Produse de transformare a carbamazepinei (CBZ) după ozonare și evaluarea toxicității lor folosind
Kshitiz Dwivedi
1 CSIR-Institutul Național de Cercetare a Ingineriei Mediului (NEERI), Nehru Marg, Nagpur, 440020 India
2 Rashtrasant Tukadoji Maharaj Nagpur University (RTMNU), Nagpur, India
Ashwinkumar P. Rudrashetti
1 CSIR-Institutul Național de Cercetare a Ingineriei Mediului (NEERI), Nehru Marg, Nagpur, 440020 India
2 Rashtrasant Tukadoji Maharaj Nagpur University (RTMNU), Nagpur, India
Tapan Chakrabarti
1 CSIR-Institutul Național de Cercetare a Ingineriei Mediului (NEERI), Nehru Marg, Nagpur, 440020 India
R. A. Pandey
1 CSIR-Institutul Național de Cercetare a Ingineriei Mediului (NEERI), Nehru Marg, Nagpur, 440020 India
Date asociate
Abstract
Carbamazepina (CBZ) este un medicament antiepileptic și anticonvulsivant utilizat pe scară largă pentru tratamentul epilepsiei și a altor tulburări bipolare. Ozonul ca proces avansat de oxidare a fost utilizat pe scară largă pentru degradarea CBZ, rezultând formarea de produse de transformare (ozonide). Prezenta cercetare își propune să izoleze și să identifice potențialul microorganism, capabil să degradeze CBZ și produsele sale de transformare. Viabilitatea celulară și citotoxicitatea CBZ pură și a produselor lor de transformare a ozonului au fost evaluate utilizând celulele Pseudomonas sp. tulpina KSH-1 prin teste de testare a viabilității celulare. Activitatea metabolică a celulelor a fost evaluată la concentrații variabile de CBZ (
10-25 ppm, CBZ pur) și cumulativ pentru produsele de transformare a ozonului. Pentru CBZ pur, viabilitatea celulară% scade odată cu creșterea concentrației CBZ, în timp ce, în cazul produselor de transformare CBZ post-ozonate, viabilitatea scade inițial și apoi crește la expunerea la ozon cu o viabilitate celulară maximă de 97 ± 2,8% evaluată timp de 2 ore probe post-ozonate.
Material suplimentar electronic
Versiunea online a acestui articol (10.1007/s12088-018-0715-3) conține materiale suplimentare, care sunt disponibile utilizatorilor autorizați.
Introducere
În ultimii ani, o mulțime de atenție a fost capturată de ingredientele farmaceutice active (API) și produsele farmaceutice și de îngrijire personală (PPCP) datorită apariției lor la nivel mondial, naturii recalcitrante și toxicității ecologice [1, 2]. Carbamazepina (CBZ) (Fig. S1 suplimentară) este API-urile cele mai frecvent utilizate pentru tratamentul epilepsiei și a altor tulburări bipolare [3]. CBZ, fiind recalcitrant, sunt extrem de rezistente la procesele convenționale de tratare a apei și a apelor uzate și raportate ca un marker antropogen pentru a indica poluarea ecosistemelor acvatice [4, 5]. Datorită naturii sale persistente și a perioadelor de înjumătățire mai lungi în mediu, CBZ își găsește prezența în mai multe corpuri de apă atât în țările în curs de dezvoltare, cât și în cele dezvoltate [6]. Acest lucru a determinat societatea să ia măsuri preventive pentru degradarea acestui compus doar la sursa sa punctuală. Mai mult, CBZ este dificil de biodegradat datorită complexității sale structurale. Cu toate acestea, puțini cercetători au raportat biodegradarea CBZ utilizând Pseudomonas sp. tulpina CBZ-4 izolată din nămolul activat la temperaturi foarte scăzute [7].
În ultimele decenii, o mulțime de cercetări s-au concentrat pe producția de materiale cu valoare adăugată și producția de energie pentru a face față crizei energetice globale din generațiile următoare. În acest context, apele uzate au fost, de asemenea, utilizate ca sursă alternativă de producere a energiei [8]. Procesele avansate de oxidare (AOP) au fost utilizate pe scară largă ca potențiale procese de tratament pentru îndepărtarea produselor farmaceutice din matricele reale și sintetice ale apelor uzate [9, 10]. Ozonul a fost încorporat ca potențial AOP pentru îndepărtarea produselor farmaceutice, deoarece oferă o degradare mai curată în comparație cu alte procese convenționale de tratament [11, 12]. Cu toate acestea, descompunerea parțială a CBZ a fost raportată prin atacul direct/indirect al ozonului care duce la formarea de produse de transformare (TP), care uneori prezintă o toxicitate mai mare decât compusul original [13, 14]. Prin urmare, este necesar să se evalueze toxicitatea TP-urilor formate după tratament și să se compare toxicitatea acestuia cu compusul părinte, înainte de eliberarea lor în corpurile de apă acvatice [15].
Prin urmare, pentru a evalua toxicitatea, microorganismele potențiale capabile să degradeze CBZ și TP-urile sale au fost izolate din probele de nămol activate. În acest aspect, scopul lucrării a fost împărțit în (a) îmbogățirea și aclimatizarea culturii microbiene mixte pentru screeningul microorganismelor potențiale capabile să degradeze CBZ într-un reactor de creștere suspendat (SGR) [16]; (b) izolarea și identificarea potențialei tulpini microbiene capabile de degradare CBZ [7] și (c) evaluarea citotoxicității CBZ pure și efectul cumulativ al TP-urilor asupra tulpinii bacteriene identificate utilizând teste de viabilitate celulară (test MTT). Activitatea metabolică a celulelor a fost evaluată prin conversia MTT (galben) în cristale formazon reduse (violet) de către o enzimă reductază mitocondrială dependentă de NAD (H).
Din câte știm, evaluarea citotoxicității CBZ și a TP-urilor lor de ozon pe Pseudomonas sp. nu a fost raportat până în prezent. Prin urmare, în prezentul studiu, ozonul a fost încorporat ca potențial AOP pentru tratamentul CBZ urmat de teste de viabilitate celulară (test MTT) pe Pseudomonas sp. tulpina KSH-1 izolată din cultură microbiană mixtă obținută din nămolul activat de instalația de tratare a efluenților comuni (CETP). Viabilitatea% a celulei a fost evaluată atât pentru CBZ pură (la doze variate), cât și pentru probele tratate cu ozon (creșterea timpului de expunere). Mai mult, calea degradării CBZ la ozonare a fost postulată și produșii majori de oxidare/transformare a CBZ au fost identificați prin analiza LC-ESI-MS și LC-MS/MS. Rezultatele referitoare la acestea au fost prezentate și discutate în această lucrare.
Materiale și metode
Produse chimice, reactivi și medii nutritive
CBZ (99% pur) și dimetil sulfoxid (DMSO) au fost procurate de la Sigma-Aldrich (SUA). Metanolul (HPLC), izopropanolul (99% v/v), acidul formic, au fost de calitate analitică cumpărate de la Fisher Scientific (India). MTT [3- (4,5-dimetiltiazol-2-il) -2,5-difeniltetrazolium bromură] a fost obținut de la Invitrogen, Thermo Fisher Scientific (India). Toate celelalte substanțe chimice și anume. K2HPO4, KH2PO4, (NH4) 2SO4, MgSO4 · 7H2O, NaCl, NaOH, Na2HPO4, CH3COONa, NH4Cl, CaCl2 · 2H2O, FeSO4 · 7H2O, MnSO4 · H2O, ZnSO4 · H2O, CuCOH2C au avut un grad de reactiv. Agarul nutritiv și bulionul nutritiv au fost achiziționate de la Himedia (India).
CBZ Apă uzată sintetică (SWW)
Soluția stoc CBZ de 100 mg/L a fost preparată prin dizolvarea CBZ pură în apă Milli Q. O soluție de lucru cu concentrații cunoscute (10, 15, 20 și 25 mg/L) a fost pregătită pentru studii de citotoxicitate utilizând soluția stoc CBZ. Experimentele de ozonare au fost efectuate folosind apă sintetică cu rezistență de cca. 25 mg/L de CBZ.
AOP Reactor System for Ozone Experiments
Sistem de reactor AOP format din sistem generator de ozon și vas de reactor din sticlă borosilicat pentru amestecarea omogenă a ozonului. Ozonul a fost produs prin metoda de descărcare a coroanei (răcită cu aer) folosind un generator de ozon (modelul INDOZ-20), Ozone Research & Applications India Pvt. Ltd. (ORAIPL), Nagpur. Dozarea ozonului a fost determinată prin măsurarea debitului de gaz la intrarea și ieșirea reactorului utilizând un analizor de ozon BMT (marca Germania). Ozonul nereacționat a fost monitorizat continuu la ieșire pentru a se asigura că reacția urmează viteza de reacție de primul ordin. Toate experimentele de ozonizare au fost efectuate la temperatura camerei prin pulverizarea directă a ozonului în apele reziduale sintetice CBZ (modul semi-lot) și cu agitare continuă pentru o distribuție omogenă și eficientă a ozonului [11]. Schemele sistemului reactorului AOP au fost reprezentate în Fig. 1 .