Продукти трансформації карбамазепіну (CBZ) після озонування та оцінка їх токсичності з використанням
Кшітіс Двіведі
1 CSIR-Національний науково-дослідний інститут навколишнього середовища (NEERI), Неру Марг, Нагпур, 440020 Індія
2 Rashtrasant Tukadoji Maharaj Nagpur University (RTMNU), Нагпур, Індія
Ашвінкумар П. Рудрашетті
1 CSIR-Національний науково-дослідний інститут навколишнього середовища (NEERI), Неру Марг, Нагпур, 440020 Індія
2 Rashtrasant Tukadoji Maharaj Nagpur University (RTMNU), Нагпур, Індія
Тапан Чакрабарті
1 CSIR-Національний науково-дослідний інститут навколишнього середовища (NEERI), Неру Марг, Нагпур, 440020 Індія
Р. А. Панді
1 CSIR-Національний науково-дослідний інститут навколишнього середовища (NEERI), Неру Марг, Нагпур, 440020 Індія
Пов’язані дані
Анотація
Карбамазепін (CBZ) - це протиепілептичний та протисудомний препарат, який широко застосовується для лікування епілепсії та інших біполярних розладів. Озон як вдосконалений процес окислення широко використовується для деградації CBZ, що призводить до утворення продуктів перетворення (озонідів). Дане дослідження має на меті виділити та ідентифікувати потенційні мікроорганізми, здатні до деградації CBZ та продуктів його перетворення. Життєздатність клітин та цитотоксичність чистого CBZ та продуктів їх озонової трансформації оцінювали за допомогою клітин Pseudomonas sp. штам KSH-1 за допомогою аналізів життєздатності клітин. Метаболічну активність клітин оцінювали при різних концентраціях CBZ (
10–25 ppm, чистий CBZ) і сукупно для продуктів перетворення озону. Для чистого CBZ% життєздатності клітин зменшується із збільшенням концентрації CBZ, тоді як, у випадку позозонованих продуктів перетворення CBZ, життєздатність спочатку зменшується, а потім збільшується при впливі озону з максимальною життєздатністю клітин 97 ± 2,8%, оціненою протягом 2 годин пост-озоновані зразки.
Електронний додатковий матеріал
Інтернет-версія цієї статті (10.1007/s12088-018-0715-3) містить додаткові матеріали, доступні для авторизованих користувачів.
Вступ
В останні роки багато уваги було прикуто до активних фармацевтичних інгредієнтів (API) та фармацевтичних засобів та засобів особистої гігієни (PPCP) через їх поширеність у всьому світі, непокірний характер та екологічну токсичність [1, 2]. Карбамазепін (CBZ) (додатковий рис. S1) є найбільш часто використовуваними API для лікування епілепсії та інших біполярних розладів [3]. CBZ, будучи непокірливими, мають високу стійкість до звичайних процесів очищення води та стічних вод і повідомляються як антропогенний маркер, що вказує на забруднення водних екосистем [4, 5]. Завдяки стійкій природі та більш тривалим періодам напіврозпаду в навколишньому середовищі, CBZ знаходить свою присутність у кількох водоймах як у країнах, що розвиваються, так і в розвинених [6]. Це змусило суспільство вживати профілактичних заходів для деградації цієї сполуки лише у її точковому джерелі. Крім того, CBZ важко біодеградувати через свою структурну складність. Однак небагато дослідників повідомляли про біодеградацію CBZ за допомогою Pseudomonas sp. штам CBZ-4, виділений з активного мулу при дуже низьких температурах [7].
За останні кілька десятиліть багато досліджень було зосереджено на виробництві матеріалів з доданою вартістю та виробництві енергії з метою подолання світової енергетичної кризи в наступних поколіннях. У цьому контексті стічні води також використовуються як альтернативне джерело для виробництва енергії [8]. Розширені процеси окислення (АОП) широко використовувались як потенційні процеси очищення для видалення фармацевтичних препаратів із реальних та синтетичних матриць стічних вод [9, 10]. Озон був включений як потенційний АОП для виведення фармацевтичних препаратів, оскільки забезпечує більш чисту деградацію порівняно з іншими звичайними процесами обробки [11, 12]. Однак частковий розпад CBZ повідомляється через пряму/непряму атаку озону, що призводить до утворення продуктів трансформації (TP), які іноді виявляють вищу токсичність, ніж вихідна сполука [13, 14]. Отже, необхідно оцінити токсичність ТП, що утворюється після обробки, і порівняти її токсичність з вихідною сполукою до їх викиду у водні водойми [15].
Тому для оцінки токсичності з проб активного мулу виділено потенційний мікроорганізм, здатний до деградації CBZ та його TP. У цьому аспекті метою роботи було поділено на (а) збагачення та акліматизацію змішаної мікробної культури для скринінгу потенційних мікроорганізмів, здатних до деградації CBZ, у реакторі із завислим ростом (SGR) [16]; (b) виділення та ідентифікація потенційного мікробного штаму, здатного до деградації CBZ [7], та (c) оцінка цитотоксичності чистого CBZ та кумулятивного ефекту TP на ідентифікований штам бактерій за допомогою тестів на життєздатність клітин (аналіз MTT). Метаболічну активність клітин оцінювали шляхом перетворення МТТ (жовтого) у відновлені кристали формазону (фіолетового) за допомогою ферменту мітохондріальної редуктази, залежного від NAD (H).
Наскільки нам відомо, оцінка цитотоксичності CBZ та їх озонових TP на Pseudomonas sp. до сьогодні не повідомлялося. Тому в цьому дослідженні озон був включений як потенційний АОП для лікування CBZ з подальшим тестом на життєздатність клітин (аналіз МТТ) на Pseudomonas sp. штам KSH-1, виділений із змішаної культури мікробів, отриманої з активованого мулу звичайних очисних споруд (CETP). % Життєздатності клітин оцінювали як для чистого CBZ (при різному дозуванні), так і для зразків, оброблених озоном (збільшення часу експозиції). Крім того, було постульовано шлях розпаду CBZ при озонуванні та визначено основні продукти окислення/перетворення CBZ за допомогою аналізу LC – ESI – MS та LC – MS/MS. Результати, що відносяться до них, були представлені та обговорені в цій роботі.
Матеріали і методи
Хімічні речовини, реагенти та живильні середовища
CBZ (99% чистоти) та диметилсульфоксид (DMSO) були закуплені у Sigma-Aldrich (США). Метанол (ВЕРХ), ізопропанол (99% об./Об.), Мурашина кислота були аналітичного класу, придбані у Fisher Scientific (Індія). МТТ [3- (4,5-диметилтіазол-2-іл) -2,5-дифенілтетразолію бромід] був придбаний у Invitrogen, Thermo Fisher Scientific (Індія). Усі інші хімічні речовини, а саме. K2HPO4, KH2PO4, (NH4) 2SO4, MgSO4 · 7H2O, NaCl, NaOH, Na2HPO4, CH3COONa, NH4Cl, CaCl2 · 2H2O, FeSO4 · 7H2O, MnSO4 · H2O, ZnSO4 · H2O, CuCl2 і т.д. сорту реагенту. Поживний агар та поживний бульйон придбані у Himedia (Індія).
Синтетичні стічні води CBZ (SWW)
Основний розчин CBZ 100 мг/л готували шляхом розчинення чистого CBZ у воді Milli Q. Робочий розчин відомих концентрацій (10, 15, 20 і 25 мг/л) був підготовлений для досліджень цитотоксичності із застосуванням основного розчину CBZ. Експерименти з озонування проводились із використанням синтетичної води міцністю близько 25 мг/л CBZ.
Система реакторів AOP для експериментів з озоном
Реакторна система АОП складається з системи генерування озону та корпусу реактора з боросилікатного скла для однорідного змішування озону. Озон отримували методом коронного розряду (з повітряним охолодженням) із використанням генератора озону (модель INDOZ-20), Ozone Research & Applications India Pvt. ТОВ (ORAIPL), Нагпур. Дозування озону визначали шляхом вимірювання витрати газу на вході та виході з реактора за допомогою аналізатора озону BMT (виробник Німеччини). Непрореаговавший озон постійно контролювали на виході, щоб переконатися, що реакція відповідає швидкості реакції першого порядку. Всі експерименти по озонуванню проводили при кімнатній температурі шляхом безпосереднього розпилення озону в синтетичних стічних водах CBZ (напівзарядний режим) та при постійному перемішуванні для однорідного та ефективного розподілу озону [11]. Схеми реакторної системи АОП представлені на рис. 1 .