The contribution of abiotic elimination processes to the fate of pharmaceuticals in the aquatic environment

Autor: Dabić, Dario
Přispěvatelé: Babić, Sandra
Jazyk: chorvatština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Popis: Abiotički procesi mogu značajno doprinijeti manjoj postojanosti farmaceutika u površinskim vodama. Sukladno tome, unutar doktorske disertacije istražen je utjecaj abiotičkih procesa na razgradnju farmaceutika hidroksiklorokina i metoklopramida u vodenom okolišu uporabom optimirane i validirane kromatografske metode, HPLC-PDA i HPLC-MS/MS. Ispitana je hidrolitička stabilnost, pri čemu je ustanovljeno kako su oba farmaceutika otporna na hidrolitičku razgradnju. Također, razvijene metode primijenjene su za praćenje fotolitičke razgradnje hidroksiklorokina i metoklopramida pod utjecajem umjetnog Sunčeva zračenja. Ispitana je fotolitička razgradnja u destiliranoj deioniziranoj vodi te prirodnim i sintetskim otpadnim vodama. Rezultati su pokazali kako je izravna fotoliza odgovorna za razgradnju obaju farmaceutika i kako je posebno značajna u slučaju metoklopramida. Neizravna fotoliza značajno je utjecala na vrijeme poluraspada hidroksiklorokina u riječnoj, izvorskoj i morskoj vodi. Značajno različita vremena poluraspada, pod utjecajem ksenonske svjetiljke (500 W m^−2), dobivena su pri različitim vrijednostima pH. Najbrža razgradnja uočena je pri pH = 9 (𝑡1/2 = 0,09 h), a najsporija pri pH = 4 (𝑡1/2 = 23,1 h). I u slučaju metoklopramida (250 W m^−2) vrijednost pH utjecala je na brzinu razgradnje, ali je vrijeme poluraspada u području pH relevantnom za vode u okolišu bilo kraće od 10 minuta. Ispitivanjem utjecaja sastojaka prirodnih voda (nitrata, huminskih kiselina, klorida, bromida, sulfata, hidrogenkarbonata i željezovih(III) iona), utvrđeno je da nastankom hidroksilnih radikala dolazi do ubrzane razgradnje hidroksiklorokina. Drugi utjecaji, poput djelovanja određenih sastojaka vode kao hvatača radikala i zasjenjenja svjetlosti, manje su izraženi. U slučaju metoklopramida, neizravna fotoliza usporava razgradnju, jer prisutne tvari u prirodnim vodama (huminske kiseline, nitrati i dr.) također apsorbiraju svjetlo. U svim slučajevima kinetika je slijedila reakciju pseudo-prvog reda, osim za fotolitičku razgradnju metoklopramida u morskoj vodi, čija kinetika razgradnje odgovara dvoeksponencijalnoj funkciji (brzini razgradnje u dva stupnja). Sastav matice (velika koncentracija kloridnih iona) uzrokovao je sporiju fotolitičku razgradnju metoklopramida u morskoj vodi. Spektroradiometrijski su određeni kvantni prinosi razgradnje obaju farmaceutika i ovisili su o vrijednosti pH, odnosno udjelu pojedine specije farmaceutika. Kvantni prinosi razgradnje hidroksiklorokina za vrijednosti pH od 4 do 9 iznosili su (2,64 – 453,49) · 10^−4, te za metoklopramid (35,83 – 22,98) · 10^−4 za raspon vrijednosti pH od 4 do 11. Budući da abiotičkim procesima mogu nastati razgradni produkti toksičniji od početnog spoja, ispitana je toksičnost prema bakteriji Vibrio fischeri i genotoksičnost prema Salmonella typhimurium uporabom SOS/umu-c testa. Oba farmaceutika, kao i njihovi fotolitički produkti nisu toksični, prema navedenim testnim vrstama. Iznimka su smjese fotolitičkih produkata hidroksiklorokina za koje je 30 minutni test pokazao inhibiciju luminiscencije bakterije Vibrio fischeri (do 27 %). Nadalje, identificirano je nekoliko, do sada nepoznatih, razgradnih produkata za oba farmaceutika te su predloženi putovi razgradnje. Razgradni produkti nastali su kao rezultat hidroksilacije aromatskog prstena i dealkilacije na bočnom amino-ogranku. U slučaju metoklopramida uočeno je i fotodekloriranje, a u morskoj vodi i nukleofilna supstitucija atoma klora bromom. Na temelju provedenih istraživanja može se zaključiti kako fotoliza može značajno doprinijeti razgradnji obaju farmaceutika u okolišu. Abiotic processes can contribute considerably to degradation routes of pharmaceuticals in the environment. This doctoral thesis explores the role of abiotic processes in the degradation of hydroxychloroquine and metoclopramide in natural aquatic environments. Development and validation of appropriate chromatographic methods for their detection, as well as tests confirming their hydrolytic stability were performed. The developed chromatographic methods (HPLC-PDA and HPLC-MS/MS) were used to monitor the photolytic degradation of hydroxychloroquine and metoclopramide in different water matrices (distilled deionised water, natural waterbodies and different samples of synthetic wastewater) under the effect of simulated solar radiation. The results showed that direct photolysis is responsible for the degradation of both pharmaceuticals, showing a larger contribution for metoclopramide. Indirect photolytic degradation of hydroxychloroquine in rivers, water springs, and seawater significantly affects its half-life. Largely different half-lives under the influence of a Xe lamp (500 W m^−2) were obtained for different pH values, commonly found in the aquatic environment. The fastest degradation was observed at pH = 9 (𝑡1/2 = 0.09 h) and the slowest at pH = 4 (𝑡1/2 = 23.1 h). In the case of metoclopramide at 250 W m^−2, the pH also affected the rate of degradation, but the half-life for pH = 9 was less than 10 min. Examination of the influence of natural water constituents (nitrates, humic acids, chlorides, bromides, sulfates, bicarbonates, and ferric(III) ions) showed that the formation of hydroxyl radicals increases degradation of hydroxychloroquine. For this compound, radical-scavenging properties and light screening effects due to these matrix constituents are less pronounced. In the case of metoclopramide, indirect photolysis decreased degradation due to the presence of light absorptive substances. In all cases, the kinetics followed a pseudo-first-order character, except for the photolytic degradation of metoclopramide in seawater in which the degradation kinetics corresponded to a two-stages function. Slower degradation of metoclopramide in seawater was observed due to the presence of chloride and bromide ions. Quantum yields were determined using spectroradiometer for both pharmaceuticals, and values depended on the proportion of each compound in the mixture. Quantum yields of hydroxychloroquine were (2,64 ̶ 453,49) · 10^−4 in the range of pH from 4 to 9, and quantum yields of metoclopramide (35,83 ̶ 22,98) · 10^−4 for pH range from 4 to 11. Since degradation products could potentially be more toxic than the original compounds, toxicity to Vibrio fischeri and genotoxicity to Salmonella typhimurium with SOS/umu-c test were examined. Only the photolytic products of hydroxychloroquine presented acute toxicity, with inhibition of Vibrio fischeri luminescence (up to 27%) being observed for a 30 minutes test. Furthermore, several degradation products for both pharmaceuticals were identified and degradation pathways were proposed. The degradation products were the result of hydroxylation of the aromatic ring and dealkylation on the amino-side chain. In the case of metoclopramide, photodechlorination was also observed, and in seawater and nucleophilic substitution of chlorine atoms by bromine. Based on this research, it can be concluded that the contribution of photolysis to both pharmaceuticals is crucial for their respective environmental degradation routes.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: