بررسی جذب آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین از محیط های آبی توسط نانو ذرات سیلیس

آلودگی آب در منابع سطحی و زیر زمینی می تواند مشکلاتی برای سلامتی انسان ایجاد نماید. با توجه به کمبود آب و بروز مشکلات زیست محیطی که در نتیجه تخلیه فاضلاب ها و پساب ها به آب های پذیرنده ایجاد شده است، تصفیه فاضلاب و بررسی امکان استفاده مجدد از آن مهم است(1).

مواد دارویی از لحاظ الودگی محیط زیست ،به اندازه سایر الاینده ها مثل افت کش ها وعلف کش ها قدمت ندارد ولی در طی دهه اخیر با افزایش استفاده از دارو و باالطبع افزایش تولید مواد دارویی توجه متخصصان محیظ زیست را به خود جذب کرده است (2, 3)برخی مطالعات نشان داده که مقادیر قابل توجهی از این ترکیبات و متابولیت های انها به عنوان زائدات وارد پساب شده و تصفیه ان قبل از تخلیه به محیط زیست ضروری بنظر میرسد(4).

آنتی بیوتیک ها از عوامل شیمی درمانی هستند که باعث جلوگیری از رشد و یا نابودی میکرو ارگانیسم هایی مانند باکتری ها، قارچ ها و غیره می شوند(5). فلوروکینولون یکی از خانواده های آنتی بیوتیک ها است که شامل آنتی بیوتیک های افلوکسین، سیپروفلوکساسین، افلوکسین و نوروفلوکساسین می باشد (6). حضور اتم فلوئور در ترکیب این آنتی بیوتیک ها باعث ایجاد ثبات و پایداری آن ها شده و به همین دلیل به عنوان یک آلاینده در محیط مطرح هستند(7).

سیپروفلوکساسین به صورت گسترده در درمان عفونت، مخصوصا عفونت های دستگاه ادراری، تنفسی و گوارشی به کار می رود که عملکرد خوبی دارد(5, 8). حضور آنتی بیوتیک در منابع آبی به علت افزایش مصرف آنتی بیوتیک ها برای درمان انسان و دام می باشد(9). به طوریکه آنتی بیوتیک ها حدود 10 تا 15 درصد از مصرف داروها را به خود اختصاص می دهند(10). همچنین برآورد شده است که مصرف آنتی بیوتیک ها در جهان بین 100000 تا 300000 تن است که پس از مصرف در بدن، به طور کامل در بدن متابولیزه نشده و 30 تا 90 درصد آن ها پس از دفع، به صورت فعال باقی می مانند. از این رو سالانه بین 3000 تا 180000 تن آنتی بیوتیک فعال وارد محیط زیست می شود(11). بخش اعظمی از آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین به صورت غیر متابولیزه از بدن انسان وحیوانات دفع میشود و پایداری اینگونه انتی بیوتیک ها در محیط باعث شده است که غلظت های مختلف این الاینده ها در تصفیه خانه های فاضلاب ،اب و شبکه توزیع اب اشامیدنی یافت شوند(5). حضور آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین در اب اشامیدنی ممکن است باعث ایجاد سردرد، اسهال، عصبی بودن، لرزش، تهوع و استفراغ و واکنش های الرژُک شده و در صورت وجود با غلظت های نسبتا بالاتر عوارض جدی از جمله نارسایی حاد کلیه، بالارفتن انزیم های کبدی وترومبوسیتویینی ایجاد میکند وباعث تداخل در فتوسنتز گیاهان آبزی میشود.(12, 13)

حضور آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین حتی در غلظت های کم خطرناک است و منجر به گسترش مقاومت آنتی بیوتیکی، وتاثیراین مواد برروی پاتوژن های غیرهدف، تغییرساختارجلبک های ابی، مداخله وفتوسنتز گیاهان وایجاد ناهنجاری های ظاهری در گیاهان میشود. (14).

سیپروفلوکساسین در محیط های ابی دیر یا اصلا تجزیه نمیشود یا تا حدی حذف میشود و مقادیر باقیمانده میتوانند به اکوسیستم ابزی برسند، لذا اهمیت ویژه ای نسبت به سایر آنتی بیوتیک ها برای حذف برخوردار است.(15)غلظت سیپروفلوکساسین در فاضلاب و اب های سطحی از یک میکروگرم در لیتر و در پساب بیمارستان بیش از 150میکروگرم در لیتر و در کارخانه داروسازی 31 میلی گرم در لیتر شناسایی شده است(16). استاندارد قابل قبول سازمان حفاظت محیط زیست برای حضور آنتی بیوتیک ها در پساب 1 میلی گرم در لیتر می باشد(17). بدین منظور از روش های مختلفی برای حذف مانند رسوب گیری شیمیایی و منعقد شدن، رسوب گیری فسفاتی، تبادل یونی، فرایندهای غشایی و روش های تثبیت کردن و جذب سطحی استفاده می شود. (18)

استفاده از جاذب ها در این بین میتواند راهکارمناسبی جهت حذف و بی خطر سازی فاضلاب های حاوی ترکیبات بسیار سمی باشد.در طی فرایند جذب سطحی مواد برروی سطح جامد به صورت فاز جذب شده تجمع می یابند و به این ترتیب از محلول جدا می گردند.همچنین میزان جذب یک ماده برروی یک جاذب تابع عوامل متعددی است. این عوامل عبارت ازمیزان و کیفیت سطح تماس،دما،غلظت و نوع جذب شونده(19)

نانوذرات مغناطیسی خواص منحصر به فردی دارند که سبب کاربرد روز افزون آنها در محیط زیست ،میکرو الکترونیک،زیست فناوری وسایر زمینه ها می شود.از مزایای این ترکیبات میتوان داشتن مساحت سطح بزرگ ،گروه فعال زیاد و خواص مغناطیسی را نام برد.این خواص منجر به بازده زیاد ،سرعت زیاذ جذب آلاینده ها و راحتی جداسازی به وسیله میدان مغناطیسی می شوند.(20)

در این مطالعه به دلیل اینکه آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین در محیط های آبی دیر یا اصلا تجزیه نمیشود لذا اهمیت ویژه ای نسبت به سایرآنتی بیوتیک ها برای حذف دارد و بنابراین هدف از این مطالعه بررسی جذب آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین از محلولهای آبی توسط نانوذره سیسلس می باشد.

در مطالعه ای که توسط صادقی و همکاران در سال 94در خصوص حذف آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین با استفاده از مخمر ساکارومیسزسرویزیه از محیط های آبی انجام شد نشان دادند که حداکثر حذف آنتی بیوتیک 100%در PH=4 در جاذب 1g/100ml و زمان تعادل 24 ساعت و غلظت بهینه 10 میلی گرم در لیتر از آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین اتفاق می افتد.(متتغیر های مختلف بر فرآیند حذف آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین از جمله مقدار جاذب(0.1تا1)،غلظت اولیه آنتی بیوتیک(5تا20میلی گرم در لیتر)، PH(4-10) و زمان تماس (1تا72 ساعت) بررسی شدند.(21)

در مطالعه ای که توسط علیدادی و همکاران در سال96 در خصوص حذف سیپروفلوکساسین با استفاده از کامپوزیت کیتوزان / زئولیت از محلول های آبی  انجام شد نتایج نشان دادکه حداکثر راندمان حذف آنتی بیوتیک در غلظت اولیه  5 mg/L و PH=7 ، دوز جاذب g/L2 و زمان واکنش 5/37 دقیقه، 5/97% می باشد .در این مطالعه غلظت اولیه  آنتی بیوتیک و دوز جاذب به ترتیب مؤثرترین پارامترها بر کارایی حذف شناخته شدند. همچنین جذب سیپروفلوکساسین ازایزوترم لانگمویر 0.9995) = (R2  وسینتیک درجه دوم R2 =0.9973) ) تبعیت میکند.(22)

در مطالعه ای که تحت عنوان بررسی کارایی فرآیند ازن/پرسولفات در حذف آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسیناز پساب صنایع دارویی توسط رحمانی و همکاران در سال 93 انجام شد نقدار PH بهینه برای فرآیند برابر با 3 و دوز بهینه پرسولفات برابر با 10 میلی مولار و در ازن برابر با 1 گرم در ساعت و غلظت اولیه آنتی بیوتیک برابر با 10 میلی گرم در لیتر است که تحت این شرایط راندمان حذف سیپروفلوکساسین 96 درصد می باشد.(23)

در بررسی ای که توسط صمدیو همکاران در سال 95 در ارتباط با حذف آنتی بیوتیک سیپرو فلوکساسین با استفاده از نانوکامپوزیت مغناطیسی از محیط های آبی انجام گرفت کارایی نانومغناطیسی جهت حذف سیپروفلوکساسین در سیستم ناپیوسته با بررسی زمان تماس 15 تا 300 دقیقه و PH 4 تا10 ، غلظت اولیه آنتی بیوتیک 30تا200 میلی گرم مقدار جاذب 1 تا 3گرم بر لیتر و غلظت پراکسیدهیدروژن 5تا25 میلی مول برلیتر بررسی شد،نشان دادند حداکثر کارایی فرآیند های فنتون هتروژن و جذب سطحی درpHهای برابر4 و7 حاصل شد که کا رایی حذف سیپروفلوکساسین به ترتیب % 95 و % 87 بود. دادههای تعادلی جذب با ایزوترم لانگموئر مطابقت بهتری نشان داد. سرعت واکنش بهترین سازگاری را با مدل درجه دوم کاذب داشت(24).

درمطالعه ای که توسط fei wangوهمکاران درمورد حذف آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین از محلول های آبی توسط کیتوزان مغناطیسی کامپوزیت گرافن اکسید در سال 2016 انجام گرفت. نتایج نشان داد که دادهای ایزوترمی  با هر دو مدل فرندلیچ و لانگومویر توصیف شده است و ظرفیت جذب براساس مدل لانگمویر 282 میلی گرم به ازای هر گرم می باشد و قدرت یونی به طور قابل توجهی بر جذب سیپرو فلوکساسین تاثیر گذاشته است. (25)

در مطالعه ای که توسط بلارک و همکاران در سال 2017 درباره حذف سیپروفلوکسین از محلولهای آبی توسط جاذب گل قرمز انجام شده است نتایج نشان می دهد که داده های تعادلی از ایزوترم لانگمیر پیروی کرده  و ظرفیت جذب برابر با 195.2 میلی گرم به ازای هر گرم می باشد همچنین با افزایش دوز جاذب و میزان غلظت آنتی بیوتیک میزان حذف افزایش می یابد(26).

• آیا زمان تماس های مختلف در حذف آنتی بیوتیک سیپروفلوکسین با استفاده از جاذب نانوذره سیلیس تاثیرگذار است؟
• آیا غلظت های مختلف آنتی بیوتیک در حذف سیپروفلوکسین با استفاده از جاذب نانوذره سیلیس  تاثیرگذار است؟
• آیا دوزهای مختلف جاذب در حذف سیپروفلوکسین با استفاده ازجاذب نانوذره سیلیس  تاثیرگذار است؟
• آیا pH های مختلف در حذف سیپروفلوکسین با استفاده از نانوذره سیلیس تاثیرگذار است؟

تعیین جذب آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین از محیط های آبی توسط نانو ذرات سیلیس

• تعیین درصد جذب آنتی بیوتیک سیپروفلوکسین با استفاده از جاذب نانو ذره سیلیس در زمان تماس های بین 10 تا 180 دقیقه

  تعیین درصد جذب سیپروفلوکسین با استفاده از جاذب نانو ذره سیلیس در غلظت های آنتی بیوتیک بین 10 تا 200 میلی گرم در لیتر

  تعیین درصد جذب سیپروفلوکسین با استفاده از جاذب نانوذره سیلیس در دوزهای جاذب بین 0.25 تا 2 گرم در لیتر

  تعیین درصد جذب سیپروفلوکسین با استفاده از نانوذره سیلیس در PH های بین 3 تا 11

سازمان محیط زیست، شرکت اب و فاضلاب، دانشگاه علوم پزشکی، بیمارستان ها

سیپروفلوکساسین از دسته ی آنتی بیوتیک های کینولینی است که در درمان بعضی عفونت ها ازجمله عفونت های تنفسی، ادراری، پروستات، گوارشی، مفصلی و استخوانی و برخی از عفونت های تناسلی کاربرد دارد.

تجربی -آزمایشگاهی

نمونه های آزمایشگاهی 

 نمونه های سنتیک ساخته شده در ازمایشگاه

داده ها مورد مطالعه از طریق قرائت مستقیم با دستگاه اسپکتروفتومتر جمع آوری شده و با توجه به درصد حذف؛ کارایی جاذب تعیین خواهد شد.

 این مطالعه تجربی در سال 97 در آزمایشگاه تحقیقات شیمی محیط دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی زاهدان انجام خواهد شد. در این تحقیق از نانو ذرات سیلیس با قطر ذرات کوچک تر از 50نانومتر که قطر حدود 30درصد از انها کم تر از20نانومتر است استفاده خواهد شد.  سیپروفلوکساسین هیدروکلراید با درجه خلوص 99 درصد از شرکت سیگما آلدریچ  تهیه خواهد شد. تمامی آزمایش های های جذب به صورت تجربی کاربردی در مقیاس آزمایشگاهی و به صورت جریان ناپیوسته انجام خواهد شد. برای تهیه نمونه ها، ابتدا محلول استوک سیپروفلوکساسین با غلظت 500 میلیگرم بر لیتراز حل کردن 0.5 گرم پودر سیپروفلوکساسین در 1000 متر میلی لیتر اب مقطراماده خوهد گردید

 در این پژوهش متغیرهای مورد بررسی شامل (3-4-5-6-7-8-9-10-11) pH و زمان تماس (10-20-30-50-60-75-90-120-150-180) و غلظت اولیه آنتی  بیوتیک (10-20-25-50-75-100-150-200) ومقدار جاذب (0/25- 0/5 –0/75 -1- 1.25-1.5-1.75-2)استفاده خواهد شد. نمونه ها با سرعت 120دور در دقیقه بر روی دستگاه لرزاننده قرار خواهند گرفتند  برای اطمینان از تکرارپذیری نتایج، هر آزمایش دو بار تکرار و میانگین اعداد گزارش خواهدشد و در نهایت ایزوترم و سرعت واکنش فرایند جذب در شرایط بهینه مطالعه و مقادیر هر یک از متغیرهای مربوط به آنها محاسبه خواهد شد برای بررسی کارایی حذف و ظرفیت جذب از معادلات زیر استفاده خواهد شد.

با استفاده از فرمولها در صد حذف و ظرفیت جذب محاسبه 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

آنتی بیوتیک سیپروفلوکساسین، فاضلاب صنعتی، جذب سطحی ،نانوذره سیلیس

1.         Hemmati Borji S, Nasseri S, Nabizadeh Nodehi R, Mahvi A, Javadi A. Photocatalytic degradation of phenol in Aqueous Solutions by Fe (III)-doped TiO2/UV Process. Iranian Journal of Health and Environment. 2011;3(4):369-80.

2.         Aksu Z, Tunç Ö. Application of biosorption for penicillin G removal: comparison with activated carbon. Process biochemistry. 2005;40(2):831-47.

3.         Malakootian M, Balarak D, Mahdavi Y, Sadeghi S, Amirmahani N. Removal of antibiotics from wastewater by azolla filiculoides: kinetic and equilibrium studies. Int J Anal Pharm Biomed Sci. 2015;4:105-13.

4.         Balarak d, kord mf, rakhsh ka. isotherm and kinetic study on the adsorption of penicillin g from aqueous solution by using modified canola. 2016.

5.         Ji Y, Ferronato C, Salvador A, Yang X, Chovelon J-M. Degradation of ciprofloxacin and sulfamethoxazole by ferrous-activated persulfate: implications for remediation of groundwater contaminated by antibiotics. Science of the total environment. 2014;472:800-8.

6.         Capriotti AL, Cavaliere C, Piovesana S, Samperi R, Laganà A. Multiclass screening method based on solvent extraction and liquid chromatography–tandem mass spectrometry for the determination of antimicrobials and mycotoxins in egg. Journal of Chromatography A. 2012;1268:84-90.

7.         Peng H, Pan B, Wu M, Liu Y, Zhang D, Xing B. Adsorption of ofloxacin and norfloxacin on carbon nanotubes: hydrophobicity-and structure-controlled process. Journal of hazardous materials. 2012;233:89-96.

8.         Wu S, Zhao X, Li Y, Zhao C, Du Q, Sun J, et al. Adsorption of ciprofloxacin onto biocomposite fibers of graphene oxide/calcium alginate. Chemical engineering journal. 2013;230:389-95.

9.            رحمانی, شعبانلو, مجیدی, صبا, آذز ط, پور م. بررسی کارایی فرایند ازن/پرسولفات در حذف آنتی‌بیوتیک سیپروفلوکساسین از پساب صنایع دارویی. دو ماهنامه علمی-پژوهشی آب و فاضلاب. 2016;27(1):40-8.

10.       Balarak D, Mostafapour FK, Joghataei A. Experimental and kinetic studies on Penicillin G adsorption by Lemna minor. British Journal of Pharmaceutical Research. 2016;9(5):1-10.

11.       KORD MF, Bazrafshan E, BELARK D, KHOUSHNAMVAND N. Survey of Photo-catalytic degradation of ciprofloxacin antibiotic using copper oxide nanoparticles (UV/CuO) in aqueous environment. 2016.

12.       Bajpai SK, Bajpai M, Rai N. Sorptive removal of ciprofloxacin hydrochloride from simulated wastewater using sawdust: kinetic study and effect of pH. Water SA. 2012;38(5):673-82.

13.       Heidari M, Saffari Khouzani H, Amin M, Ghasemian M, Taherian E, Attari L, et al. Inhibition Effect of Antibiotics Ciprofloxacin and Ofloxacin and Hormone-stradiol 17Valerat on the Methanogenic Activity of Anaerobic Biomass. Iranian Journal of Health and Environment. 2011;4(2):189-200.

14.       Wei R, Ge F, Huang S, Chen M, Wang R. Occurrence of veterinary antibiotics in animal wastewater and surface water around farms in Jiangsu Province, China. Chemosphere. 2011;82(10):1408-14.

15.       Sadeghi A, Dolatabadi M, Asadzadeh S, JAMALI BF. Ability of the yeast saccharomyces cerevisiae for biological removal of ciprofloxacin antibiotic in aqueous solution. 2015.

16.       El-Shafey E-SI, Al-Lawati H, Al-Sumri AS. Ciprofloxacin adsorption from aqueous solution onto chemically prepared carbon from date palm leaflets. journal of Environmental Sciences. 2012;24(9):1579-86.

17.       FDA. Guidance for Industry for the Submission of an Environmental Assessment in Human Drug Applications and Supplements. Rockville, USA: Food and Drug Administration; 1995.

18.       Azizian S, Samarghandi M, Siboni MS. Removal of Hexavalent Chromium from Aqueous Solution by Modified Holly Sawdust&58; A Study of Equilibrium and Kinetics. Scientific Journal of Hamadan University of Medical Sciences. 2010;16(4):61-7.

19. Tchobanoglous G, Burton FL, Eddy M, Stensel HD. Wastewater engineering. 3rd ed. New York: McGraw-Hill;1995.

.20. Mahmoodi N.M., Magnetic ferrite nanoparticle - alginatecomposite: Synthesis, characterization and binary systemdye removal, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 44, 321-329,

21.       Sadeghi A, Dolatabadi M ,Asad zadeh SN , Jamali Behnam F Ability of the yeast Saccharomyces cerevisiae for biological removal of ciprofloxacin antibiotic in aqueous solution. Journal of North Khorasan University 2015; 7(1):71-79

22.       Alidadi H, Dolatabadi M, Mehrabpour M, Dehghan A. The efficacy of ciprofloxacin removal by Chitosan/Zeolite composite from aqueous solution: Response surface methodology, kinetic and isotherm studies. Journal of Health in the Field. 2017;5(1).17-25

.23          رحمانی, شعبانلو, مجیدی, صبا, آذز ط, پور م. بررسی کارایی فرایند ازن/پرسولفات در حذف آنتی‌بیوتیک سیپروفلوکساسین از پساب صنایع دارویی. دو ماهنامه علمی-پژوهشی آب و فاضلاب. 2016;27(1):40-8.

24.       Samadi M, Shokohi R, Harati R. Comparison of heterogeneous fenton process and adsorption process on magnetic nanocomposite for ciprofloxacin removal from aqueous solutions. The Journal of Qazvin University of Medical Sciences. 2016;20(1):4-13.

25.  Wang F, Yang B, Wang H, Song Q, Tan F, Cao Y. Removal of ciprofloxacin from aqueous solution by a magnetic chitosan. Journal of Molecular Liquids 222 (2016) 188–194.

26.   Balarak D, Mostafapour FK and Joghataei A. Kinetics and mechanism of red mud in adsorption of ciprofloxacin in aqueous solution Biosci. Biotech. Res. Comm. 2017;10(1): 241-248.

ندارد