Magnetic carbon nanotubes as a new generation of electron shuttles for anaerobic removal of pharmaceuticals

Abstract

Pharmaceuticals and their metabolites are considered emerging pollutants due to their continuous input into the aquatic environment, representing a public health problem. The conventional treatment systems are not effective in the removal of these type of compounds, which are usually concentrated in the sludge line that is often stabilized by anaerobic digestion. However, the anaerobic reduction rate is slow due to limitations associated with electron transfer, which might be accelerated through redox mediators (RM). Carbon materials (CM) have been used as viable RM. This work focused on the effect of carbon nanotubes (CNT) and carbon nanotubes impregnated with 2 % of Iron (CNT@2%Fe) as RM for the anaerobic reduction of Ciprofloxacin (CIP). In biological assays, in the absence of CM, the removal of CIP after 24 h reaction was 72 % and in the presence of the CM the CIP removal was 98 % in the assays with CNT and 92 % in the assays with CNT@2%Fe. Through toxicity assays, it was verified that CM did not inhibit the biological activity in different substrates, while the CIP inhibits around 45 % in the presence of the ethanol. Furthermore, tests have been made with the bacterium Vibrio fischeri to evaluate the toxic effect of the CM, CIP and the CIP solutions after 24 h of treatment. The results obtained demonstrated that for these bacteria CNT@2%Fe are more toxic than CNT. CIP toxicity was 56 %. Nevertheless, treated solutions in the presence of CM inferred low toxicity, namely, 27 % in the presence of CNT and 35 % in the presence of CNT@2%Fe, meaning detoxification and validating the proposed process.

Os fármacos e os seus metabolitos são considerados poluentes emergentes devido à sua entrada continua no ambiente aquático, representando, portanto, um problema de saúde pública. Os sistemas de tratamento convencionais não são eficazes na remoção deste tipo de compostos, os quais surgem muitas vezes concentrados na linha de lamas, frequentemente estabilizada por digestão anaeróbia. No entanto, a taxa de redução anaeróbia é lenta devido a limitações associadas à transferência de eletrões, podendo ser aceleradas através de mediadores redox (RM). Os materiais de carbono (CM) têm sido utilizados como RM viáveis. Este trabalho focou-se no efeito dos nanotubos de carbono (CNT) e dos nanotubos de carbono impregnados com 2 % de Ferro (CNT@2%Fe) como RM na redução anaeróbia da Ciprofloxacina (CIP). Nos ensaios biológicos na ausência de CM, a remoção de CIP após 24 h de reação foi de 72 % e na presença de CM, a remoção de CIP foi de 98 % nos ensaios com CNT e de 92 % nos ensaios com CNT@2%Fe. Através dos ensaios de toxicidade, verificou-se que os CM não inibem a atividade biológica nos diferentes substratos, enquanto a CIP inibe cerca de 45 % na presença de etanol. Foram ainda realizados testes com a bactéria Vibrio fischeri para avaliar o efeito tóxico dos CM, da CIP e das soluções de CIP após 24 h de tratamento. Os resultados obtidos demonstraram que os CNT@2%Fe são mais tóxicos (35 %) do que os CNT (28 %) para a bactéria em questão. A toxicidade da CIP foi de 56 %, no entanto, as soluções tratadas na presença dos CM inferem relativamente baixa toxicidade, nomeadamente, 27 % na presença de CNT e 35 % na presença CNT@2%Fe, valores próximos dos obtidos com os materiais, pelo que, relativamente à CIP, há uma destoxificação, tornando viável o processo proposto.