MỞ ĐẦU Floroquinolon (FQs) là kháng sinh thế hệ thứ hai họ quinolon, FQs đã được xếp vào nhóm kháng sinh tổng hợp quan trọng và được sử dụng nhiều nhất trong y học cho người và thú y. Tuy nhiên, sự hiện diện của những kháng sinh khó phân hủy này trong nước thải sẽ gây nguy hiểm cho sức khỏe con người. Mặc dù hàm lượng kháng sinh trong môi trường nước thấp, nhưng sự tích tụ lâu dài và gia tăng nồng độ đầu vào của kháng sinh tạo thành nguy cơ tiềm ẩn lâu dài cho các sinh vật thủy sinh và còn người. Đây là một trong những nguyên nhân gây nên hiện tượng kháng kháng sinh và gia tăng vi khuẩn kháng thuốc, gây ra mối đe dọa đối với con người.
Ofloxacin là một trong số những FQs được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm, có hoạt tính kháng khuẩn cao chống lại cả vi khuẩn gram âm và gram dương thông qua quá trình ức chế DNA. Ofloxacin được tìm thấy với nồng độ khá cao trong nước và nước thải. Do vậy, việc loại bỏ dư lượng kháng sinh ofloxacin khỏi môi trường nước là rất cần thiết. Có nhiều phương pháp bao gồm xúc tác quang, quá trình oxy hóa nâng cao, phân hủy sinh học, keo tụ điện hóa, oxy hóa điện hóa và hấp phụ đã được nghiên cứu để loại bỏ dư lượng kháng sinh ra khỏi môi trường.
Tuy nhiên, hấp phụ là phương pháp được sử dụng rộng rãi để loại bỏ ô nhiễm FQs trong nước do quy trình xử lý đơn giản, dễ vận hành, chi phí thấp, tính hiệu quả và mức độ chọn lọc cao. Vật liệu compozit trên nền chitosan đã được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu bởi dung lượng hấp phụ cao, có tính tương thích sinh học, được coi là vật liệu thân thiện với môi trường. Tuy nhiên việc tổng hợp và sử dụng loại vật liệu này để làm chất hấp phụ nói chung và chất hấp phụ kháng sinh trong nước nói riêng vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi chọn đề tài: “Ứng dụng phương pháp quang phổ UV-Vis nghiên cứu khả năng loại bỏ kháng sinh họ floroquinolon ra khỏi môi trường nước bằng vật liệu hấp phụ” 2 Mục tiêu của đề tài: - Đánh giá khả năng sử dụng phương pháp UV-Vis để xác định hàm lượng kháng sinh ofloxacin trong nước.
- Khảo sát việc loại bỏ kháng sinh ofloxacin ra khỏi dung dịch nước bằng vật liệu hấp phụ dạng compozit chitosan-Fe3O4 thông qua các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ: pH, thời gian hấp phụ và nồng độ ban đầu của ofloxacin. - Khảo sát khả năng hấp phụ đồng thời của hai kháng sinh oflocaxin và ciprofloxacin trên vật liệu hấp phụ chitosan-Fe3O4 trong nước. Tổng quan chung về kháng sinh 1. Giới thiệu chung.
Theo Meyers, kháng sinh là những chất có tác dụng ức chế sự trao đổi chất của vi khuẩn do các vi sinh vật, nấm tạo ra đặc biệt là các chất kháng sinh được tinh chế từ các loài nấm thuộc họ Streptomycetes. Nhưng đến nay việc bào chế ra những dẫn xuất của những chất này được thông qua con đường bán tổng hợp.“Một số thuốc được tổng hợp hoàn toàn trong phòng thí nghiệm, được gọi là (chemotherapeutica) hoá chất điều trị, ví dụ sulfamid.”Hai thuật ngữ kháng sinh (antibiotica) và hoá chất điều trị (chemotherapeutica) là tên song đôi của kháng sinh, do lịch sử để lại [1], [2] Ngày nay kháng sinh (antibiotics) được định nghĩa là những chất kháng khuẩn (antibacterial substances) được tạo ra bởi các chủng vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, Actinomycetes), được tổng hợp hoặc bán tổng hợp, có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hay kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn một cách đặc hiệu. Trong số các loại dược phẩm, thuốc kháng sinh là chất duy nhất có thể tác động lên mầm bệnh mà không ảnh hưởng đến tế bào và mô của con người một cách chọn lọc. Danh pháp "kháng sinh" thường được sử dụng để đại diện cho bất kỳ loại phân tử hữu cơ nào có thể ức chế hoặc tiêu diệt mục tiêu vi khuẩn một cách hiệu quả, bất kể đặc điểm sinh học và nguồn phân loại của chúng [1], [2] Dựa theo cấu trúc hóa học, thuốc kháng sinh có thể được phân loại thành 9 nhóm: Beta-lactam, Aminoglycosid, Macrolid, Lincosamid, Phenicol, Tetracyclin, Peptid, Quinolon và các nhóm kháng sinh khác, trên mỗi nhóm lại bao gồm các phân nhóm khác nhau [1], [2] 1.
Kháng sinh ofloxacin và ciprofloxacin Ofloxacin (C18H20FN3O4) (hình 1.1) là thuốc kháng sinh thế hệ thứ 3 thuộc nhóm floroquinolon. Tên gọi IUPAC: 9-fluoro-2,3-dihydro-3-methyl-10-(4- 4 methyl-1-piperazinyl)-7-oxo-7H-pyrido [1,2,3-de]-[1,4] benzoxazine-6- carboxylic acid). Ofloxacin còn có tên gọi khác là: floxin, ocuflo. OFX có khối lượng phân tử: 361,368 g/mol.
OFX ở dạng tinh khiết và hidroclorat đều là tinh thể màu trắng; Thời gian bán hủy: khoảng 8-9 giờ; Nhiệt độ nóng chảy từ 250 ÷ 257 °C; OFX tan trong dung dịch nước có pH từ 2-5, tan tự do trong dung dịch pH=9 [3], [4]; Giống như ciprofloxacin, nhưng ofloxacin có khả dụng sinh học cao hơn khi uống (trên 95%). Ofloxacin có phổ kháng khuẩn rộng bao gồm Enterobacteriaceae, Pseudomonas aeruginosa, Haemophilus influenzae, Neisseria spp., Staphylococcus, Streptococcus pneumoniae và một vài vi khuẩn Gram dương khác. Ofloxacin có tác dụng mạnh hơn ciprofloxacin đối với Chlamydia trachomatis, Ureaplasma urealyticum, Mycoplasma pneumoniae. Nó cũng có tác dụng đối với Mycobacterium leprae và cả với Mycobacterium tuberculosis và vài Mycobacterium [3], [5] Hình 1.
Công thức cấu tạo của ofloxacin OFX được sử dụng rộng rãi trên thị trường trong các sản phẩm dược ở dạng dung dịch, viên nang, thuốc tiêm, thuốc truyền, thuốc bôi ngoài da, … Một số sản phẩm dược có chứa OFX được trình bày trong hình 1. Dạng tồn tại của OFX trong dung dịch phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. OFX có hai giá trị pKa, pKa1 = 5,77 và pKa2 = 8,44. Do vậy, nếu pH < pKa1 phân tử tồn tại ở dạng cation; nếu pH nằm trong khoảng pKa1 - pKa2 phân tử tồn tại ở dạng zwitterionic OFX±; nếu pH > pKa2 phân tử tồn tại ở dạng anion.
5 Cấu trúc phân tử cụ thể của OFX tại các giá trị pH khác nhau được thể hiện trong hình 1. Một số sản phẩm dược có chứa ofloxacin trên thị trường Hình 1. Dạng tồn tại của OFX tại các giá trị pH khác nhau Ciprofloxacin (CFX) là loại thuốc kháng sinh thuộc thế hệ thứ 2 nhóm quinolon. Công thức hóa học của CFX: C17H18FN3O3 Hình 1.4 Công thức cấu tạo của CFX 6 Tên gọi IUPAC: (1-cyclopropyl-6-fluoro-1,4-dihydro-4-oxo-7-(1- piperazinyl)-3.
Tên gọi khác: Ciloxan, Cipro, Cipro- XR, Ciproxlin, Ciproflox hay Cacboxylic acid. CFX có khối lượng phân tử là 311,346 g/mol. Dạng tinh khiết và hidroclorat của CFX đều là tinh thể có màu vàng nhạt. Thời gian bán hủy: khoảng 4 giờ.
Nhiệt độ nóng chảy từ 318 ÷ 320 °C. CFX tan nhiều trong nước, đặc biệt là ở dạng muối hidroclorua [1, 2]. CFX hoạt động bằng cách ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn với khả năng kháng khuẩn rộng. Đây là một loại hoạt chất thường thấy trong các thuốc kháng sinh dùng điều trị nhiều bệnh nhiễm khuẩn khác nhau như hô hấp, tiết niệu, sinh dục (viêm cổ tử cung do lậu, viêm tuyến tiền liệt mạn), ruột (tiêu chảy, thương hàn).
Sự khác biệt cao nhất so với các kháng sinh khác là CFX có thể được sử dụng cả đường uống và đường tiêm, nhưng đường uống dùng thuận lợi hơn. CFX được hấp thụ tốt và phân tán xa, rộng vào chất lỏng và các mô khác nhau của cơ thể. Ngoài ra, thuốc còn có tác dụng cộng hưởng với các nhóm kháng sinh khác (như betalactam, aminozid). Một số loại thuốc kháng sinh dạng ciprofloxacin 7 Ưu điểm lớn nhất của CFX là khả năng ức chế enzym gryrase một loại enzym có khả năng làm thay đổi số lượng xoắn trong cấu trúc DNA làm giảm sinh sản của vi khuẩn một cách nhanh chóng.
Nhờ đó, chỉ sau một khoảng thời gian ngắn sử dụng, thuốc sẽ kiểm soát được tình trạng bệnh, đồng thời ngăn ngừa sự tăng sinh và tấn công của vi khuẩn gây bệnh [1, 2]. Trong khi đó,“các nhóm kháng sinh khác (như betalactam, aminozid), không ức chế enzym gryrase rất dễ bị vi khuẩn kháng. Ngoài ra ciprofloxacin 0,3% còn nằm trong thành phần của các loại thuốc dùng để nhỏ mắt, nhỏ tai để điều trị các bệnh như viêm kết mạc, viêm hoặc loét giác mạc và viêm tai. Một số loại thuốc có chứa ciprofloxacin sử dụng trên thị trường hiện nay được thể hiện trong hình 1.
Ảnh hưởng của thuốc kháng sinh và tình hình ô nhiễm thuốc kháng sinh ở Việt Nam và thế giới Thuốc kháng sinh được coi là chất gây ô nhiễm môi trường mới nổi hiện nay được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Do việc sử dụng nhiều loại thuốc kháng sinh cho các mục đích chữa bệnh, thú y và nông nghiệp, việc phát thải kháng sinh không chủ ý có thể gây ô nhiễm môi trường và đặt ra nhiều vấn đề sinh thái. Dư lượng của thuốc kháng sinh thú y và người gần đây đã được phát hiện trong nhiều loại chất nền, đặc biệt là trong hệ thống nước như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước ngầm, nước bề mặt và nước uống. Hiện nay, với việc sử dụng ngày càng nhiều kháng sinh trong y tế cho người và thú y, việc sản xuất thuốc kháng sinh đã vượt xa mọi ranh giới.
Thông thường, kháng sinh có thể được thải ra môi trường qua các con đường khác nhau như: quy trình sản xuất trong ngành, nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi, nước thải bệnh viện, nuôi trồng thủy sản, tưới bằng nước ngầm/ bề mặt/ chất thải bị nhiễm kháng sinh, và việc vứt bỏ thuốc không sử dụng hoặc 8 hết hạn không hợp lý. Một số nghiên cứu cho thấy việc tiếp xúc lâu dài với thuốc kháng sinh (ở hàm lượng μg/L hoặc mg/L) đều có thể có ảnh hưởng quan trọng đến trọng lượng cơ thể và sự tăng trưởng của sinh vật thủy sinh. Trên thực tế, sự hiện diện của vi khuẩn kháng kháng sinh và gen kháng thuốc kháng sinh trong nước hiện đã trở thành mối quan tâm lớn do tính độc hại đối với hệ sinh thái của chúng. Quan trọng hơn, các nghiên cứu gần đây báo cáo rằng vi khuẩn kháng thuốc của động vật được nuôi trong các trang trại có thể truyền sang người tiêu dùng qua các sản phẩm thịt, gây nhiễm trùng ở người và các hậu quả không tốt cho sức khỏe khác [7], [8] Những nghiên cứu về mức độ ô nhiễm thuốc kháng sinh cho thấy, lượng kháng sinh phát hiện ở mức báo động trong các mẫu nước trên toàn thế giới.
Ý là quốc gia với sự xuất hiện của các mẫu nước tồn dư kháng sinh ở mức đáng lo ngại.