Προσδιορισμός επιλεγμένων βενζοδιαζεπινών σε αστικά λύματα και μελέτη της οξειδωτικής διάσπασής τους με τη χρήση φωτοκαταλυτικών συστημάτων

Abstract

The objectives of the study were: a) the identification of certain benzodiazepine-class pharmaceuticals which present frequent consumption in samples of wastewater from three treatment plants in the Area of Thessaloniki, b) to evaluate by Photo-Fenton reaction, the degradation reaction kinetics of the three benzodiazepine pharmaceuticals, Alprazolam (ALP) Bromazepam (ΒRΜ) and Diazepam (DZP) which showed low removal rates in the samples of wastewater tested, c) to optimize the experimental parameters affecting the efficiency of the photocatalytic oxidation through a central composite design model and a Response Surface Methodology, d) to evaluate the degradation of three benzodiazepines by homogeneous photo-Fenton mediated by Fe-EDDS at neutral pH, e) to assess the mineralization of benzodiazepines and toxicity variations throughout the process, f) to identify the transformation products (TPs) produced during the process and to propose transformation pathways for the selected pharmaceuticals, g) to examine the possible biodegradation of the three compounds and finally apply the proposed Photo-Fenton system to real wastewater samples. A multivariate analytical method for the determination of 7 selected benzodiazepines (Alprazolam, Bromazepam, Diazepam, Oxazepam, Temazepam, Clonzaepam, 7-Aminoflunitrazepam) was developed with satisfactory results of linearity, accuracy and compliance as well as quantitative detection and quantification limits of 11 ngL- 1. The selected benzodiazepines were detected in all samples of incoming waste from the three processing WWTPs during all three sample periods at concentrations up to 19.23 ng L-1 (7-AF). ALP, BRM and DZP proved rather stable against hydrolytic and photolytic degradation at neutral pH, but they exhibit higher degradation rates during acid hydrolysis and photolysis by the addition of Η2SΟ4. There is no effect on the study system by adding only iron ions or H2O2, in the absence of UV light. The absence of illumination is detrimental for the treatment, since Fenton reagent is unable to oxidize the target compounds in a considerable extent. Low was the performance of the UV/H2O2 system in the degradation of the three benzodiazepines, confirming the importance of the catalytic role of iron in the Photo-Fenton system. The degradation of the selected benzodiazepines proved to be effective with a Photo Fenton system. Response Surface Methodology proved to be a useful tool for the optimization of the degradation as the statistical coefficients showed satisfactory values confirming the compatibility between the extracted models and real experimental values. The concentration and the valence of iron or the concentration of hydrogen peroxide are parameters affecting the degradation rate and efficiency of the process. Full degradation was achieved at 60 min when pure benzodiazepine compounds were tested. Full degradation of ALP and DZP and 75% of BRM was achieved under 180 min of reaction time, when commercial formulations of the compounds were used. Complexation of iron with EDDS resulted in 81% degradation for Alprazolam, 60.1% for Bromazepam and 89% for Diazepam was observed after 120 min of irradiation. DOC was though slightly decreased after the first three hours indicating only partial mineralization under the selected experimental conditions. Toxicity of the system varied with time after the treatment, indicating the gradual production of degradation byproducts which differ in their toxic potential. Fifteen photo-degradation products were identified for Alprazolam, thirteen for Bromazepam and twenty three for Diazepam which were identified by LC-MS/MS. Mass spectrometry revealed that 1,4-benzodiazepinones were the main degradation products while the main routes of degradation were hydroxylation, electron transfer, oxidation and rearrangement reactions.

Οι στόχοι της μελέτης ήταν: (α) η ταυτοποίηση επιλεγμένων φαρμακευτικών ενώσεων από την κατηγορία των βενζοδιαζεπινών που παρουσιάζουν συχνή κατανάλωση σε δείγματα λυμάτων από τρεις μονάδες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων στην περιοχή της Θεσσαλονίκης, (β) η αξιολόγηση της κινητικής της αντίδρασης Photo-Fenton, στην αποδόμησης των τριών βενζοδιαζεπινών, Alprazolam (ALP), Bromazepam (ΒRΜ), και Diazepam (DZP) που παρουσίασαν χαμηλά ποσοστά απομάκρυνσης στα δείγματα λυμάτων που ελέγχθηκαν σε τρεις δειγματοληπτικές περιόδους, (γ) η βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της φωτοκαταλυτικής οξείδωσης μέσω της μεθοδολογίας επιφάνειας απόκρισης, (δ) η αξιολόγηση της αποδόμησης των τριών βενζοδιαζεπινών με ομοιογενή Photo-Fenton σύστημα με τη χρήση του φωτοενεργού συμπλόκου Fe-EDDS σε ουδέτερο pH, (ε) η εκτίμηση της ανοργανοποίησης των βενζοδιαζεπινών και των παραγώμενων προϊόντων οξειδωτικού μετασχηματισμού καθώς και της τοξικότητας του συστήματος καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας, (ζ) ο προσδιορισμός των προϊόντων οξειδωτικού μετασχηματισμού (TPs) που παράγονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας και πιθανών οδών μετασχηματισμού για κάθε επιλεγμένη ένωση (η) η εξέταση της πιθανής βιοδιάσπασης των τριών ενώσεων και τέλος η εφαρμογή του προτεινόμενου Photo-Fenton συστήματος σε πραγματικά δείγματα λυμάτων. Αναπτύχθηκε και επικυρώθηκε πολυπαραμετρική αναλυτική μέθοδος προσδιορισμού 7 επιλεγμένων βενζοδιαζεπινών (Alprazolam, Bromazepam, Diazepam, Oxazepam, Temazepam, Clonzaepam, 7-Aminοflunitrazepam), η οποία παρουσιάζει ικανοποιητικά αποτελέσματα γραμμικότητας, ορθότητας και πιστότητας, όπως και όρια ανίχνευσης και ποσοτικής αποτίμησης της μεθόδου μικρότερα των 11 ng L-1. Οι βενζοδιαζεπίνες που επιλέχθηκαν, ανιχνεύτηκαν στο σύνολο των εισερχόμενων λυμάτων (είσοδος) από τις τρεις μονάδες επεξεργασίας, κατά τη διάρκεια και των τριών χρονικών δειγματοληψιών σε συγκεντρώσεις έως 19.23 ngL-1 (7-AF). Δεν παρατηρήθηκε πλήρης απομάκρυνση των ενώσεων. Οι τρεις επιλεγμένες βενζοδιαζεπίνες ήταν υδρολυτικά και φωτολυτικά σταθερές σε ουδέτερο pH. Στην επίδραση της όξινης υδρόλυσης με προσθήκη H2SO4 παρατηρείται μείωση των αρχικών συγκεντρώσεων των ενώσεων ALP (13.2%), BRM (16.02%) και DZP (24.7%). Δεν υπάρχει καμία επίδραση στο σύστημα μελέτης με την προσθήκη μόνο ιόντων σιδήρου ή Η2Ο2, απουσία ακτινοβολίας. Η διάσπαση λόγω εφαρμογής του συστήματος UV/H2O2 ήταν μικρότερη από 40% επιβεβαιώνοντας τη σημασία του καταλυτικού ρόλου του σιδήρου στο σύστημα Photo-Fenton. Ο πειραματικός σχεδιασμός κεντρικής σύνθεσης αποδείχθηκε χρήσιμο εργαλείο στη βελτιστοποίηση των λειτουργικών παραμέτρων του συστήματος Photo-Fenton, καθώς οι στατιστικοί συντελεστές είχαν ικανοποιητικές τιμές που επιβεβαιώνουν τη συμβατότητα μεταξύ των εξαγόμενων μοντέλων και των πραγματικών πειραματικών τιμών.. Η πλήρης αποικοδόμηση παρατηρήθηκε στα 60 λεπτά όταν ελέγχθηκαν καθαρές ενώσεις. Αντίστοιχα, 100% διάσπαση των ενώσεων ALP και DZP και 80% BRM παρατηρήθηκε στα 180 λεπτά του χρόνου αντίδρασης όταν χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά σκευάσματα των ενώσεων. Η σύμπλεξη του σιδήρου με το EDDS οδήγησε σε 81% διάσπαση για το Alprazolam, 60.1% για το Bromazepam και 89% για το Diazepam μετά από 120 λεπτά σε υδατικό διάλυμα με ουδέτερο pH. Ο διαλυμένος οργανικός άνθρακας μειώθηκε μετά τις πρώτες τρεις ώρες υποδεικνύοντας μόνο μερική ανοργανοποίηση υπό τις επιλεγμένες πειραματικές συνθήκες. Η τοξικότητα του συστήματος ποικίλει ανάλογα με το χρόνο, υποδηλώνοντας τη σταδιακή παραγωγή προϊόντων οξειδωτικής μετατροπής που διαφέρουν ως προς το τοξικό τους δυναμικό. 15 προϊόντα οξειδωτικής μετατροπής εντοπίστηκαν για το ALP, 13 για το BRM και το 23 για το DZP ανιχνεύτηκαν και ταυτοποιήθηκαν με τη χρήση LC-MS/MS. Οι 1,4-βενζοδιαζεπινόνες ήταν τα κύρια προϊόντα αποδόμησης, ενώ οι κύριες οδοί διάσπασης ήταν η υδροξυλίωση, η μεταφορά ηλεκτρονίων, οι αντιδράσεις οξείδωσης και αναδιάταξης.