (Remucal och Ginder-Vogel 2014), vilket främjar avlägsnandet av läkemedel ytterligare.

I närvaro av fosfat är avlägsnandet av diklofenak med MnO2 något bättre under oxiska förhållanden än under anoxiska förhållanden. Att använda O2 för att oxidera Mn(II) till Mn(III) är en termodynamiskt gynnsam reaktion. I närvaro av fosfatbuffert kan fosfat bilda Mn3(PO4)2 med Mn(II) från oxidation av diklofenak (Eq. 1) (Jin et al. 2014).

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

(1)

Beräkningar visar att den kemiska strukturen hos Mn3(PO4)2 kan stabilisera Mn(III) och därmed underlätta Mn(II)-oxidation till Mn(III) under oxiska förhållanden (Jin et al. 2014). Mn2+-analysen visar att det finns högre Mn(II)-koncentrationer i fosfatbuffert än i demivatten, vilket vi förklarar som ett resultat av större mängder Mn(III) som bildas under oxiska förhållanden. Högre Mn(III)-koncentrationer är sannolikt orsaken till att mer diklofenak avlägsnas än under anoxiska förhållanden, vilket vi observerade (fig. 1) och mekaniskt presenteras i fig. 2.

Reaktiva platser på MnO2-ytan

Adsorptionen av organiska molekyler på en reaktiv metalloxidyta har visat sig vara den nyckelparameter som dikterar avlägsnandet av många organiska föreningar, och specifikt till reaktiva platser på MnO2-ytan (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang och Huang 2005b). Våra resultat med den blandade läkemedelslösningen i demivatten tyder på konkurrens om reaktiva platser mellan diklofenak och de andra olika läkemedlen. Detta framgår av den lägre avskiljningen av diklofenak i närvaro av andra läkemedel (fig. 1a, b).

Baserat på våra FTIR-resultat fanns det inget uppenbart försvinnande av reaktiva platser under avskiljningen av diklofenak med MnO2 under både oxiska och anoxiska förhållanden (fig. S5), möjligen på grund av en relativt hög koncentration av MnO2 i experimentet. Det är dock tydligt att FTIR-spektren skiljer sig åt mellan MnO2 före och efter reaktionen med diklofenak, särskilt under anoxiska förhållanden. Detta tyder på att mellanprodukterna från diklofenak förändrar MnO2-strukturen. Denna förändring kan bidra till att diklofenak avlägsnas bättre med MnO2 under anoxiska förhållanden.

I fosfatbuffert kan fosfat minska avlägsnandet av diklofenak genom att adsorberas på MnO2-ytan och konkurrera med DFC om de reaktiva platserna i MnO2 (Yao och Millero 1996). Även om det lägre pH-värdet i fosfatbuffert borde främja avlägsnandet av diklofenak (pH 7 i buffert jämfört med pH 8-9 i demivatten), är avlägsnandet av diklofenak bättre i demivatten eftersom de reaktiva platserna för MnO2 inte blockeras av fosfat (tabell 1). Liknande avskiljningseffektivitet och kinetik i demivatten och fosfatbuffert under anoxiska förhållanden observeras dock (fig. 1). Detta tyder på att det finns en mekanism som främjar avlägsnandet av diklofenak i fosfatbuffert och som konkurrerar med inhiberingen genom att fosfat adsorberar och ockuperar de reaktiva platserna på MnO2-ytan. Från tidigare studier är det känt att Mn(II) kan ockupera reaktiva platser på MnO2-ytan och sedan hämma avlägsnandet av läkemedel (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Våra borttagningsresultat i fosfatbuffert visar att 1,54 μM Mn2+ genererades under oxiska förhållanden medan 2,16 μM genererades under anoxiska förhållanden. Mindre Mn(II) under oxiska förhållanden resulterade möjligen i mindre bildning av Mn3(PO4)2 via Eq. 1, vilket förmodligen ledde till fler tillgängliga reaktiva platser för avlägsnande av diklofenak. Under anoxiska förhållanden leder balansen mellan dessa främjande och hämmande effekter genom adsorberande fosfat till liknande avlägsnande av diklofenak i demivatten och fosfatbuffert.