Photodegradation of sertraline by solar radiation and influencing factors

Abstract

Photodegradation is considered to be one of the most important processes of elimination of pharmaceutical drugs from natural water matrices. The high consumption and discharge of these substances, in particular antidepressants, to the aquatic environment supports the need to study degradation processes. This dissertation aimed at studying the direct and indirect photodegradation of sertraline, an antidepressant known for its persistence in the environment, and the evaluation of the influence of environmentally relevant factors in its photodegradation. The photodegradation experiments were developed under simulated solar light and the irradiation times converted to summer sunny days (SSD), an equivalent time in natural environmental conditions. The direct photodegradation was evaluated in solutions of sertraline prepared in ultrapure water and the indirect photodegradation was studied through the addition of photosensitizers (humic substances, Fe(III), nitrates and oxygen). Further irradiation studies were perfomed in aqueous samples collected from two wastewater treatment plants, Vouga river and Ria de Aveiro. The samples were chemically characterized (dissolved organic carbon, nitrates and nitrites and iron determination and UV/Vis spectroscopy). The quantification of sertraline was done by HPLC-UV and photoproducts from direct photodegradation were identified by electrospray mass spectrometry. An observed direct photodegradation rate of sertraline of 0.0062 h-1 was determined, corresponding to a half-life time of 111 h (equivalent to 29 SSD). A significant influence of photosensitizers was observed, the best results being achieved in irradiations of sertraline with humic acids, obtaining a half-life time of 12 h. This was attributed to the hydrophobicity of this substance and higher absortivity in the UV/Vis wavelength, which promote processes of indirect photodegradation. The degradation of sertraline in natural samples was also enhanced comparatively to the direct photodegradation, achieving half-life times between 10 and 25h; the best results were achieved in samples from the primary treatment of a wastewater treatment plant and Ria de Aveiro, with half-life times of 10 and 16 h, respectively. A total of six photoproducts formed during the direct photodegradation of sertraline were identified, three of which were not yet identified in the literature. The main factors contributing to the degradation of sertraline were analysed but this was not fully accomplished, requiring further studies of the composition of the natural matrices and the combined influence of distinct photosensitizers during the irradiation. Nevertheless, it was concluded that the photodegradation of sertraline is greatly influenced by indirect photodegradation processes, promoted by the presence of photosensitizers.

A fotodegradação é considerada um dos mais importantes processos de eliminação de fármacos de águas naturais. O elevado consumo e descarga destas substâncias nos meios aquáticos, em particular antidepressivos, suporta a necessidade de estudo destes processos de degradação. Esta dissertação teve como objetivos o estudo da fotodegradação direta e indireta da sertralina, um antidepressivo conhecido pela sua persistência no ambiente, e a avaliação da influência de fatores ambientalmente relevantes na sua fotodegradação. Os ensaios de fotodegradação foram desenvolvidos com radiação solar simulada e os tempos de irradiação convertidos a dias de sol de verão (summer sunny days, SSD), um tempo equivalente para condições ambientais naturais. A fotodegradação direta foi avaliada através da irradiação de sertralina em água ultrapura e, por sua vez, a fotodegradação indireta com recurso a fotossensibilizadores (substâncias húmicas, Fe(III), nitratos e oxigénio). Estudos posteriores foram realizados com amostras aquosas recolhidas de duas estações de tratamento de águas residuais (ETAR), do rio Vouga e da Ria de Aveiro. As amostras foram caracterizadas quimicamente (determinação de carbono orgânico dissolvido, de nitratos e nitritos e de ferro e espectroscopia UV/Vis). A sertralina foi quantificada recorrendo a HPLC-UV e os fotoprodutos de fotodegradação direta foram identificados por espetrometria de massa. A taxa observada de fotodegradação direta de sertralina foi de 0.0062 h-1, correspondendo a um tempo de meia vida de 111 h (equivalente a 29 SSD). Verificou-se uma influência significativa dos fotossensibilizadores, tendo-se obtido os melhores resultados em irradiações de sertralina com ácidos húmicos, com um tempo de meia vida de 12 h. Isto foi atribuído às características hidrofóbicas desta substância e à sua elevada absortividade nos comprimentos de onda da gama UV/Vis, características que promovem processos de fotodegradação indireta. A fotodegradação da sertralina em amostras naturais também aumentou face à fotodegradação direta, tendo-se alcançado tempos de meia vida entre 10 e 25 h; os melhores resultados foram obtidos em amostras provenientes do tratamento primário de uma ETAR e da Ria de Aveiro, com tempos de meia vida de 10 e 16 h, respetivamente. Foram identificados um total de seis produtos de fotodegradação direta de sertralina, três dos quais não foram ainda identificados na literatura. Os principais fatores contribuintes para a fotodegradação de sertralina foram analisados mas não foram completamente determinados, sendo necessários mais estudos sobre a composição das matrizes naturais e da influência combinada de fotossensibilizadores distintos. Não obstante, concluiu-se que a fotodegradação de sertralina é fortemente influenciada por processos de fotodegradação indireta, promovidos pela fotossensibilização.