ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОТРАНСФОРМАЦИИ АНТИБИОТИКОВ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Литературный обзор 6
1.1 Хлорамфеникол и парацетамол. Применение, пути проникновения в окружающую среду и воздействие на биологические системы 6
1.2 Применение различных процессов для деструкции хлорамфеникола и парацетамола. Фотодиссоциация лекарственных препаратов 9
1.3 Установление подлинности и чистоты лекарственных препаратов методами УФ-
спектроскопии 12
1.4 Количественное определение действующих веществ с помощью методов УФ-спектроскопии 13
2 Методика эксперимента 19
2.1 Приборная база 19
2.2 Источники УФ-излучения 22
2.3 Измерение энергетических характеристик источников УФ-излучения 24
2.4 Определение изменения концентрации исследуемого вещества при возбуждении
УФ-излучением 26
2.5 Подготовка растворов хлорамфеникола и парацетамола. Методика облучения . 27
3 Результаты эксперимента 29
3.1 Спектральные свойства хлорамфеникола и парацетамола в воде 29
3.2 Спектры поглощения и флуоресценции хлорамфеникола в воде после облучения
различными источниками УФ-излучения 32
3.3 Спектры поглощения и флуоресценции парацетамола в воде после облучения различными источниками УФ-излучения 33
3.4 Конверсия хлорамфеникола и парацетамола в воде при возбуждении УФ -
излучением 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 37
ПРИЛОЖЕНИЕ А 42
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 44
ПРИЛОЖЕНИЕ В 46
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 48
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 50
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 53
1 Литературный обзор 6
1.1 Хлорамфеникол и парацетамол. Применение, пути проникновения в окружающую среду и воздействие на биологические системы 6
1.2 Применение различных процессов для деструкции хлорамфеникола и парацетамола. Фотодиссоциация лекарственных препаратов 9
1.3 Установление подлинности и чистоты лекарственных препаратов методами УФ-
спектроскопии 12
1.4 Количественное определение действующих веществ с помощью методов УФ-спектроскопии 13
2 Методика эксперимента 19
2.1 Приборная база 19
2.2 Источники УФ-излучения 22
2.3 Измерение энергетических характеристик источников УФ-излучения 24
2.4 Определение изменения концентрации исследуемого вещества при возбуждении
УФ-излучением 26
2.5 Подготовка растворов хлорамфеникола и парацетамола. Методика облучения . 27
3 Результаты эксперимента 29
3.1 Спектральные свойства хлорамфеникола и парацетамола в воде 29
3.2 Спектры поглощения и флуоресценции хлорамфеникола в воде после облучения
различными источниками УФ-излучения 32
3.3 Спектры поглощения и флуоресценции парацетамола в воде после облучения различными источниками УФ-излучения 33
3.4 Конверсия хлорамфеникола и парацетамола в воде при возбуждении УФ -
излучением 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 37
ПРИЛОЖЕНИЕ А 42
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 44
ПРИЛОЖЕНИЕ В 46
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 48
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 50
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 53
Антибиотики представляют собой сложные молекулы с различными физико - химическими свойствами и биологической активностью. Они играют важную роль в лечении и профилактике заболеваний как человека, так и животных. Их действие подробно изучено в медицине, однако потенциал воздействия на окружающую среду от их производства, использования и дальнейшего распространения представляет интерес для исследователей. Основная проблема заключается в том, что лекарственные средства постоянно попадают в водоемы в качестве загрязняющих веществ [1]. Крупнейшими очагами выбросов фармацевтических отходов являются предприятия по производству лекарств, фармкомпании, больницы, центры разработки и тестирования новых препаратов, фермерские хозяйства и сточные воды. Не меньший ущерб состоянию окружающей среды наносят и сами люди, поскольку некоторые лекарственные препараты и их побочные продукты выводятся из организма в неизменном виде [2].
Накопление и распространение лекарственных препаратов и их остаточных количеств в окружающей среде стало причиной обострения проблемы антибиотикорезистентности [3]. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сообщает, что рост резистентности к антибиотикам достиг высоких показателей, что вызывает беспокойство в мировом сообществе [4]. В мире повсеместно появляются и распространяются новые механизмы резистентности, что ставит под угрозу возможность лечения известных инфекционных заболеваний. Множество различных инфекций (пневмония, туберкулез, заражение крови, пищевые заболевания) становится все более трудно, а в отдельных случаях и невозможно лечить в связи с уменьшением эффективности антибиотиков [4]. Антибиотик хлорамфеникол, по-прежнему остается пригодным антибиотиком местного применения для лечения офтальмологических бактериальных инфекций, однако в долгосрочной перспективе препарат может стать непригодным из-за растущего уровня лекарственной устойчивости [5].
Хлорамфеникол неоднократно обнаруживается в водной среде. Было опубликовано исследование, в котором установили присутствие хлорамфеникола в количестве 46,9 нг/л и 71,9 нг/л в сточных водах на городских очистных сооружениях в Пекине [ 6]. Авторы [7] зафиксировали присутствие хлорамфеникола в городских озерах и каналах во Вьетнаме в широком диапазоне концентраций от 18 до 155 нг/л. Парацетамол является одним из наиболее часто используемых лекарственных препаратов, доступных без рецепта во всем мире. По этой причине данный лекарственный препарат часто обнаруживается в реках разных стран в достаточно высоких концентрациях [8]. По данным источника [9] парацетамол был обнаружен в стоках очистных сооружений в Бразилии в концентрации 137,98 мкг/л. Также он был обнаружен в водах западной части Средиземного моря, в концентрациях от 0,468 до 1,70 нг/л [10, 11].
Принцип работы большинства очистных сооружений базируется на традиционных технологиях обработки загрязнённых вод, таких как отстаивание, фильтрация, адсорбция, коагуляция-флокуляция, окислительные процессы, а также биологические процессы. К недостаткам перечисленных систем можно отнести необходимость использования вспомогательных реагентов, большое энергопотребление, малоэффективное удаление некоторых устойчивых соединений, появление побочных продуктов разложения и длительное время разложения. Таким образом, разработка и применение современных технологий очистки сточных вод является актуальной задачей, которая требует изучения различных процессов деструкции с целью выявления наиболее эффективных из них для удаления антибиотиков из загрязненных вод. Для снижения негативного воздействия антибиотиков на водные объекты необходимо обеззараживать их с помощью технологий эффективной очистки до их попадания в окружающую среду.
Большинство фармацевтических препаратов, растворённых в воде, способны поглощать свет в ультрафиолетовом (УФ) и видимом (ВИД) диапазоне, так как содержат в своей структуре функциональные группы, такие как ароматические кольца и гетероатомы, что делает их склонными к фотолизу под воздействием ультрафиолетового излучения [12]. В результате прямой фотодеградации они переходят в возбужденное состояние и подвергаются фотохимическим превращениям [13]. Данный процесс может использоваться на очистных сооружениях для удаления антибиотиков, однако необходимы исследования в данной области.
Цель работы: исследование трансформации хлорамфеникола и парацетамола в воде в зависимости от длины волны излучения источника методами УФ-ВИД-спектроскопии.
Задачи работы:
• Собрать экспериментальную установку фотореактора для облучения водных растворов антибиотиков;
• Провести экспериментальное исследование трансформации и деградации хлорамфеникола и парацетамола под действием УФ-источников;
• Зарегистрировать спектры поглощения, флуоресценции и возбуждения флуоресценции водных растворов антибиотиков до и после облучения;
• Сравнить эффективность фототрансформации хлорамфеникола и парацетамола в воде в зависимости от длины волны излучения и энергии УФ-источника.
Накопление и распространение лекарственных препаратов и их остаточных количеств в окружающей среде стало причиной обострения проблемы антибиотикорезистентности [3]. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) сообщает, что рост резистентности к антибиотикам достиг высоких показателей, что вызывает беспокойство в мировом сообществе [4]. В мире повсеместно появляются и распространяются новые механизмы резистентности, что ставит под угрозу возможность лечения известных инфекционных заболеваний. Множество различных инфекций (пневмония, туберкулез, заражение крови, пищевые заболевания) становится все более трудно, а в отдельных случаях и невозможно лечить в связи с уменьшением эффективности антибиотиков [4]. Антибиотик хлорамфеникол, по-прежнему остается пригодным антибиотиком местного применения для лечения офтальмологических бактериальных инфекций, однако в долгосрочной перспективе препарат может стать непригодным из-за растущего уровня лекарственной устойчивости [5].
Хлорамфеникол неоднократно обнаруживается в водной среде. Было опубликовано исследование, в котором установили присутствие хлорамфеникола в количестве 46,9 нг/л и 71,9 нг/л в сточных водах на городских очистных сооружениях в Пекине [ 6]. Авторы [7] зафиксировали присутствие хлорамфеникола в городских озерах и каналах во Вьетнаме в широком диапазоне концентраций от 18 до 155 нг/л. Парацетамол является одним из наиболее часто используемых лекарственных препаратов, доступных без рецепта во всем мире. По этой причине данный лекарственный препарат часто обнаруживается в реках разных стран в достаточно высоких концентрациях [8]. По данным источника [9] парацетамол был обнаружен в стоках очистных сооружений в Бразилии в концентрации 137,98 мкг/л. Также он был обнаружен в водах западной части Средиземного моря, в концентрациях от 0,468 до 1,70 нг/л [10, 11].
Принцип работы большинства очистных сооружений базируется на традиционных технологиях обработки загрязнённых вод, таких как отстаивание, фильтрация, адсорбция, коагуляция-флокуляция, окислительные процессы, а также биологические процессы. К недостаткам перечисленных систем можно отнести необходимость использования вспомогательных реагентов, большое энергопотребление, малоэффективное удаление некоторых устойчивых соединений, появление побочных продуктов разложения и длительное время разложения. Таким образом, разработка и применение современных технологий очистки сточных вод является актуальной задачей, которая требует изучения различных процессов деструкции с целью выявления наиболее эффективных из них для удаления антибиотиков из загрязненных вод. Для снижения негативного воздействия антибиотиков на водные объекты необходимо обеззараживать их с помощью технологий эффективной очистки до их попадания в окружающую среду.
Большинство фармацевтических препаратов, растворённых в воде, способны поглощать свет в ультрафиолетовом (УФ) и видимом (ВИД) диапазоне, так как содержат в своей структуре функциональные группы, такие как ароматические кольца и гетероатомы, что делает их склонными к фотолизу под воздействием ультрафиолетового излучения [12]. В результате прямой фотодеградации они переходят в возбужденное состояние и подвергаются фотохимическим превращениям [13]. Данный процесс может использоваться на очистных сооружениях для удаления антибиотиков, однако необходимы исследования в данной области.
Цель работы: исследование трансформации хлорамфеникола и парацетамола в воде в зависимости от длины волны излучения источника методами УФ-ВИД-спектроскопии.
Задачи работы:
• Собрать экспериментальную установку фотореактора для облучения водных растворов антибиотиков;
• Провести экспериментальное исследование трансформации и деградации хлорамфеникола и парацетамола под действием УФ-источников;
• Зарегистрировать спектры поглощения, флуоресценции и возбуждения флуоресценции водных растворов антибиотиков до и после облучения;
• Сравнить эффективность фототрансформации хлорамфеникола и парацетамола в воде в зависимости от длины волны излучения и энергии УФ-источника.
В результате проделанной работы методами УФ-ВИД спектроскопии проведено экспериментальное исследование фототрансформации хлорамфеникола и парацетамола в воде при возбуждении УФ-излучением. В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера был выполнен количественный анализ исходных соединений в облучённых растворах. Для оценки эффективности фототрансформации антибиотиков были построены кривые конверсии в зависимости от времени и энергии облучения для каждой полосы поглощения. По результатам экспериментальных данных были сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что конверсия парацетамола в воде зависит от выбранного источника излучения: после облучения KrCl (18,66 Дж/см2) составляет 45%, после ОУФб- 04(41,24 Дж/см2) - 13%, XeBr (19,05 Дж/см2) и XeCl (37,09 Дж/см2) менее 1%.
2. Обнаружено, что после облучения эксилампой KrCl парацетамола в воде образуется фотопродукты, флуоресцирующие в области 430 и 450-500 нм. KrCl эксилампа более эффективна для разложения как парацетамола, так и продукта фототрансформации. После облучения ОУФб-04 образуется фотопродукт парацетамола в воде, флуоресцирующий в области 375 нм, который накапливался в растворе при облучении до 128 мин.
3. Конверсия хлорамфеникола в воде после облучения KrCl (18,66 Дж/см2) составляет 43%, после ОУФб-04(41,24 Дж/см2), XeBr (19,05 Дж/см2) и XeCl (37,09 Дж/см2) менее 23%.
4. Показано, что под действием KrCl эксилампы происходит как разрушение хлорамфеникола, так и фотопродукта, флуоресцирующего в области 350 нм. При облучении лампами XeBr (282 нм), XeCl (308 нм) и ОУФб-04 (180 до 275 нм) продукт фототрансформации хлорамфеникола накапливается в растворе.
1. Установлено, что конверсия парацетамола в воде зависит от выбранного источника излучения: после облучения KrCl (18,66 Дж/см2) составляет 45%, после ОУФб- 04(41,24 Дж/см2) - 13%, XeBr (19,05 Дж/см2) и XeCl (37,09 Дж/см2) менее 1%.
2. Обнаружено, что после облучения эксилампой KrCl парацетамола в воде образуется фотопродукты, флуоресцирующие в области 430 и 450-500 нм. KrCl эксилампа более эффективна для разложения как парацетамола, так и продукта фототрансформации. После облучения ОУФб-04 образуется фотопродукт парацетамола в воде, флуоресцирующий в области 375 нм, который накапливался в растворе при облучении до 128 мин.
3. Конверсия хлорамфеникола в воде после облучения KrCl (18,66 Дж/см2) составляет 43%, после ОУФб-04(41,24 Дж/см2), XeBr (19,05 Дж/см2) и XeCl (37,09 Дж/см2) менее 23%.
4. Показано, что под действием KrCl эксилампы происходит как разрушение хлорамфеникола, так и фотопродукта, флуоресцирующего в области 350 нм. При облучении лампами XeBr (282 нм), XeCl (308 нм) и ОУФб-04 (180 до 275 нм) продукт фототрансформации хлорамфеникола накапливается в растворе.