Введение

В современной фармацевтической индустрии проблема утилизации лекарственных средств с истекшим сроком годности является одной из наиболее острых экологических и экономических задач [1]. Ежегодно во всем мире появляются миллионы тонн фармацевтических отходов, значительную часть которых составляют препараты, которые не были использованы в установленные нормативами сроки. Вместе с тем, концепция «срока годности» иногда носит ознакомительный характер и базируется на гарантийных обязательствах производителя, а не на мгновенной потере терапевтической активности вещества. Исследования показывают, что некоторые лекарственные средства сохраняют свою химическую стабильность, фармакологическую активность и безопасность значительно дольше указанного на упаковке срока при соблюдении условий хранения [2]. Это открывает перспективы для разработки новых подходов к оценке качества просроченных препаратов и их вторичному использованию. Однако не все препараты обладают таким свойством, поэтому некоторые из них все же подвергаются утилизации. Традиционный подход к обращению с препаратами с истекшим сроком годности предполагает их термическую обработку, продукты которой причиняют вред почве, загрязняют атмосферу и нарушают естественный баланс экосистемы. В связи с этим тема данной исследовательской работы на сегодняшний день очень актуальна.

Целью данной работы являлось исследование возможности применения ь экологически безопасного фотохимического метода утилизации для некоторых классов лекарственных препаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать научную литературу о способах, используемых для уничтожения основных классов лекарственных веществ после истечения их срока годности.

2. Экспериментально установить оптимальные концентрации субстрата, окислителя и сенсибилизатора в процессе фото-Фентона для достижения максимальной степени деградации лекарственного препарата амоксициллина в разбавленных слабо кислых растворах при естественном освещении солнечным светом.

Предмет исследования – процесс обращения с лекарственными препаратами с истекшим сроком годности на этапе их вывода из гражданского оборота.

Гипотезой исследования является то, что некоторые препараты сохраняют свою терапевтическую активность даже после истечения заявленного срока годности при должных условиях хранения. Для утилизации препаратов могут применяться живые организмы (грибы или бактерии), которые будут питаться данными препаратами на специально отведенных для этого местах, или же будет применяться химический метод деградации.

Обзор литературы

В развитых странах для утилизации фармацевтических отходов в основном используется сжигание при очень высоких температурах [1]. Различие заключается лишь в том, что в США, например, существует государственная программа Take-back, где люди сдают лекарства с истекшим сроком годности в специальные ящики возле аптек, чтобы те, в свою очередь, были направлены на централизованное сжигание, а в Японии фармацевтические компании организовывают данный процесс самостоятельно, без участия государства.

В Китае же обеспокоены неэкологичностью данной методики и экспериментально создают участки, где фармацевтические отходы разлагают почвенные бактерии псевдомонады (Pseudomonas) или гриб аспергилл (Aspergillus) [3]. Однако эта разработка является экспериментальной и не распространена на государственном уровне.

В контексте некоторых стран существует также проблема сбора просроченных препаратов. Например, в странах Африки и Латинской Америки существует практика, когда испорченные лекарства цементируют и хоронят, а иногда просто выбрасывают [4]. Из-за этого в биосферу попадают ядовитые вещества, негативно влияющие на естественный круговорот веществ в природе, уничтожающие популяции чувствительных к различным воздействиям живых организмов, которые нарушают естественный ритм экосистем, накапливаются в организме человека и вызывают различные заболевания.

На данный момент самым распространённым из существующих методов утилизации фармацевтических отходов за неимением лучшего варианта является сжигание, поскольку химико-биологический метод, частично используемый в Китае, не изучен до конца и требует больших денег для дальнейших исследований. Соответственно, актуальной является разработка универсального и быстрого способа утилизации просроченных лекарственных препаратов с использованием безопасной для окружающей среды технологии.

Самым выгодным методом утилизации с точки зрения экономики и экологии является фотолиз. Фотолиз – это химический процесс, где под действием света (фотонов) разлагаются сложные химические соединения с образованием более простых молекул, радикалов или ионов. Данный процесс чаще всего протекает по радикальному механизму реакции. Альтернативой фотолизу является генерирование активных радикальных частиц химическими методами. Одним из наиболее распространенных вариантов таких процессов является реакция Фентона, в которой образуются гидроксильные радикалы, представляющие собой одну из наиболее активных форм кислорода. С целью ускорения выработки свободных радикалов в процессе Фентона используется ультрафиолетовый свет – так называемая реакция фото-Фентона. В работе [5] процесс фото-Фентона тестировался при очистке сточных вод реального промышленного предприятия, содержавших диклофенак, ибупрофен, напроксен, кетопрофена. В этом случае для большинства веществ была достигнута степень деградации, превышающая 90%, а для диклофенака и вовсе более 99%. Учитывая относительно невысокую концентрацию отходов лекарств в водах и высокую эффективность процесса Фентона оказалось достаточным использование сравнительно невысоких концентраций соли железа (II) и пероксида водорода, что выгодно как с экологической, так и экономической точки зрения.

Метод биоконверсии, где с помощью ферментов, выделяемыми живыми организмами, идет процесс деградации препаратов является менее выгодным, поскольку занимает достаточно длительный промежуток времени. Было также установлено, что традиционные методы очистки сточных вод от остатков лекарственных препаратов, такие как адсорбция и различные мембранные методы, являются по большей части неэффективными, ведь сами адсорбенты и мембраны лишь накапливают токсичные вещества, а не трансформируют их в нейтральные для окружающей среды соединения.

Таким образом, наиболее эффективным методом утилизации растворов лекарственных соединений является реакция фото-Фентона. Это видно на примере диклофенака, при утилизации которого с помощью данного метода был достигнут КПД в 99%. Механизм этого процесса является недорогим, что позволяет внедрить фотолиз в реальный сектор экономики. Тем не менее, в контексте масштабного использования, рассматривающегося в данном проекте, желательно достичь возможности использовать менее кислые растворы и более длинноволновой свет (например, солнечный).

Методы исследования

Для приготовления растворов лекарственных соединений использовалось стандартная лабораторная посуда и оборудование. Для построения кинетических кривых окисления субстратов и оценки степени их деградации записывали спектры поглощения рабочих растворов в видимой и ультрафиолетовой области на спектрофотометре SOLAR РВ 2201. Для обработки исходной информации, создания диаграмм и графиков использовались компьютерные технологии.

Основная часть

Как уже было упомянуто в теоретической части данного проекта, реакцию фото-Фентона можно использовать для деградации диклофенака и некоторых других лекарственных препаратов. Однако с целью возможности дальнейшей реализации этой задумки на государственном уровне необходимо подобрать такие количества реагентов, чтобы процесс шел за наименьшее время. Кроме того, необходимо сравнить эффективность процесса фото-Фентона в присутствии и в отсутствии добавок щавелевой кислоты, а также классического процесса Фентона. Для удобства оценки эффективности процесса деструкции в качестве модельного соединения, подвергающегося окислению, был выбран краситель метиленовый синий. Для выбора длины волны света был записан спектр поглощения разбавленного раствора метиленового синего с использованием спектрофотометра. Согласно полученным данным, была выбрана длина волны максимума поглощения 663 нм. Для проведения реакции окисления красителя были приготовлены следующие растворы: раствор H2O2 с концентрацией 2 г/л (6 мл 30%-ной H2O2 с плотностью 1,11 г/см3, довели до метки дистиллированной водой в мерной колбе на 1 л); раствор Fe3+с концентрацией 0,04 г/л (0,1 г FeCl36H2O, добавили 1 мл концентрированной соляной кислоты для подавления гидролиза, довели до метки дистиллированной водой в мерной колбе на 500 мл); раствор H2C2O4 с концентрацией 0,143 г/л (0,1 г H2C2O4∙2H2O довели до метки дистиллированной водой в мерной колбе на 500 мл); раствор метиленового синего с концентрацией 0,5 г/л (0,25 г метиленового синего довели до метки дистиллированной водой в мерной колбе на 500 мл).

После отработки методики эксперимента на модели с использованием метиленового синего было проведено исследование фотодеградации амоксициллина. Исходный раствор амоксициллина, содержащий 1 г/л активного вещества, приготовили перетерев в порошок две таблетки препарата «Амоксициллин ФТ 500 мг» и перемешав на магнитной мешалке с 500 мл воды. Полученную суспензию отфильтровали на бумажном фильтре с вакуумным насосом. Фильтрат перенесли в мерную колбу объемом 1л и довели дистиллированной водой до метки. Приготовленный раствор имел слабый запах характерный для амоксициллина, а спектрах поглощения наблюдались максимумы на длинах волн 229 нм и 272 нм, которые согласуются с указанными в известном спектрофотометрическом методе определения амоксициллина в фармацевтических препаратах [6].

Результаты и обсуждение

Для сравнения эффективности стандартного процесса Фентона и фото-Фентона были приготовлены растворы указанного ниже состава (опыты 1−4).

Таблица 1

Составы растворов для сравнения эффективности различных разновидностей процесса Фентона.

В опыте 1 раствор не потерял окраску через два часа, что подтверждалось измерениями оптической плотности. В опыте 2 за счет ускорения реакции при подкислении раствор интенсивность окраски раствора лишь слегка уменьшилась. Стоит отметить, что хотя во втором опыте концентрация пероксида водорода была сильно увеличена (количества метиленового синего и пероксида водорода соотносятся как 1:33 – оптимальное соотношение согласно данным статьи [7]), не наблюдалось заметного увеличения скорости окисления. Таким образом, классический метод Фентона не является выгодным с точки зрения утилизации просроченных лекарств.

Изменение оптической плотности раствора в ходе процессов фото-Фентона (опыты 3-4) представлены на рисунке 1. Согласно данным, представленным на графике 1, в опыте 4 окисление является более эффективным, чем в опыте 3, поскольку уже в первые 10 минут наблюдается резкое снижение оптической плотности. В опыте 3 процесс фотоокисления красителя идет намного медленнее. Различия в скорости процессов обусловлены добавлением в раствор 4 щавелевой кислоты, которая расширяет диапазон длин волн света, инициирующего фотоокисление, то есть делает возможным использование и видимого света.

Ранее на примере окисления метиленового синего было установлено, что процесс фото-Фентона с использованием триоксалатоферрата (III) калия является более быстрым, поэтому было принято решение об использовании именно этого реагента. Было проведено два опыта с разными концентрациями амоксициллина и пероксида водорода, в которых оптическая плотность растворов измерялась в интервале длин волн от 200 до 300 нм через определенные промежутки времени (рисунки 2, 3 и 4). Составы растворов и условия проведения опытов приведены в таблице 1.

Рисунок 1. – Зависимость оптической плотности раствора от времени, прошедшего с начала процесса для опытов 3 и 4.

Было проведено еще несколько реакций фото-Фентона с различными концентрациями пероксида водорода и амоксициллина. Для опыта 5 была подобрана концентрация амоксициллина 100 ppm, пероксида водорода – 320 ppm. На рисунке 2 представлено изменение спектра поглощения рабочего раствора с окисляемым амоксициллином во времени.

Анализ данных, представленных на рисунке 2, показывает, что за 170 минут амоксициллин не был минерализован, но появились новые интенсивные максимумы абсорбции, что может свидетельствовать о формировании промежуточных продуктов окисления. При продолжении данного процесса по завершению 8 часов можно добиться полной минерализации амоксициллина, что сопровождается исчезновением желтой окраски и характерного запаха антибиотика и промежуточных продуктов его окисления. Этот опыт демонстрирует возможность использования данных концентраций для проведения процесса Фентона.

Рисунок 2 – Изменение спектра поглощения амоксициллина со временем в опыте 5

Таким образом, в эксперименте была показана эффективность подобранных условий процесса фото-Фентона не только в отношении модельных веществ, но и в применении к реальным антибиотикам. С помощью солнечного света и добавок катализатора в небольшой концентрации можно экологично деградировать просроченные препараты до безопасных для окружающей среды компонентов.

Выводы

Результат эксперимента показал, что реакция фото-Фентона является наиболее эффективным, экологичным и экономически доступным методом для деградации просроченных препаратов до безопасных компонентов. По принципу действия он похож на биоконверсию, только в данном случае используется солнечный свет, а не живые организмы. В интенсифицированном эксперименте расширили диапазон используемых длин волн, что и сделало провести процесс на солнечном свету и в менее кислой среде, т.е. в условиях близких к естественной среде.