Photodegradation of sulfamethoxazole in aquatic environments using simulated solar radiation

Abstract

A ocorrência de fármacos, nomeadamente antibióticos, no meio ambiente é um tema de elevada preocupação devido ao seu impacto ambiental, uma vez que as estações de tratamento de águas residuais não são totalmente eficientes na sua remoção. No que diz respeito aos antibióticos, usados no tratamento e prevenção de infeções, estes representam um problema para o meio ambiente e para os seres vivos em geral, devido ao desenvolvimento da resistência bacteriana. O antibiótico sulfametoxazol (SMX) pertence ao grupo das sulfonamidas, um dos grupos de antibióticos mais utilizados, sendo encontrado com regularidade não só em efluentes provenientes de estações de tratamento de água residuais, como no ambiente aquático. Assim, a fotodegradação surge como um processo alternativo para a remoção deste tipo de contaminantes do meio aquático. O recurso a fotossensibilizadores, naturais ou sintéticos, poderá ser uma forma de aumentar a eficiência da fotodegradação e, consequentemente, a taxa de fotodegradação. No entanto, neste trabalho, as substâncias húmicas, consideradas fotossensibilizadores naturais, não se mostraram eficientes no aumento da taxa de fotodegradação do SMX. O composto em estudo foi fotodegradado em água ultrapura, sob radiação solar simulada, muito rapidamente, tendo-se obtido um tempo de meia vida de 0,86 horas. Contudo, em amostras ambientais de diferentes origens, a taxa de fotodegradação do SMX mostrou ser muito mais lenta quando comparada com a observada em água ultrapura e na presença das substâncias húmicas, com tempos de vida a variar entre as 5,30 e as 7,54 horas. Tendo em conta a conversão destes tempos de meia vida para tempos de meia vida em condições ambientais, obtiveram-se valores que variaram entre 1.4 e 1.98 dias soalheiros de verão. Desta forma, foi importante estudar a influência de algumas das propriedades das matrizes aquosas para perceber quais os principais fatores responsáveis pela persistência do SMX no ambiente aquático. Dessa forma, concluiu-se que o pH, a salinidade e o carbono orgânico dissolvido influenciam de forma acentuada a fotodegradação do SMX. Com o objetivo de aplicar a fotodegradação às estações de tratamento de águas residuais, nomeadamente, como tratamento terciário, testou- se um método de fotodegradação em modo contínuo em que os tempos de irradiação diminuíram acentuadamente relativamente ao método em descontínuo. Por fim, foi avaliada a atividade antibacteriana do SMX em água ultrapura e em três amostras ambientais, antes e durante a fotodegradação, tendo-se concluído que a fotodegradação é eficiente para combater a problemática da resistencia bacteriana, uma vez que a atividade bacteriana aumentou com a fotodegradação total do SMX. A única exceção foi a amostra da estaçã de tratamento de águas residuais para a qual não foi possivel retirar conclusões, uma vez que esta, só por si, inibe muito o crescimento das bacterias Vibrio fischeri.

The occurrence of pharmaceuticals, namely antibiotics, in the environment is a subject of high concern due to their environmental impact, since the sewage treatment plants (STPs) are not completely efficient in their removal. In relation to antibiotics, used in the treatment and prevention of infections, they represent a problem for the environment and for living organisms in general, because of the imminent development of bacterial resistance. The antibiotic sulfamethoxazole (SMX) belongs to the group of sulfonamides, one of the most commonly used antibiotics, and is regularly found, not only in effluents from STPs, but also in the aquatic environment. Thus, photodegradation appears as an alternative process for the removal of this type of contaminants from the aquatic environment. The use of natural and synthetic photosensitizers may be a way of increasing the efficiency of photodegradation and, consequently, the rate of photodegradation. However, in this work, the humic substances (HS), considered natural photosensitizers, were not efficient in increasing the SMX photodegradation rate. The compound under study was photodegraded very fast in ultrapure water under simulated solar radiation, presenting a half-life time of 0.86 hours. However, in environmental water samples from different origins, the SMX photodegradation rate was shown to be much slower than that observed in ultrapure water or under the presence of HS, with half-life times that varied between 5.30 and 7.54 hours. With the conversion of these half-life times to half-life times under environmental conditions, values ranging from 1.4 to 1.98 sunny summer days were obtained. Thus, it was important to study the influence of some of the properties of the water matrices on the SMX photodegradation to understand the main factors responsible for the persistence of SMX in the aquatic environment. It was concluded that pH, salinity and dissolved organic carbon strongly influence the photodegradation of SMX. In order to apply the photodegradation in STPs, namely as a tertiary treatment, a method of photodegradation was tested in a continuous flow mode in which the irradiation times decreased sharply in relation to the batch method. Finally, the antibacterial activity of SMX in ultrapure water and in three environmental water samples was evaluated before and during photodegradation. It was concluded that the photodegradation is an efficient method to combat the problem of bacterial resistance, since the bacterial activity increased with the total photodegradation of the SMX. The exception was the STP sample, in which it was not possible to obtain conclusions, because the sample itself inhibited the growth of the Vibrio fischeri bacteria