بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش حذف آنتیبیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی با استفاده از نانودیاتومیت اصلاحشده توسط بیوسورفاکتانت ساپونین به عنوان جاذب مورد بررسی قرار گرفت. پارامترهای موثر بر فرآیند جذب شامل pHدوز، جاذب، زمان تماس و غلظت اولیّه آزیترومایسین مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایشات نشان داد که در شرایط pH=9، دوز جاذب برابر با 1 گرم در لیتر، غلظت لیّهاو آزیترومایسین برابر با 20ppm و زمان تماس 30 دقیقه راندمان حذف آزیترومایسین از محلول آبی برابر با %98/5 میباشد.
نتایج نشان داد که افزایش pH سبب افزایش حذف آزیترومایسین از محلول آبی توسط جاذب مورد نظر میگردد. بیشینه ظرفیت جذب تجربی نانودیاتومیت نیز در شرایط pH=9، دوز جاذب برابر یا 0/5 گرم در لیتر، غلظت اولیه آزیترومایسین برابر با 100ppm و زمان تماس 60 دقیقه، برابر با 91.68mg/g تعیین شد. به طور کلی نتایج نشان میدهد که نانودیاتومیت اصلاحشده با ساپونین، جاذب زیستی مناسب با بازده بالا جهت حذف آزیترومایسین از محلولهای آبی میباشد.
1. مقدمه
آنتیبیوتیکها داروهایی هستند که مانع از رشد ریزموجودات نظیر باکتریها، قارچها و پروتوزاها میگردند. از این داروها به طور گسترده به منظور درمان بیماریهای عفونی در انسانها و حیوانات و همینطور مصارف کشاورزی استفاده میشود. نخستین آنتیبیوتیکهایی که در درمان انسانها استفاده شدند منشاء طبیعی داشتند؛ مانند پنیسیلین و استرپتومایسین. در حال حاضر، آنتیبیوتیکها از طریق اصلاح شیمیایی ترکیبات با منشاء طبیعی - مانند آموکسیسیلین - و یا سنتز شیمیایی - سولفامتوکسازول - بدست میآیند.
آنتیبیوتیکها گروه وسیعی از مواد شیمیایی هستند که میتوان آنها را براساس ساختار شیمیایی و نحوه عملکردشان به گروههای بتا-لاکتامها، سولفونامیدها، کینولونها، تتراسایکلینها، ماکرولیدها، آمینوگلیکوزیدها و ... تقسیم نمود. این مواد غالبا" دارای مولکولهای پیچیده با گروههای عاملی مختلفی هستند .[1] آنتیبیوتیکها تحت شرایط مختلف pH، میتوانند خنثی، کاتیونی و یا دوقطبی باشند. همچنین به دلیل وجود گروههای عاملی متفاوت درون یک مولکول، ممکن است خواص فیزیکی-شیمیایی و بیولوژیکی آنها از جمله Kow1 ، واکنشپذیری نوری، رفتار جذبی، فعالیت ضدمیکروبی و سمیّت آنها با تغییر pH تغییر یابد .[2]
آنتیبیوتیکها از جنبههای مختلف سبب ایجاد تغییرات اساسی در علم پزشکی شده و جان انسانهای فراوانی را نجات دادهاند. متاسفانه استفاده از این داروهای شگفتانگیز با ایجاد سریع مقاومت در میکروارگانیسمها همراه بودهاست .[3] افزایش مصرف آنتیبیوتیک و استفاده نابجا از آنها میتواند دلایل اصلی شیوع سریع این مقاومت در برابر آنتیبیوتیکها باشد .[4] قرارگیری در معرض آنتیبیوتیکهای با دوز پایین به مدت طولانی، سبب تکثیر انتخابی باکتریهای مقاوم شده که این موضوع میتواند باعث پدیده انتقال ژن افقی یا همان انتقال ژنهای مقاوم به سایر باکتریهای غیر مرتبط گردد .
[5] مکانهایی مانند سیستم فاضلاب، پسابهای بیمارستانی و دامداریها که تراکم جمعیت میکروبی در آنها زیاد است مانند یک مخزن برای آنتیبیوتیکها و رشتههای مقاوم آنها عمل میکنند .[6] وقوع آنتیبیوتیکها در محیطهای آبی از جنبه سمشناسی زیستی نیز حائز اهمیت است؛ زیرا این داروها به طور بالقوه این قابلیت را دارند که زیستبوم را تحت تاثیر قرار دهند .[1] از جمله این آثار میتوان به کاهش تجزیه مواد آلی - با تحت تاثیر قرار دادن فرآیندهای اکسیداسیون بیولوژیکی مورد استفاده در سیستمهای تصفیه فاضلاب - ، ایجاد اختلال در چرخههای حیاتی زیستبومهای آبی - نیتروژنگیری/نیتروژندهی - و اختلال در حاصلخیزی خاک اشاره کرد .[7] آنتیبیوتیکها میتوانند رشد ریزموجودات را در سیستمهای تصفیه فاضلاب متوقف کرده و همچنین ساختار کلی جمعیت میکروبی در محیط محلی را نیز به طور جدی تحت تاثیر قرار دهند.
داروهای مصرفی در بدن انسان و حیوانات پس از جذب در معرض واکنشهای متابولیکی مختلفی قرار میگیرد و در نهایت از طریق ادرار و مدفوع دفع میشود. در مورد آنتیبیوتیکها، حذف به وسیله فرآیندهای متابولیکی به طور کامل صورت نمیگیرد و در نتیجه به شکل ترکیب فعال اصلی تغییرنیافته به همراه فرآوردههای متابولیکی از بدن موجود دفع میگردد .[8] در انسانها درصد دفع آنتیبیوتیک به شکل داروی اولیه به مولکول آن بستگی داشته و از %10 تا %60 متغیر میباشد .
[9] نرخ متوسط متابولیسم تمام آنتیبیوتیکهای مصرفی مجموعا" %30 تخمین زده شدهاست؛ در واقع به طور متوسط %70 آنتیبیوتیک مصرفی به طور تغییرنیافته دفع میشود .[10] علاوه بر دفع انسانی و حیوانی، دورریز داروهای تاریخگذشته و استفادهنشده نیز وارد فاضلاب شده و به تصفیهخانههای فاضلاب راه مییابند. به علاوه، با استفاده از کود حیوانی و لجن حاوی پسماندهای آنتیبیوتیکی در زمینهای کشاورزی، آنتیبیوتیکها به آبهای سطحی نشت کرده و به آبهای زیرزمینی راه مییابند .[8] از آنجا که آبهای سطحی و زیرزمینی منابع اصلی آب شرب میباشند، غالبا" آنتیبیوتیکها در آبهای شرب مشاهده میشوند .[11] [7]
آنتیبیوتیک آزیترومایسین یک ماکرولید جدید است که هدف از تولید آن فائق آمدن بر برخی از ایرادات آنتیبیوتیک اریترومایسین از جمله حساسیت دارویی و طیف ضدمیکروبی محدود آن بودهاست. آزیترومایسین جهت مداوای عفونتهای ناشی از باکتری مانند برونشیت، عفونتهای پوستی، تنفسی، آمیزشی و غیره تجویز میشود. بخش عمده آزیترومایسین مصرفشده به صورت تغییر نیافته و عمدتا" از طریق مدفوع دفع میگردد. دفع داروی تغییرنیافته از طریق ادرار نیز به مقدار بسیار جزئی - کمتر از - %7 صورت میگیرد .[12] با توجه به دفع عمده این آنتیبیوتیک به صورت تغییر نیافته از بدن و تاثیرات سوء وجود آنتیبیوتیکها در محیطزیست، ابداع روشهای جدید کارآمد و اقتصادی برای حذف آن حیاتی به نظر میرسد.
فرآیندهای جذب، آبکافت، تجزیه نوری و تجزیه زیستی نقش عمدهای در کاهش پایداری آنتیبیوتیکها ایفا میکنند. با این حال، پژوهشها نشان میدهند که فرآیندهای مرسوم پاکسازی مورد استفاده در تصفیهخانههای فاضلاب در زمینه تجزیه و یا حذف کامل آنتیبیوتیکها عملکرد کارآمدی نداشته و این داروها در نهایت به همراه پسابهای خروجی تصفیهخانههای فاضلاب به محیطهای آبی محلی وارد میشوند [15] [14] [13] .[16] جذب نوعی فرآیند تغییر فاز است که در عمل برای حذف مواد مختلف از فازهای سیال - گاز و مایع - و نگهداشت آنها در فاز جامد بکار برده میشود.
همچنین میتوان این فرآیند را به عنوان فرآیندی طبیعی در بخشهای مختلف محیط زیست در نظر گرفت. کلیترین تعریف ارائه شده از جذب، این فرآیند را به عنوان تغلیظ گونههای شیمیایی موجود در فاز سیال در سطح یک مایع یا جامد توصیف می نماید. در زمینه تصفیه آب، فرآیند جذب به عنوان یک فرآیند حذفی موثر برای حل شوندههای مختلف معرفی شدهاست. در این فرآیند، مولکولها و یونها از طریق جذب بر روی سطوح جامد از محلول آبی حذف میگردند. از آنجایی که جذب غالبا" یک فرآیند سطحی است، خصوصیات سطح جاذب پارامتری کلیدی در کیفیت جاذب محسوب میشود .[17]
دیاتومیت - SiO2.nH2O - یک سنگ رسوبی سفیدرنگ، نرم و سبک است که عمدتا" از میکروفسیل جلبکهای تکسلولی آبی تشکیل میشود. ساختار شدیدا" متخلخل دیاتومیت، چگالی کم، هدایت حرارتی پایین، اندازه کوچک ذرات، ظرفیت جذب بالا و سطح ویژه زیاد آن سبب شدهاست تا کاربردهای صنعتی متعددی از جمله به عنوان فیلتر برای نوشیدنیهای مختلف و مواد شیمیایی آلی و غیرآلی و همچنین به عنوان جاذب در حذف لکههای نفتی داشته باشد. دیاتومیت حدودا" 500 برابر ارزانتر از کربن فعال بوده و بنابراین میتواند به طور بالقوه جایگزین مقرون به صرفهای برای کربن فعال باشد.
شایان ذکر است که کاهش سایز ذرات دیاتومیت در حد نانو میتواند به افزایش سطح ویژه ذرات انجامیده و خواص و قابلیتهای جدیدی را در دیاتومیت پدید آورد. تاکنون از دیاتومیت به عنوان جاذب جاذب طبیعی در حذف یون [18] Pb - II - ، متیلن بلو و رنگهای واکنشپذیر سیباکرون مشکی و زرد [19]، آنتیبیوتیک تتراسایکلین [20]، BTEX و [21] MTBE و فلزات سنگین [22] استفاده شدهاست.
با این حال دیاتومیت خام ناخالصیهای زیادی دارد که بر فرآیند جذب در محلولهای آبی تاثیر منفی میگذارد. بدین منظور لازم است که به منظور دستیابی به ظرفیت جذب بالاتر، آن را اصلاح نمود. اصلاح مناسب سطح دیاتومیت میتواند ویژگیهای سطحی آن را بهبود بخشیده و در قیاس با دیاتومیت خام، باعث برتری آن در فرآیند جذب شود. روشهای مرسوم اصلاح شامل اصلاح فیزیکی و شیمیایی میباشند. حرارت دادن به طور قابل توجهی بر نوع، توزیع و محتوای سطح گونههای آبدار و سایتهای واکنشپذیر کلیدی برای واکنشهای سطحی مختلف از جمله جذب و فتوکاتالیز تاثیرگذار میباشد.
همچنین باعثحذف مواد اضافه فرّار و آلی میگردد. اصلاح شیمیایی با استفاده از اسیدها و یا بازهای مرسوم و برخی از ترکیبات غیرآلی، به میزان گستردهتری مورد استفاده قرار گرفتهاند .[23] [18] عصاره بسیاری از گیاهان مخصوصا" درخت کویلاجا ساپوناریا، شامل مولکول های سورفاکتانت طبیعی است که ساپونین نام دارد. ساپونین، سورفاکتانت طبیعی است که در 500 گونهی گیاهی یافت میشود. بخش آبگریز مولکول های ساپونین از تریترپنوید یا ستون استروئید تشکیل شده و بخش آبدوست آن شامل باقیماندههای ساکارید است که توسط پیوند گلوکوزی به بخش آبگریز متصل است. در سالهای اخیر تولیدات زیادی از این ماده در بخشهای صنعتی، غذایی، دارویی، آرایشی و انرژی صورت گرفته است.
همچنین ساپونین بهعنوان مادهی کف زا و امولسیفایر در نوشیدنیها، محلول ماندن مواد در ویتامینها و مواد معدنی، در افزودنیهای غذایی و بهعنوان یک مادهی تشکیل دهنده اصلی در کاهش کلسترول مواد غذایی استفاده میشود. بهطور خلاصه، ساپونین ترکیبی از خصوصیات سورفاکتانتها و مواد فعال زیستی ضروری را دارا میباشند و به همین دلیل یک مادهی جذاب و موردتوجه در تکنولوژیهای مختلف است .[24] هدف از این پژوهش، اصلاح جاذب نانودیاتومیت با استفاده از بیوسورفاکتانت ساپونین به منظور حذف آنتیبیوتیک آزیترومایسین از محلول آبی به نحوی است که بیشترین قابلیت حذف در کمترین مقدار جاذب حاصل شود. تاثیر پارامترهای دوز جاذب، pH،غلظت اولیّه آزیترومایسین و زمان تماس در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفتهاست.
2. مواد و روشها
1-2 مواد
پودر آزیترومایسین با خلوص %97 از شرکت تهران شیمی، دیاتومیت از معدن زنجان، ساپونین از شرکت سیگما آلدریچ، سولفوریک اسید، هیدروکلریک اسید، سدیم هیدروکسید و متانول از شرکت مرک آلمان و آب 3بار تقطیر دیونیزه از شرکت زلال طب شیمی تهیه گردید. به منظور تهیّه نانودیاتومیت، دیاتومیت طبیعی در آسیاب ماهوارهای - Fritsch Pulverisette 6 - در دور 250 دور در دقیقه و به مدت 5 ساعت آسیاب شد .[25] نتایج آنالیز XRF نانودیاتومیت در جدول 1 آورده شدهاست.
2-2 روشهای مورد استفاده
1-2-2 اصلاح جاذب نانو دیاتومیت
نحوه اصلاح جاذب بدین صورت بود که پودر نانودیاتومیت درون محلول آبی %0/1 ساپونین به مدت 24ساعت بر روی همزن قرار گرفت. پس از تهنشینی 3مرتبه با آب مقطر شسته شد و پس از آن در دمای 70درجه سانتیگراد در انکوباتور خشک گردید .[20]
2-2-2 ساخت محلول آبی آزیترومایسین
برای ساخت محلول آبی آزیترومایسین، مقدار مشخصی از پودر آزیترومایسین در متانول با مقدار %10 از حجم کل محلول آبی حل شده و سپس با آب 3بار تقطیر دیونیزه به حجم رسانده شد. pH تمامی نمونهها با استفاده از هیدروکلریک اسید و سدیم هیدروکسید با غلظت 0/1 مولارتنظیم شد.
3-2-2 روش کلی فرآیند جذب
کلیه آزمایشات در سیستم ناپیوسته صورت گرفت. متناسب با هر مرحله از آزمایش، نمونهها با مشخصات مطلوب - دوز جاذب، pH، زمان تماس و غلظت اولیّه آزیترومایسین در محلول - در ظروف مخصوص قرار گرفته و پس از افزودن جاذب اصلاحشده به منظور انجام فرآیند جذب بر روی لرزاننده با سرعت 500 دور در دقیقه قرار داده شدند. پس از گذشت زمان تماس مورد نظر به منظور جداسازی جاذب، نمونهها به مدت 20دقیقه داخل سانتریفوژ با سرعت 6000 دور در دقیقه قرار گرفتند. سوپرناتانت از نمونه جدا گردید و غلظت آزیترومایسین در محلول نهایی به منظور محاسبه میزان آزیترومایسین حذف شده، اندازهگیری گردید. تمامی آزمایشات با حداقل 3بار تکرار و با خطای کمتر از %5 انجام پذیرفت.
