Development of solid materials for environmental remediation

Abstract

Esta dissertação de doutoramento centra-se em duas estratégias para a remediação e prevenção da acumulação de antibióticos (AB) no meio ambiente. A primeira, “a posteriori”, baseia-se no desenvolvimento de novos catalisadores, para a oxidação catalítica e fotocatalítica de antibióticos em água, enquanto que a segunda, “a priori”, centra-se na descoberta de novas formas sólidas farmacêuticas multicomponente com quantidade menores do antibiótico, de forma a reduzir o consumo do mesmo.No Capítulo 1 apresenta-se o problema dos antibióticos, da sua acumulação ambiental e o desenvolvimento da resistência antimicrobiana. Enfatizam-se os Processos de Oxidação Avançada, com uma análise crítica da literatura relativa ao uso de porfirinas como uma alternativa na oxidação catalítica de antibióticos. Por fim, é apresentado o desenvolvimento de novas formas sólidas farmacêuticas multicomponente como chave para melhorar as propriedades dos ingredientes farmacêuticos ativos (API) existentes.Após contextualização dos antibióticos selecionados, o Capítulo 2 é dividido em duas partes: primeiro avaliaram-se as propriedades catalíticas de metaloporfirinas, sendo a porfirina de manganês tetra-diclorofenil sulfonada (7) a mais eficaz, alcançando 95% de TMP oxidado em 150 min, à temperatura ambiente. Assim, este catalisador foi covalentemente imobilizado em nanopartículas magnéticas (14) e sílica funcionalizada (16), e os materiais resultantes caracterizados por técnicas de estado sólido. Após implementação na degradação de TMP usando H2O2 como oxidante, 16 permitiu obter 95% de degradação do TMP e 24% de libertação de carbono orgânico total (TOC) em 150 min à temperatura ambiente com TMP:Cat=500:1. Sete produtos de degradação foram identificados, uma possível via de degradação foi proposta e o catalisador foi recuperado e reutilizado em 5 ciclos sem perda significativa de atividade nem lixiviação. Por fim, a ecotoxicidade da solução do TMP inicial e dos produtos resultantes foi avaliada apresentando estes toxicidade semelhante.A segunda parte do Capítulo 2 descreve a fotooxidação do TMP, utilizando um fotoreator (lâmpada de Hg de média pressão 400 W). Um novo fotomaterial híbrido foi sintetizado incorporando a porfirina meso-tetra(2,6-diclorofenil) (6) na lignina acetilada e caracterizado através UV-Vis e TEM, sendo implementado na fotodegradação de TMP, sulfametoxazol and cotrimoxazol. A fotodegradação de cada substrato foi obtida utilizando uma relação AB:catalisador de 500:1 após 4 h, 20 min e 2 h, respetivamente, com 75%, 83% e 79% de remoção de TOC. Nenhuma perda significativa nem lixiviação foi detectada após 10 ciclos de reutilização em ambos os casos. Além disso, apenas dois produtos de fotodegradação (PPs) foram detetados para o TMP. Foi então avaliada a resistência de E.coli ao TMP ao longo de 10 dias, resultando num aumento da concentração mínima inibitória (MIC) do TMP em 1000 vezes. Após exposição à solução de PPs, não foi desenvolvida resistência, validando a eficiência do processo de fotodegradação.No Capítulo 3 é descrita a abordagem “a priori”, envolvendo o desenvolvimento de novas formas sólidas multicomponente baseadas em TMP para melhorar o desempenho do mesmo. Co-formadores apropriados e outros API foram selecionados com potencial para aumentar a solubilidade aquosa/velocidade de dissolução (VD) do TMP ou as suas propriedades antibacterianas. A triagem/desenvolvimento das formas sólidas multicomponente foi realizada usando uma abordagem mecanoquímica verde, assistida por etanol. Foram identificados 4 novos sais de TMP (1:1), com ácidos picolínico, salicílico, nicotínico (NIC) e ibuprofeno e sistemas com formação de eutécticos com paracetamol (PARA), curcumina (CURC) e ciprofloxacina (CIP), para os quais foram determinadas as composições eutécticas. Foi determinada a VD, verificando-se um aumento de 25% na VD do TMP ao usar o TMP-NIC e um aumento estatisticamente significativo de 5% com a mistura eutéctica TMP-PARA, ambos em comparação com o TMP. De seguida, a suscetibilidade da E. coli e S. aureus foi avaliada usando formas sólidas multicomponente selecionadas. Para a mistura TMP-CURC, uma diminução estatisticamente significativa do valor da MIC do TMP (de 0.98 a ~ 0.36 µg mL-1) foi determinada em E. coli, enquanto para S. aureus este valor aumentou de 3.54 a ~ 5.73 µg mL-1. Por fim, foi avaliada a suscetibilidade de E. coli ao TMP e à CIP individualmente, numa mistura equimolar e usando a composição estimada para o eutéctico, x_TMP = 0,85. Uma diminução na MIC para ambos os casos foi observada, demonstrando os benefícios da associação de dois antibióticos com mecanismos de ação diferentes, sendo esta uma possível solução clínica para uma melhoria da atividade antibacteriana.No Capítulo 4, encontram-se descritas as técnicas, instrumentação e procedimentos experimentais seguidos e a completa caracterização de todos os materiais e produtos, assim como os respetivos estudos biológicos efetuados.

The research presented in this PhD thesis aims to contribute with two strategies for the remediation and/or prevention of antibiotics’ environmental accumulation. The first, “a posteriori”, was focused on the development of new catalytic materials for aqueous catalytic and photocatalytic antibiotics oxidation, while the second, “a priori”, was centred on finding new pharmaceutical multicomponent solid-forms with lower antibiotic loads, for potential reduction in human intake.In Chapter 1, the problem is outlined, particularly on the use of antibiotics, their accumulation in water and development of antimicrobial resistance. Emphasis on Advanced Oxidation Processes (AOPs), particularly with a critical state of the art review on the use of porphyrins as valid alternatives in the catalyzed antibiotics’ oxidation is given. Finally, the development of new pharmaceutical multicomponent solid forms that may be key to improve the existing active pharmaceutical ingredients’ properties is also presented.After contextualization on the studied antibiotics, Chapter 2 is divided in two main parts: the first begins with a preliminary evaluation of metalloporphyrin catalytic properties in which the Mn(III) meso-tetra(2,6-dichloro-3-sulfonyl-phenyl)porphyrin (7) showed the best catalytic performance, reaching 95% of TMP oxidation in 150 min at room temperature. Hence, this catalyst was covalently immobilized onto MNPs (14) and 3-aminopropyl functionalized silica (16) and fully characterized by standard solid-state techniques. Then, after the implementation in TMP degradation using H2O2 as oxidant, 16 showed a 95% of TMP degradation and 24% of total organic carbon (TOC) release in 150 min at room temperature using a TMP:Cat ratio = 500:1. Additionally, 7 degradation products were identified, a possible degradation pathway was proposed and the catalyst was recovered and reutilized in 5 cycles with no loss of activity and no leaching. Finally, the ecotoxicity of the initial TMP and the resulting products’ solutions was evaluated, both showing similar toxicity.The second part of Chapter 2 describes TMP photodegradation, performed in a photoreactor (400 W medium pressure Hg lamp). A new hybrid photo-nanomaterial was developed by incorporating meso-tetra(2,6-dichlorophenyl)porphyrin (6) into acetylated lignin, characterized by UV-Vis and TEM and then, applied in the TMP, sulfamethoxazole and cotrimoxazole photodegradation. A complete photooxidation of each substrate was obtained using a 500:1 AB:Cat ratio and after 4 h, 20 min and 2h, respectively, achieved 75%, 83% and 79% of TOC removal. No loss of activity or photocatalyst leaching was found after 10 reutilization cycles in both cases. Only two photodegradation products (PPs) were identified for the TMP degradation. Finally, the E. coli resistance to TMP was determined after 10 days, resulting in a 1000-fold increase in the TMP minimum inhibitory concentration (MIC) while, after the exposure to PPs solution, no development of resistance was observed, validating the efficiency of the developed photodegradation process.Chapter 3 was focused on the upstream approach, involving the development of new TMP-based multicomponent solid-forms to improve TMP performance. Acceptable co-formers and other active pharmaceutical ingredients were selected, with potential to improve either TMP aqueous solubility/dissolution rate or its antibacterial properties. Screening/development of the TMP-based multicomponent solid-forms was performed using a green mechanochemical approach, assisted by ethanol. Four new (1:1) TMP salts were identified, with picolinic, salicylic, nicotinic (NIC) and ibuprofen acids, and eutectic forming systems with paracetamol (PARA), curcumin (CURC) and ciprofloxacin (CIP), which with eutectic compositions were determined. Dissolution rate tests were carried out, showing 25% enhancement of TMP dissolution rate when using TMP-NIC and a statistically significant 5% increase with the TMP-PARA eutectic mixture, always against pure TMP. Then, the E. coli and S. aureus susceptibility was evaluated against selected multicomponent solid-forms. The association with CURC in the eutectic composition exhibited a statistically significant decrease in the TMP MIC value (from 0.98 to ~ 0.36 µg mL-1) for E. coli, whereas an increase (from ~ 2.54 to ~ 5.73 µg mL-1) was found when tested against S. aureus. Finally, the E. coli susceptibility was also evaluated for TMP and CIP, individually, for an equimolar mixture and for the estimated eutectic composition, x_TMP = 0.85. A decrease in MIC was observed in both cases, demonstrating the benefits of associating two antibiotics with different mechanism of action, representing a possible clinical solution for antibacterial activity improvement.In Chapter 4, the instrumentation, the experimental procedures and the full characterization of synthesized compounds and materials as well as the biological assays are described.