UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
VANESSA RIBEIRO URBANO
PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS
APLICADOS À DEGRADAÇÃO DE
SULFAQUINOXALINA: PRODUTOS DE
DEGRADAÇÃO E TOXICIDADE
CAMPINAS 2017
VANESSA RIBEIRO URBANO
PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS
APLICADOS À DEGRADAÇÃO DE
SULFAQUINOXALINA: PRODUTOS DE
DEGRADAÇÃO E TOXICIDADE
Tese de Doutorado apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Doutora em Engenharia Civil, na área de Saneamento e Ambiente.
Orientador(a): Prof. Dr. José Roberto Guimarães
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA VANESSA RIBEIRO URBANO E ORIENTADA PELO PROF. DR. JOSÉ ROBERTO GUIMARÃES.
ASSINATURA DO ORIENTADOR)
_____________________________________________________
CAMPINAS 2017
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
PROCESSOS OXIDATIVOS AVANÇADOS APLICADOS À
DEGRADAÇÃO DA SULFAQUINOXALINA: PRODUTOS DE
DEGRADAÇÃO E TOXICIDADE
Vanessa Ribeiro Urbano
Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. José Roberto Guimarães
Presidente e Orientador/Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo - UNICAMP
Prof. Dr. Ricardo de Lima Isaac
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo - UNICAMP
Profa. Dra. Carla Sirtori
Universidade Federal do Rio Grande Do Sul
Prof. Dr. Renato Falcão Dantas
Faculdade de Tecnologia - UNICAMP
Prof. Dr. Héctor Daniel Mansilla González
Universidad de Concepción
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
AGRADECIMENTOS
Ao longo desses quatro anos, muita coisa aconteceu, foram momentos bons, momentos mais complicados e tensos e felizmente os momentos de alegria, conquistas e descontração foram os que se destacaram. Termino essa etapa da minha carreira profissional com muito a agradecer, boas lembranças para levar comigo e com muito carinho por todos que me acompanharam e me apoiaram durante este tempo.
Começo agradecendo ao Prof. Dr. José Roberto Guimarães, que me deu a oportunidade de ingressar no programa de pós-graduação, aceitou me orientar e me deu seu voto de confiança. Agradeço muito o aprendizado que você me proporcionou, a oportunidade de uma experiência internacional que você incentivou e pelo meu amadurecimento profissional e pessoal, que mesmo de forma indireta você colaborou.
Agradeço à Drª. Milena Guedes Maniero, que me recebeu de braços abertos no grupo de pesquisa, que sempre teve paciência para tirar minhas dúvidas mesmo quando elas se repetiam inúmeras vezes, por conversar comigo sempre francamente e principalmente por saber me ouvir. Obrigada pelo apoio às minhas decisões e por sempre me ajudar a seguir em frente nos momentos de dificuldade. Você é uma amiga muito especial.
A la Prof.ª Drª. Montserrat Pérez-Moya, me gustaría mucho agradecerte por la gran oportunidad de trabajar contigo. Fueron pocos meses, pero he aprendido mucho, y eso voy a llevar siempre conmigo. Muchas gracias por recibirme muy bien, por compartir tu familia conmigo mientras yo estaba lejos de la mia, y especialmente por enseñarme a sonreír en los momentos en que las cosas no salen como el planeado.
Obrigada à Msª. Marcela Souza Peres, que me ensinou todo o funcionamento do laboratório, os ensaios que eu não conhecia e pela paciência por fazer tudo isso no momento em que já tinha praticamente terminado o seu mestrado.
Agradeço ao Dr. Caio Alexandre Augusto Rodrigues da Silva, por pacientemente estudar Química Ambiental comigo, me passar um pouco de seu conhecimento, e por sempre ter um McFlurry na manga para os dias turbulentos.
Muito obrigada ao Prof. Dr. Claudinei Fonseca Souza, que me deu apoio para seguir no doutorado, me fez ver que eu era capaz quando eu duvidei e sempre se faz presente nas minhas realizações.
Glaucia, Katarina e Thaís, muito obrigada pela amizade verdadeira, pelo apoio e pelos momentos de descontração.
Jorge, Mery, Perla, y Raquel, muchas gracias por la amistad de ustedes, por enseñarme la lengua española y por ser como mi familia en Barcelona.
Agradeço aos amigos do Grupo de pesquisa em Processos Oxidativos Avançados: Fernando, Gabriela Erbetta, Gabriela Reis, Glenda, Liane, Marlon, Mylena e Wilson. Aprendi muito durante a convivência com vocês e com certeza levarei um pouco de cada um de vocês comigo.
Aos técnicos passados e atuais do Laboratório de Saneamento (FEC), Daniel, Enelton, Fernando, Lígia e Thiago. Por sempre se esforçarem para auxiliar os alunos da melhor maneira e buscar melhorar a estrutura do laboratório.
Ao Eduardo e toda equipe da secretaria de pós-graduação da FEC, muito obrigada por toda a ajuda e pronto atendimento durante esses 4 anos.
Agradeço ao Laboratório Paracelsus (IQ), em especial à técnica Andreza Camilotti por estar sempre sorrindo e me auxiliar nas dificuldades.
Prof.ª Drª. Anne Hélène Fostier e Susanne Rath, obrigada por sempre estarem abertas à discussões e disponibilizarem seus respectivos laboratórios e equipamentos.
Às instituições de fomento, muito obrigada pelo apoio financeiro:
• Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES pela concessão da bolsa de doutorado Demanda Social e do Programa de Doutorado Sanduíche no Exterior – PDSE (Processo: 10887-14-8).
• Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPQ Auxílio financeiro: 459078/2014-3; Auxílio financeiro: 479131/2013-9.
• Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP (Processo: 2013/04656-8); Projeto temático: 2013/09543-7.
Aos membros da banca examinadora: Carla Sirtori, Hector Daniel Mansilla González, Renato Falcão Dantas e Ricardo de Lima Isaac, muito obrigada por aceitarem o convite para participarem de um dos momentos mais importantes da minha carreira profissional.
Além dos agradecimentos profissionais, não posso deixar de agradecer ao meu marido Isac, que foi e é um verdadeiro companheiro para todas as horas, estudou comigo, se privou do sono para me fazer companhia enquanto eu escrevia algum trabalho, teve paciência e compreensão nos momentos em que eu mais precisei e foi um dos maiores críticos do meu trabalho. Muito obrigada por ser a minha melhor companhia.
Muito obrigada mãe, por me apoiar mesmo sem entender bem “o que eu posso fazer tendo doutorado”, por sempre me incentivar a lutar pelos meus objetivos, por estar sempre presente em minha vida e fazer o possível para me ver feliz. Amo você e com certeza cheguei até aqui por você ter me ensinado o caminho a seguir.
RESUMO
A sulfaquinoxalina (SQX), pertencente à família das sulfonamidas, é um antimicrobiano sintético e agente bacteriostático aplicado em animais para prevenção da coccidiose e infecções bacterianas. Possui baixa adsorção em solos e geralmente é encontrada em matrizes aquosas. Uma vez que as estações convencionais de tratamento de águas não a degradam efetivamente, este composto vem sendo detectado no ambiente. Os processos oxidativos avançados (POA), promovem a geração de radicais hidroxila (HO•), e são efetivos na degradação de sulfonamidas. Nesse trabalho foi avaliada a degradação da SQX (concentração inicial: 500 µg L-1) por peroxidação (H2O2), fotólise (UV), peroxidação assistida por radiação ultravioleta (UV/H2O2), ozonização em meio básico (O3/HO-), fotocatálise (UV/TiO2 e UV/TiO2/H2O2), reagente de Fenton (Fe2+/H2O2/H+) e foto-Fenton (UV/Fe2+/H2O2/H+). A quantificação da SQX foi feita por cromatografia líquida de alta eficiência com detector de arranjo de diodos (HPLC-DAD) e os produtos de degradação foram analisados por cromatografia líquida de alta eficiência acoplada à espectrometria de massas sequencial (HPLC-MS/MS). Foram realizados ensaios de atividade antimicrobiana utilizando as bactérias Escherichia coli e Staphylococcus aureus, e de toxicidade com a bactéria luminescente Vibrio fischeri das soluções que foram submetidas aos processos de degradação. Na peroxidação, menos de 5% da SQX foi degradada. A fotólise degradou 58% da SQX após 14 min de reação e as soluções submetidas a esse processo inibiram, aproximadamente, 8% da luminescência da bactéria Vibrio fischeri. Os POA foram efetivos na degradação da SQX: 99% da sua concentração inicial foi reduzida em ao menos uma das condições experimentais testadas. Nos processos UV/TiO2 (TiO2: 20 a 100 mg L-1) e UV/TiO2/H2O2 (TiO2: 5 e 100 mg L-1 / H2O2: 0,8 mmol L-1) degradou-se mais de 99% da SQX em 11 min de reação. No processo UV/H2O2 (H2O2: 9 mmol L-1) foram degradados 99,6% da SQX após 11,4 min de reação. Em todos os valores de pH avaliados na ozonização (3, 7 e 11), mais de 99% da SQX foi degradada; a demanda de ozônio foi menor em pH 3 e as soluções tratadas não apresentaram toxicidade residual. A toxicidade das soluções submetidas aos processos UV/TiO2, UV/TiO2/H2O2, UV/H2O2 e O3/HO- aumentou, chegando a inibir 94% da luminescência da bactéria Vibrio fischeri no processo UV/TiO2 (TiO2: 5 mg L-1). Os produtos de degradação da SQX foram classificados como tóxicos e persistentes e suas estruturas químicas foram propostas. Os processos, reagente de Fenton e foto-Fenton foram avaliados em dois reatores, escala de laboratório (2 L) e escala piloto (15 L). A eficiência de degradação da SQX (concentração inicial: 25 mg L-1) foi muito similar entre os reatores, 92% em laboratório e 95% na escala piloto. Não houve inibição do crescimento das bactérias após submeter as soluções aos processos reagente de Fenton e foto-Fenton. Em escala de laboratório a presença ou ausência de luz foi mais significante para a mineralização, e a interação dessa variável com a concentração de H2O2 foi significante para a degradação da SQX. A concentração de H2O2 foi a variável de maior significância para mineralizar e degradar a SQX em escala piloto.
Palavras-chave: contaminantes de preocupação emergente; fármacos veterinários; Fenton; fotocatálise; ozonização; sulfonamidas; UV/H2O2.
ABSTRACT
Sulfaquinoxaline (SQX), which belongs to the sulfonamides’ class, is a synthetic antimicrobial and bacteriostatic agent used in animals for prevention of coccidiosis and bacterial infections. Due to its low adsorption on soil, it is usually found in water matrices. Since the conventional wastewater treatment plants do not degrade it efficiently, this compound has been detected on the environment. The advanced oxidation processes (AOP), generates hydroxyl radicals (HO•), and are efficient on sulfonamide’s degradation. This work evaluated the sulfaquinoxaline degradation (initial concentration: 500 µg L-1) by peroxidation (H2O2), photolysis (UV), peroxidation assisted by ultraviolet radiation (UV/H2O2), ozonation in basic medium (O3/HO-), photocatalysis (UV/TiO2, UV/TiO2/H2O2), Fenton’s reagent (Fe2+/H2O2) and photo-Fenton (UV/Fe2+/H2O2). SQX quantification was performed using high performance liquid chromatography-diode array detection (HPLC-DAD) and the degradation products were evaluated by high performance liquid chromatography and tandem mass spectrometry (HPLC-MS/MS). The solutions submitted to the degradation processes were evaluated according to the antimicrobial activity using Escherichia coli and Staphylococcus aureus bacteria, and toxicity using Vibrio fischeri bacterium. The peroxidation process degraded less than 5% SQX. The photolysis process degraded 58% SQX after 14 min of reaction and the solutions submitted to this process inhibited approximately 8% of Vibrio fischeri luminescence. The AOPs were efficient on SQX degradation: 99% of its initial concentration was degraded at least in one of the experimental conditions tested. At the processes UV/TiO2 (TiO2: 20 to 100 mg L-1) and UV/TiO2/H2O2 (TiO2: 5 and 100 mg L-1 / H2O2: 0.8 mmol L-1) more than 99% SQX was degraded after 11 min of reaction. At the process UV/H2O2 (H2O2: 9 mmol L-1) 99.6% of SQX was degraded after 11.4 min of reaction. For all the pH values evaluated on the ozonation process (3, 7, and 11), more than 99% SQX was degraded; and the ozone demand was low at pH 3 value, and the solutions treated did not present residual toxicity. The toxicity of the solutions submitted to the processes UV/TiO2, UV/TiO2/H2O2, UV/H2O2 and O3/HO- increased, reaching 94% of luminescence inhibition of Vibrio fischeri bacterium at the process UV/TiO2 (TiO2: 5 mg L-1). The degradation products of SQX were classified as toxic and persistent, and their chemical structures were proposed. The processes Fenton’s reagent and photo-Fenton were evaluated in two reactors, laboratory bench (2 L) and pilot scale (15 L). The efficiency of SQX degradation (initial concentration: 25 mg L-1) was very similar between the reactors, 92% at laboratory bench and 95% at pilot scale. No inhibition of bacteria growth was after submitting the solutions to Fenton’s reagent and photo-Fenton processes. At laboratory bench, the presence or absence of radiation was more significant to mineralization, and the interaction of this variable with the variable H2O2 concentration, was more significant to the degradation of SQX. The concentration of H2O2 was the most significant variable to mineralization and degradation of SQX at pilot scale.
Key-words: contaminants of emerging concern; veterinary drugs; Fenton; photocatalysis; ozonation; sulfonamides; UV/H2O2.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Estrutura química da sulfaquinoxalina. ... 17 Figura 3.1: Característica antimicrobiana e anfótera das sulfonamidas. ... 22 Figura 3.2: Equilíbrio químico da sulfaquinoxalina de acordo com o pH da solução. ... 23 Figura 3.3: Similaridade da estrutura química das sulfonamidas e do ácido aminobenzóico. . 24 Figura 4.1: Recuperação do analito nos cartuchos Oasis e Varian em pH 3,0 e 5,6. ... 47 Figura 4.2: Esquema do reator fotoquímico em vidro borossilicato com lâmpada acoplada ao centro. ... 49 Figura 4.3: Representação do reator fotoquímico utilizado na degradação da sulfaquinoxalina pelos processos fotocatálise e fotólise. ... 51 Figura 4.4: Coluna de contato utilizada nos ensaios de ozonização da sulfaquinoxalina conectada ao tubo de vidro contendo iodeto de potássio (KI) para determinação do ozônio na fase gasosa. ... 52 Figura 5.1: Degradação da sulfaquinoxalina pelos processos de fotólise, peroxidação e peroxidação assistida por radiação ultravioleta, realizados no reator com recirculação. ... 58 Figura 5.2: Degradação da sulfaquinoxalina por fotólise e fotocatálise no reator sem recirculação. ... 62 Figura 5.3: Degradação da sulfaquinoxalina pelos processos UV/H2O2, UV/TiO2 e UV/H2O2/TiO2, usando 0,8 mmol L-1 de H2O2. ... 64 Figura 5.4: Degradação da sulfaquinoxalina pelo processo de ozonização em diferentes valores de pH (3, 7 e 11). ... 66 Figura 5.5: Ozônio consumido ao longo da ozonização nos três valores de pH avaliados: A) pH 3, B) pH 7 e C) pH 11. ... 68 Figura 5.6: Toxicidade de soluções de peróxido de hidrogênio na faixa de concentração entre 0 e 9 mmol L-1, utilizando a bactéria Vibrio fischeri como organismo teste. ... 69 Figura 5.7: Inibição da luminescência da bactéria marinha Vibrio fischeri devido à toxicidade das soluções submetidas aos processos de fotólise e peroxidação. ... 70 Figura 5.8: Toxicidade das amostras submetidas à peroxidação assistida por radiação ultravioleta com A) 0,8 mmol L-1, B) 3 mmol L-1 e C) 9 mmol L-1 de peróxido de hidrogênio. ... 72 Figura 5.9: Toxicidade das amostras submetidas aos processos de fotólise e fotocatálise, utilizando a bactéria Vibrio fischeri como organismo teste. ... 73 Figura 5.10: Toxicidade das amostras submetidas ao processo de fotocatálise (5, 50 e 100 mg L-1 TiO2) combinada à peroxidação (0,8 mmol L-1 H2O2), utilizando a bactéria Vibrio fischeri como organismo teste. ... 74 Figura 5.11: Evolução da toxicidade das amostras ozonizadas nos diferentes valores de pH. 75 Figura 5.12: Identificação do produto de degradação com m/z 146 por meio de cromatograma e espectro de massas obtido a partir da amostra degradada pelo processo de ozonização em pH 7 no tempo de reação de 1 minuto, correspondente à dose aplicada de 5,5 mg O3 L-1. ... 77 Figura 5.13: Estruturas químicas propostas para alguns dos produtos de degradação formados (m/z 146, m/z 215, m/z 241 e m/z 363) por meio da degradação da sulfaquinoxalina (m/z 301). ... 78 Figura 7.1: Representação da distribuição dos controles e das amostras na placa de 96 poços para ensaio de atividade antimicrobiana com as bactérias Escherichia coli e Staphylococcus aureus. ... 83 Figura 7.2: Aparato experimental para degradação da sulfaquinoxalina em escala de laboratório composto por: 1) banho termostático para manutenção da temperatura do reator, 2) lâmpada 300W, 3) sensores de pH e temperatura, 4) reator fotoquímico, 5) agitador magnético e 6) pHmetro. ... 85
Figura 7.3: Aparato experimental da planta piloto composto por: 1) reator fotoquímico, 2) reservatório para abastecimento e recirculação da solução no sistema, 3) monitores de vazão e pH, 4) sensores (pH, condutividade elétrica, e oxigênio dissolvido), 5) bombas para dosagem de reagentes, 6) torneira para coleta das amostras, e 7) painel de controle manual e energia do sistema. ... 86 Figura 8.1: Degradação da sulfaquinoxalina pelos processos reagente de Fenton e foto-Fenton no reator em escala de laboratório. ... 90 Figura 8.2: Mineralização da sulfaquinoxalina (linha contínua) e decaimento da concentração inicial de peróxido de hidrogênio (linha descontínua) ao longo do tempo de reação. ... 91 Figura 8.3: Crescimento das bactérias A) Escherichia coli e B) Staphylococcus aureus após a degradação da sulfaquinoxalina no reator em escala de laboratório. ... 92 Figura 8.4: Degradação da sulfaquinoxalina pelos processos reagente de Fenton (ensaios A, B, G e H) e foto-Fenton (C, D, E e F) no reator em escala piloto. ... 93 Figura 8.5: Mineralização da sulfaquinoxalina (linhas contínuas) e decaimento da concentração de peróxido de hidrogênio (linhas descontínuas) ao longo dos tempos de reação no reator em escala piloto. ... 94 Figura 8.6: Inibição do crescimento das bactérias (A) Escherichia coli e (B) Staphylococcus aureus devido à atividade antimicrobiana das soluções submetidas ao processo reagente de Fenton e foto-Fenton no reator em escala piloto. ... 96 Figura 8.7: Ajuste dos dados experimentais obtidos no reator em escala de laboratório correspondentes aos pontos centrais do delineamento experimental ao modelo de pseudo-primeira ordem. A) reagente de Fenton (G, H_178_OFF), e B) foto-Fenton (E, F_178_ON). 98 Figura 8.8: Ajuste dos dados experimentais obtidos no reator em escala piloto correspondentes aos pontos centrais do delineamento experimental ao modelo de pseudo-primeira ordem. A) reagente de Fenton (G, H_178_OFF), e B) foto-Fenton (E, F_178_ON). ... 99 Figura 8.9: Constante de velocidade de reação (k) em função da conversão máxima (ξmax) nos processos reagente de Fenton e foto-Fenton, para as escalas laboratório e planta piloto... 100
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Características e estrutura química das principais sulfonamidas registradas para uso no Brasil. ... 23 Tabela 3.2: Principais características físico-químicas da sulfaquinoxalina. ... 26 Tabela 3.3: Ocorrência de sulfonamidas no meio ambiente (O levantamento detalhado pode ser consultado no ANEXO A e B). ... 29 Tabela 3.4: Métodos para determinar e quantificar sulfonamidas em matrizes aquosas utilizando a cromatografia líquida de alta eficiência. ... 33 Tabela 4.1: Parâmetros adotados para avaliar a metodologia analítica. ... 46 Tabela 4.2: Condições utilizadas no espectrômetro de massas para avaliação dos produtos de degradação formados. ... 48 Tabela 4.3: Tempos de ensaio e de irradiação da amostra nos reatores com e sem recirculação da solução utilizados para degradação da sulfaquinoxalina. ... 50 Tabela 4.4: Concentrações de peróxido de hidrogênio utilizadas na degradação da sulfaquinoxalina nos processos de peroxidação e UV/H2O2. ... 54 Tabela 5.1: Constantes de velocidade de reação obtidas para os processos de fotocatálise (UV/TiO2) e fotocatálise combinada ao peróxido de hidrogênio (UV/TiO2/H2O2), utilizando um modelo de pseudo-primeira ordem ... 65 Tabela 7.1: Condições experimentais para a degradação da sulfaquinoxalina pelos processos de reagente de Fenton e foto-Fenton. ... 84 Tabela 7.2: Fluxo de fótons recebidos pelas soluções degradadas pelo processo foto-Fenton nos reatores em escala de laboratório e planta piloto. ... 87 Tabela 8.1: Efeito das variáveis do delineamento experimental nos fatores de resposta avaliados. ... 102
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária
ATCC American Type Culture Collection
BEH Ethylene Bridged Hybrid
C18 Octadecilsilano
CAPES Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAS Chemical Abstracts Service
CE50 Concentração efetiva que causa efeito a 50% dos organismos teste
Cl2 Cloro
ClO2 Dióxido de cloro
CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
COT Carbono Orgânico Total
CPE Contaminantes de Preocupação Emergente DAD Detector de Arranjo de Fotodiodos
DNA Ácido Desoxirribonucleico
E0 Potencial de oxidação
ESI Ionização por Electrospray ETE Estação de Tratamento de Esgoto
EUA Estados Unidos da América
Ɛ Absortividade molar
FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo Fe2+/H2O2 Reagente de Fenton
FMQ Flumequina
H2O Água
H2O2 Peróxido de hidrogênio
HCO3 Bicarbonato
HILIC Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography HLB Hydrophilic lipophilic balanced
HO- Ânion hidroxila
HO• Radical hidroxila
HO2- Íon hidroperoxila
HO2• Radical hidroperoxila
HPLC High Performance Liquid Chromatography
hv Energia
k Constante de velocidade de reação
KI Iodeto de potássio
Kow Coeficiente de partição octanol-água
LD Limite de Detecção
LQ Limite de Quantificação
MAPA Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento
MnO4- Permanganato MS Mass Spectrometry NI Não Informado O2 Oxigênio O2•- Radical Superóxido O3 Ozônio OFX Ofloxacina
PABA Para-Aminobenzoic Acid
pH Potencial hidrogeniônico
pKa Constante isoelétrica
PNCRC Plano Nacional de Controle de Resíduos e Contaminantes POA Processos Oxidativos Avançados
R• Radical orgânico
RNA Ácido Ribonucleico
RO2• Radical orgânico peróxido
SDZ Sulfadiazina
SMT Sulfametazina
SMX Sulfametoxazol
SMZ Sulfamerazina
SQX Sulfaquinoxalina
TiO2 Dióxido de titânio
UFC Unidades Formadoras de Colônias UFLC Ultra-Fast Liquid Chromatography
UPLC Ultra Performance Liquid Chromatography UPLC-MS/MS Ultra-High Performance Liquid Chromatography
UV Radiação Ultravioleta
UV/Fe2+/H2O2 Foto-Fenton
UV/H2O2 Peroxidação assistida por radiação ultravioleta UV/TiO2 Fotocatálise com dióxido de titânio
UV/TiO2/H2O2 Fotocatálise com dióxido de titânio combinada à peroxidação
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 16 2. OBJETIVOS ... 20 2.1. Objetivo geral ... 20 2.2. Objetivos específicos ... 20 3. REVISÃO DA LITERATURA ... 21 3.1. Sulfonamidas ... 21
3.1.1. Propriedades das sulfonamidas ... 21
3.1.2. Mecanismo de ação das sulfonamidas ... 24
3.1.3. Sulfaquinoxalina ... 25
3.1.3.1. Toxicidade da sulfaquinoxalina ... 27
3.2. Ocorrência de sulfonamidas no ambiente ... 28
3.2.1. Aspectos legislativos no Brasil ... 30
3.3. Métodos para detecção e quantificação de fármacos em matrizes aquosas ... 32
3.3.1. Extração em fase sólida ... 32
3.3.2. Cromatografia líquida de alta eficiência ... 33
3.3.3. Espectrometria de massas ... 34
3.4. Processos de degradação convencionais e oxidativos avançados ... 34
3.4.1. Processos convencionais ... 34
3.4.2. Processos oxidativos avançados ... 36
3.4.2.1. Fotocatálise heterogênea (UV/TiO2, UV/TiO2/H2O2) ... 40
3.4.2.2. Ozonização em meio básico (O3/HO-) ... 41
3.4.2.3. Peroxidação assistida por radiação ultravioleta (UV/H2O2) ... 42
3.4.2.4. Reação de Fenton (Fe2+/H 2O2) e foto-Fenton (UV/Fe2+/H2O2) ... 43
CAPÍTULO I: Desenvolvido na Universidade Estadual de Campinas ... 45
4. METODOLOGIA ... 45
4.1. Reagentes ... 45
4.2. Metodologia analítica ... 45
4.2.1. Cromatografia líquida de alta eficiência ... 45
4.2.2. Extração em fase sólida ... 47
4.2.3. Espectrometria de massas ... 48
4.3. Ensaios de degradação ... 49
4.3.1. Reator fotoquímico em batelada com recirculação da solução ... 49
4.3.2. Reator fotoquímico em batelada sem recirculação da solução ... 50
4.3.3. Coluna de contato para ensaios de ozonização ... 51
4.4. Condições experimentais ... 53
4.4.1. Processos de fotólise, peroxidação e UV/H2O2 ... 54
4.4.2. Fotocatálise heterogênea (UV/TiO2 e UV/TiO2/H2O2) ... 55
4.4.3. Ozonização (O3, O3/HO-) ... 56
4.5. Avaliação da toxicidade residual das soluções tratadas ... 57
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 58
5.1. Ensaios de degradação ... 58
5.1.1. Peroxidação assistida por radiação ultravioleta em reator com recirculação da solução ... 58
5.1.2. Fotocatálise em reator sem recirculação da solução ... 61
5.1.3. Ozonização ... 65
5.2. Toxicidade residual das soluções submetidas aos processos de degradação ... 69
5.3. Produtos de degradação gerados... 76
CAPÍTULO II: Desenvolvido na Universitat Politècnica de Catalunya ... 80
6. OBJETIVOS ... 80
6.1. Objetivos específicos ... 80
7.1. Reagentes ... 81
7.2. Metodologia analítica ... 81
7.2.1. Cromatografia líquida de alta eficiência ... 81
7.2.2. Determinação do carbono orgânico total ... 82
7.2.3. Quantificação do peróxido de hidrogênio residual ... 82
7.2.4. Avaliação da atividade antimicrobiana residual ... 82
7.3. Delineamento experimental ... 83
7.4. Ensaios de degradação ... 84
7.4.1. Reator fotoquímico em escala de laboratório ... 85
7.4.2. Reator fotoquímico em escala piloto ... 86
7.5. Condições experimentais dos ensaios em escala de laboratório e planta piloto ... 87
8. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 89
8.1. Degradação e mineralização da sulfaquinoxalina no reator em escala de laboratório ... 89
8.2. Degradação e mineralização da sulfaquinoxalina no reator em escala piloto ... 93
8.3. Ajuste dos resultados experimentais a um modelo semi-empírico ... 96
8.4. Delineamento experimental ... 101
8.4.1. Fator de resposta: degradação e mineralização da sulfaquinoxalina ... 101
8.4.2. Fator de resposta: atividade antimicrobiana ... 103
9. CONCLUSÕES ... 104
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 106
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 107
1. INTRODUÇÃO
É indiscutível que nos corpos d’água podem ser encontrados contaminantes das mais diversas classes: medicamentos de uso humano e veterinário, hormônios, produtos de cuidados pessoais, agrotóxicos e defensivos agrícolas, entre outros (PETROVIĆ; GONZALEZ; BARCELÓ, 2003; SAUVÉ; DESROSIERS, 2014). Esses compostos são denominados contaminantes de preocupação emergente (CPE), e sua ocorrência não se limita a águas superficiais, mas também em águas subterrâneas, água mineral e também no solo.
Os contaminantes de preocupação emergente podem ser definidos como substâncias naturais ou sintéticas que podem estar presentes em matrizes ambientais, cujos efeitos adversos para a saúde humana e a toxicidade aos organismos aquáticos e terrestres em longo prazo não estão completamente esclarecidas (GEISSEN et al., 2015). As principais vias de entrada de CPE no ambiente são efluentes domésticos e hospitalares, estações de tratamento de água e esgoto, pecuária, avicultura e aquicultura.
A contínua detecção de CPE em água e solo pode ser uma consequência de sistemas de tratamento de água e esgoto que não são efetivos na completa remoção desses compostos, seja pela concentração em que são encontrados, ou mesmo pela complexidade das matrizes.
Apesar da quantificação de CPE no ambiente ser geralmente na faixa de µg L-1 e ng L-1, esses compostos são persistentes e de baixa biodegradabilidade, e consequentemente, seus produtos de degradação podem ser ainda mais tóxicos que o composto original. Além do risco de serem adsorvidos no solo e sedimento, lixiviar atingindo águas subterrâneas e superficiais (DORETTO; RATH, 2013), os CPE podem apresentar riscos aos organismos terrestres e aquáticos, como por exemplo desenvolver resistência bacteriana (HOA et al., 2011), e a bioacumulação em organismos marinhos e macroalgas (ÁLVAREZ-MUÑOZ et al., 2015). Nesse cenário, dentre as diversas classes de CPE detectadas no ambiente, os medicamentos de uso veterinário despertam particular atenção, principalmente no Brasil. Devido ao fato do país ocupar o terceiro lugar no ranking de produção mundial e primeiro lugar em exportação de aves (MAPA, 2017a), estima-se que até o ano 2020 a produção de carnes no país irá representar 44,5% do mercado mundial, sendo que a carne de frango corresponderá a 48,1% das exportações mundiais e a carne suína 14,2% (MAPA, 2017b). Deve-se levar em consideração, que a dose administrada de medicamentos (humanos e veterinários) é parcialmente metabolizada, e posteriormente excretada na forma de metabólitos ativos ou em sua forma original. Sabendo-se que apenas 50,3% do esgoto gerado no país é coletado, e desses, o tratamento é de apenas 42,7% (BRASIL, 2017), a preocupação com a qualidade da água
potável oferecida à população brasileira, bem como a qualidade dos corpos d’água é muito relevante.
Dos medicamentos veterinários que vêm sendo encontrados no ambiente, destaca-se o grupo das sulfonamidas, que são antimicrobianos sintéticos com amplo espectro de ação contra bactérias Gram-positivas, Gram-negativas e protozoários. Quando introduzidas no ambiente, as características das sulfonamidas permitem que elas lixiviem com facilidade chegando inclusive a corpos d’água subterrânea (BARAN et al., 2011).
A sulfaquinoxalina (Figura 1.1), é uma das sulfonamidas também usada na medicina veterinária para o tratamento e prevenção de coccidiose e infecções bacterianas principalmente em aves, mas também é utilizada em suínos, ovinos, coelhos e pássaros de gaiola (SINDAN, 2017). A sulfaquinoxalina (SQX) possui baixa adsorção em solo e sedimentos (log Kow = 1,7) e por isso é encontrada com maior frequência em água superficial: 1,51 a 40,8 ng L−1 (IGLESIAS et al., 2012; ZHAO; ZHOU; ZHANG, 2015), água subterrânea:
0,01 a
112,2 ng L−1 (GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2010), e efluente: 0,15 a 350 ng L−1 (GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2010; WEI et al., 2011).
Figura 1.1: Estrutura química da sulfaquinoxalina.
Sistemas de tratamento de águas e efluentes cada vez mais efetivos são necessários para promover a remoção dos CPE das águas e também para minimizar a exposição de microrganismos não alvo aos antimicrobianos. Os processos oxidativos avançados de ozonização em meio básico, foto-Fenton, peróxido de hidrogênio combinado tanto à radiação ultravioleta quanto com ozônio, degradaram mais de 90% de sulfametoxazol, sulfametizol, sulfametazina, sulfadiazina, sulfatiazol e sulfamerazina (BATISTA; PIRES; TEIXEIRA, 2014a, 2014b; GAROMA; UMAMAHESHWAR; MUMPER, 2010; LIN et al., 2009). Devido à eficiência desses processos na degradação de várias sulfonamidas, a aplicação dos mesmos como um processo complementar ao sistema de tratamento convencional pode ser promissora.
Os processos oxidativos avançados (POA) são métodos oxidativos baseados principalmente na geração de radical hidroxila (HO•), o qual possui potencial de redução (E0 = 2,8 V) maior que dos oxidantes convencionais como ozônio molecular e cloro, por exemplo, sendo extremamente efetivo na oxidação e até mineralização de uma grande variedade de compostos orgânicos e inorgânicos (EPA, 1999; HOMEM; SANTOS, 2011) e também na inativação de microrganismos (GUADAGNINI et al., 2013).
Nos POA, a geração de HO• ocorre a partir de agentes oxidantes como ozônio (O3)
e peróxido de hidrogênio (H2O2) que podem ou não ser combinados à radiação ultravioleta
(UV), catalisadores metálicos ou semicondutores. Os POA mais estudados são a peroxidação assistida por radiação ultravioleta (UV/H2O2), fotocatálise utilizando dióxido de titânio como
catalisador (UV/TiO2), ozonização em meio básico (O3/HO-), reação de Fenton e foto-Fenton.
A degradação da SQX pelo processo UV/H2O2 foi previamente reportada por Liao
et al. (2016). Os autores avaliaram a degradação da SQX em diferentes matrizes e propuseram
a estrutura química de alguns produtos de degradação. No entanto, a concentração inicial do fármaco era elevada (10 mg L-1) em relação aos teores encontrados no ambiente; e ainda restou
uma lacuna de estudo em relação à toxicidade residual das soluções e dos produtos de degradação.
Pela revisão bibliográfica realizada até o momento, não foram reportados outros estudos avaliando a degradação da SQX por O3/HO-, reação de Fenton, foto-Fenton, UV/TiO2
e UV/H2O2. Foi utilizada a base de dados Science Direct, e os termos pesquisados em todos os
campos foram: sulfaquinoxaline, sulphaquinoxaline, advanced oxidation processes, ozone, Fenton, photocatalysis e UV/H2O2 (busca: 12 jan. 2017). Os diferenciais do presente trabalho são primeiramente o uso de concentração inicial de SQX (500 µg L-1) mais próxima das encontradas no ambiente, avaliação da toxicidade residual das soluções, uma vez que após a submissão das mesmas aos processos de degradação pode ocorrer a formação de produtos de degradação mais tóxicos que a SQX, e além disso, a avaliação da eficiência de diferentes processos oxidativos avançados na remoção da SQX.
As principais razões para que a SQX tenha sido escolhida como analito de interesse nesse estudo são: a) o Brasil é o maior exportador de carne de frango no mundo, e como a tendência é de crescimento da produção, consequentemente, o uso de antimicrobianos como a SQX irá crescer; b) não há regulamentação no país que determine o monitoramento de sulfonamidas em água; c) a SQX vem sendo quantificada em matrizes ambientais em diversos países, o que mostra que a sua presença em corpos d’água é uma realidade, e poucos estudos
de degradação foram realizados para esse medicamento; e além disso, d) os processos oxidativos avançados vêm se mostrando efetivos na degradação dessa classe de composto.
O presente estudo está inserido em um projeto temático intitulado “Resíduos de medicamentos veterinários no ambiente” que vem sendo desenvolvido desde 2014 por pesquisadores do Instituto de Química (IQ) e da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo (FEC), ambos da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Esse projeto visa desenvolver trabalhos científicos na área de desenvolvimento de métodos e metodologias para a detecção e quantificação de medicamentos de uso veterinário em água e solo, avaliar a adsorção no solo, os possíveis riscos à biota, e processos de degradação desses medicamentos em matrizes aquosas.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo geral
Monitorar a eficiência de processos oxidativos avançados na degradação da sulfaquinoxalina e da remoção da toxicidade das soluções.
2.2. Objetivos específicos
• Testar e consolidar um método analítico para determinar e quantificar a sulfaquinoxalina em matriz aquosa;
• Degradar soluções de sulfaquinoxalina por processos oxidativos avançados: O3/HO-, UV/H2O2, UV/TiO2, Fenton, foto-Fenton, oxidativos: H2O2, O3 e físico-químico: fotólise;
• Determinar a toxicidade residual das soluções submetidas aos processos de degradação;
3. REVISÃO DA LITERATURA 3.1. Sulfonamidas
As sulfonamidas são classificadas como medicamentos antimicrobianos, os quais podem ser caracterizados como antibióticos naturais (produzidos por bactérias e fungos) e semissintéticos (produzidos pela modificação química dos antibióticos naturais), assim como todos os compostos que apresentam atividade antibacteriana (PEREIRA et al., 2012).
O precursor das sulfonamidas foi a sulfanilamida (p-aminobensenosulfonamida), sintetizada em 1908, pelo químico vienense Paul Gelmo, e usada na produção de corantes. As propriedades antimicrobianas das sulfonamidas foram descobertas em 1935, pelo médico alemão Gerhard Johannes Paul Domagk, quando ele descobriu que o corante vermelho Prontosil rubrum protegia camundongos e coelhos contra doses letais de estafilococos e estreptococos hemolíticos. Mais tarde, descobriu-se que o agente direto responsável pela ação antibacteriana não era o Prontosil; na verdade, o corante sofria um processo metabólito provocado pelas bactérias no intestino do animal ou humano que recebeu o medicamento, gerando o produto sulfanilamida. O primeiro humano a comprovar a eficácia da sulfanilamida foi a filha de Domagk, que adoeceu devido a uma infecção estreptocócica e se recuperou totalmente após receber uma dose do medicamento (DMITRIENKO et al., 2014; DREWS, 2000; NOBELPRIZE, 1939).
As sulfonamidas representam uma das famílias de antimicrobianos na medicina veterinária mais comumente utilizada. Embora tenham sido frequentemente aplicadas na medicina humana para tratar muitos tipos de infecções, hoje em dia quantidades muito maiores são aplicadas para tratar e prevenir doenças infecciosas na pecuária e confinamento de animais (GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2010).
3.1.1. Propriedades das sulfonamidas
Geralmente, mais de 90% da dose administrada de sulfonamidas não é absorvida pelo organismo, e são eliminadas majoritariamente na sua forma original e/ou como metabólitos (principalmente N-acetilado e também N-glucuronidato) (BOOTHE, 2017; GARCÍA-GALÁN et al., 2011). A principal via de excreção das sulfonamidas é a urina, sendo que, a bile, fezes, leite e suor são também vias de excreção, porém, de menor significância (BOOTHE, 2017).
O espectro de ação das sulfonamidas é amplo. Elas agem como agente bacteriostático e possuem atividade contra bactérias Gram-positivas, Gram-negativas e alguns protozoários, como os causadores da toxoplasmose e malária (DMITRIENKO et al., 2014).
As sulfonamidas são compostas por um anel benzeno, um radical amina (-NH2) e um grupo sulfonamida (-SO2NH-). As sulfonamidas são anfóteras (Figura 3.1) e possuem grupos funcionais que tanto podem doar quanto receber um próton (SARMAH; MEYER; BOXALL, 2006; SEIFRTOVÁ et al., 2009). Apesar de suas características anfotéricas, as sulfonamidas geralmente funcionam como ácidos fracos na faixa de pH fisiológico (SARMAH; MEYER; BOXALL, 2006).
Figura 3.1: Característica antimicrobiana e anfótera das sulfonamidas.
A desprotonação ou protonação dos grupos funcionais da molécula está relacionada ao pH da solução. No caso da sulfaquinoxalina, a protonação da molécula ocorre no pKa1 (2,1) onde o nitrogênio do substituinte anilínico está disponível para ganhar um próton (é o que ocorre no processo de ionização na espectrometria de massas). A desprotonação da molécula ocorre no pKa2 (6,8) onde a ligação N-H do grupo sulfonamida está disponível para liberar um próton. Dessa forma, a SQX está positivamente carregada em condições ácidas (pH 2), neutra entre valores de pH 2 e 6,8 e negativamente carregada em valor de pH acima de 6,8 (Figura 3.2) (CHEMICALIZE, 2017; SARMAH; MEYER; BOXALL, 2006; SEIFRTOVÁ et al., 2009).
Figura 3.2: Equilíbrio químico da sulfaquinoxalina de acordo com o pH da solução.
Fonte: adaptado de CHEMICALIZE (2017)
As sulfonamidas são de coloração branca ou levemente amarelas, inodoras e algumas possuem gosto amargo (DMITRIENKO et al., 2014). São moléculas polares, em geral solúveis em água, e, por isso rapidamente disseminadas no ambiente, sendo mais encontradas em matrizes aquosas (BARAN et al., 2011). Apresentam alta reatividade com os radicais hidroxila e em geral não ocorre degradação por meio de processos não fotoquímicos (BOREEN; ARNOLD; MCNEILL, 2004).
No Brasil, as sulfonamidas são utilizadas como princípio ativo de diversos medicamentos de uso veterinário e na Tabela 3.1 são descritas as sulfonamidas presentes no maior número de formulações registradas para uso no Brasil (SINDAN, 2017).
Tabela 3.1: Características e estrutura química das principais sulfonamidas registradas para uso no
Brasil (continua).
Sulfonamidas Número
CAS pKa Estrutura química
Fórmula molecular Massa molar Sulfadiazina 68-35-9 2,01 6,99 C10H10N4O2S 250,3 Sulfametazina 57-68-1 2,00 6,99 C12H14N4O2S 278,3
Tabela 3.1: Características e estrutura química das principais sulfonamidas registradas para uso no
Brasil (conclusão).
Sulfonamidas Número
CAS pKa Estrutura química
Fórmula molecular Massa molar Sulfametoxazol 723-46-6 1,97 6,16 C16H11N3O3S 253,3 Sulfaquinoxalina 59-40-5 2,13 6,79 C14H12N4O2S 300,3 Sulfadimetoxina 122-11-2 1,95 6,91 C12H14N4O4S 310,3
Fonte: CHEMICALIZE, 2017; SINDAN, 2017.
3.1.2. Mecanismo de ação das sulfonamidas
A ação antimicrobiana das sulfonamidas ocorre devido à semelhança entre a estrutura química das sulfonamidas e do ácido aminobenzóico (PABA), onde o grupo sulfonamida e o grupo amina são os radicais dirigentes do anel benzênico na posição para em relação um ao outro, causando um efeito bacteriostático. O deslocamento do grupo para-amino para a posição meta ou orto retira a ação bacteriostática do composto (Figura 3.3) (DMITRIENKO et al., 2014).
Figura 3.3: Similaridade da estrutura química das sulfonamidas e do ácido aminobenzóico.
Os derivados mais ativos das sulfonamidas contém radicais heterocíclicos. Muitas sulfonamidas são baseadas em pirimidina, piridazina e outros compostos heterocíclicos. Se o átomo de hidrogênio do grupo amino é substituído por diferentes radicais, o composto perde a sua atividade. Porém, se no corpo humano esses radicais se separam da molécula, a atividade antimicrobiana do fármaco é mantida. A introdução de alguns substituintes adicionais no anel aromático também resulta na redução ou completa perda da atividade fisiológica da sulfonamida (DMITRIENKO et al., 2014).
O PABA é a substância utilizada pelos microrganismos para sintetizar o ácido fólico, o qual é essencial para a síntese de DNA e RNA. O mecanismo de síntese do ácido fólico consiste em reações que geram ácido di-hidropteróico, ácido glutâmico, ácido di-hidrofólico, ácido tetra-hidrofólico e ácido fólico, respectivamente. Dessa maneira, quando em contato com a sulfonamida, esse mecanismo é prejudicado, e os microrganismos que sintetizam seu próprio ácido fólico são altamente sensíveis às sulfonamidas (BARAN et al., 2011; DMITRIENKO et al., 2014).
A resistência bacteriana a fármacos pode ser induzida pela exposição das bactérias a baixas concentrações de antimicrobianos, e além de ser um fenômeno irreversível (JØRGENSEN; HALLING-SØRENSEN, 2000), a resistência em relação a uma determinada sulfonamida implica na resistência à toda a classe de sulfonamidas, uma vez que o modo de ação é o mesmo. Reporta-se na literatura que o uso prolongado de sulfonamidas resultou em um grande número de cepas de bactérias resistentes às mesmas, o que estimulou a produção de preparações combinadas, contendo, por exemplo, sulfonamidas e trimetoprim, com o objetivo de reduzir a proliferação de microrganismos resistentes às sulfonamidas e aumentar seu efeito antimicrobiano (DMITRIENKO et al., 2014).
3.1.3. Sulfaquinoxalina
A sulfaquinoxalina é um antimicrobiano sintético da família das sulfonamidas, usado na medicina veterinária. A descoberta da sulfaquinoxalina ocorreu devido à necessidade de novas drogas para tratamento da malária durante a 2ª Guerra Mundial. A empresa Merck & Co estava entre as empresas engajadas no objetivo de encontrar uma molécula derivada da sulfonamida contra a malária que necessitasse de apenas uma dose diária. Os sócios Max Tishler e John Weijlard da Merck sintetizaram a molécula 2-(4-aminobenzeno-sulfonamida)-quinoxalina, que se tornou conhecida genericamente como sulfa2-(4-aminobenzeno-sulfonamida)-quinoxalina, e depositaram a patente em seu nome em 08 de janeiro de 1944 (CAMPBELL, 2008).
Notou-se que após a administração, o novo composto era excretado de forma lenta, o que tornaria possível manter os níveis antibacterianos com baixa dosagem. Antes da patente ser emitida, as propriedades químicas e biológicas básicas do composto foram relatadas na literatura científica. Em testes com camundongos, uma dose diária de sulfaquinoxalina se mostrou mais efetiva contra infecções letais por Diplococcus pneumoniae do que 4 doses diárias de sulfadiazina ou sulfatiazol. Além disso, doses únicas a cada 48 horas de sulfaquinoxalina foram mais efetivas que 3 doses diárias de sulfadiazina e sulfapiridazina em relação a malária
aviária. O fármaco também se mostrou efetivo contra infecções causadas por Streptococcus pneumoniae em animais, pela bactéria Pasteurella avicida, Eimeria tenella e Eimeria necatrix em frangos (CAMPBELL, 2008); além de ser usada também como anticoagulante em raticidas (PREUSCH; HAZELETT; LEMASTERS, 1989). A partir do ano 1948, a sulfaquinoxalina foi introduzida no mercado.
Dentre as principais características físico-químicas da sulfaquinoxalina descritas na Tabela 3.2, destacam-se a alta solubilidade em água, baixa volatilidade e baixa adsorção em sedimentos.
Tabela 3.2: Principais características físico-químicas da sulfaquinoxalina. Grupo terapêutico antimicrobianos sulfonamida
Fórmula química C14H12N4O2S
Massa molar (g mol-1) 300,33
Número CAS 59-40-5
Hidrossolubilidade a 25°C (g L-1) 50
Coeficiente de partição octanol/água (log Kow) 1,7
Constante isoelétrica (pKa) pKa1 2,1 pKa2 6,8
Pressão de vapor (mm Hg) 3,0 x 10-10
Constante de Henry a 25ºC (atm m-3 mol-1) 6,7 x 10-11 Fonte: (CHEMICALIZE, 2017; DORETTO; PERUCHI; RATH, 2014).
De acordo com a classificação proposta por Rogers (1996), quando o log Kow do composto de interesse é menor que 2,5, ele possui baixo potencial de adsorção no solo e sedimentos, log Kow entre 2,5 e 4,0 representa médio potencial de adsorção e quando o log Kow é maior que 4,0, o potencial de adsorção é alto. O log Kow da sulfaquinoxalina classifica-se como baixo potencial de adsorção, e consequentemente, sua detecção no ambiente é majoritariamente em água e não no solo e sedimentos.
As características descritas na Tabela 3.2 permitem ainda uma prévia análise dos tratamentos que podem ser mais apropriados para a substância de interesse. Para substâncias com alto potencial de adsorção em sedimentos, por exemplo, um tratamento de remoção por coagulação poderia ser efetivo (PAL et al., 2010); já no caso da sulfaquinoxalina, o tratamento químico seria o mais indicado devido sua presença na água.
No Brasil, existem 577 medicamentos antimicrobianos registrados, dos quais 89 são da família das sulfonamidas e, destes, 11 contém a sulfaquinoxalina como princípio ativo (dados consultados em jan/2017) (SINDAN, 2017).
Os medicamentos contendo sulfaquinoxalina são indicados principalmente para o tratamento de aves, mas também para suínos, ovinos, coelhos e pássaros de gaiola. O uso da sulfaquinoxalina divide-se como: tratamento, prevenção e profilático. É indicado para doenças
causadas por protozoário dos gêneros Eimeria sp, Cryptosporidium ssp, Isospora suis, e das bactérias Escherichia coli, Haemophilus gallinarum, Salmonella spp, e Pasteurella multocida (SINDAN, 2017).
Apesar de serem apenas 11 fármacos registrados contendo a sulfaquinoxalina, estima-se que o uso desses medicamentos seja intenso devido à representatividade que o Brasil tem no setor avícola, principalmente.
A dose média recomendada dos medicamentos contendo sulfaquinoxalina é de 10 mg kg-1 de massa da ave. Tendo em conta que a massa média das aves é de 2,5 kg e que no ano de 2015 aproximadamente 5,8 bilhões de cabeças de frangos foram abatidas (IBGE, 2015), pode-se estimar que, se ao menos uma dose de medicamento foi aplicada nessas aves, cerca de 145 t de sulfaquinoxalina foram aplicadas no referido ano. Sabe-se que a excreção da sulfaquinoxalina é maior que 90% (BOOTHE, 2017), o que permite concluir que parte da dose aplicada desse medicamento pode ter chegado aos corpos d’água, enfatizando a necessidade de tratamentos para degradação da sulfaquinoxalina e de seus produtos de degradação.
3.1.3.1. Toxicidade da sulfaquinoxalina
Os potenciais efeitos que a presença da sulfaquinoxalina no ambiente pode acarretar à saúde humana, não foram completamente elucidados. No entanto, a toxicidade que a sulfaquinoxalina apresenta para organismos como os microcrustáceos, bactérias e microalgas vem sendo relatada na literatura. Organismos teste de diferentes níveis tróficos foram utilizados para determinar a toxicidade da sulfaquinoxalina: a bactéria marinha Vibrio fischeri (GONZÁLEZ; SANS; ESPLUGAS, 2007; TROVÓ et al., 2009a, 2009b), os microcrustáceos Daphnia similis e Daphnia curvirostris (DALLA BONA; DI LEVA; DE LIGUORO, 2014; DE LIGUORO et al., 2009, 2010; TROVÓ et al., 2009a), a alga Chlorella vulgaris (BARAN; SOCHACKA; WARDAS, 2006), as microalgas Pseudokirchneriella subcapitata e Scenedesmus dimorphus, a cianobactéria Synecococcus leopoliensis e a planta Lemna gibba (DE LIGUORO et al., 2010).
De acordo com os dados encontrados na literatura, a SQX não apresentou toxicidade aguda aos microrganismos aquáticos nas concentrações em que é encontrada no ambiente, e sim em concentrações na magnitude de mg L-1. DE LIGUORO et al. (2010) reportaram que a menor concentração da sulfaquinoxalina capaz de provocar algum efeito observado em Daphnia magna, Pseudokirchneriella subcapitata, Scenedesmus dimorphus,
Synecococcus leopoliensis e Lemna gibba é de 1,56; 0,08; 0,04; 0,16 e 5 mg L-1, respectivamente.
A Daphnia curvirostris se mostrou mais sensível que a Daphnia magna em testes de imobilização dos microcrustáceos em contato com a sulfaquinoxalina, desenvolvidos por BONA; LEVA; LIGUORO (2014). Sendo que, a concentração efetiva responsável por causar efeito em 50% dos organismos (CE50), foi de 129,3 mg L-1 para D. magna e 84,46 mg L-1 para D. curvirostris.
Em geral, as CE50 de fármacos veterinários encontram-se na ordem de magnitude de mg L-1 enquanto que as concentrações encontradas no ambiente variam entre µg L-1 e ng L-1. Isso pode levar à errônea conclusão de que não é necessário se preocupar com a presença de fármacos no ambiente quando encontrados em baixas concentrações. No entanto, o contato das bactérias com concentrações não letais de antimicrobianos pode levar à resistência bacteriana (HOA et al., 2011; JØRGENSEN; HALLING-SØRENSEN, 2000) e em estudos de avaliação de risco ambiental são apresentados dados que, mesmo nessas baixas concentrações, os medicamentos apresentam riscos quando presentes no ambiente (DE SOUZA et al., 2009; GAMARRA et al., 2015).
3.2. Ocorrência de sulfonamidas no ambiente
Uma vez no ambiente, o destino dos fármacos depende de suas características estruturais e propriedades físico-químicas, como fotossensibilidade, biodegradabilidade e lipofilicidade (MELO et al., 2009), as quais irão determinar sua maior afinidade por adsorção no solo, lixiviação, dissolução em água, entre outros.
As vias de entrada de fármacos veterinários no meio ambiente são de fontes diversas: 1) efluentes industriais; 2) aplicação de estrume como fertilizante agrícola no solo; 3) pastagem de gado confinado; 4) uso de medicamentos na aquacultura; e 5) más condições de armazenagem de medicamentos veterinários com prazo de validade expirado ou não utilizados (DORETTO; RATH, 2013; GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2010; PEREIRA et al., 2012).
Devido a seu baixo custo e amplo espectro de atividade, as sulfonamidas vêm sendo os antimicrobianos mais usados por mais de 70 anos, para prevenir ou tratar infecções bacterianas e, por isso, seus resíduos vêm sendo detectados em matrizes ambientais e alimentos com maior frequência, o que pode representar riscos à saúde (DMITRIENKO et al., 2014; GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2011; IGLESIAS et al., 2012).
Quando as sulfonamidas são detectadas em matrizes ambientais, as concentrações estão geralmente na ordem de µg L-1 eng L-1 (Tabela 3.3). No entanto, mesmo em baixas concentrações, reações alérgicas, supressão da atividade enzimática, alteração da microflora intestinal, resistência de cepas de bactérias gerando a necessidade de combinar outro antimicrobiano (DMITRIENKO et al., 2014) e bioacumulação de antimicrobianos em plantas e organismos não alvo (PEREIRA et al., 2012) vêm sendo reportados. No caso das sulfonamidas, elas foram classificadas por GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ (2009) como não persistentes a moderadamente persistentes em esterco, moderada a muito persistente em sedimentos e água, e não persistentes em lodos ativados; além disso, destacaram que quando as sulfonamidas estão presentes no efluente, as bactérias são os primeiros organismos que podem ser potencialmente afetados.
Tabela 3.3: Ocorrência de sulfonamidas no meio ambiente (O levantamento detalhado pode ser
consultado no ANEXO A e B).
Matriz Unidade Concentração
mínima Concentração máxima Água superficial ng L-1 0,03 8.600 Água de mar 0,6 76,9 Água mineral 9 80 Água subterrânea 0,01 1.100 Água tratada 2,3 97 Afluente ETE 0,39 4.260 Efluente ETE 0,06 2.290 Efluente hospitalar 7 4.200
Efluente matadouro animais 216 825
Estrume ng kg-1 0,047 1.470.000 Lodo desidratado 1,45 4,65 Sedimento 0,001 1.700 Solo 0,001 663
Fonte: (BENOTTI et al., 2009; BOLEDA; GALCERAN; VENTURA, 2011; CHANG et al., 2008, 2010; CHEN; ZHOU, 2014; FOCAZIO et al., 2008; GALÁN et al., 2010, 2011, GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2010, 2011; GINEBREDA et al., 2010; IGLESIAS et al., 2012; JIA et al., 2011; KIM et al., 2013; KLEYWEGT et al., 2011; LE-MINH; STUETZ; KHAN, 2012; LOCATELLI; SODRÉ; JARDIM, 2011; MA et al., 2015; PADHYE et al., 2014; PERRET et al., 2006; ROSAL et al., 2010; SHELVER et al., 2010; STACKELBERG et al., 2007; VALCÁRCEL et al., 2013; VERLICCHI et al., 2012; VULLIET; CREN-OLIVÉ; GRENIER-LOUSTALOT, 2011; WEI et al., 2011; ZHAO; ZHOU; ZHANG, 2015; ZHOU et al., 2012).
Legenda: ETE – Estação de Tratamento de Esgoto
As sulfonamidas vêm sendo detectadas e quantificadas em diversas matrizes ambientais, como águas superficiais e subterrâneas, afluentes e efluentes de estações de tratamento de esgoto e sedimentos (Tabela 3.3). Os países que vêm detectando as sulfonamidas em suas matrizes ambientais são, por ordem decrescente de ocorrências: Espanha (108), China
(89), Japão (21), Itália (19), Estados Unidos (13), França (4), Austrália (2), Canadá (2) e Brasil (1).
O levantamento bibliográfico realizado nesse estudo resultou em 262 ocorrências no ambiente, sendo que o sulfametoxazol e a sulfisomidina representaram 20% das ocorrências cada um, seguidas da sulfametazina detectada em 14% das amostras e da sulfadiazina, detectada em 10%. A sulfaquinoxalina representou 5% das ocorrências citadas.
No Brasil, os estudos voltados à determinação de compostos de preocupação emergente nos corpos d’água vêm sendo desenvolvidos ao longo dos anos. Os principais compostos estudados são estrógenos, progestógenos, anti-inflamatórios, analgésicos, antibióticos e a cafeína, que é usada como um indicador da presença de contaminantes de preocupação emergente (KUSTER et al., 2009; LOCATELLI; SODRÉ; JARDIM, 2011; MACHADO et al., 2016; MONTAGNER; JARDIM, 2011). A determinação de medicamentos veterinários no solo também vem sendo estudada (DORETTO; PERUCHI; RATH, 2014; PERUCHI; FOSTIER; RATH, 2015; TETZNER et al., 2016), uma vez que o Brasil possui alta atividade agropecuária a preocupação com a biota e contaminação do solo é relevante.
3.2.1. Aspectos legislativos no Brasil
A ausência de norma e regulamentação que determina os limites máximos de antimicrobianos em água, solo e alimentos no país é preocupante, visto que entre os anos de 2018 e 2019 a previsão do Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento é de que o Brasil continue sendo o maior exportador mundial de carne de frango e seja o responsável por 90% dessas exportações a nível mundial (MAPA, 2017a).
O avanço do Brasil nesse sentido ocorreu recentemente. No ano de 2009 foi publicada a Instrução Normativa nº 26 (MAPA, 2009) que em seu artigo 18 estabelece que: “Os anfenicóis, tetraciclinas, beta lactâmicos (benzilpenicilâmicos e cefalosporinas), quinolonas e sulfonamidas sistêmicas são de uso exclusivo em produtos antimicrobianos de uso veterinário, sendo vedada a sua utilização como aditivos zootécnicos melhoradores de desempenho ou como conservantes de alimentos para animais”. Além disso, o Decreto nº 8.448 de 2015 regulamenta a fiscalização dos estabelecimentos que fabricam e vendem os produtos de uso veterinário (MAPA, 2015).
Com essa legislação vigente, fica proibida a utilização desses fármacos como aditivos, na forma de promotores do crescimento de animais, o que reduz seu uso indevido. Além disso, no ano de 2014, foram estabelecidos os valores máximos permitidos para resíduos
de fármacos em alimentos (MAPA, 2014). O limite máximo de resíduo de sulfonamidas que pode ser encontrado em ovos é de 10 µg kg-1 e em camarão, peixe de cultivo, bovinos, equinos, suínos e aves é de até 100 µg kg-1. Para mel, o limite é de 50 µg kg-1 e para leite de 100 µg L-1. Existe também um Plano Nacional de Controle de Resíduos e Contaminantes em Produtos de Origem Animal (PNCRC/ANIMAL) criado pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, o qual é descrito como “uma ferramenta de gerenciamento de Risco com o objetivo precípuo de promover a garantia de qualidade do sistema de produção de alimentos de origem animal ao longo das cadeias produtivas”.
O PNCRC/ANIMAL é composto por amostragens homogêneas e aleatórias das diversas matrizes e espécies animais monitoradas, assim como, das análises laboratoriais realizadas por laboratórios membro da Rede Nacional de Laboratórios Agropecuários. Assim, quando uma não conformidade é detectada, inicia-se uma investigação nas propriedades rurais e estabelecimentos abatedores e processadores, visando identificar as possíveis causas de violação e mitigar o risco de recorrência. Atualmente, cerca de 3.500 estabelecimentos do território nacional participam da amostragem (MAPA, 2017c).
Em relação ao uso indiscriminado de antimicrobianos por humanos, a Agência Nacional de Vigilância Sanitária – ANVISA, instituiu no ano de 2011 que os medicamentos à base de substâncias classificadas como antimicrobianos somente poderiam ser vendidos com a prescrição realizada por profissionais legalmente habilitados (ANVISA, 2011).
Apesar das legislações serem recentes e ainda carentes de maiores informações e de limites máximos para matrizes como água e solo, é importante que a preocupação quanto aos antimicrobianos e outros compostos emergentes não seja de todo ignorada em nosso país. Pesquisadores brasileiros vêm desenvolvendo e validando ao longo dos anos metodologias para detecção e quantificação de fármacos de uso veterinário e humano em águas superficiais e solos (DORETTO; PERUCHI; RATH, 2014; DORETTO; RATH, 2013; LEAL et al., 2012, 2013; LOPES et al., 2016; MONTAGNER; JARDIM, 2011; PERUCHI; FOSTIER; RATH, 2015; STUMPF et al., 1999; TERNES et al., 1999); e, espera-se que ainda mais pesquisas com esse objetivo se desenvolvam no país, uma vez que esses dados são de extrema importância para identificar os fármacos e regiões de maior incidência e propor formas de mitigação para o problema.
3.3. Métodos para detecção e quantificação de fármacos em matrizes aquosas Metodologias para determinação de sulfonamidas e outras classes de medicamentos em matrizes ambientais vêm sendo realizadas ao longo dos anos (CHANG et al., 2008; GARCÍA-GALÁN et al., 2010, 2011; GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2010; IGLESIAS et al., 2012; PERRET et al., 2006), com o objetivo de aumentar a recuperação do analito e quantificá-lo em concentrações mais baixas, inclusive quando é necessário determinar uma mistura de fármacos em uma mesma amostra.
3.3.1. Extração em fase sólida
A extração em fase sólida é uma técnica utilizada para concentração do analito de interesse quando ele se apresenta em baixas concentrações, como na faixa de µg L-1 a ng L-1. Essa técnica tem sua importância principalmente em adequar a concentração do analito de interesse na faixa de quantificação do equipamento utilizado.
O pH da solução de trabalho influencia significantemente na especiação química do analito na amostra, na estabilidade e na interação entre o analito e o material empacotado no cartucho de extração em fase sólida (SEIFRTOVÁ et al., 2009). Por esse motivo, é importante conhecer o pKa do analito de interesse. A sulfaquinoxalina é positivamente carregada em condições ácidas (pH 2,0), neutra entre pH 2,1 e 6,8 e negativamente carregada em pH acima de 6,8 (CHEMICALIZE, 2017).
Para aumentar a retenção do analito no adsorvente polimérico Oasis HLB, por exemplo, é necessário acidificar o analito de interesse em 2 unidades abaixo do pKa2 para que ele esteja em sua forma neutra ou ácida (SEIFRTOVÁ et al., 2009). No caso das sulfonamidas, o ideal é que o pH esteja abaixo de 5,0.
O tipo de fase estacionária do cartucho e o solvente para eluição do analito são parâmetros críticos que podem afetar a recuperação das sulfonamidas; dessa forma, testes preliminares são necessários para otimizar o processo de extração (GARCÍA-GALÁN; DÍAZ-CRUZ; BARCELÓ, 2009). O metanol é o solvente mais utilizado para a eluição das sulfonamidas (BALAKRISHNAN; TERRY; TOITO, 2006; CHALLIS et al., 2013; CHANG et al., 2008; LIN; YU; LIN, 2008; MALINTAN; MOHD, 2006; PERRET et al., 2006; YE et al., 2007).
3.3.2. Cromatografia líquida de alta eficiência
A cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) vem sendo amplamente usada para quantificar sulfonamidas, devido à sua alta sensibilidade e amplo intervalo linear (DMITRIENKO et al., 2014). Uma vez que as sulfonamidas não são fluorescentes (SEIFRTOVÁ et al., 2009), os detectores usados são DAD e UV (Tabela 3.4).
Tabela 3.4: Métodos para determinar e quantificar sulfonamidas em matrizes aquosas utilizando a
cromatografia líquida de alta eficiência.
Método Matriz Coluna Fase móvel LQ
(mg L-1) HPLC UV1 Água superficial e efluente ETE C18 AQ Alltima HP Grace (250 x 4,6 mm; 5 µm) Acetonitrila:Acetato amônio pH 5 (24:76% v/v SMX e SMT) (20:80% v/v SDZ) NI UFLC UV2 Água ultrapura C18 Phenomenex Synergi Fusion-RP (250 × 4,6 mm; 4 µm) Acetonitrila:0,2% Ác. Acético (80:20) SMT: 0,5 HPLC UV3 Água ultrapura C18 Phenomenex Synergi Fusion-RP (250 × 4,6 mm; 4 µm) Acetonitrila:0,2% Ác. Acético (80:20) SDZ: 0,3 SMZ: 0,17 SMT: 0,5 HPLC DAD4 Água ultrapura
Sinergi Hydro-RP 80A (4 µm) Metanol:Água (30:70) NI HPLC DAD5 Água ultrapura C18 Simmetry Waters (150 × 4,6 mm; 3,5 µm) Agilent Zorbax HILIC plus (100 × 2,1 mm; 3,5 µm) Acetonitrila:0,05% Ác. Fórmico pH 3 (70:30) NI UPLC6 Afluente e efluente ETE C18 Waters Acquity UPLC BEH (100 x 2,1 mm, 1,7 µm) (A) metanol:(B) 0,1% Ác. Fórmico (3% A 0,5 min, 65% A 5,7 min, 100% A 0,8 min a 1,5 min) NI HPLC UV7 Água ultrapura ODSC18 Hypersil (250 x 4,6 mm; 5 µm) Acetonitrila:Água deionizada (70:30) NI
Fonte: (1BAEZA; KNAPPE, 2011; 2BATISTA; PIRES; TEIXEIRA, 2014a, 32014b; 4BELTRÁN et al., 2008; 5CHALLIS et al., 2013; 6CHANG et al., 2008; 7NIU et al., 2013)
Legenda: ETE: Estação de Tratamento de Esgoto; LQ: Limite de Quantificação; NI: Não Informado; SMT: sulfametazina; SDZ: sulfadiazina; SMZ: sulfamerazina; SMX: sulfametoxazol; HPLC: High Performance Liquid Chromatography; UFLC: Ultra-fast liquid chromatography; UPLC: Ultra Performance Liquid Chromatography; UV: ultravioleta; DAD: Detector de Arranjo de Fotodiodos
Para determinação das sulfonamidas pela técnica de HPLC, as colunas mais utilizadas são a de modelo C18 e a fase móvel aquosa geralmente consiste em água fortificada por um ácido fraco e a fase móvel orgânica em metanol ou acetonitrila (Tabela 3.4).
Os limites de quantificação do equipamento geralmente são na ordem de mg L-1, sendo necessário utilizar um método de concentração da amostra como a extração em fase sólida por exemplo, para poder quantificar concentrações a nível de µg L-1 e ng L-1.
![O Uraguay [...]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)