English

Recent studies indicate the ubiquitous and widespread occurrence of low-level concentrations of pharmaceuticals in the aquatic environment, the active drugs and their metabolites as well. It is an urgent need to improve the techniques of water purification and to employ analytical methods in order to monitor the input of drugs and their metabolites into the aquatic environment. The analytical technique usually used is HPLC, which still affords an efficient sample pretreatment. The aim of this study was to investigate the applicability of certain types of open cell solid membranes to extract efficiently selected drugs of environmental concern from water such as sulfamethoxazole (SFM), carbamazepine (CBZ), diclofenac (DCF), ibuprofen (IBU), tetracycline (TC), and chlortetracycline (CTC). The metabolites investigated in this study were iso-chlortetracycline (iso-CTC) and N-4-acetylsulfamethoxazole (ASFM). The latter compound was synthesized and its structure confirmed by common spectroscopic methods. Polyurethane foams (PUF) and novel block copolymer membranes (BM) were used to carry out membrane-batch experiments. Polyether-based PUF- membranes (type a, b and c) with different pores sizes (100, 50 and 10 μm) were tested and type d, a polyester-based PUF (10 μm). In case of the extractability of metabolite ASFM the following order was found: a (48%) > b (34%) ≥ c (33%). Obviously, membrane a with the largest pores has the highest extraction efficiency. For comparison, 30% of ASFM were extracted by PUF-polyester type d. It is assumed, that the PUF-polyether extracts comparatively more strongly than PUF-polyester due to easier formation of hydrogen bonds with the amino groups in ASFM molecules. The drug permeability through the membranes strongly depends on the composition of the aqueous medium: e.g. the ability of sorption of CBZ, SFM and ASFM generally increased in the order: pH3 > pH 9 >> pH 7. Between 73 % (CBZ) and 80% (ASFM) were extracted at pH 3. Under these conditions the extraction yields for tetracyclines were about 60%. In 0.1M NaCl the results increased up to 94% CBZ and 98% for SFM and ASFM. The effect of individual cations on the sorption of drugs increased in the following order: Na+ ≈ NH4 + > K+ > Mg2+. By use of acetone 52-60% of the loaded drug amounts can be eluted and even to a lesser extent by acetonitrile. Novel types of open cell block copolymer membranes (BM) efficiently separate certain drugs from aqueous solutions (1mg/L), as demonstrated by membrane BM42 (43% SFM, 44% CBZ) and BM43 (89% DCF, 93% IBU) and in particular in the case of TC (98%). BM32 and BM34 extract also CTC and iso-CTC to some extent (~60%). In acidic solution (pH 3) the extractability is remarkably increased: After 4 hours BM43 separates 99% of TC, 73% of TC, 50% of iso-CTC, 62% of SFM, 70% of CBZ and 97% of IBU. BM34 also shows a sufficient behaviour, since the extraction percentage for TC and IBU exceed 97%. Recovery studies with drug loaded polymer cubes reveal, that acetone eluates 100% of IBU, 81 % of TC, 69% of CBZ and 32% of SFM from BM34. Acetonitrile recoveres TC completely and the other drugs in the range of 60%. A quantitative recovery of TC and IBU was achieved by means of BM43 and acetone, whereas SFM and CBZ were eluted to a less extent (~ 60%). Acetonitrile acts less efficient, as only 34% of SFM and 86% of TC could be recovered. The different types of polymeric membranes, polyurethane foams and the novel block-copolymers investigated in this work reveal different profiles of extraction and elution behaviour. Due to their distinct selectivity towards various classes of active drugs and metabolites, they offer some potential for certain applications in the fields of water treatment and analytical chemistry.

Deutsch

Aktuelle Studien zeigen, dass Spurenrückstände von Arzneimittel-Wirkstoffen und deren Metaboliten in aquatischen Umwelt-Kompartimenten ubiquitär auftreten. Es besteht daher dringender Bedarf, Technologien zur Wasseraufbereitung zu verbessern und Analysenmethoden anzuwenden, um die Einträge von Pharmaka in Wässer systematisch zu erfassen. Die routinemäßige Anwendung hochleistungsflüssigchromatografischer Methoden (HPLC) erfordert weiterhin eine effiziente Probenvorbereitung. Ziel dieser Studie war es, die Anwendbarkeit bestimmter open-cell-Festmembranen zu untersuchen, um ausgewählte Arzneistoffe von ökologischer Relevanz aus Wasser effektiv zu extrahieren, wie z.B. Sulfamethoxazol (SFM), Carbamazepin (CBZ), Diclofenac (DCF), Ibuprofen (IBU), Tetracyclin (TC) and Chlortetracycline (CTC). Als Metabolite wurden Iso-chlortetracyclin (iso-CTC) und N-4-Acetylsulfamethoxazol (ASFM) in die Untersuchungen einbezogen. Letztere Verbindung wurde synthetisiert und ihre Struktur mit gewöhnlichen spektroskopischen Methoden bestätigt. Polyurethan-Schäume (PUF) und neuartige Block Copolymer-Membranen (BM) wurden in Batch-Experimenten in arzneistoffhaltigen wässrigen Lösungen (Konzentration u. a. 1 mg/L) äquilibriert. Dazu zählen Polyether-basierte PUF-Membran-Typen (a, b und c) mit unterschiedlichen Porengrößen (100, 50 und 10 μm) und Typ d, ein Polyurethan-Schaum auf Polyesterbasis (10 μm). Im Falle des Metaboliten ASFM wurde die folgende Reihenfolge der Extrahierbarkeit gefunden: Polyether-Typ a (48%) > b (34%) (33%). Offensichtlich verfügt die Membran a mit den größten Poren über die höchste Extraktionseffektivität. Zum Vergleich: 30% von ASFM ließen sich mit dem PUF-Polyester-Typ aus der wässrigen Phase abtrennen. Es wird angenommen, dass die Polyether-Schäume im Vergleich zu den Polyester-Typen leichter Wasserstoffbrücken mit der Aminogruppe der ASFM-Moleküle bilden, wodurch die Extraktion begünstigt wird. Die Aufnahme der Pharmakamoleküle durch die Membranen hängt sehr von der Zusammensetzung (pH-Wert, Salzgehalt) der wässrigen Phase ab; z.B. steigt allgemein die Sorbierbarkeit von CBZ, SFM und ASFM in der Reihenfolge: pH3 > pH 9 >> pH 7. Bei pH 3 werden zwischen 73 % (CBZ) und 80% (ASFM) extrahiert. Unter diesen Bedingungen liegt die Extraktionsausbeute für Tetracycline bei 60%. In 0.1M NaCl werden Maximalwerte von 94% CBZ, 98% SFM und ASFM erreicht. Der Einfluss von Kationen auf die Extraktionseffektivität zeigt sich in der folgenden Ordnung: Na+ 4+ > K+ > Mg2+. Mit Aceton lassen sich 52-60% der Membran-geladenen Pharmaka eluieren, mit Acetonitril aber deutlich weniger. Neuartige open-cell-Typen von Copolymer-Membranen (BM) trennen sehr effektiv einige Wirkstoffe aus wässriger Lösung (1mg/L) ab. Dieses lässt sich am Beispiel der Membranen BM42 (43% SFM, 44% CBZ) und BM43 (89% DCF, 93% IBU) demonstrieren, aber insbesondere beim Tetracyclin (98%). BM32 und BM34 extrahieren ebenso CTC und iso-CTC, wenn auch in geringerem Maße (~60%). In saurer Lösung (pH 3) wird die Effektivität noch erheblich gesteigert: Nach 4 h sind mit BM43 99% des TC, 73% CTC, 50% Iso-CTC, 62% SFM, 70% CBZ und 97% IBU extrahiert. Ebenso zeigt die Membran BM34 eine bemerkenswert hohe Affinität für TC und IBU (>97%). Wiederfindungsstudien mit Pharmaka-beladenen Polymer-Würfeln zeigen, dass Aceton 100% IBU, 81% TC, 69% CBZ und 32% SFM von BM34 eluiert. Mit Acetonitril wird TC quantitativ wiedergefunden, die anderen Arzneistoffe im Bereich von 60%. Eine vollständige Re-Extraktion von TC- und IBUbeladenem BM43 wurde mit Aceton erreicht, während SFM und CBZ nur zu ~ 60% eluierbar waren. Mit Acetonitril konnten nur 34% SFM und 86% TC re-extrahiert werden. Die in dieser Studie untersuchten Typen polymerer Polyurethanschäume und Block-Copolymere ergaben ein in wässriger Lösung teilweise sehr unterschiedliches Extraktions- und Elutionsverhalten gegenüber Pharmaka-Wirkstoffe und Metaboliten. Diese Materialien bieten daher ein Anwendungspotenzial sowohl in der Wasseraufbereitung als auch in der Wasseranalytik.