بررسی تجزیه فتوکاتالیستی انتی بیوتیک مترونیدازول با استفاده از نانوذره اکسید منیزیم در محلول های آبی

وزارت نیرو

در میان ترکیبات دارویی مسبب آلودگی محیط زیست آنتی بیوتیک ها به دلیل مصارف پزشکی و دامپزشکی بالا جایگاه ویژه‌ای دارند (1). مصرف سالیانه آنتی بیوتیک ها در جهان بین100000 تا 200000 تن براورد شده است (1و2). باقی‌مانده آنتی‌بیوتیک ها به شکل ترکیبات اصلی یا متابولیست‌ها به همراه ادرار و مدفوع انسان یا حیوان مصرف کننده دفع و وارد  شبکه فاضلاب و تصفیه خانه فاضلاب می‌گردند (3).

آنتی‌بیوتیک‌ها از طرق مختلف از قبیل فاضلاب صنایع داروسازی بیمارستان‌ها و مواد دفعی انسان و حیوانات وارد محیط می‌شوند (4). در ایران آنتی بیوتیک‌ها از نظر هدف دارویی پرمصرف ترین گروه داروی کشور هستند (5).

حضور آنتی‌بیوتیک‌ها حتی در غلضت های کم خطرناک بوده و می‌‎تواند منجر به گسترش مقاومت آنتی‌بیوتیکی در محیط شوند.  تماس طولانی مدت با  آلودگی آنتی بیوتیکی باعث ایجاد عوارض مزمن در انسان و تاثیر بر اکوسیستم می‌شود (6).

از دیگر نگرانی‌های موجود در رابطه با آنتی بیوتیک‌ها تاثیرگذاری این مواد بر روی پاتوژن های غیر هدف تغییر ساختار جلبک‌های موجود در منابع آبی مداخله در فتوسنتز گیاهان و ایجاد ناهنجاری های مرفولوژی در گیاهان است (3).

همچنین در صورت مواجهه طولانی مدت احتمال ایجاد اختلالات شدید گوارشی برای انسان در آلودگی های آنتی بیوتیکی وجود دارد (7). با توجه به این دلایل و تاثیر آلودگی آنتی بیوتیکی بر روی سلامت انسان و اکوسیستم ضرورت پیدا می‌کند. از انواع آنتی بیوتیک‌ها می‌توان به گروه های پنی‌سیلین، نیتروایمیدازول، سفالوسفورین و سولفونامیدها اشاره کرد. مترونیدازول با خاصیت ضدالتهابی و آنتی باکتریایی یکی از پر کاربرد ترین آنتی بیوتیک‌ها از شاخه نیتروایمیدازول می‌باشد (8).

روش‌های متعددی که برای حذف آنتی‌بیوتیک‌ها از محیط‌های آبی مانند استفاده از پرتو فرابنفش نانو ذرات آهن، کوآگولاسیون، شبه فتون و سایر روش های اکسیداسیون پیشرفته ازن زنی نانولوله های کربنی و غیره پیشنهاد شده است (9).

هر یک از این روش‌های نام برده شده با وجود مزایا معایبی نیز دارند که در اکثر موارد استفاده از آنها را با مشکل رو به رو می‌سازد (10). برای مثال در روش جذب سطحی آلاینده جذب شده و از محیط جدا می‌شود اما تنها از فاز مایع به فاز جامد منتقل شده و بدون هیچ تغییری تغلیظ میگردد در روش های فیزیکی مانند کوآگلاسیون و سانتریفیوژ معمولا آلاینده ثانویه تولید شده و در روش های بیولوژیکی نیز زمان زیادی مورد نیاز است و راندمان کم فرایند مشکل آفرین می‌شود (11).

فرایند فتوکاتالالیست نقش مهمی در حذف ترکیبات خطرناک ایفا میکند و معمولا به همراه یک نیمه هادی بکار برده میشود فتوکاتالیست به کاتالیزور هایی گفته میشود که در حضور نور فعال می‌شوند (12).

فرایند فتوکاتالیستی توسط نانوذرات تکنیک پیشرفته ایی است که با استفاده از آن آلاینده های آلی به طور کامل تجزیه شده و از بین می‌روند (13).

در میان انواع مختلف نانو مواد نانو ذرات فلزی و اکسیدی کاربرد های مصرفی زیادی دارند نانوذرات اکسید منیزیم جزء گروه اکسید های پایه است و کاربرد های وسیعی به عنوان کاتالیست جذب دارد (14) .

از فرایند فتوکاتالیستی برای حذف آنتی بیوتیک های پنی سیلین و سیپروفلوکساسین و رنگ هایی نظیر آنیلین و غیره استفاده شده است که نشان دهنده کاربرد بالای این فرایند در حذف آلاینده‌ها می‌باشد ( 9-11). از آنجایی که از این فرایند تاکنون جهت حذف آنتی‌بیوتیک مترونیدازول استفاده نشده است بنابراین هدف از این مطالعه بررسی کارایی فرایند فتوکاتالیستی جهت حذف آنتی بیوتیک مترونیدازول می‌باشد.

طبق مطالعه مهدی فرزاد کیا و همکاران بر روی تجزیه ر مطالفتوکاتالیستی آنتی بیوتیک کلیندامایسین با استفاده از نانو ذرات اکسید روی نتیجه حاصل شد که تجزیه فتوکاتالیستی در حضور نانو ذره اکسید روی میتواند به طور موثری سبب حذف کلینداماسیون از محلول های آبی شود بهترین راندمان برای حذف کلینداماسیون با غلظت 25 میلی گرم در لیتر و شدت تابش 50 وات بر سانتی متر مربع در pH=10  حاصل گردید (15).

در مطالعه ایی که توسط فردوس کرد مصطفی پور و همکاران  بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین با استفاده از نانوذرات اکسید مس در مجیط آبی انجام گرفت مقادر بهینه برای pH و نانوذره اکسید مس به ترتیب 7 و 0/7 گرم در لیتر بدست آمد در این مطالعه با افزایش غلظت ورودی آنتی بیوتیک در زمان بهینه 60 دقیقه راندمان حذف سیپروفلوکساسین کاهش پیدا کرد بطوری که تحت شرایط بهینه غلظت راندمان حذف 73 درصد بدست آمد (16).

طبق مطالعه غلام حسین صفری و همکاران بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک تتراسایکلین از محلولهای آبی بااستفاده از UV/TiO₂ و UV/TiO₂/H₂O₂ نتایج حاصل نشان داد که pH نقش مهمی در حذف آنتی بیوتیک تتراسایکلین در فرایند UV/TiO₂  دارد با افزایش زمان تماس و غلظت TiO₂ راندمان حذف افزایش یافته ولی غلظت TiO₂ بیشتر از 1 گرم در لیتر و زمان تماس بیش از 90 دقیقه تاثیر چشمگیری در راندمان حذف ندارد حداکثر راندمان  حذف 91/4 درصد در pH=5 غلظت 1 گرم در لیتر TiO₂ غلظت اولیه 27 گرم در لیتر تتراسایکلین و زمان تماس 90 دقیقه بدست آمد (۱).

نتایج تحقیق حسین معصوم بیگی و همکارارن بر روی تجزیه فتوکاتالیستی متیلن بلو با استفاده از نانو ذرات اکسید روی نشان داد که حذف رنگ متیلن بلو ارتباط مستقیمی با شدت تابش دارد بهترین نتیجه حذف رنگ در غلظت 150 میلی گرم در لیتر نانوذرات اکسید روی و شدت تابش 240 میکرو وات بر سانتی متر مربع حاصل گردید با افزایش غلظت رنگ سرعت حذف رنگ کاهش میابد متعاقب حذف رنگ 32/7 درصد از میزان COD  اولیه نیز کاهش میابد.(۱۰).

طبق بررسی های محمد تقی قانعیان و همکاران بر روی تجزیه فتوکاتالیستی علف کش 4و2-دی کلروفنوکس استیک اسید از محلول های ابی با استفاده از نانوذرات اکسید انیدیوم چنین استنباط گردید که افزایش pH و غلظت اولیه علف کش منجر به کاهش راندمان تجزیه شد و افزایش زمان تماس و دوز فتوکاتالیست سبب افزایش راندمان تجزیه شد بهترین راندمان معادل 70 درصد در  3 pH= دوز فتوکاتالیست 1 گرم در لیتر و زمان تماس 120 دقیقه و غلظت اولیه 5 میلی گرم در لیتر از علف‌کش حاصل شد (۱۳).

طی مطالعه ادریس بذرافشان و همکاران بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنیلین با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم در محیط های آبی نتایج حاصل نشان داد که فرایند فتوکاتالیستی در حضور نانوذرات اکسید منیزیم میتواند به طور موثری منجر به حذف آنالین از پساب گردد  pHو دوز نانوذرات اکسید منیزیم بهینه برای لامپ های 8 و  5 و30 وات بترتیب  7 و 4/0گرم در لیتر،  7 و 4/0گرم در لیتر،  7 و 4/0گرم در لیتر بدست امد در زمان بهینه 30 دقیقه راندمان حذف با افزایش غلظت آنیلین کاهش پیدا کرد (۱۲).

بکارگیری روش در زمینه تصفیه آب و فاضلاب

آیا  زمان تماس های مختلف بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک مترونیدازول با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم تاثیر دارد؟

آیا  غلظت های مختلف آنتی بیوتیک مترونیدازول بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک مترونیدازول با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم تاثیر دارد؟

آیا  اندازه تابش های مختلف UV بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک مترونیدازول با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم تاثیر دارد؟

آیا  مقدار نانوذره  بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک مترونیدازول با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم تاثیر دارد؟

آیا  PH  های مختلف بر روی تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک مترونیدازول با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم تاثیر دارد؟

تعیین تجزیه فتوکاتالیستی آنتی بیوتیک مترونیدازول با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم  از محلولهای آبی

1-در صد حذف آنتی بیوتیک مترونیدازول با فرایند فتوکاتالیستی با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم در زمان تماس های مختلف.

2-در صد حذف آنتی بیوتیک مترونیدازول با فرایند فتوکاتالیستی با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم در غلظت های مختلف آنتی‌بیوتیک 

3-در صد حذف آنتی بیوتیک مترونیدازول با فرایند فتوکاتالیستی با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم در تابش های مختلف UV

4-در صد حذف آنتی بیوتیک مترونیدازول با فرایند فتوکاتالیستی با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم در PH  های مختلف

5-  در صد حذف آنتی بیوتیک مترونیدازول با فرایند فتوکاتالیستی با استفاده از نانوذرات اکسید منیزیم در دوزهای مختلف نانوذره

آب و فاضلاب و وزارت نیرو

فتوکاتالیستی: به کاتالیزور هایی گفته میشود که در حضور نور فعال میشوند.

مترونیدازول: نوعی آنتی بیوتیک از گروه نیتروایمیدازول با توان درمان بیماری های عفونی ایجاد شده در اثر ارگانیسم های حساس به این دارو.

نانوذره: ذره ایی است که ابعاد آن حدود 1 تا 100 نانومتر باشد.

تجربی -آزمایشگاهی

 نمونه های سنتتیک ساخته شده در آزمایشگاه

برای هر پارامتر به جز تابش uv 5 رنج در نظر گرفته بنابراین تعداد نمونه ها 23 نمونه میباشد و با دو بار تکرار آزمایش 46نمونه می باشد.    چهار پارامتر با 5 رنج  که 20 نمونه می شود و تابش هم سه رنج دارد که با هم 23 نمونه می شود

نمونه های سنتتیک

داده های مورد مطالعه از طریق قرائت مستقیم با دستگاه اسپکتوفتومتر مربوطه جمع آوری شده وبا توجه به میزان درصد حذف، کارایی فرآیند بررسی خواهد شد.

این مطالعه از نوع تجربی-آزمایشگاهی بوده که بصورت ناپیوسته در مقیاس آزمایشگاهی بر روی غلظت های مختلفی از محلول سنتتیک حاوی آنتی بیوتیک مترونیدازول انجام خواهد گرفت. محلول استوک مترونیدازول بصورت هفتگی با حل کردن نمک مترونیدازول با درجه خلوص 98  تهیه می‌شود و در تاریکی در دمای 4 درجه سیلیسیوس نگهداری خواهد شد. سپس محلول‌ها با غلظت های مورد انتظار با استفاده از محلول استوک تهیه خواهد شد. نانوذرات منیزیم اکسید مورد استفاده در این مطالعه دارای میانگین اندازه ذرات حدود  10 نانومتر از شرگت سیگما آلدریچ خواهد بود. کلیه مواد شیمیایی ساخت کشور مرک با گرید آزمایشگاهی و درجه خلوص بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. کلیه آزمایشات بر روی نمونه های100 میلی لیتری در سیستم ناپیوسته و در دمای آزمایشگاهی 24 درجه سیلیسیوس تا دو درجه خطا با استفاده از یک راکتور ناپیوسته انجام می‌گیرد عمل هم زنی نمونه ها با استفاده از همزن مغناطیسی با سرعت 100 دور در دقیقه صورت خواهد گرفت. جهت تنظیم pH از اسید کلریدریک و سود یک نرمال استفاده خواهد شد. محلول قبل از مواجهه با تابش فرابنفش به مدت 20 دقیقه در تاریکی به منظور واکنش های جذب و واجذب نگهداری می‌شود و غلظت اندازه گیری شده پس از فرایند به عنوان غلظت اولیه بکار گرفته خواهد شد. منبع تابش لامپ UV با توان اسمی  8 وات می‌باشد که با لوله کوارتزی پوشیده میشود و در وسط راکتور قرار میگیرد. درجه حرارت محلول در راکتور بطور مداوم با استفاده از خنک کننده اطراف راکتور در دمای 24 درجه سیلیسیوس نگهداری میشود. نمونه ها در فواصل زمانی از پیش تعیین شده برای تعیین غلظت آنتی بیوتیک توسط اسپکتروفتومتر در طول موج 320 نانومتر بررسی خواهد شد.

با استفاده از فرمول درصد حذف میزان حذف مشخص و با excel  نمودارهای مربوط به درصد حذف مشخص خواهد شد 

در این کار  راهنمای عمومی اخلاق در پژوهش‌های علوم پزشکی   دارای آزمودنی انسانی  در جمهوری اسلامی ایران استفاده شد و کدهای زیر بصورت کامل رعایت می شود.

9- در پژوهش‌های پزشکی که ممکن است به محیط زیست آسیب برسانند، باید احتیاط‌های لازم در جهت حفظ و نگهداری و عدم آسیب رسانی به محیط ریست انجام گیرد.

11- کمیته‌ی اخلاق در پژوهش علاوه بر بررسی و تصویب طرح‌نامه و دستورالعمل، این حق را دارد که طرح‌‌ها را در حین و بعد از اجرا را از نظر رعایت ملاحظات اخلاقی مورد پایش قرار دهد. اطلاعات و مدارکی که برای پایش از سوی کمیته‌ی اخلاق درخواست می‌شود، باید از سوی پژوهشگران در اختیار این کمیته گذاشته شود.    

30-  گزارش‌ها و مقالات حاصل از پژوهش‌هایی که مفاد این راهنما را نقض کرده‌اند، نباید برای انتشار پذیرفته شوند.

31-   روش پژوهش نباید با ارزش‌های احتماعی، فرهنگی و دینی  جامعه در تناقض باشد.

محدودیت اجرایی ندارد

تجزیه فتوکاتالیستی- انتی بیوتیک مترونیدازول -نانوذره اکسید  منیزیم

1.pruden A, larsson J, amezquita A, collignon P, brandt K, graham DW, Lazorchak JM, Suzuki S, silley P, snape JR, topp E, zhang T, zhu YG. Management options for reducing the release of antibiotics and antibiotic resistance genes to the environment. environmental health perspectives:2013;121,8,878

 2.Safari GH, Hoseini M, Kamali H, Moradirad R, Mahvi AH, Photocatalytic degaradation of tetracycline antibiotic from aqueous solutions using UV/Tio₂ and UV/H₂O₂/Tio₂. Jurnal of health and hygiene:2014;3(5),203-213

3.Samadi MT, Shokoohi R, Araghchi M, Tarlani azar M. Amoxicillin removal from aquatic solutions using multi_walled carbon nanotubes. Jurnal Mazandaran university of medical sciences:2014;24(117),103-115.

4.Hoseini M, Safari Gh.H, Jafari J, Mahvi AH. Survey on removal of tetracycline antibiotic from aqueous solutions by nano_sonochemical process and evaluation of the influencing parameters. Jurnal of health and environment:2015;2(8),141-152.

5.Alahabadi A, Moussavi Gh, Yaghmaeian K, Karemisany H, Adsorption potential of the granular activated carbon for the removal of amoxicillin from waret. Jurnal of sabzevar university of medical science:2013;4(20),122-132

6. Samarghandi Mr, Shabanloo A, Nazari E, Sadri M, Mehralipour J. Performane review process high concentration of the ceftriaxone antibiotic by electro_persulfate in aqueous solution.Water and waste water journal. 2014;4;15-25.

7.Fazlzadeh M, Gulshan S, Bohloul A, Rezaei M. Evaluation of electro_fenton process in amoxicillin removal from aqueos solution. Jurnal of health:2016;3(7),276_287.

8.Fred A. zar, Srinivasa R. bakkanagari, K.M.L.S.T. Moorthi, Melinda B. davis.A comparasion of vancomycin and metronidazole for the treatment of clostridium difficile_associated diarrhea stratified by disease severity. Clin Infect Dis. 2007;45;302-307

9. Khoramabadi Gh.Sh, Balghadr I, Goodini H, Omleshi F, Hatami S, Goudarzi A, Daneshbahreini Ma, Shabani H, Rahmani D. Performance evaluation of advanced oxidation processes UV/H₂O₂ for the removal of the ceftriaxone antibiotic from aqueous solutions. Journal of lorestan university of medical science:2014;1(16),23-31.

10. Rahmani Ar, Shabanloo A, Majidi S, Toolaniazar M, Mehralipour J. Ozonation process in removal efficiency persulfate Ciproflixacin antibiotic of pharmaceutical waste. Water and waste water journal . 2013;1(95),40-49.

11.Bahrami asl F, Kermani M, Farzadkia M, Esrafili A, Salahshour arian S, Mokammel A, Zenalzadeh D. Removal of metronidazole from aqueous solution using ozonation process. Journal of Mazandaran university of medical science:2014;24(121),131-140.

12.Bazrafshan E, Noorzaei S, Kordmostafapour F. Photocatalytic degradation of aniline in aqueous solutions using magnesium oxide nanoparticles. Journal of Mazandaran university of medical science:2016;139(26),126-136.

13.Ghaneeian Mt, Ebrahimi A, Salimi J, Khosravi R, Falahzadeh Ar, Amrollahi M, Taghavi M. Photocatalytic degradation of 2,4_Dichlorophenoxacetic acid from aqueous solutions using In₂O₃ nanoparticles.Journal of Mazandaran university of medical science. 2016;137(26),159-170.

14.Ding Yi, Zhang G, Wu H, Hai B, Wang L, Qian Y, Nanoscale magnesium hydroxide and magnesium oxide powders: Control over size, shape, and structure via hydrothermal synthesis. Chem.mater:2001;2(13),435-440.

15.Farzadkia M, Rahmani K, Gholami M, Esrafili A, Rahmani A, Rahmani H. Investigation of photocatalytic degradation of clindamycin in antibiotic by nano_ZnO catalysts.Korean J.chem.Eng:2014;11(31),2014-2019.

16.Kordmostafapour F, Bazrafshan E, Balarak D, Khoshnamvand N. Suevey of photocatalytic degradation of ciprofloxacin antibiotic using copper oxide nanoparticles in aqueous environment. Journal of rafsanjan university of medical science:2016;4(15),307-318.

ندارد