Degradation of antiviral pharmaceuticals with ozonation and ldh-based catalytic ozonation in the presence of microplastics and toxicity evaluation
Mikroplastik varlığında ozonlama ve kçh-bazlı katalitik ozonlama ile antiviral ilaçların giderimi ve zehirliliklerinin değerlendirmesi
- Tez No: 894328
- Danışmanlar: PROF. DR. ELİF PEHLİVANOĞLU MANTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
COVID-19 (Koronavirüs hastalığı) salgını sırasında, özellikle salgının ilk dönemlerinde, hastaların tedavisi için, farklı amaçlarla kullanımda bulunan çeşitli ilaçlar ve bunların içinde çeşitli antiviral ilaçlar yüksek konsantrasyonlarda kullanılmıştır. Koronovirüs ile enfekte olmuş insan sayısının yüksek olmasının, kullanılan antiviral ilaçlar ve onların metabolitlerinin belediyesel atıksularda konsantrasyonunun yüksek olmasına yol açması beklenmektedir. Diğer ilaçlara benzer şekilde, antivirallerde atıksu arıtma sistemlerinde ancak kısmen giderilebilir ya da hiç giderilemezse, deşarj edildikleri alıcı ortamlarda hedef dışı organizmaları ve dolayısıyla çevreyi olumsuz yönde etkilemeleri mümkündür. Grip/influenza'ya karşı kullanılan bir antiviral olan Oseltamivir'in AAT'de biyolojik olarak gideriminin düşük olduğu bilinmektedir. AAT'den çıkan arıtılmış atıksuyun içinde bulunan Oseltamivir, alıcı ortama deşarj edildiğinde, besin zincirine geçerek organizmalarda ya da biyolojik sistemlerde problem yaratabilir. Bunun bir örneği olarak, atıksuların deşarj edildiği bir alıcı ortamda yaşayan su kuşlarının bir salgın sırasında Oseltamivir'e tepki vermemesi, sulara geçecek antivirallerin-antibiyotik direncine benzer bir şekilde- antivirallere dirençli virüslere sebep olabileceğini göstermektedir. Antivirallerin doğrudan oluşturacağı akut zehirlilik ile ilgili, her madde hakkında veri bulunmamakla birlikte, özellikle ilaçlar ve pestisitlerin oluşturacağı zehirliliğinin tahmini için kullanılan kantitatif yapı aktivite ilişkisi (Quantitative structure activity relationship, QSAR) modellemesi yardımıyla, antiviral ilaçların toksisiteleri açısından ilaçlar arasında en zararlı gruplar arasında olduğu tahmin edilmiştir. Antiviraller arasında da anti-enfluenza ilaçları özel bir endişe kaynağıdır. Bu sebeple, bu tez çalışması için iki antiviral seçilmiş olup bunlardan bir tanesi Türkiye'de de COVID-19 salgınında kullanılan Favipiravir, diğeri de gene bir enfluenza ilacı olan Oseltamivir'dir. Seçilen antiviraller, farklı parametreler değerlendirilerek, ozonlama ve katalitik ozonlama proseslerine tabii tutulmuş ve antivirallerin bu proseslerle giderimleri incelenmiştir. Pandemi sırasında, antiviral ilaç kullanımının artmasına ilave olarak tek kullanımlık maske, eldiven vb. plastik ürünlerin aşırı kullanımı da çevrede birincil ya da ikincil mikroplastiklerin varlığına yol açmıştır. Mikroplastiklerin hem sucul hem de toprak ortamlarında bulunması, tutunacak yüzey oluşturarak maruz kalmayı artırarak bu ortamlarda bulunan antiviraller gibi kirletici maddelerin zehirlilik etkisini artırabilir. Bu nedenle, deneyler mikroplastiklerin varlığında tekrarlanarak ekotoksikolojik etkiler araştırılmıştır. Ozonlama deneyleri 250 ve 500 mL'lik reaktörlerde 0,2 mg O3/mg ÇOKo ve 1 mg O3/mg ÇOKo olmak üzere iki farklı spesifik ozon dozu ile pH: 7±0,1 ve pH: 10± 0,1 değerlerinde gerçekleştirilmiştir. Deneyler, antivirallerin çevrede bulunabileceği düşük ve yüksek konsanstrasyonları temsil etmek üzere, distile suda Oseltamivir ve Favipiravir'in sırasıyla 500 ng/L ve 50 μg/L konsantrasyonları ile yürütülmüştür. Katalitik ozonlama için, katalizör olarak bir nanokompozit olan ZnFe LDH (katmanlı çift hidroksit) numunelere 0,1 g/L olacak şekilde eklenmiştir. LDH katalizörleri gibi heterojen katalizörler, sıvıdan daha kolay ayrılmaları ve yeniden kullanılabilmeleri sebebiyle ilgi görmektedir. Zehirlilik değerlendirmesi için, çevrede en çok kullanılan ve en sık tespit edilen mikroplastik türlerden biri olan polietilen (PE) mikroplastikler seçilmiş ve toksisite için bir adsorpsiyon yüzeyi veya transfer mekanizması olarak önemli olabilecek mikroplastikler her bir reaktöre 0,1 mg/L PE olacak şekilde eklenmiştir. Antivirallerin ölçümü ve giderim yüzdelerinin belirlenmesi amacıyla ultra hızlı sıvı kromatograf ve buna bağlı tandem kütle spektroskopisi (UPLC-MS/MS) kullanılmıştır. Bu teknik, seçicilik, geniş bir konsanstrasyon aralığında doğrusallık, doğruluk ve kesinlik gibi birçok parameter açısından uygun olması sebebiyle seçilmiştir. Kromatografik analizden önce katı faz ekstraksiyonu (Solid phase extraction, SPE) uygulanarak, numune hızlı ve görece daha az çözücü harcayarak konsantre edilmiştir. Seçilen antivirallerin piklerinin tanımlanmasını kolaylaştırmak ve SPE sırasında geri kazanım düzeltmesi yapabilmek (izotop seyreltme yöntemi) amacıyla, numunelere her bir antiviralin izotopik olarak etiketlenmiş referans kimyasalından belirli bir miktar ilave edilmiştir. İzotop ile işaretlenmiş standartların kullanımı bu tez çerçevesinde distile su ile yapılan deneyler için çok elzem olmamakla birlikte, daha karışık matrislerde bu işaretli standartlar olmadan doğru pikin ölçüldüğüne emin olunması çok zordur. Numunelere ne miktarda işaretlenmiş standart konulduğu belli olduğu için, numunelerdeki antiviral konsantrasyonu, antiviral ve izotopik olarak işaretlenmiş antiviralin pik alanlarının oranına dayalı olarak oluşturulan kalibrasyon eğrisi ile hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre Favipiravir, düşük ozon dozunda, nötr pH'ta ve katalizör yokluğunda bile, konsantrasyonu ölçüm limitinin altında kalacak şekilde giderilmiştir. Oseltamivir için, nötr pH'ta ve düşük ozon dozu uygulanması durumunda %80'in altında bir giderim verimi elde edilmiş olmakla birlikte, spesifik ozon dozunun 1 mg O3/mg ÇOK'a çıkartılması, ozonlamanın pH:10'da yapılması veya katalizör kullanımı sonucunda çok daha yüksek giderim verimlerine ulaşılabilmiştir. Ortamda mikroplastik bulunmasının Favipiravir giderimine herhangi bir etkisi gözlenmemiş olup bütün şartlarda giderim %100 kabul edilebilir. Ancak, Oseltamivir'in giderimi, mikroplastik varlığında, nötr pH'da daha yüksek olmuştur. Bununla birlikte, ortam pH'ının 10 olduğu durumlarda, mikroplastik varlığının Oseltamivir giderimine olumlu ya da olumsuz bir etkisi gözlenmemiştir. Son olarak, mikroplastik varlığında katalizör beklenen giderim verimi artışını sağlayamamıştır. Antivirallerin olası ekotoksikolojik etkilerini araştırmak için, toprağın ayrışmasındaki işlevi ve çok çeşitli kirleticilere karşı solucanlardan daha yüksek olan duyarlılığı nedeniyle Enchytraeus crypticus kullanılarak toprakta zehirlilik deneyleri yapılmıştır. Bildiğimiz kadarıyla antivirallerin zehirliliğinin E. Crypticus üzerinde test edildiği herhangi bir çalışma bulunmamaktadır. E. Crypticus deneyleri, birçok araştırmacı tarafından ekotoksikolojik çalışmalarda kullanılmış ve standart ekotoksikolojik testler için uygun olduğu kanıtlanmış olan standart Lufa 2.2 toprak ortamında gerçekleştirilmiştir. Öncelikle tek başına mikroplastik varlığının bu organizmalarda bir olumsuz etki oluşturup oluşturmadığı belirlenmiş ve % 0,5 PE varlığında E. Crypticus üzerinde herhangi bir zehirli etki gözlenmemiştir. Favipiravir, Oseltamivir ve bunların PE ile bireysel kombinasyonları için etki gözlemlenmeyen konsantrasyon (No observed effect concentration,NOEC) 12,5 mg/kg olarak elde edilmiştir. Ayrıca PE varlığında Favipiravir ve Oseltamivir'in birlikte olduğu durum için de NOEC 12,5 mg/kg olarak belirlenmiştir. Favipiravir ve Oseltamivir içeren karışımda ise kontrollere göre istatistiksel olarak anlamlı bir fark bulunmuş olup favipiravir ve oseltamivir karışımı için NOEC değeri
Özet (Çeviri)
During the COVID-19 (Coronavirus disease of 2019) pandemic, various pharmaceuticals were used in high concentrations for treatment of the patients. Due to the high number of people infected, the antivirals and their metabolites have been expected to be present at municipal wastewaters at relatively high concentrations. In case of partial- or no degradation in wastewater treatment systems, their release into aquatic systems could affect non-target organisms and hence the environment adversely. For instance, Oseltamivir, an anti-influenza pharmaceutical is shown to have low biodegradability in wastewater treatment plants. Therefore, two antivirals (Oseltamivir and Favipiravir which have been used during the pandemic in a high number of countries) were subjected to ozonation and catalytic ozonation experiments for the evaluation of their treatability. In addition, ecotoxicological impacts were investigated by repeating the experiments in the presence of microplastics since co-existence of antivirals and microplastics in the environment may enhance their toxicity possibility and degree. Experiments were conducted in 250- and 500-mL reactors with two different specific ozone doses of 0.2 mg O3/mg DOCo(dissolved oxygen carbon) and 1 mg O3/mg DOCo at pH values of pH: 7±0.1 and pH: 10±0.1. These pH values were adjusted initially by using phosphate buffer and sodium hydroxide. The experiments were carried out with low and high concentrations (500 ng/L and 50 µg/L) of the antivirals in distilled water. For catalytic ozonation, 0.1 g/L of ZnFe LDH (layered double hydroxide), a nanocomposite, was added as the catalyst. ZnFe (LDH-based) was prepared by coprecipitation and applied as a catalyst in heterogeneous catalytic ozonation of the selected antivirals. The structure of the synthesized catalyst was investigated by X-ray diffraction (XRD) patterns and Fourier-transform infrared spectra. Experimental results showed that ZnFe LDH-based had an appropriate crystallization structure. The morphology was evaluated by scanning electron micros-copy (SEM) analysis to examine the surface properties and elemental composition of the membrane. To determine the surface charge of solid particles at different pH values, the point of zero charge (pHpzc) was measured. The pHpzc of the catalyst was determined to be 7.15, using the pH drift method. For toxicity evaluation, Polyethylene (PE) microplastics (MPs) were selected as one of the most commonly used and frequently detected types in the environment and 0.1 mg/L PE was added into each reactor. The presence of microplastics is important as an adsorption surface or transfer mechanism for toxicity. The antivirals and their removal percentages were determined by liquid chromatography with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), with the aid of isotope dilution method. Solid phase extraction (SPE) was applied for rapid, selective sample preparation and purification before the chromatographic analysis. Based on the results, Favipiravir was feasibly removed to below the detection limit even with the lower ozone dose, at neutral pH and in the absence of catalyst. Oseltamivir had a lower removal efficiency (
Benzer Tezler
- Investigation of toxicity of antiviral drugs in the presence of microplastics and their removal through ozonation and LDH-based catalytic ozonation
Antiviral ilaçların zehirliliğinin mikroplastikler varlığında araştırılması, ozonlama ve KÇH-bazlı katalitik ozonlama aracılığıyla giderimleri
NASİM CHAVOSHİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR DOĞRUEL
- Biomedical application of an enzymatically synthesized biopolyester
Enzimatik olarak sentezlenmiş bir biyopoliesterin biyomedikal uygulaması
ŞENOL BEYAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Farmasötiklerin mikrobiyal lakkaz aracılı biyodegradasyonunun araştırılması ve toksisite değerlendirmeleri
Investigation of microbial laccase mediated biodegradation of pharmaceuticals and toxicity assessment
SULTAN KÜBRA TOKER
- İmidazol grubu antifungal ilaçların kromatografik davranışlarının ve bozunma ürünlerinin RPLC yöntemiyle belirlenmesi
Determination of chromatographic behaviour and degradation products of imidazoles from antifungal agents by using RPLC method
ZEHRA ÜSTÜN
Doktora
Türkçe
2018
KimyaSüleyman Demirel ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EBRU ÇUBUK DEMİRALAY
- Elma kabuklarından elde edilen fenolik bileşiklerin lipozom ile enkapsülasyonu
Encapsulation of phenolic compounds which extracted from apple peels
EVREN DEMİRCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERAAT ÖZÇELİK