Estruturas Supramoleculares Envolvendo Antibióticos: uma Contribuição para o Mapeamento de Soluções para a Remoção de Antibióticos dos Efluentes

Abstract

Antimicrobial resistance to antibiotics is a growing public health problem worldwide. The widespread use of antibiotics makes them be considered a new group of environmental pollutants, with a relevant role in the induction and propagation of antibiotic resistance genes (ARGs) in several aquatic habitats. Surface water bodies act as one of the critical points in the transfer of ARGs to humans, contributing to their increased resistance to antibiotics. The presence of bacteria in different water bodies occurs due to the fact that they are soluble, exhibit low volatility and are hardly removed through current strategies/technologies used in wastewater treatment plants (WWTPs). In this regard, the development of new and efficient technologies becomes urgent for the removal of antibiotics and, consequently, ARGs from water, in order to prevent the spread of resistance to antibiotics. In this project, the interaction between cyclodextrins (CDs) (α−CD, β−CD and γ−CD) and sodium sulfonamide antibiotics (NaSAs) (NaSD, NaSMR and NaSMT) was studied in order to obtain informations about supramolecular complexes formation and to optimize the development of specific adsorbent materials, β−CD nanosponges (NSs) (CD−am6−CD, CD−am6=GLT=am6−CD and CD−am6−GLT−am6−CD), for its application in environmental remediation through the removal of NaSAs from water. Through isothermal diffusion in liquids, coupled countercurrent flows were detected, suggesting the formation of complexes between CDs and NaSAs. NaSMR shows the greatest interaction with CDs studied, have been obtained the value of D12 ≈ − 1,45 × 10−10 m2 s−1 with γ−CD. One mole of γ−CD is able to counter−transport 0,301 mol of NaSMR. The hydrodynamic radii (Rhi) of SA− showed that the cavity of β−CD and γ−CD presents dimensions that enable the accommodation of a greater part of the SA− ions structure in water. The estimated binding constants for NaSMR range up to 10 dm3 mol−1 with α−CD, up to 20 dm3 mol−1 with β−CD, and up to 30 dm3 mol−1 with γ−CD. In UV−vis studies were recorded changes in the NaSMR spectra with the addiction of increased amounts of β−CD and γ−CD, indicating a change in the NaSMR microenvironment as a consequence of its complexation in the CD cavity. The reported trends manifest a different process of interaction of β−CD and γ−CD with NaSMR. Using the Benesi−Hildebrand method, binding constants of 26 dm3 mol−1 were obtained for the β−CD + NaSMR system and 93 dm3 mol−1 for the γ−CD + NaSMR system. 1H−NMR technique revealed that the addition of NaSMR to β−CD induces a change in the chemical environment of the internal protons of β−CD (H3 and H5) as well as the protons of NaSMR, mainly the HA proton (ring A of NaSMR), suggesting its partial inclusion in the β−CD cavity. A variation in the HA proton coupling constant was also detected, implying that the interaction between the two species generates a conformational change in the NaSMR structure, as suggested in the UV−vis studies. A non−linear adjustment of the obtained data allowed the deduction of a binding constant for the β−CD + NaSMR system of 99 ± 60 dm3 mol−1. Through ITC, it was not possible to detect the interaction between NaSAs and CDs, since this technique shows some difficulties in the detection of not very stable complexes formed, with binding constants lower than 102 dm3 mol−1, such as the systems that are being studied. since the technique shows difficulties detecting the formation of unstable supramolecular complexes, with binding constants lower than 102 dm3 mol−1, such as the systems being studied. The synthesis of NSs was proceeded with β−CD. The substitution efficiency of precursors was determined by 1H−NMR, chemical structures were characterized by FTIR−ATR and thermal stability of NSs was evaluated with TGA. In adsorption tests it was reported that an increasion in the solid/liquid ratio (S/L) led to an increase in the removal efficiencies and a decrease in the adsorption capacities, respectively: 5,0% to 28,7% and 2,1 mg mL−1 to 0,2 mg mL−1 for NS CD−am6−CD; 9,7% to 49,9% and 14,9 mg mL−1 to 1,8 mg mL−1 for NS CD−am6=GLT=am6−CD; 6,7% to 66,1% and 13,0 mg mL−1 to 1,2 mg mL−1 for NS CD−am6−GLT−am6−CD. This order of efficiency is proportional to the amount of available groups in the structure of NSs that are able to form hydrogen bonds. Freundlich model is explains the variation in the obtained data in studies with NaSMR, having been obtained the parameters nF = 0,70 and KF = 0,11 mg1−1/nF g−1 L1/nF for NS CD−am6−CD and nF = 1,23 and KF = 3,74 mg1−1/nF g−1 L1/nF for NS CD−am6=GLT=am6−CD. The differences in these values reveal that with NS CD−am6−CD there is a process of cooperative physisorption with NaSMR multilayers through electrostatic interactions (unfavorable), while the adsorption mechanism of NS CD− am6=GLT=am6−CD seems to consist in a process essentially controlled by NaSMR multilayer chemisorption, justified by hydrogen bonds (favorable).

A resistência antimicrobiana aos antibióticos é um problema de saúde pública crescente em todo o mundo. O uso generalizado de antibióticos faz com que estes sejam considerados um novo grupo de poluentes ambientais, com um papel relevante na indução e disseminação de genes resistentes a antibióticos (ARGs) em vários habitats aquáticos. Os corpos de águas superficiais funcionam como um dos pontos críticos para a transferência de ARGs para o Homem, contribuindo para o aumento da resistência destes aos antibióticos. A presença de antibióticos nos diferentes corpos de água deve−se ao facto de serem solúveis, exibirem baixa volatilidade e serem dificilmente removidos através das atuais estratégias/tecnologias usadas nas estações de tratamento de águas residuais (ETARs). Neste sentido, torna−se urgente desenvolver novas e eficientes tecnologias para a remoção de antibióticos e, consequentemente, de ARGs da água, a fim de evitar a propagação da resistência aos antibióticos. Neste projeto foi estudada a interação entre ciclodextrinas (CDs) (α−CD, β−CD e γ−CD) e antibióticos de sulfonamidas de sódio (NaSAs) (NaSD, NaSMR e NaSMT), de forma a obter informações acerca dos complexos supramoleculares formados e otimizar o desenvolvimento de materiais adsorventes específicos, nanoesponjas (NSs) de β−CD (CD−am6−CD, CD−am6=GLT=am6−CD e CD−am6−GLT−am6−CD), para a sua aplicação em remediação ambiental através da remoção de NaSAs da água. Através da difusão isotérmica em líquidos (método de dispersão de Taylor), registaram−se fluxos acoplados contra−corrente que sugerem a formação de complexos entre CDs e NaSAs. A NaSMR apresenta a maior interação com as CDs estudadas, tendo−se obtido um valor de D12 ≈ − 1,45 × 10−10 m2 s−1 com a γ−CD. Uma mole de γ−CD consegue contra−transportar 0,301 mol de NaSMR. Os raios hidrodinâmicos (Rhi) das SA− mostraram que a cavidade da β−CD e γ−CD apresentam dimensões que capacitam a acomodação de uma maior parte da estrutura dos iões SA− em água. A estimativa das constantes de associação para a NaSMR vai até 10 dm3 mol−1 com a α−CD, até 20 dm3 mol−1 com a β−CD e até 30 dm3 mol−1 com a γ−CD. Nos estudos de UV−vis foram registadas alterações nos espetros da NaSMR com a adição de quantidades crescentes de β−CD e γ−CD, indicando uma mudança do microambiente da NaSMR como consequência da sua complexação na cavidade das CDs. As tendências relatadas demonstram que a β−CD e a γ−CD interagem com a NaSMR por processos diferentes. Através do método de Benesi−Hildebrand obtiveram−se constantes de associação de 26 dm3 mol−1 para o sistema β−CD + NaSMR e 93 dm3 mol−1 para o sistema γ−CD + NaSMR. A técnica 1H−RMN revelou que a adição de NaSMR à β−CD provoca uma alteração no ambiente químico dos protões internos da β−CD (H3 e H5) e dos protões da NaSMR, principalmente do protão HA (anel A da NaSMR), sugerindo a inclusão parcial deste na cavidade da β−CD. Também se observou uma variação da constante de acoplamento do protão HA, o que sugere que a interação entre as duas espécies provoca uma alteração conformacional na estrutura da NaSMR, como foi sugerido nos estudos de UV−vis. Um ajuste não linear dos dados obtidos permitiu estimar uma constante de associação para o sistema β−CD + NaSMR de 99 ± 60 dm3 mol−1. Através de ITC não foi possível detetar interação entre NaSAs e CDs, uma vez que a técnica mostra dificuldades em detetar a formação de complexos supramoleculares pouco estáveis, com constantes de associação inferiores a 102 dm3 mol−1, como é o caso dos sistemas estudados. Procedeu−se à síntese das NSs com β−CD. A eficiência de substituição dos precursores foi determinada por 1H−RMN, as estruturas químicas foram caraterizadas por FTIR−ATR e a estabilidade térmica das NSs foi avaliada por TGA. Nos ensaios de adsorção verificou−se que o aumento da razão sólido/líquido (S/L) levou a um aumento das eficiências de remoção e a uma diminuição das capacidades de adsorção, respetivamente: 5,0% a 28,7% e 2,1 mg mL−1 a 0,2 mg mL−1 para a NS CD−am6−CD; 9,7% a 49,9% e 14,9 mg mL−1 a 1,8 mg mL−1 para a NS CD−am6=GLT=am6−CD; 6,7% a 66,1% e 13,0 mg mL−1 a 1,2 mg mL−1 para a NS CD−am6−GLT−am6−CD. Esta ordem de eficiência é proporcional à quantidade de grupos disponíveis na estrutura das NSs para formar ligações de hidrogénio. O modelo de Freundlich explica a variação dos dados obtidos em estudos com a NaSMR, tendo−se obtido os parâmetros nF = 0,70 e KF = 0,11 mg1−1/nF g−1 L1/nF para a NS CD−am6−CD e nF = 1,23 e KF = 3,74 mg1−1/nF g−1 L1/nF para a NS CD−am6=GLT=am6−CD. As diferenças nestes valores revelam diferenças nas superfícies envolvidas na adsorção, sugerindo que com a NS CD−am6−CD ocorre um processo de fisissorção cooperativa em multicamadas de NaSMR, através de interações eletrostáticas (desfavoráveis), enquanto o mecanismo de adsorção da NS CD−am6=GLT=am6−CD parece consistir um processo essencialmente controlado por quimissorção em multicamadas de NaSMR, justificado por pontes de hidrogénio (favoráveis).