بررسی جذب آموکسی سیلین توسط جاذب گرافین اکسید از محلولهای آبی

درسالهای اخیر، مصرف دارو و دسترسی مردم به انواع داروها به دلیل گسترش بیماریها، پیشرفت علوم پزشکی، داروسازی و پوشش درمانی در جهان افزایش یافته است و ایران یکی از بزرگترین کشورهای مصرف کننده دارو در جهان است (1). به طوری که از لحاظ مصرف دارو جز 20 کشور نخست جهان به شمار می رود و در آسیا بعد از چین مقام دوم را در مصرف دارو دارد (2). در میان همه ترکیبات دارویی، آنتی بییوتیک ها مکان مهمی را به علت مصرف بالا در پرورش دام پزشکی انسانی  به خود اختصاص می دهند (3). به دلیل مصرف بالای انتی بیوتیک ها غلظت آنها در آب افزایش یافته و سبب کاهش کیفیت آب می گردد. به طوری که مطالعات متعددی در دسترس است که غلظت آنتی بیوتیک ها را در محیط های آبی سطحی و زیرزمینی از 1- 100 میکروگرم بر لیتر تایید (4). آنتی بیوتیکها به دلیل مقاومت بیولوژیکی که دارند معمولا در پساب های ورودی به تصفیه خانه فاضلاب، آب های سطحی، آب های زیر زمینی، خاک و ته نشست ها باقی می مانند. این ترکیبات به دلیل نقش بالقوه خود در توسعه باکتریهای مقاوم به انتی بیوتیک توجه زیادی را به خود اختصاص داده و از این رو یک پتانسیل خطر برای ارگانیسم های آبی و خاکی به وجود می آورند (5). بیش از 65 درصد مصرف انتی بیوتیک ها در جهان و 6/32 درصد مصرف آنها در ایران، به گروه بتا لاکتام (پنی سیلین، آموکسی سیلین و آمپی سیلین) تعلق دارد که آموکسی سیلین پرمصرف ترین آنهاست (6، 7). آموکسی سیلین یک آنتی بیوتیک رایج است که برای درمان انواع گوناگونی از عفونت های باکتریایی نظیر عفونت گوش میانی، گلودرد، ذات الریه، سینوزیت و عفونت های دستگاه ادراری تجویز می شود.حدود30 تا90 درصد از دوز داده شده می تواند در حالت غیر قابل تجزیه باقی مانده و به عنوان یک  ترکیب فعال دفع شوند (8). این ترکیب در میان مواد دارویی دارای کمترین متابولیسم بوده، بطوری که پس از مصرف آن حدود 10-20 درصد جذب بدن شده و 80 تا 90 درصد از طریق ادرار و مدفوع بصورت تغییر نیافته به محیط زیست تخلیه می شود (9). حذف و تصفیه زیستی آنتی بیوتک ها به دلیل وجود حلقه پایدار نفتول (به عنوان ساختار اصلی) و سمیت آن برای میکرو ارگانیسم ها و همچنین تجزیه پذیری زیستی کم آن ها مشکل است (10، 11). استاندارد قابل قبول سازمان حفاظت محیط زیست برای آنتی بیوتیک ها در پساب حدود 1 میلی گرم بر لیتر است (12) از جمله ویژگیهای این مواد می توان به قابلیت تجزیه بیولوژیایی کمتر، سمیت بالا، خاصیت سرطان زایی، افزایش آلرژی در انسان، گسترش باکتری های مقاوم به آنتی بیوتیکها و نظایر آن اشاره کرد ( 13).مطالعات انجام شده نشان می دهد که اغلب آنتی بیوتیک ها غیر قابل تجزیه بیولوژیکی بوده و بدون تغییر و دست نخورده از تصفیه خانه های فاضلاب خارج می شوند.به عنوان مثال حداکثر کاهش غلظت آموکسی سیلین به    وسیله روش های بیولوژیکی پس از14تا28 روز3 تا5درصد بوده است(14). روش های متداول حذف آنتی بیوتیک هاو باقیمانده های دارویی از آب و فاضلاب شامل ازن زنی(15)،فنتون وفوتوفنتون(16)، الکتروشیمیایی(17)، نانوفیلتراسیون(18) ،انعقادشیمیای(19)، تعویض یونی(20)، تابش الکترونی(21)، فرایند جذب سطحی(22)، می باشد.فرایندهای غشایی نیز به دلیل آسیب پذیری بالای غشا در برابر حلال های آلی موجود در فاضلاب های حاوی آنتی بیوتیک ها اغلب با مشکل مواجه شده بنابراین راندمان آنها کاهش می یابد(23). جذب سطحی روشی موثر در حذف آلاینده ها از آب و فاضلاب حتی در غلظت های بسیار کم(کمتر از ا میلی گرم در لیتر) می باشد.جذب سطحی در مقایسه با سایر روش ها،روشی ساده و قابل اجرا با هزینه عملیاتی پایین در جداسازی آلاینده ها از محیط های آبی می باشد(24). گرافن اکساید،یکی از مهمترین مشتقات گرافن،دارای مساحت سطحی بالا،هدایت بسیار عالی و مقاومت مکانیکی قوی می باشد.حلقه های اکسید شده ورقه های عامل دار شامل گروه زیادی از اپوکسی و گروه های هیدروکسیل می باشد،درحالیکه که ورقه ها به گروه های COOHو_OHختم می شوند.نا تمام بودن یا باز بودن حلقه های انتهایی در گرافن اکساید می تواند خواص الکترونی و شیمیایی آن را تغییر دهد.ورقه های گرافن اکساید آب دوست تر هستند و می تواننند به راحتی در حلال با ثبات بالایی پراکنده شوند علاوه براین،آنها می توانند به راحتی در مقادیر انبوه در مقایسه با نانولوله های کربنی تولید شوند.به عنوان یک ماده کربنی تازه توسعه یافته، گرافن اکساید دارای بیشتر مزایای استفاده از نانو لوله های کربنی می باشد.گرافن اکساید یک ورقه تک لایه تولید شده از لایه برداری شیمیایی گرافیت می باشد.گرافن اکساید به دلیل داشتن اپوکسی،هیدروکسی و گروه های کربوکسیل به شدت آب دوست و  قابل حل در آب می باشد.مساحت سطحی فوق العاده بالاm² /g)2620) و فرایند ساخت گرافن اکسایدراحت تر ازنانو لوله کربنی می باشد.در صورت قابلیت استفاده مجددگرافن اکساید نیز می توان به لحاظ اقتصادی صرفه جویی نمود(25).در واقع هدف ما از این مطالعه استفاده از گرافن اکسید در حذف آموکسی سیلین از محلول های آبی و تاثیر پارامترهای pH، غلظت اولیه آموکسی سیلین، دوز جاذب، زمان تماس انجام  خواهد شد.

     بررسی متون:

در بررسی انجام شده توسط آقای احمدرضا یزدانبخش و همکاران تحت عنوان تخریب اکسایشی آموکسی سیلین با نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی سنتز شده در شهر یزد در سال 1394 انجام شد. در این تحقیق که ازنوع توصیفی- تحلیلی می باشد، نانو ذرات آهن صفرظرفیتی با روش کاهش فلز مایع با استفاده از EDTA به عنوان یک ماده تثبیت کننده فلزی سنتز شد. ساختار و مشخصات نانو ذرات با استفاده آنالیز BET، SEM، XRD، EDX، مشخص شد. یک آنالیز چند متغیره با استفاده از پاسخ سطحی (RSM) برای ایجاد یک مدل درجه دوم به عنوان یک رابطه تابعی بین راندمان حذف آموکسی سیلین و متغیرهای مستقل (مقادیرpH اولیه، مقدار نانو ذره، زمان ماند، و غلظت آموکسی سیلین) به کار گرفته شد. برای چهار متغیرpH محلول (2-10)، غلظت آموکسی سیلین (mg/l5-45)، زمان تماس (5-85 دقیقه)، و مقدار نانو ذرات (g25/0-1/25)  به مقادیر کد داده شده تبدیل شد. نتایج نشان داد که بیش از 69% از آموکسی سیلین به وسیله نانو ذرات حذف شد. شرایط بهینه حذف آموکسی سیلین بااستفاده از نانو ذرات با25/1گرم از نانو ذرات ، pH4،زمان تماس 80 دقیقه و غلظت 30 میلی گرم در آموکسی سیلین یافت شد.توانایی نانو ذرات در تخریب آموکسی سیلین نشان داد که این مواد راه حل بالقوه برای پاکسازیمحیط باشد.

در مطالعه ای که توسط بهادر امرایی و همکاران با عنوان بررسی کاتالیست CuFeOجهت حذف آنتی بیوتیک آموکسی سیلین از محیط های آبی در مازندران در سال 1396انجام شد.در این مطالعه ،از روش سل-ژل برای تهیه کاتالیزور استفاده شد.مشخصات فیزیکی و ساختاری کاتالیست سنتز شده با تنیک های VSM EDX XRD TEM SEMمورد آنالیز قرار گرفت.همچنین،تاثیر پارامتر های pH،غلظت اولیه آموکسی سیلین،غلظت پراکسید هیدروژن و دز کاتالیست بر روی کاهش آموکسی سیلین و TOCبررسی گردید.نتایج نشان داد که بالاترین درصد حذف آموکسی سیلین در شرایط بهینه غلظت کاتالیزور برابر50mg/L (pH=4)غلظت اولیه آموکسی سیلین برابرmg/L90 ، غلظت پراکسید هیدروژن برابرmmol30، زمان برابر20 دقیقه و تحت دمای 20 درجه سانتی گراد به میزان 27/99درصد بوده است.میزان حذف TOCدر این شرایط برابر با42/36درصد بود.چنین بیان نمودند که با توجه به نتایج حاصل از پژوهش حاضر ، این فرایند،دارای کارایی مناسبی در حذف آموکسی سیلین است؛اما برای حذف مناسبTOC به زمان بیشتری نیاز دارد.

      در مطالعه ای که توسط مهدی فضل زاده و همکاران تحت عنوان ارزیابی کاربرد فرایند الکتروفنتون در حذف آموکسی سیلین از محلول های آبی دراردبیل در سال 1394انجام شد.بالاترین سطح راندمان درpHاولیه3،الکترولیتg/l5/2،شدت جریان16/0مول،غلظت ورودی mg/l30با زمان ماند120دقیقه،در حدود94 درصد بدست آمد.بیشترین مقدار آهن خروجی در پساب فرایند mg/l9/10برای زمان واکنش 80دقیق،شدت جریان6/41،3pH،مقدار 16/0مول پراکسید هیدروژن و غلظت آموکسی سیلین mg/l80ثبت گردید و چنین بیان نمودند که الکتروفنتون راندمان قابل قبولی در حذفAMXبا بکار گیری الکترود آهن از پساب دست ساز در مقیاس آزمایشگاهی در شرایط مربوط به این مطالعه نشان داد.در عین حال راندمان برای غلظت های بالاتر از50 غیر قابل قبول بود.با این وجود پساب های صنعتی غلظت خیلی کمتری از مطالعه دارند.

در مطالعه انجام شده توسط اقای محمد تقی صمدی و همکارانش تحت عنوان کاربرد نانولوله های کربنی چند دیواره در حذف آنتی بیوتیک آموکسی سیلین از محیط های آبی در مازندران در سال 1393انجام شد.نتایج نشان داد که حداکثر کارایی حذف آموکسی سیلین در می باشد.همچنین افزایش غلظت یونی باعث کاهش و افزایش دوز جاذب موجب افزایش میزان حذف شد.داده های تعالی در جذب با ایزوترم لانگموئر و سنتیک جذب با معادله سنتیکی درجه دو مطابقت بهتری نشان داد.و چنین بیان نمودند:باتوجه به نتایج حاصل می توان نانولوله های کربنی چند دیواره را به عنوان جاذب قابل قبولی در حذف آنتی بیوتیک آموکسی سیلین از محیط های آبی در نظر گرفت.

در مطالعه انجام شده توسط خاننم مرضیه بهزادی و همکارش اقای مجید محققیان تحت عنوان بررسی حذف آموکسی سیلین از محیط های آبی تئسط فرایند جذب سطحی بر روی سرباره صنایع فولاد در استان کهکلویه و بویر احمد درسال 1393 انجام شد نتایج نشان داد نتایج این تحقیق نشان داد که در شرایط بهینه سرباره  قابلیت جذب کامل آموکسی سیلین و حذف آن از محیط های آبی را دارد.شرایط بهینه برای هریک از عوامل به صورت زیر است.غلظت اولیه آموکسی سیلین محدود10تا30 میلی گرم برلیتر،pHبرابر3،زمان30دقیقه،دوزه سرباره مصرفی 1تا2گرم و مش سرباره برابر100 و چنین بیان نمودند:می توان  از سرباره بهعنوان یک روش تصفیه ساده و ارزان قیمت جهت حذف آموکسی سیلین سایر آنتی بیوتیک هااز اب و فاضلاب استفاده کرد

آیا تغییرات   pH بر روی کارایی حذف آموکسی سیلین توسط گرافین اکسید  موثر است؟

آیا تغییرات دوز گرافین اکسید  بر کارایی حذف آموکسی سیلین موثر است؟

آیا تغییرات در زمان واکنش در کارایی حذف آموکسی سیلین توسط گرافین اکسید موثر است؟

آیا تغییرات در غلظت اولیه آموکسی سیلین در کارایی حذف  موثر است؟

بررسی جذب آموکسی سیلین از محلولهای آبی توسط جاذب گرافین اکسید

در صد حذف آموکسی سیلین با استفاده از گرافین اکسید در زمان تماس های مختلف.

در صد حذف آموکسی سیلین با استفاده از گرافین اکسید در غلظت های مختلف رنگ

در صد حذف آموکسی سیلین با استفاده از گرافین اکسید در دوزهای مختلف جاذب

در صد حذف آموکسی سیلین با استفاده از گرافین اکسید در PH  های مختلف

آب و فاضلاب و وزارت نیرو

انتی بیوتیک:به صورت کلی فراورده یا ماده ای است که از یک میکرو ارگانیسم تولید یا از ان گرفته می شود و میکرو ارگانیسم های دیگر را از بین می برد.

اموکسی سیلین:از داروهای خانواده پنی سیلین و  یکی از مهمترین و پر مصرف ترین آنتی بیوتیک های خوراکی است.

جذب سطحی:فرایندی است که در جریان آن مولکولها به سطح جسمی جامد می چسبند.بانیروهای سست بلند برد مانندنیروی واندروالسی آغاز و با نیروهای کوتاه برد مانند یونی و فلزی پایان می یابد.

گرافن اکساید:ماده ای دو بعدی است که به صورت تک لایه،با ساختار شش ضلعی و کریستالی ساخته شده است و بر روی صفحاتش،گروه های اکسیژنی وجود دارد.

تجربی-آزمایشگاهیی

نمونه های سنتیک ساخته شده در آزمایشگاه

تمام مراحل آزمایش برای پی بردن به خطاهای احتمالی در دو مرحله انجام خواهد شد.بنابراین تعداد نمونه‌های مورد نظر با توجه به بهینه بودن پارامترها   32 نمونه می‌باشد.نمونه ها بصورت سینتیک و  در آزمایشگاه ساخته خواهد شد

غلظت امو کسی سیلین   25 و 50 و 75 و 100 و 150 و 200

pH   :  3-4--5-6-7-8-9-10-11

دوز گرافین اکساید   2 /0  ,  4 /0     6 /0    8 /0    1    5 /1    2 گرم در لیتر

زمان تماس 10-20-30-45-60-90-120-150-180-240

روش نمونه گیری نمونه های سینتیک ساخته شده در آزمایشگاه

در آزمایشگاه و با استفاده از نمونه‌های سینتیک ساخته شده محلول نهایی توسط اسپکتروفتومتر تعیین مقدار می‌شود.

این تحقیق یک مطالعه تجربی در مقیاس آزمایشگاهی است که در یک سیستم بسته بصورت طرح پایلوت به انجام خواهد رسید.در مطالعه تجربی حاضرعملکرد نانو ذرات گرافن اکساید به عنوان یک جاذب در حذف آموکسی سیلین مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.پودر آموکسی سیلین با درجه خلوص 5/99درصد وسایر مواد شیمیایی مورد مصرف و گرافن اکساید را تهیه می کنیم.محلول استوک آموکسی سیلین باغلظت500 میلی گرم در لیتر از حل کردن نیم گرم پودر آموکسی سیلین در1000میلی لیتر آب مقطر آماده و غلظت های مورد نظر از محلول استوک تهیه خواهیم کرد.جهت تنظیم pHاز اسید سولفوریک و سود 1/0نرمال و برای اندازه گیری آن ازpHمتر استفاده می شود.هم زدن نمونه ها با کمک شیکر انکوباتورانجام می شود .برای جداسازی جاذب نمونه ها از صافی استات سلولز0/04 میکرون و پمپ خلا استفاده می شود.آزمایشات به صورت ناپیوسته و با تغییر فاکتورهای pH،  غلظت گرافن اکساید، و غلظت آموکسی سیلین صورت می گیرد.پس از تنظیم شرایط مورد نظر نمونه ها در شیکر انکوباتور با دور100 با دمای محیط قرار داده می شود.سپس نمونه ها  از فیلتر استات سلولزی عبور داده می شود. در نهایت غلظت باقی مانده آموکسی سیلین تعیین می شود.میزان حذف آموکسی توسط گرافن اکساید از رابطه زیر محاسبه می شود.               P=(C_i-Ce)100/C_i

Ci وCe به ترتیب غلظت اولیه و نهایی آموکسی سیلین (میلی گرم بر میلی لیتر) می باشد.

در این مطالعه از دستگاه اسپکتروفتومتری برای تعیین غلظت نهایی و از نرم افزار EXCEL برای کشیدن نمودارها استفاده خواهد شد

1. 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.
2. 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.
3. گزارش‌ها و مقالات حاصل از پژوهش‌هایی که مفاد این راهنما را نقض کرده‌اند، نباید برای انتشار پذیرفته شوند.
4. روش پژوهش نباید با ارزش‌های احتماعی، فرهنگی و دینی  جامعه در تناقض باشد.

محدودیت اجرایی ندارد

گرافن اکسید -آموکسی سیلین- آنتی بیوتیک

1.Rakhshani M، Rakhshani F، Mirshahi A. Self-medication in Zahedan City in 1999.Feyz، 2002 6؛  )2 :(45-52.in[ persian]

2. Shyan F ,Pattern of Drug prescription in clinical ward of Motahari an Peimaneie Hospital in kordad 1385. Journal of Jahrom University of medical Sciences -2014;35;41-48

3-Elmolla E, Chaudhuri M. Optimization of Fenton process for treatment of amoxicillin, ampicillin and cloxacillin antibiotics in aqueous solution. Journal of hazardous materials. 2009;170 (2):666-72

4-Elmolla  ES, Chaudhuri M. Degradation of the antibiotics amoxicillin, ampicillin and cloxacillin in aqueous solution by the photo-Fenton process. Journal of hazardous materials, 2009. 172(2-3): 1476-81

5- Homem V, Santos L. Degradation and removal methodsofantibioticsfromaqueous matrices– a review. J Environ Manage 2011; 92(10): 2304-47.

6-Githinji LJM، Musey MK، Ankumah RO.Evaluation of the Fate of ciproflixacin and Amoxicillin in Domestic Wastewater. Water Air soil Pollut. 2010;38’11-22

-7 Kummerer K، Al-Ahmad  A، Merschsundermam V. Biodegradabiliy of some antibiotics، elimination of wastewater bacteria in  a simple test. Chemosphere.2000.40 )7( : 701-710.

-  8Andreozzi R, Canterino M, Marotta R, Paxeus N. Antibiotic removal from wastewaters: the ozonation of amoxicillin. J Hazardous Materials 2005; 122(3): 243-50.

9-Panizza M, Dirany A, Sirés I ,Haidar M, Oturan N, Oturan MA. Complete mineralization of the antibiotic amoxicillin by electro-Fenton with a BDD anode. Journal of Applied Electrochemistry. 2014;44 (12):1327-35.

10-Li K, Yediler A, Yang M, Schulte-Hostede S, Wong MH. Ozonation of oxytetracycline and toxicological assessment of its oxidation by-products. Chemosphere. 2008;72(3):473-78.

11--Shen S, Ren J, Chen J, Lu X, Deng C, Jiang X. Development of magnetic multiwalled carbon nanotubes combined with near-infrared radiationassisted desorption for the determination of tissue distribution of doxorubicin liposome injects in rats. Journal of Chromatography A. 2011;1218(29):461926

-12Yazdanbakhsh AR،Manshuri M، Sheikh Efficiency of Combined Ciagulation and Advanced Oxidationby Fenton Process in the Removal of Clarithromycin Antibiotic COD. Yafte.2011؛ 13) 1( :7-16

13-Ay F، Kargi F.Advanced oxidation  of  amoxicillin by Fentons reagent treatment.J Ha Mat، 2010 ؛179 )1-3:( 622-7.

14. Githinji LJM, Musey MK, Ankumah RO. Evaluation of the Fate of Ciprofloxacin and Amoxicillin in Domestic Wastewater. Water Air Soil Pollut 2010; 219(1-4): 191-201

15. Carabineiro SA, Thavorn-Amornsri T, Pereira MF, Figueiredo JL. Adsorption of ciprofloxacin on surface-modified carbon materials. Water Res 2011; 45(15): 4583-4591 

16. Yu-ChenLin A, Lin CF, Chiou JM, Hong APK. O3 and O3/H2O2 treatment of sulfonamide and macrolide antibiotics in wastewater. J Hazard Mater 2009; 171(1-3): 452-458

17.Rozas O, Contreras D, Mondaca MA, PérezMoya M, Mansilla HD. Experimental design of Fenton and photo-Fenton reactions for the treatment of ampicillin solutions. J Hazard Mater 2010; 177(1-3): 1025-1030

18. Koyuncu I, Arikan OA, Wiesner MR, Rice C. Removal of hormones and antibiotics by nanofiltration membranes. J Memb Sci 2008; 309(1-2): 94-101

19. Choi KJ, Kim SG, Kim SH. Removal of antibiotics by coagulation and granular activated carbon filtration. J  Hazard Mater 2008; 151(1): 38-43.

20.Choi KJ, Son HJ, Kim SH. Ionic treatment for removal of sulfonamide and tetracycline classes of antibiotic. Sci Total Environ 2007; 387(1-3): 247-256

21.Kim TH, Kim SD, Kim HY, Lim SJ, Lee M, Yu S. Degradation and toxicity assessment of sulfamethoxazole and chlortetracycline using electron beam, ozone and UV. J Hazard Mater 2012; 227-228: 237-242.

22.Crisafully R, Milhome MA, Cavalcante RM, Silveira ER, De Keukeleire D, Nascimento RF. Removal of some polycyclic aromatic hydrocarbons from petrochemical wastewater using low-cost adsorbents of natural origin. Bioresource Technol 2008; 99(10): 45154519.

23-Trovó AG, Pupo Nogueira RF, Agüera A, FernandezAlba AR, Malato S. Degradation of the antibiotic amoxicillin by photo-Fenton process–chemical and toxi cological assessment. Water Research. 2011;45(3):1394-402.

24. Putra EK, Pranowo R, Sunarso J, Indraswati N, Ismadji S. Performance of activated carbon and bentonite for adsorption of amoxicillin from wastewater: mechanisms, isotherms and kinetics. Water Res 2009; 43(9): 2419-2430

25- M. Nes, A.R. Botello-Méndez, J. Campos-Delgado, YI. Vega-Cantú and FJ. Rodríguez-Macías,      Nano Today  5 (2010) 351

ندارد