ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, các dược phẩm đang được sử dụng rất phổ biến trong điều trị bệnh cho người, vật nuôi và cây trồng, mang lại nhiều lợi ích to lớn. Tuy vậy, việc sử dụng kháng sinh thiếu kiểm soát dẫn đến những ảnh hưởng lớn đối với môi trường, bao gồm cả chất lượng nước. Dư lượng của nhiều dược phẩm, kháng sinh đã được phát hiện trong các nguồn nước như nước sông, nước thải từ các hệ thống xử lý nước, và thậm chí nước ngầm [1-10]. Điều này gây ra các quan ngại về khả năng kháng thuốc kháng sinh của một số vi khuẩn do có điều kiện tiếp xúc lâu dài với dư lượng thuốc kháng sinh, dẫn đến việc điều trị các bệnh viêm nhiễm do các vi khuẩn này gây ra gặp khó khăn.
Để góp phần khắc phục tình trạng này, bên cạnh việc nâng cao nhận thức của người dân trong sử dụng thuốc, việc nghiên cứu thử nghiệm các phương pháp mới trong quá trình xử lý nước, nước thải cũng nhận được nhiều sự quan tâm, nhằm mục đích phân hủy, chuyển hóa hoàn toàn các dư lượng thuốc này thành các hợp chất mới dễ phân hủy sinh học, ít nguy hại hơn. Chiếu xạ tia Gamma từ nguồn Co60 dùng trong xử lý nước là một phương pháp mới đang được nghiên cứu [11-13]. Thực tế chiếu xạ tia Gamma đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như điều trị bệnh ung bướu, kiểm định chất lượng sản phẩm, thanh trùng nông sản, … Chiếu xạ tia Gamma cũng được xếp vào nhóm các quá trình oxi hóa nâng cao (AOPs) [14] do phản ứng xạ phân nước hình thành nên gốc tự do Hydroxyl ●OH có thế oxi hóa + 2,7V được cho là sẽ phản ứng một cách không chọn lọc với hợp chất khảo sát để tạo thành các sản phẩm chuyển hóa. Quá trình này có nhiều ưu điểm là: (1) Không cần sử dụng thêm các hóa chất khác cho việc tạo thành các gốc tự do, phần tử hoạt động (●OH; ●H; eaq- ); (2) Quá trình phân hủy sẽ kết hợp với quá trình khử trùng nước; (3) Hệ thống có thể áp dụng ở quy mô lớn một cách đơn giản.
Luận văn này đặt ra mục tiêu khảo sát quá trình chuyển hóa của Sulfamethoxazole trong các mẫu nước bị chiếu tia Gamma. Hiệu suất phân hủy, tốc độ phản ứng và các sản phẩm chuyển hóa được đánh giá sử dụng thiết bị sắc kí lỏng kết nối đầu dò UV (HPLC/DAD) và kết nối đầu dò khối phổ kỹ thuật thời gian bay (LC - TOF - MS).1 Khái quát về Sulfamethoxazole [15-18] I.1 Nguồn gốc Sulfamethoxazole (SMX) – công thức phân tử C10H11O3N3S – có tên theo IUPAC 4-Amino-N-(5-methylisoxazol -3-yl) benzenesulfonamide, các tên thương mại Gantanol, Urobak, Sinomin, Sulfisomezole, Metoxal, Radonil. SMX là kháng sinh tổng hợp họ sulfonamide, có số đăng ký CAS 723-46-6, được sử dụng phổ biến trong điều trị các bệnh liên quan đến truyền nhiễm gây ra bởi các vi khuẩn Speptococci, Gonococci, Pneumococci và Staphylococci hay khuẩn que colon.2 Tính chất vật lý Ở điều kiện thông thường, SMX tinh khiết có dạng tinh thể rắn màu trắng hay trắng ngả vàng, nóng chảy ở nhiệt độ 167oC, hằng số Henry 9,56.m3/mol, ít tan trong nước (610 mg/L ở nhiệt độ 37oC) và dung môi hữu cơ không phân cực (hệ số phân bổ SMX giữa octanol và nước Kow = 0,9). SMX không tan trong diethyleter và chloroform, tan nhiều trong rượu etylic (1 g / 50 ml) và trong axeton (1 g / 3 ml).3 Đặc trưng cấu trúc Với công thức cấu tạo như trên Hình 1-1, SMX có hai giá trị hằng số phân ly (ở 25 0 C) là pKa1 = 1,85 và pKa2 = 5,6.
Do đó mặc dù ít tan trong nước nhưng SMX dễ tan trong dung dịch kiềm và axit loãng. Dạng tồn tại của SMX trong 2 môi trường này khác nhau nên phổ hấp thu UV của chúng cũng khác nhau, thể hiện trên Hình 1-2. Hình 1-3 thể hiện phổ hấp thu hồng ngoại của mẫu SMX rắn, với 6 peak chính, ứng với các số sóng: 1145, 1160, 1599, 1621, 685, 1306 cm-1. Phổ khối của mẫu SMX thu được với kỹ thuật ion hóa bằng bắn phá điện tử thể hiện trên Hình 1-4 với các phân mảnh chủ yếu ứng với m/z = 156, 92, 108, 65, 140, 253, 157, 43.4 Phương pháp điều chế SMX được điều chế từ phản ứng Sulfonyl hóa 3-amino-5-methyl-isoxazole với 4- acetylaminobenzenesulfonyl clorua, sau đó axit hóa để khử nhóm Axetyl (Hình 1-5).
-2- Hình 1-1 Công thức cấu tạo của Hình 1-2 Phổ hấp thu UV của dung dịch SMX Sulfamethoxazole trong môi trường axit (đường liền, λmax ~ 265 nm) và kiềm (đường rời, λmax ~ 255 nm). Hình 1-3 Phổ hồng ngoại của SMX Hình 1-4 Phổ khối của SMX Hình 1-5 Sơ đồ phản ứng tổng hợp SMX I.5 Chuyển hóa SMX trong cơ thể người [5] Sau khi SMX được đưa vào cơ thể người theo đường miệng, SMX sẽ bị chuyển hóa một phần với thời gian bán hủy trong huyết tương ~ 9 ÷ 12 giờ. Khoảng 45 ÷ 70 % liều dùng được bài tiết qua đường nước tiểu trong 24 giờ, trong đó ~ 15 ÷ 25 % ở dạng SMX (chưa chuyển hóa), ~ 43% dạng N4-acetyl-sulfamethoxazole (Ac-SMX), ~ -3- 9 ÷ 15% dạng SMX-N1-glucuronide (SMX-Glu), và một số sản phẩm khác. Hình 1-6 thể hiện sơ đồ đường chuyển hóa của SMX.
Hình 1-6 Sơ đồ chuyển hóa của SMX trong cơ thể I.2 Sulfamethoxazole trong môi trường nước và khả năng phân hủy Trong nước mặt, các hợp chất kháng sinh họ Sulfonamide được xem là bền vững với các quá trình phân hủy sinh học tự nhiên. Kết quả khảo sát của dịch vụ địa lý Mỹ (US Geological Service) cho thấy dư lượng SMX xuất hiện nhiều trong các sông suối với tần suất lên tới 27% số mẫu khảo sát [8]. Boreen và cộng sự khảo sát quang phân của 5 hợp chất Sulfonamide: Sulfamethoxazole, Sulfisoxazole, Sulfamethizole, Sulfathiazole và Sulfamozole [19]. Kết quả cho thấy tốc độ quang phân của các chất này phụ thuộc vào nhóm dị vòng R (5 cạnh) cũng như pH của dung dịch khảo sát.
Trong đó SMX quang phân kém nhất. Các sản phẩm quang phân cũng đã được khảo sát, trong các sản phẩm chính của cả 5 chất khảo sát đều có Sulfanilic acid. Sơ đồ quang phân thể hiện trên Hình 1-7. -4- Hình 1-7 Sơ đồ các sản phẩm có thể hình thành trong phản ứng quang phân trực tiếp các Sulfonamide Martina Periša thực hiện phản ứng quang phân hủy các hợp chất Sulfonamide: Sulfamethazine (SMT), sulfadiazine (SDZ), sulfamethoxazole (SMX) và các chất chuyển hóa dạng N4-acetylate của chúng là: N4-acetylsulfadiazine, N4 - acetylsulfamethazine, N4-acetylsulfamethoxazole bởi ánh sáng mặt trời mô phỏng sử dụng đèn Xenon [20].
Qua đó đã xác định được hiệu suất và nhận dạng được các sản phẩm quang phân bằng phương pháp sắc kí lỏng ghép khối phổ hai lần (LC-MS/MS). Các hợp chất khảo sát phân hủy với hiệu suất ~ 88 ÷ 98% trong 24 giờ chiếu đèn, ngoại trừ sulfamethazine (52%). Tốc độ quang phân tuân theo qui luật động học của phản ứng bậc một biểu kiến. pH của dung dịch đóng vai trò quan trọng đối với tốc độ quang phân, trong đó SDZ, SMT và các sản phẩm chuyển hóa của chúng có tốc độ quang phân chậm hơn trong môi trường axit, nhưng tốc độ quang phân SMX và sản phẩm chuyển hóa của nó lại giảm khi pH tăng.
Điều này cho thấy tốc độ quang phân chịu ảnh hưởng rất lớn bởi trạng thái tồn tại của từng chất trong dung dịch, tùy theo giá trị pH. Tổng cộng chín sản phẩm quang phân đã được giải phổ, trong số đó đồng phân Tautomers của SMX và các sản phẩm khử sulfonate của SDZ và SMT lần đầu đã được nhận dạng. Kết quả quang phân các Sulfonamide và chất chuyển hóa cho thấy các sản phẩm được hình thành thông qua 2 con đường: Một là đứt gãy liên kết sulfonamide S – N và hai là khử Sulfonate. Những kết quả đạt được này góp phần quan trọng vào việc đánh giá khả năng phân hủy cũng như tác động môi trường của các sản phẩm quang phân.
-5- Hình 1-8 Sơ đồ cơ chế hình thành sản phẩm quang phân hủy do bị khử nhóm sulfonate của các Sulfonamide và chất chuyển hóa. thực nghiệm phản ứng quang Fenton sử dụng đèn Xenon có kính lọc để loại bỏ bước sóng < 290nm, đánh giá khả năng phân hủy của SMX cũng như mức độ độc của dung dịch trước và sau thí nghiệm sử dụng vi khuẩn Vibrio fischeri [21]. Khảo sát được thực hiện trong mô hình thử nghiệm sử dụng nước cất và nước biển, kết quả là khả năng phân hủy của phản ứng chịu ảnh hưởng rất lớn của dung dịch nền thí nghiệm giữa nước biển và nước cất, thật vậy trong nước biển, sự phân hủy của phản ứng được cho là do gốc Cl và Cl2 gây nên, không phải do gốc Hydroxyl OH . Hiệu suất phân hủy tăng lên không nhiều khi tăng nồng độ ion Fe3 trong dung dịch, trong khi đó khi tăng nồng độ H 2O2 đến 120mg/L trong thí nghiệm sử dụng nước cất cho thấy độ độc của dung dịch giảm trong suốt quá trình phản ứng.
Các sản phẩm của phản ứng đã được nhận dạng sử dụng phương pháp sắc kí lỏng ghép khối phổ kỹ thuật thời gian bay (LC-ESI-TOF-MS), sản phẩm được hình thành qua 2 con đường: một là gốc tự do OH tấn công vào vòng thơm benzene và hai là sẽ phản ứng vào vòng Isoxazole, tuy nhiên dựa trên các sản phẩn được nhận dạng, cho thấy gốc OH sẽ ưu tiên phản ứng vào vòng Isoxazole hơn so với vòng thơm. Angela Rodayan [22] khảo sát phân hủy SMX trong nước tinh khiết và nước thải sử dụng Ozone, hiệu suất phân hủy và các sản phẩm oxi hóa đã được khảo sát trong hai môi trường nêu trên sử phương pháp sắc kí lỏng ghép khối phổ. Không có sự khác biệt nào về lượng Ozone cần thiết để phân hủy hết lượng SMX đến dưới ngưỡng phát hiện ở cả 2 môi trường. Khi nồng độ đầu của SMX là 60 mg/L, SMX bị phân hủy hết với lượng Ozone cần thiết là 83 mg/L.
Ở nồng độ đầu 100 µg/L SMX đòi hỏi 14 mg/L Ozone. Các sản phẩm đã được nhận dạng gồm: 4-aminobenzene sulfonamide, N-(3-phenylpropyl)-acetamide, 2-methyl-benzoxazole và phenol.3 Các phương pháp phân tích Sulfamethoxazole. Để phân tích xác định hàm lượng SMX hay các kháng sinh họ Sulfonamide có thể dùng phương pháp sắc kí khí với các loại đầu dò khác nhau như đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID), sắc kí ghép khối phổ (MS) một lần hay 2 lần MS/MS, ngoài ra ta cũng có thể dùng phương pháp sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) để phân tích với các đầu dò phù hợp. Stolker [34] xác định dư lượng của các dược phẩm trong nước mặt, nước ngầm, nước sinh hoạt.