Mecanismo de remoción de diclofenaco y naproxeno y/o sus productos de degradación en un humedal construido: rol de los microorganismos

Abstract

El objetivo de este estudio fue analizar la contribución de los microorganismos asociados a la raíz de Typha latifolia, en la remoción de diclofenaco y naproxeno en agua e identificar los subproductos de transformación formados durante el proceso, en humedales construidos de flujo subsuperficial horizontal. La celda de humedal construido horizontal de flujo subsuperficial removió diclofenaco (3 mg/L) en un 82.01 % y naproxeno (5 mg/L) en un 74.54 % durante el período de experimentación de 100 días con un tiempo de residencia hidráulico (TRH) de 3 días y un flujo de 10 ±4 mL/min. Las plantas no mostraron signos de efectos negativos como clorosis, marchitamiento e inhibición en el desarrollo de hojas al estar en continuo contacto con la mezcla de diclofenaco y naproxeno, todo ello en relación con una celda control que solo fue alimentada con una solución de nutrientes. La identificación de aislados bacterianos en las raíces de Typha latifolia fue muy diversa logrando identificar 208 colonias bacterianas (14 morfotipos en total). Se realizaron pruebas bioquímicas y análisis de tipo PCR, la identificación bacteriana usando la base de datos de GenBank reveló un porcentaje de identidad >90 % para cada uno de los aislados logrando identificar molecularmente a 7 aislados, de los cuales 5 pertenecen al género de Pseudomonas, uno al género de Ranhela y otro a Serratia. Se utilizaron herramientas de química computacional para modelar en la solución las posibles interacciones químicas entre diclofenaco y naproxeno con compuestos de la raíz (celulosa), así como las interacciones químicas entre los fármacos, y se proponen posibles mecanismos de degradación para los fármacos dentro del humedal. El análisis a nivel teórico semiempírico de PM6 indico una interacción entre las moléculas de diclofenaco y naproxeno a través de enlaces de hidrógeno y covalentes, lo que da lugar a moléculas más estables que podrían disminuir la eficiencia de eliminación. En cuanto a la interacción entre celulosa y fármacos (naproxeno o diclofenaco), se encontró que los fármacos interactúan con la celulosa de las plantas por puentes de hidrógeno y ocurriendo la interacción más fuerte entre la celulosa y el diclofenaco. La evaluación de los mecanismos de degradación propuestos indica que es factible la formación de 8-clorocarbazol-1-carboxilato y 6´-metoxi-2´-acetonaftona en la remoción de diclofenaco y naproxeno, respectivamente.

The objective of this study was to analyze the contribution of microorganisms associated with the root of Typha latifolia, in the removal of diclofenac and naproxen in water and to identify the transformation by-products formed during the process, in constructed wetlands of horizontal subsurface flow. The subsurface flow horizontal constructed wetland cell removed diclofenac (3 mg/L) by 82.01 % and naproxen (5 mg/L) by 74.54 % during the 100-day experimentation period with hydraulic residence time (HRT) of 3 days and a flow of 10 ±4 mL/min. The plants did not show signs of negative effects such as chlorosis, wilting and inhibition of leaf development when in continuous contact with the mixture of diclofenac and naproxen, all in relation to a control cell that was only fed with a nutrient solution. The identification of bacterial isolates in the roots of Typha latifolia was very diverse, managing to identify 208 bacterial colonies (14 morphotypes in total). Biochemical tests and PCR analysis were performed, bacterial identification using the GenBank database revealed an identity percentage >90% for each of the isolates, achieving the molecular identification of 7 isolates, of which 5 belong to the Pseudomonas genus, one to the genus of Ranhella and another to Serratia. Computational chemistry tools were used to model in the solution the possible chemical interactions between diclofenac and naproxen with root compounds (cellulose) as well as the chemical interactions between the drugs, and possible degradation mechanisms for the drugs within the wetland are proposed. Semi-empirical theoretical analysis of PM6 indicated an interaction between diclofenac and naproxen molecules through hydrogen and covalent bonds, leading to more stable molecules that could decrease removal efficiency. Regarding the interaction between cellulose and drugs (naproxen or diclofenac), it was found that drugs interact with plant cellulose through hydrogen bonds and the strongest interaction between cellulose and diclofenac occurred. The evaluation of the proposed degradation mechanisms indicates that the formation of 8-chlorocarbazol-1-carboxylate and 6´-methoxy-2´-acetonaphthone is feasible in the removal of diclofenac and naproxen, respectively.