ВИДАЛЕННЯ СПОЛУК ЦЕФАЛОСПОРИНОВОЇ ГРУПИ ЗІ СТІЧНИХ ВОД СОРБЦІЙНИМ МЕТОДОМ

Аннотация
В роботі розглянуто ефект видалення сполук цефалоспоринової групи зі стічних вод сорбційним методом. В результаті проведених досліджень доведено, що ефективне видалення сульбактаму за допомогою активованого вугілля марки БАУ можливе лише в певних межах. При дозах вугілля до 0,1 г/л ступінь очистки від цефалоспоринових сполук складає 98%.

Цефалоспорини (Cephalosporіns) — бета-лактамні антибіотики, в основі хімічної структури яких лежить 7-аміноцефалоспоринова кислота  Їх структура містить бета-лактамне кільце, дигідротіазинове кільце і бічні ланцюги [1].

Розрізняють 4 покоління цефалоспоринів залежно від спектра індивідуальної протимікробної активності розрізняють цефалоспорини: І покоління (цефадро­ксил, цефазолін, цефалексин, цефалотин, цефапірин, цефалоридин, цефрадин), ІІ покоління (цефаклор, цефамандол, цефметазон, цефоніцид, цефотетан, цефокситин, цефпрозил, цефтрибутон, цефуроксим, цефуроксим-аксетил, лоракарбеф, цефпрозил), ІІІ поко­ління (цефіксим, цефоперазон, цефотаксим, цефподоксим-проксетил, цефтазидим, цефтризоксим, цефтріаксон, моксалактам, цефетамет-повоксил), ІV покоління (цефепім, цефпіром, цефклідин, цефквіном, цефозо­пран, цефозеліз). Препарати І покоління мають кращу активність проти грампозитивних мікроорганізмів, а наступні покоління виявляють підвищену активність проти грамнегативних аеробів [1]. Для покращення дії та зменшення ефекту звикання  мікроорганізмів до антибіотиків в склад готових субстанцій вводять речовини подібні до цефалоспоринів, які в першу чергу і засвоюються мікроорганізмим та не викликають звикання. Одним з таких речовин є сульбактам.

Сульбактам — синтетичний препарат, що має бета-лактамну структуру, подібну до антибіотиків групи пеніциліну, та є інгібітором бета-лактамаз бактерій і застосовується сумісно з антибіотиками группеніцилінів та цефалоспоринів як перорально, так і парентерально. На рисунку 1 зображено формулу сульбактаму [2].

Рисунок 1. Хімічна формула сульбактаму

Огляд способів очистки води від антибіотиків

Шляхи  надходження  антибіотиків і їхніх похідних в  природну воду різноманітні. Зокрема за рахунок того, що  люди приймають ліки, частина з них засвоюються організмом, а те, що не засвоїлося, а це приблизно до 70% споживаних ліків, виводиться з організму природним шляхом, без зміни свого хімічного складу і відповідно потрапляють в каналізаційні мережі. Стічні води, проходять традиційну очистку і знову потрапляють в річки або озера, звідки і поповнюються ресурси питної води.

Проте існуюча муніципальна система очистки побутових стоків нездатна видалити з води фармацевтичні препарати. Крім того, експерти встановили, що додавання у воду хлору та його сполук, як стандартна процедура при очищенні води, навпаки, підсилює токсичність деяких лікарських засобів, що містяться у воді [3].

Ефективність методів знешкодження органічних і біологічних сполук у воді по відношенню до фармацевтичних препаратів (біодеградації, коагуляція, седиментація) часто низька або дуже низька. Будучи стійкими, антибіотики проходячи декілька стадій очистки, не видаляються повністю і накопичуються в навколишньому середовищі. Надмірна концентрація цих сполук у навколишньому середовищі призводить до пошкодження мікрофлори і фауни, а за низької їх концентрації має місце розвиток в навколишньому середовищі стійких до антибіотиків бактерій [4]

 До звичайних методів очищення води від лікарських препаратів відносяться: біологічні процеси, фільтрація і коагуляція, флокуляція, седиментація [3]. Процеси коагуляція, флокуляція, осадження використовують хімічні речовини, щоб підвищити ступінь утворення твердих сполук, пластівців, колоїдних утворень, які осідають. Найбільш використовуваними хімікатами є  вапно, галун, солі заліза і полімери [7]. Ці методи вимагають подальшої обробки для видалення забруднюючих речовин із стічних вод. За останні десять років кілька традиційних методів були перевірені при видаленні антибіотиків з води.

В даний етап вчені знаходять альтернативні методи очищення. У біологічних системах, широко використовується активний мул, особливо при очистці промислових стічних вод. Метод полягає в деградації органічних сполук в аеротенках з активним мулом, в аеробних або анаеробних умовах, шляхом моніторингу температури та хімічної потреби в кисні (ХПК). Висока токсичність багатьох забруднюючих речовин перешкоджає застосуванню цього процесу в стічних водах з високою концентрацією забруднюючих речовин, так як вони є токсичними для мікроорганізмів. Тим не менш, ця методика може бути застосована до великих швидкостей потоку стічних вод [7].

Також розглядають різні окисні методи, одним з них є хлорування. Застосування цього методу для очищення води, що містить лікарські засоби перед застосуванням біологічної очистки була використана для того, щоб окиснити їх до повної біодеградації в менш токсичні сполуки.

Через низьку вартість газоподібний хлор або гіпохлорит часто застосовуються для знезараження питної води [4].

Мембранні процеси частіше використовуються в якості процесів розділення. Тим не менш, ця технологія не дозволяє видалення або руйнування забруднювача, а тільки його перенесення до нової фази (мембрани), де він присутній в більш концентрованому вигляді.

Зворотній осмос є одним з мембранних процесів. Цей метод дифузії зазвичай застосовується для видалення великих молекул та іонів з рідких стоків, застосовуючи тиск до розчину на одній стороні напівпроникної мембрани [4].

Преспективними методами очистки  стічної води від антибіотиків та подібних речовин є Advanced oxidation process (AOPs) які  засновані на генерації проміжних радикалів (гідроксильних радикалів ОН˙) і мають більшу реакційну здатність і меншу селективність, ніж інші окиснювачі (наприклад, хлор, озон). Стандартний окислювальний потенціал радикалів ОН˙ 2.8 В, що є більшим ніж в звичайних окиснювачах. Ці радикали виробляються від окиснювачів, таких як озон (O₃) або пероксиду водню (H₂O₂), часто в поєднанні з металевими або напівпровідниковими каталізаторами/або UV-випромінюванням. У цих процесах, очікується, що органічні сполуки окиснюються до менш токсичних видів, які здатні до біодеградації або мінералізуються до CO₂ і H₂O. Приклади AOPs процесів включають озонування, реактив Фентону, напівпровідниковий фотокаталіз і електрохімічні процеси [4].

Для того щоб поліпшити ефективність цього виду очищення можна поєднувати озон з UV-випроміненням, пероксидом водню або каталізатором. У першому випадку, фотоліз озону у водних розчинах виробляє безпосередньо пероксид водню, яка ініціює подальше розкладання залишкового озону в гідроксильні радикали

UV-випромінювання, яке використовується в цьому способі, може спричинювати деградацію деяких сполук від прямого фотолізу або може робити їх більш чутливими до атаки гідроксильного радикала [4].

Інший спосіб підвищення продуктивності озонування є поєднання O₃ з H₂O₂. Механізм формування гідроксильних радикалів аналогічний тому, який представлений для UV/O₃, але в цьому випадку, пероксид водню додають від зовнішнього джерела.

Видалення сульбактаму адсорбційним методом

Адсорбційні процеси широко використовуються в промисловості для видалення органічних домішок. Термін адсорбції зазвичай використовується для опису процесу прилипання молекули в рідкій фазі до твердої поверхні. Силове поле створює область поблизу твердої поверхні, потенційна енергія якої є низька, що призводить до збільшення молекулярної щільності поблизу поверхні.

Адсорбційна  здатність досягнула високої ефективності (95% для активованого вугілля і 88% для бентоніту). Було проаналізувано адсорбцію трьох тетрацикліних антибіотиків на оксиді алюмінію. І висновок складався в тому, що ці сполуки адсорбуються (> 50%) і зазнають структурних перетворень уздовж процесу. Таким чином, оксид алюмінію здатний каталізувати структурні перетворення. Ці дослідження показали, що адсорбція продовжує бути ефективним методом для видалення антибіотиків з водних стоків. [5,6]

Метою дослідження є  перевірка можливості вилучення сульбактаму з водних розчинів за допомогою процесів сорбції.

Експеримент проводили наступним чином: наважку сульбактаму 0,02 г і розводили в мірній колбі на 200 мл, потім розбавляємо цей розчин у 2, 4, 6, 10, 20 і 50 раз. І вимірюємо оптичну густину на спектрометрі UV-5800PC при довжині хвилі 223 нм. Значення  оптичних густин, за даної довжини хвилі є пропорційне концентрації розчинів. Потім у отримані  розчини добавляємо сорбент – вугілля БАУ (А) в кількості 0,1 г. І залишаємо на 7 днів, для проходження процесу сорбції. Після процесу сорбції також  вимірюємо оптичну густину на спектрометрі UV-5800PC.

Отримані результати представленні на рисунку 2.

Рисунок 2.  Залежність оптичної густини від концентрації сульбактаму у вихідному розчині та у розчині після сорбції

Отримані дані обробляють за формулою:

де Х –ступінь очистки, (долі одиниць);

A0 -  оптична густина вихідного розчину;

Ai  – оптична густина при певних концентраціях.

Обробивши дані за формулою 1  отримати графічну залежність зміни ступеня очистки від початкової концентрації, який зображено на рисунку 3.

Рисунок 3. Ступеня очистки води від початкової концентрації сульбактама

Як видно з рисунку 3 ефективне видалення сульбактаму за допомогою активованого вугілля можливе лише в інтервалі концентрацій 0-10 мг/дм³ при цьому ступінь очищення коливається в діапазоні 90-99%. При подальшому  збільшенню концентрації процес сорбції сульбактаму на активованому вугіллі протікає з меншою ефективністю, що може бути пояснено  швидкою наповненістю доступної сорбційної поверхні  молекулами сульбактаму і створенні перешкод для сорбції наступних молекул. Для  покращення  показників сорбції в подальшому планується піддавати сорбційній обробці не  вихідні розчини сульбактаму, а розчини, в яких сульбактам був попередньо окислений різними окисниками.