Fate and effects of two veterinarian cephalosporins, ceftiofur and cefapirin, in the aquatic environment
Cephalosporine sind wichtige Antibiotika in Human- und Veterinärmedizin. Die Untersuchung des Umweltverhaltens von Cephalosporin-Antibiotika ist von besonderer Bedeutung aufgrund ihres breiten Wirkungsspektrums, was zu möglichen Schäden in „Non-target“ Organismen führen könnte, sowie der Ausbildung von Antiobiotika-Resistenzen durch die Wirkstoffe, deren Metabolite und bioaktiven Nebenprodukte.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden in einem kritischen Überblick physikochemische Eigenschaften, Anwendungen, das Auftreten in wässrigen Matrizes, vorhandene Daten über Ökotoxizität und die Eliminierung von Cephalosporinen diskutiert. Cefalexin, Cefradin, Cefotaxim und Cefazolin wurden am häufigsten in der aquatischen Umwelt nachgewiesen. Klassische Verfahren der biologischen Abwasseraufbereitung können keinen vollständigen Abbau der Cephalosporine gewährleisten. Daher wurden vielfach weitere Verfahren untersucht, um diese Substanzen in wässrigen Matrizes zu eliminieren, insbesondere Photolyse und Sorption. Viele Fragestellungen bedürfen weiterer Untersuchungen. Dies umfasst: Umwelttoxikologische Analysen der Substanzen und Transformationsprodukte, einschließlich der Verwendung von Boden-Mikroorganismen, Cyanobakterien und Biofilmen; abiotische Abbauraten (Hydrolyse, Photolyse) biologische Inaktivierung und die Einbeziehung von Metaboliten und Transformationsprodukten in die Überwachung der Oberflächengewässer.
Die pH-abhängige Speziation von Xenobiotika wird durch ihre Säurekonstanten (pKs) beschrieben und bestimmt in vielen Fällen ihr Verhalten in der Umwelt. Wie auch andere Pharmazeutika weisen Cephalosporine mehrere ionisierbare Zentren auf. Für die beiden veterinären Wirkstoffe Cefapirin (CEPA) und Ceftiofur (CEF) wurden pKs-Werte mittels zweier experimenteller Methoden ermittelt (Potentiometrie und Spektrophotometrie) und betrugen für CEF 2,68 ± 0,05 (Deprotonierung der Carboxylgruppe), für CEPA 2,74 ± 0,01 (Deprotonierung der Carboxylgruppe) und 5,13 ± 0,01 (Deprotonierung des Pyridinium Ringes). Für diese sowie 14 weitere Cephalosporine wurden experimentell bestimmte Daten (n=88) mit Computersimulationen verglichen. Die experimentellen pKs-Werte stimmen mit den vorhergesagten in silico-Werten (ACD/Percepta RMSE: 0,552 und Marvin RMSE: 0,706) gut überein. CEPA und CEF, sowie viele andere Cephalosporine, liegen im umweltrelevanten pH Bereich von 6 – 7,5 als anionische Spezies vor, was in der bisherigen Diskussion ihres Umweltverhaltens oft nicht berücksichtigt wurde.
CEPA und CEF wurden in der aquatischen Umwelt nachgewiesen und ihr Verbleib in Oberflächengewässer, sowie in der Trinkwasseraufbereitung ist noch nicht geklärt. Um die Beständigkeit von Cephalosporinen in wässrigen Matrizes zu verstehen, wurde die Kinetik des hydrolytischen und photolytischen Abbaus untersucht. CEF und CEPA wiesen eine hohe Instabilität unter alkalischen Bedingungen auf, mit einem innerhalb von Minuten stattfindenden Abbau, bei einem pH>11 (T = 22 ± 1°C). Die Speziation der Cephalosporine beeinflusste nicht signifikant die Photolyse-Raten von CEPA und CEF bei einer simulierten UV-Desinfektion (UV-C, λ = 254 nm). Sämtliche ionischen Spezies von CEF (kapp 0,0095 ± 0,0004 mJ cm-2) und CEPA (kapp 0,0092 ± 0,001 mJ cm-2) wiesen hohe und ähnliche Abbauraten pseudo-erster Ordnung auf. Bei Hydrolyse-Experimenten in Oberflächenwasser wies CEF eine signifikante, matrixabhängige Stabilitätserhöhung auf, mit einer Halbwertszeit (t½ 14,7 Tage), die zehnfach höher war als in einer gepufferten Reisntwasser-Lösung (t½ 1,4 Tage). CEPA wies eine ähnliche Hydrolyse-Rate in gepufferter Lösung (t½ 3 Tage) und in Flusswasser (t½ 4,2 Tage) auf. Dieses Antibiotikum wies auch einen etwas schnelleren photolytischen Abbau in der gleichen Matrix (kapp 0,0128 ± 0,001 mJ cm-2) auf, während der photolytische Abbau von CEF nicht von der Matrix abhing.
Abschließend wurde die akute und chronische Toxizität von CEF und CEPA gegenüber aquatischen Organismen unter Berücksichtigung des zuvor bestimmten abiotischen Abbaus untersucht. CEF und seine Hydrolyse-Produkte waren toxisch für Daphnia magna (48 Std. EC50 139, LC50 179 in μM), aber nicht für Scenedesmus spec. (72 Std. NOAEC 82.5 ± 2.5 μM). Im Falle von CEPA konnten keine toxischen Effekte während beider Tests (48 Std. EC-LC50 > 510 and 72 Std. NOAEC 57 ± 6, in μM) beobachtet werden. Die Photolyse von CEPA unter Bedingungen der UV-Desinfektion (UV-C, λ = 254 nm) resultierte in toxischen Abbauprodukten, welche Auswirkungen auf Cladocera, jedoch nicht auf die Grünalgen hatten. Im Unterschied dazu wurde unabhängig von den Bestrahlungszeiten für CEF keine zusätzliche negative Wirkungen auf die beiden Testorganismen gefunden.
Zusammengefasst liefert diese Arbeit wichtige Daten zum pH-abhängigen Verhalten und Wirkung von Cephalosporin-Antibiotika in aquatischen Systemen.
Human and veterinary cephalosporins can reach the environment due to their widespread consumption, intermittent and diffuse discharge rate. Particular attention is given to this antibiotic group due to their broad spectrum of activity and possible deleterious effects in non-target organisms as well as pressure in antimicrobial resistance acquirement, which may be caused by the parental drugs, metabolites and bioactive byproducts.
Physicochemical properties, consumption, occurrence in aqueous matrices, available ecotoxicity data and technical strategies employed for the degradation of compounds within this group were critically discussed. Classical biological treatment systems cannot provide complete removal of cephalosporins, therefore several technologies have been employed for the removal of these compounds from aquatic matrices. In this regard, photolysis and mass transfer processes were the most investigated ones. Cefalexin, cefradine, cefotaxime and cefazolin possess respectively the highest occurrence score in the aquatic environment. Topics were identified where further investigations are necessary, as: ecotoxicological assessment of parental and transformed compounds, especially using soil organisms, cyanobacteria and biofilms; abiotic degradation rates (hydrolysis, photolysis) and control of natural degradation during abatement technologies; analysis of biologic inactivation and inclusion of metabolites and transformation products in surface water surveillance.
Several biotic and abiotic processes in the environment depend primordially on the xenobiotic pH-dependent speciation. The veterinarian drugs ceftiofur (CEF) and cefapirin (CEPA) are widely used for the treatment of recurrent and economically relevant infections. The acid dissociation constants (pKa) of CEF and CEPA were studied using two experimental techniques (potentiometry and spectrophotometry) along with computational simulations. In silico studies were also used to contrast and discuss the experimental dissociation constants available in the literature of 14 cephalosporins. pKa values were obtained experimentally for CEF (2.68 ± 0.05, carboxylic acid group deprotonation) and for CEPA (2.74 ± 0.01 for the carboxylic acid deprotonation and 5.13 ± 0.01 for the pyridinium ring deprotonation). The pKa values available for cephalosporins (n=88) agreed with the in silico predicted data (ACD/Percepta RMSE: 0.552 and Marvin RMSE: 0.706). Therefore, in the biologically and environmentally relevant pH values of 6 - 7.5, CEF and CEPA, as well as many other cephalosporins, are present as anionic species.
CEF and CEPA have been detected in aquatic environments and their fate in surface water as well as during drinking water processing is still unknown. To understand the persistence of cephalosporins in aqueous matrices, hydrolytic and photolytic kinetics were investigated. Both CEF and CEPA showed high instability under alkaline conditions, degrading in few minutes at pH>11 (T = 22 ± 1°C). Cephalosporins speciation did not significantly influence the direct photolysis rates of CEF and CEPA under simulated water disinfection radiation (UV-C, λ = 254 nm). All ionic species of CEF (kapp 0.0095 ± 0.0004 mJ cm-2) and CEPA (kapp 0.0092 ± 0.001 mJ cm-2) presented fast and similar pseudo-first order degradation rates. In hydrolysis experiments using surface water CEF showed a significant matrix-dependent stability increase with a half-life (t½ 14.7 d) tenfold higher than in buffered solutions (t½ 1.4 d). Meanwhile, CEPA showed similar hydrolysis in buffered solutions (t½ 3 d) and in river water (t½ 4.2 d). On the other hand, this antibiotic showed subtle faster photo-degradation rate in this same matrix (kapp 0.0128 ± 0.001 mJ cm-2), while CEF photo-degradation showed no matrix effects.
The acute and chronic toxicities of CEF and CEPA towards aquatic organisms were also investigated. CEF and CEPA have significant decay during cladocera (Daphnia magna) tests, portraying half-life times (t½) of 49 and 53 hours, respectively. During tests with green algae (Scenedesmus spec.), CEPA was more instable (t½ 88 h) than CEF (t½ 267 h). CEF and its hydrolysis products induced deleterious effects in Daphnia magna (48h EC50 139, LC50 179 in μM), which was not observed with Scenedesmus spec. (72h NOAEC 82.5 ± 2.5 μM). In the case of CEPA, no toxic effects were observed in both tests (48h EC-LC50 > 510 and 72h NOAEC 57 ± 6, in μM). The effects of water disinfection radiation (UV-C, λ = 254 nm) on ecotoxicological responses were also studied. Photolysis of CEPA resulted in toxic products, which were effective for cladocera but not for the green algae. On the other hand, the different radiation doses studied did not affect CEF ecotoxicity. This work should provide important data for researchers interested in cephalosporins antibiotics as environmental contaminants, confirming the importance of investigating the fate and effects of cephalosporin antibiotics in the aquatic environment.
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