Minerales arcillosos de la Norpatagonia argentina en la retención de compuestos orgánicos que impactan sobre la salud humana y el medio ambiente

Abstract

Los minerales arcillosos son utilizados frecuentemente en productos farmacéuticos como excipientes o sustancias activas. La interacción de un principio activo con el mineral puede influir sobre la liberación y estabilidad del compuesto, determinando su biodisponibilidad. El conocimiento de los aspectos químicos de los complejos principio activo-mineral arcilloso y los modos de adsorción y desorción constituyen una importante contribución en la formulación de sistemas de liberación modificada de sustancias basados en arcillas. Por otra parte, en los últimos años ha recibido especial atención el estudio de las consecuencias de la distribución de antibióticos en el medio ambiente, como consecuencia de su amplia utilización como preventivo y en el tratamiento de diversas infecciones, y la necesidad de desarrollar tecnologías para el control de la contaminación. Sólo recientemente los minerales arcillosos han sido utilizados para estos fines, a pesar de su amplia distribución en suelos y sedimentos y su elevada capacidad adsorbente. En este trabajo de tesis se estudió la adsorción de antibióticos de la familia de las tetra-ciclinas sobre montmorillonita bajo diferentes condiciones experimentales mediante espectroscopia UV-visible, dicroísmo circular, ATR-FTIR, difracción de rayos X y experiencias en batch y modelado teórico. Se evaluó también la capaci-dad de los complejos de adsorción antibiótico-montmorillonita para inhibir el crecimiento de bacterias de Escherichia coli. Los resultados obtenidos por métodos espectroscópicos sugieren importantes interacciones entre diversos grupos funcionales del antibiótico y la superficie del mineral. El aumento en el espaciado basal observado en los diagramas de rayos X revelan que las moléculas se encuentran intercaladas en el espacio intercapa de la montmorillonita. A partir de las experiencias en batch se observó que la adsorción de te-traciclina (TC) sobre montmorillonita depende del pH, fuerza iónica y catión de intercambio del mineral. La cantidad de TC adsorbida alcanza valores cercanos a la capacidad de inter-cambio del mineral a valores de pH menores a 4, donde prevalece la especie catiónica de TC, y luego disminuye al aumentar el pH. Los resultados experimentales y el modelo utilizado sugieren que en la adsorción de TC sobre mont-morillonita no sólo intervienen las especies catiónicas sino también neutras y monoaniónicas. Además de fuertes interacciones electrostáticas, pueden operar simultánea-mente varios tipos de interacciones que incluyen interacciones puente hidrógeno y fuerzas de van der Waals. Estos tipos de interacciones explican la adsorción de TC en un amplio intervalo de concentraciones, de pH y de fuerza iónica. Los estudios de actividad antimicrobiana, medida por el test de zona de inhibición, revelan que la actividad se mantiene cuando los antibióticos se encuentran adsorbidos sobre montmorillonita. La actividad antimicrobiana mostrada por los complejos de adsorción constituye un campo promisorio de aplicación, en particular para la formulación de productos tópicos. Por otro lado, la optimización del material adsorbente y de las condiciones de adsorción permite recomendar su utilización en la retención de antibióticos presentes en sistemas acuosos, utilizando minerales arcillosos de la NorPatagonia Argentina mediante técnicas simples y de bajo costo.

Clay minerals are often used in pharmaceutical products as excipients or active substances. The interaction of an active principle with the mineral can influence the release and sta-bility of the substance, determining its bioavailability. The knowledge of the chemical aspects of the active principle-clay mineral complexes and their adsorptiondesorption beha-viour constitute an important contribution to the formulation of clay based systems that can be used for modified release of substances. On the other hand, the study of the conse-quences of the antibiotic distribution in the environment has received special attention in the last years, as a consequence of its wide use in disease prevention and in the treatment of several infections, and of the need to develop technologies for contamination control. Only recently, clay minerals have been used for these purposes, in spite of its wide distribution in soils and sediments and its high adsorbent capacity. In this work the adsorption of antibiotics from the tetracycline family on montmorillonite has been studied under different experi-mental conditions by UV-visible spectroscopy, circular dichroism, ATR-FTIR, X ray diffraction and batch experiences and theoretical modelling. The capacity of the antibiotic-montmorillonite adsorption complexes to inhibit the grow of Escherichia coli bacteria was also studied. The results obtained with spectroscopic methods suggest important interactions between different antibiotic functional groups and the mineral surface. The increases in the basal spacing obser-ved inthe X-ray diagrams reveal that the molecules are intercalated in the montmorillonite interlayer space. Batch experiments have shown that tetracycline (TC) adsorption on montmorillonite depends on pH, ionic strength and the cation exchange capacity of the mineral. TC adsorption reaches values close to the cation exchange capacity at pH values lower than 4, where the TC cationic species prevails, and then it decreases as pH increases.The experimental results and the modelling suggest that both cationic as well as neutral and monoanionic species participate in the adsorption. Besides strong electrostatic interactions, several types of interactions can operate simultaneously including hydrogen bonds and van der Waals forces. These types of interactions explain TC adsorption in a wide interval of concentrations, pH and of ionic strength. The studies of antimicrobial activity, measured by the inhibition zone test, reveal that the activity remains when antibiotics are adsorbed on montmorillonite. Antimicrobial activity shown by the studied adsorption com-plexes constitutes a promising field of application, especially for the formulation of topical products. On the other hand, the optimization of the adsorbent material and of the adsorption conditions leads to recommend the use of clay minerals from the Argentinean Northern Patagonia for the retention of antibiotics in aqueous systems by using simple and low-cost techniques.