CC BY
101
УДК 615.33:574.522
БИОДЕГРАДАЦИЯ ЦЕФТРИАКСОНА В ПРОЦЕССЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
© 2011 З.Е. Мащенко1, Р.В. Шафигулин1, И.Ф. Шаталаев2
1 Самарский медицинский институт «Реавиз» 2 Самарский государственный медицинский университет
Поступила в редакцию 03.10.2011
В работе представлены данные о биодеструкции цефтриаксона микроорганизмами активного ила в зависимости от концентрации и времени инкубации в аэробно-анаэробных условиях. Установлена закономерность трансформации Z-изомер цефтриаксона в сопутствующую примесь (Е-изомер) с течением времени.
Ключевые слова: цефтриаксон, активный ил, биодеструкция
В конце 1990-ых годов в зарубежной литературе большое внимание уделялось проблеме обнаружения фармацевтических препаратов в окружающей среде. Во многих странах мира лекарственные вещества были найдены в сточных водах, поступающих на городские очистные сооружения [5, 7]. В процессе очистки сточных вод лекарственные средства удаляются неэффективно и при поступлении в природные водоисточники могут негативно влиять на состояние живых организмов [8]. В этой связи в последние годы проводится много исследований, связанных с изучением деструкции фармацевтических препаратов под действием различных факторов. В качестве способов воздействия применяют физико-химические методы (хлорирование, ультроз-вук, УФ-облучение, озонирование), а также методы биологической очистки [9, 11]. Установлено, что многие виды микроорганизмов способны переработать лекарственные вещества. Дикло-фенак, напроксен и карбамазепин были полностью удалены из опытных образцов двумя видами грибов Bjerkandera sp. R1 and Phanerochaete chrysosporiu, а актинобактерии рода Rhodococcus утилизировали лекарственные средства, производные ароматических углеводородов и гетероциклических азотсодержащих соединений [1, 10]. Однако не все группы лекарственных веществ могут быть удалены в процессе биологической очистки.
Особую проблему представляют антибиотики, фармакологическое действие которых проявляется как противомикробное. Так, в процессе биологической очистки содержание макролидов
Мащенко Зинаида Евгеньевна, кандидат фармацевтических наук, доцент кафедры фармации. Е-mail: mzinaida@yandex. ru
Шафигулин Роман Владимирович, кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры фармации. Е-mail: [email protected]
Шаталаев Иван Федорович, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой химии фармацевтического факультета. Е-mail: [email protected]
уменьшилось на 90%, а тетрациклинов - на 75%
[4, 6].
Цель исследования: определение возможности биодеструкции цефтриаксона микроорганизмами активного ила в процессе биологической очистке сточных вод.
Материалы и методы исследования. Объектом исследования служил антибиотик группы цефалоспоринов - цефтриаксон. Выбранный антибиотик является цефалоспорином третьего поколения широкого спектра действия, химическое строение которого представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Химическая структура цефтриаксона
В экспериментах использовали активный ил регенератора первой секции аэраторов городской станции МП «Самараводоканал». Инкубацию осуществляли в течение трех часов при температуре 200С в аэробно-анаэробных условиях; отбор проб проводили через каждый час. Концентрацию цефтриаксона варьировали в количестве 10, 30, 50 и 70 мг/г биомассы. Содержание цефтриаксона устанавливали методом обращено-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии на «Милихром -1» с УФ-детектором с рабочей длиной волны 254 нм. Использовали колонку Ultrasep ES 100 ЯР18 (длина 120 мм), заполненную сорбентом С18 с размером частиц 4 мкм. В качестве подвижной фазы применяли
2070
Промышленная экология
ацетонитрил/вода/ацетат аммония в соотношении 10/88/2 об.%. Для обработки результатов использовали программу «МультиХром» 3,0v (Ampersand LTd). В качестве контроля применяли водные растворы антибиотика с такими же концентрациями. Контрольные образцы служили для того, чтобы подтвердить отсутствие пассивного гидролиза или фотолиза цефтриаксона. Изменение содержания цефтриаксона и его примеси рассчитывали как процентное отношение площади пиков определяемых изомеров на хро-матограмме опытной пробы к площади пиков на хроматограме контрольной пробы.
Результаты и их обсуждение. Примеры ВЭЖХ-хроматограмм образцов активного ила с различными концентрациями антибиотика через определенные промежутки времени представлены на рис. 2. На полученных хроматограммах были идентифицированы 2 пика: 1 - Е-изомер цефриаксона (примесь), 2 - цефтриаксон (Z-изомер).
А (1 час)
mV 20-
15-
mV
30
20
10
8 10 12 14
Б (1 час)
16 18 20
mV
30
20-
10
mV
252015105-
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Б(2 часа)
2
1
0е 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 min
Б (3 часа)
Рис. 2. Хроматограммы ВЭЖХ-анализа образцов активного ила с концентрацией цефтриаксона 10 мг/г (А) и 70 мг/г биомассы (Б)
10-
0 Г 2 3 4
mV 20
15
10
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
А (2 часа)
Г'Т 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
А (3 часа)
Динамика изменения содержания 2- и Е-изомеров цефтриаксона в процессе биологической очистки приведена в таблице 1 и 2 соответственно. В течение первого часа инкубации отмечали уменьшение содержания цефтриаксона во всех исследуемых пробах в среднем на 30%. Двухчасовая экспозиция образцов с концентрацией 30, 50 и 70 мг/г биомассы приводила к усилению процессов биодеструкции антибиотика. Продолжение инкубации сопровождалось устойчивым снижением содержания исследуемого вещества во всех опытных пробах. Во всех пробах наблюдали повышение содержания Е-изомера в течение всего времени инкубации. Значительное увеличение концентрации оказалось в образцах с содержанием цефтриаксона 10 мг/г биомассы.
2
2
4
6
2
2
5
2
2071
Таблица 1. Изменение содержания Z-изомера, в %
Концентрация антибиотика, мг/г биомассы Время инкубации, час
1 2 3
10 -37,96 -34,82 -53,62
30 -29,11 -39,59 -41,53
50 -27,85 -32,03 -43,00
70 -34,22 -35,97 -41,51
Таблица 2. Изменение содержания Е-изомера, в %
Концентрация антибиотика, мг/г биомассы Время инкубации, час
1 2 3
10 598,78 797,08 968,32
30 123,76 317,11 319,26
50 208,35 345,32 495,33
70 244,67 329,62 407,37
В соответствии с требованиями нормативной документации на фармацевтическую субстанцию содержание Е-изомера не должно превышать 0,5% [3]. В контрольных образцах при различных концентрациях на протяжении всего времени инкубации содержание Е-изомера варьировало 0,25-0,55%, тогда как в пробе (10 мг/г) количество Е-изомера увеличивалось от 6,27% (1 час) до 7,17% (2 часа) и 10,37% (3 часа), а в пробе (70 мг/г) - от 1,86% (1 час) до 1,70% (2 часа) и 2,54% (3 часа).
Выводы. Проведенные эксперименты показали положительную динамику биодеструкции цефтриаксона водными микроорганизмами. Одним из механизмов биологической очистки является изомеризация - трансформация 2-изомера в менее активную форму (Е-изомер). При увеличении концентрации антибиотика процесс изомеризации замедляется, на это также свидетельствует уменьшение активности ферментов микроорганизмов активного ила [2]. Полученные результаты указывают на возможность и целесообразность биологической очистки воды, содержащей цефтри-аксон, на городских станциях аэрации.
10.
11.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Вихарева, Е.В. Биодеструкция парацетамола акти-нобактериями рода Rhodococcus sensustricto / Е.В. Вихарева, И.Б. Ившина, Л.А. Чекрышкина и др. // XI Рос. нац. конгр.: Человек и лекарство. - М., 2004. С. 16-17.
Мащенко, З.Е. Влияние цефтриаксона на функциональное состояние микросообществ модельных гидроэкосистем / З.Е. Мащенко, Р.В. Шафигулин, И.Ф. Шаталаев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, №1(6). С. 1164-1466.
ФСП 42-9078-08. Цефтриаксона натрия субстанция - порошок стерильный.
Arikan, O.A. Degradation and metabolization of Chlortetracycline during the anaerobic digestion of manure from medicated calves / O.A. Arikan, J. Hazard //. Mater. 2008. № 158. Р. 485-490.
Buser, H-R. Occurrence of the pharmaceutical drug clofibric acid and the herbicide mecoprop in various Swiss Lakes and in the North Sea / H-R Buser, M.D. Müller, N. Theobald // Environ. Sci. Technol. 1998. Vol. 32. № 1. Р. 188-192.
Chelliapan, S. Performance of an up-flow anaerobic stage reactor (UASR) in the treatment of pharmaceutical wastewater containing macrolide antibiotics / S. Chelliapan, T. Wilby, P.J. Sallis // Water Res. 2006. № 40. Р. 507-516.
Holm, J.V. Occurrence and distribution of pharmaceutical organic compounds in the groundwater downgra-dient of a landfill (Grinsted, Denmark) / J.V. Holm, K. Rügge, P.L. Bjerg et al. // Environ. Sci. Technol. 1995. Vol. 29, № 5. Р. 1415-1420.
Huber, M.M. Oxidation of pharmaceuticals during ozo-nation of municipal wastewater effluents: Apilot study / M.M. Huber, A. Yobel, A. Joss et al. // Environ. Sci. and Technol. 2005. Vol. 39, № 11. Р. 4290-4299. Jatindra, N.B. Degradation of Antibiotics (Trimetho-prim and Sulphamethoxazole) Pollutants Using UV and TiO2 in Aqueous Medium / N.B. Jatindra, M. Yukihiro / Modern Applied Science. 2009. Vol. 3, №. 2. Р. 3-13. Rodarte-Morales, A.I. Evaluation of two fungal strains for the degradation of pharmaceutical and personal care products (PPCPs) / A.I. Rodarte-Morales, M.T. Morei-ra, G. Feijoo et al. // http://www.aidic.it/ibic2010/ webpapers/51Rodarte-Morales.pdf Weilin, G. Sonochemical degradation of the antibiotic cephalexin in aqueous solution / G. Weilin, W Hongzhi, S. Yahui et al. / Water SA. 2010. Vol. 36, No. 5. Р. 651-654.
CEFTRIAXONE BIODEGRADATION IN PROCESS OF BIOLOGICAL SEWAGE TREATMENT
© 2011 Z.E. Mashchenko1, R.V. Shafigulin1, I.F. Shatalaev2
1 Samara Medical Institute "Reaviz"
2 Samara State Medical University
In work the data about ceftriaxone biodestruction by microorganisms of active silt depending on concentration and incubation time in aerobic-anaerobic conditions is presented. Law of transformation the ceftriaxone Z-isomer in accompanying impurity (E-isomeasures) is established eventually.
Key words: ceftriaxone, active silt, biodestruction
Zinaida Mashchenko, Candidate of Pharmacy, Associate Professor at the Pharmacy Department. Е-mail: [email protected]
Roman Shafigulin, Candidate of Chemistry, Senior Lecturer at the Pharnacy Department. Е-mail: [email protected]
Ivan Shatalaev, Doctor of Biology, Head of the Chemistry Department at Pharmaceutical Faculty. Е-mail: [email protected]
2072
