Depressionen werden oft durch Stress verursacht und führen zu einem hohen Verbrauch an Antidepressiva. Ein solches Antidepressivum ist Fluoxetin HCL (FLX), das weltweit am häufigsten verwendet wird. Studien haben ergeben, dass etwa 70 % der FLX-Dosen mit dem Urin und den Fäkalien ausgeschieden werden, was zu hohen FLX-Konzentrationen im Abwasser führt. Dies kann selbst bei niedrigen Konzentrationen negative Auswirkungen auf die Umwelt sowie auf die Gesundheit von Mensch und Tier haben.
ÜBERSICHT
FLX in Gewässern
Eine aktuelle Studie, die Nature Scientific Reports erschienen ist, zeigt, dass FLX und seine Nebenprodukte in Gewässern häufig in Konzentrationen von bis zu 22 μg L-1 vorhanden sind. FLX wurde in Asien-Pazifik, Europa und Nordamerika in hohen Konzentrationen von 3,4 und 2,7 g/L in Zu- und Abwässern gefunden. Der Risikoquotient (RQ) für FLX weist auf ein mittleres bis hohes Risiko für aquatische Arten hin, mit einem berechneten RQ von 1,5. Mehrere Versuche, FLX aus dem Wasser zu entfernen, waren erfolglos, da das FLX nicht vollständig entfernt werden konnte. Für die Entfernung von Arzneimitteln aus Abwasserströmen stehen im Allgemeinen mehrere Technologien zur Verfügung, z. B. fortgeschrittene Oxidationsverfahren, heterogene Photokatalyse, Ozonierung, elektrochemische Oxidation, Membranbehandlung und Adsorption.
Gängige Adsorptionsverfahren
Als Adsorption bezeichnet man die Anlagerung der Atome oder Moleküle von Flüssigkeiten oder Gasen an eine feste Oberfläche. Mit diesem Verfahren können kationische, anionische oder organische Schadstoffe aus Abwasserströmen entfernt werden, indem die Schadstoffe durch Komplexbildung oder Ionenaustauschmechanismus an der Außenfläche des Adsorptionsmittels aufgenommen werden. Die Adsorption ist ein vielseitiges und kosteneffizientes Verfahren zur Entfernung von Schadstoffen aus Abwässern, das geringe Anfangsinvestitionen und ein einfaches Design des Adsorbers erfordert, während es gleichzeitig einfach zu betreiben ist und eine hohe Effizienz bei der Schadstoffentfernung aufweist.
Darüber hinaus eignet sich die Adsorption für niedrige Adsorbatkonzentrationen, kann im Chargen- oder Dauerbetrieb eingesetzt werden, verbraucht wenig Energie und die Adsorptionsmittel können regeneriert und wiederverwendet werden. All diese Vorteile haben dazu geführt, dass die Adsorption für die Beseitigung von pharmazeutischen und anderen Schadstoffen angepasst wurde, wobei eine breite Palette von Adsorbentien untersucht wurde, die eine hohe Effizienz und niedrige Kosten aufweisen. Studien haben gezeigt, dass Biosorbentien auf Abfallbasis wie granulierte Aktivkohle (GAC), synthetische Zeolithe und Materialien wie Kaffeesatz, Pinienrinde und Korkabfälle Schadstoffe wie FLX wirksam entfernen können. Frühere Studien ergaben, dass die maximalen Adsorptionskapazitäten bei 6,41 mg/g und 5,076 mg/g lagen, wenn Biokohle aus Forst- und Lebensmittelabfällen bzw. vernetztes β-Cyclodextrin-Carboxymethylcellulose-Polymer verwendet wurde.
Was ist der Ansatz der neuen Studie?
In der neuen Studie wurde ein effektiveres Adsorptionsmittel entwickelt, indem ein ternäres Doppelhydroxid (LDH) mit Aktivkohle kombiniert wurde, um FLX aus dem Abwasser zu entfernen.
Neben der Adsorption konzentrierten wir uns auch darauf, eine Lösung für die Entsorgung der gebrauchten Adsorptionsmittel zu finden. FLX wird häufig zur Behandlung von Depressionen, Schlafstörungen, Panikattacken, Bulimia nervosa und Zwangsstörungen eingesetzt. Wir untersuchten die Verwendung von verbrauchtem Adsorptionsmittel als Arzneimittelträger, um die Freisetzung von FLX zu bewerten, einem wichtigen Arzneimittel zur Verlängerung der Wirkung von Schlaf oder als Hypnotikum. Die verzögerte Freisetzung von FLX ist notwendig, um Probleme wie die verlängerte Einschlafzeit, die erhöhte Anzahl und Dauer des Aufwachens während des Schlafs, die verringerte Schlafeffizienz und das frühe Aufwachen am Morgen zu bewältigen, die Anzeichen für einen gestörten Schlaf bei Patienten mit Depressionen sind. Derzeit wird eine neue FLX-Formulierung zur Behandlung von Schlafstörungen und Depressionen untersucht. In der Studie wird ein Nanokomposit als Adsorptionsmittel für die Entfernung von FLX untersucht und seine Leistung als Antidepressivum in einem Schlafmodell bewertet.
Methodik der Untersuchungen
In dieser Studie wurde ein Nanokomposit aus ternärem ZnCoAl-Doppelschichthydroxid auf Aktivkohle (LAC) als Adsorptionsmittel für FLX in Abwässern verwendet. Das Nanokomposit wurde mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Rasterelektronenmikroskop (SEM), Transmissionselektronenmikroskop (TEM), Röntgenbeugung (XRD) und Oberflächenanalyse (BET) charakterisiert. Die Adsorptionsuntersuchungen zeigten, dass die maximale Entfernungskapazität bei einem pH-Wert von 10, einer Adsorptionsmitteldosis von 0,1 g/l, einem Volumen von 50 ml der Lösung und einer Temperatur von 25 °C erreicht wurde. Der FLX-Adsorptionsprozess folgte dem Langmuir-Freundlich-Modell mit einer maximalen Adsorptionskapazität von 450,92 mg/g bei einer FLX-Konzentration von 50 µg/ml. Zur Untersuchung des Adsorptionsmechanismus von FLX und seiner protonierten Spezies wurden Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt. Die Sicherheit und Toxizität des durch die Adsorption von FLX an LAC gebildeten Nanokomposits (FLX-LAC) wurde an männlichen Albinoratten untersucht. Die akute Toxizität wurde mittels Probit-Analyse nach 2, 6 und 24 Stunden bewertet, um die LD50- und LD100-Werte in einem Rattenmodell zu bestimmen. FLX-LAC (20 mg/kg) erhöhte und verlängerte die Schlafdauer der Ratten signifikant, was insbesondere bei häufig verwendeten Antidepressiva wichtig ist, im Vergleich zu reinem Standard-FLX (7 mg/kg), normalem Thiopental-Natrium-Medikament (30 mg/kg) und LAC allein (9 mg/kg).
Ergebnisse und Diskussion
Das Nanokomposit aus ternärem ZnCoAl-Doppelschichthydroxid auf Aktivkohle (LAC) zeigte vielversprechende Ergebnisse als Adsorptionsmittel für die Entfernung von FLX aus Abwässern.Die maximale Adsorptionskapazität des Nanokomposits lag bei 450,92 mg/g bei einer FLX-Konzentration von 50 µg/ml.Es wurde festgestellt, dass das Langmuir-Freundlich-Modell den Adsorptionsprozess am besten beschreibt.Das Nanokomposit wies eine große Oberfläche auf, was zu seiner hohen Adsorptionskapazität beitrug.Der Adsorptionsmechanismus von FLX auf dem Nanokomposit wurde mit Hilfe von Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht, die Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen FLX und der Oberfläche des Adsorptionsmittels gaben.
Zusätzlich zu seinen Adsorptionseigenschaften zeigte das Nanokomposit auch sein Potenzial als Antidepressivum.In einem Rattenmodell erhöhte und verlängerte das FLX-LAC-Komposit die Schlafdauer der Ratten im Vergleich zu reinem Standard-FLX, regulärem Thiopental-Natrium-Medikament und LAC allein erheblich. Dies deutet darauf hin, dass der FLX-LAC-Verbundstoff als Schlafmittel für Patienten mit Schlaflosigkeit oder Schlafstörungen verwendet werden könnte.
Die Verwendung von verbrauchtem Adsorptionsmittel als Antidepressivum ist ein neuartiger Ansatz, der eine nachhaltige Lösung für die Entsorgung von gebrauchten Adsorptionsmitteln bietet. Durch die Wiederverwendung des verbrauchten Adsorptionsmittels entfernt der FLX-LAC-Verbundstoff nicht nur FLX aus dem Abwasser, sondern bietet auch einen therapeutischen Nutzen.
Diese Doppelfunktionalität macht es zu einem wertvollen Material für ökologische und medizinische Anwendungen.
Schlussfolgerung
Das kohlenstoffgestützte ternäre Doppelhydroxid-Nanokomposit hat großes Potenzial für die Entfernung von Fluoxetin (FLX) aus Abwässern gezeigt. Das Nanokomposit wies eine hohe Adsorptionskapazität auf und folgte dem Langmuir-Freundlich-Modell. Darüber hinaus zeigte das Nanokomposit antidepressive Eigenschaften, da es die Schlafdauer von Ratten deutlich erhöhte und verlängerte. Dies deutet auf eine mögliche Verwendung als Schlafmittel für Patienten mit Schlaflosigkeit oder Schlafstörungen hin.
Die Verwendung von verbrauchtem Adsorptionsmittel als Antidepressivum bietet eine nachhaltige Lösung für die Entsorgung gebrauchter Adsorptionsmittel. Durch die Wiederverwendung des verbrauchten Adsorptionsmittels entfernt der FLX-LAC-Verbundstoff nicht nur FLX aus dem Abwasser, sondern bietet auch einen therapeutischen Nutzen. Diese Doppelfunktionalität macht es zu einem wertvollen Material für Umwelt- und medizinische Anwendungen.
Weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind erforderlich, um die Synthese und die Leistung des ternären geschichteten Doppelhydroxid-Nanokomposits auf Kohlenstoffbasis zu optimieren. Darüber hinaus sind Studien über die langfristigen Auswirkungen und die Sicherheit des Verbundstoffs erforderlich, um seine Eignung für medizinische Anwendungen zu gewährleisten. Insgesamt unterstreicht diese Studie das Potenzial von Nanokompositen sowohl für die Umweltsanierung als auch für therapeutische Zwecke.
Quelle
- Mahgoub, S.M., Essam, D., Eldin, Z.E. et al. Carbon supported ternary layered double hydroxide nanocomposite for Fluoxetine removal and subsequent utilization of spent adsorbent as antidepressant. Sci Rep 14, 3990 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-53781-y
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