Efficiency of Cattail to Remove a Mixture of Pharmaceuticals in a Constructed Wetland

Authors

DOI:

https://doi.org/10.29356/jmcs.v67i1.1848

Keywords:

Constructed wetland, Typha latifolia, molecular interactions, pharmaceuticals, removal efficiency

Abstract

Reducing the risk of the aquatic ecosystem’s contamination with organic substances such as pharmaceuticals is of great importance due to the toxicological effect of these substances on aquatic organisms. Therefore, the removal of pharmaceuticals and/or their metabolites frequently reported in industrial or municipal wastewaters require efficient processes that complement the conventional treatment systems; the constructed wetlands are an option. In this work, the removal efficiency of mixed diclofenac and naproxen was evaluated using a subsurface flow constructed wetland planted with cattail (Typha latifolia), operated during 100 days at a hydraulic residence time (HRT) of 3 days. Under these conditions, the diclofenac and naproxen removal efficiencies were 82.0% and 74.5%, respectively. The interaction between diclofenac and naproxen with cellulose, which is the major cell wall compound of higher plants, was computationally modeled at the PM6 semi-empirical level of theory and it was found that diclofenac and naproxen interact with cellulose via hydrogen bonds.

 

Resumen. Reducir el riesgo de contaminación de los ecosistemas acuáticos con sustancias orgánicas como los fármacos es de gran importancia debido al efecto toxicológico de estas sustancias para los organismos acuáticos. Por ello, la remoción de los fármacos y/o sus metabolitos frecuentemente reportados en aguas residuales industriales o municipales requiere de procesos eficientes que complementen los sistemas convencionales de tratamiento; los humedales construidos son una opción. En este trabajo, se evaluó la eficiencia de remoción de diclofenaco y de naproxeno en mezcla utilizando un humedal construido de flujo subsuperficial con plantas de tule (Typha latifolia), operado durante 100 días con un tiempo de residencia hidráulica (TRH) de 3 días. En estas condiciones, las eficiencias de remoción de diclofenaco y de naproxeno fueron de 82.0 % y 74.5 % respectivamente. La interacción entre diclofenaco y naproxeno con celulosa, que es el componente mayoritario de la pared celular de las plantas superiores, se modeló computacionalmente al nivel de teoría semiempírico con el método PM6, y se encontró que diclofenaco y naproxeno interactúan con celulosa mediante puentes de hidrógeno.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Ana Laura Zapata-Morales, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Facultad de Ciencias Químicas

Doctoral student

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava No.6, Zona Universitaria, C.P. 78210, San Luis Potosí, México

Sarai Vega-Rodriguez, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Facultad de Ciencias Químicas

Part time professor

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava No.6, Zona Universitaria, C.P. 78210, San Luis Potosí, México

Ma Catalina Alfaro de la Torre, Facultad de Ciencias Quimicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí

Full time professor

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava No.6, Zona Universitaria, C.P. 78210, San Luis Potosí, México

Alejandro Hernández-Morales, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Facultad de Estudios Profesionales Zona Huasteca

Full time professor

Facultad de Estudios Profesionales Zona Huasteca, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Romualdo del Campo 501, Fraccionamiento Rafael Curiel, C.P. 79060, Ciudad Valles, San Luis Potosí, México

Socorro Leyva-Ramos, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Facultad de Ciencias Químicas

Full time professor

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava No.6, Zona Universitaria, C.P. 78210, San Luis Potosí, México

Ruth Elena Soria-Guerra, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Facultad de Ciencias Químicas

Full time professor

Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava No.6, Zona Universitaria, C.P. 78210, San Luis Potosí, México

References

Parolini, M. Sci. Total Environ. 2020, 740, 140043. DOI: http://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140043

Bagnis, S.; Fitzsimons, M. F.; Snape, J.; Tappin, A.; Comber, S. Environ. Chem. Lett. 2018, 16, 1193–1216. DOI: http://doi.org/10.1007/s10311-018-0742-7

Verbruggen, B.; Gunnarsson, L.; Kristiansson, E.; Österlund, T.; Owen, S. F.; Snape, J. R.; Tyler, C. R. Nucleic Acids Res. 2017, 46, D930—D936. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkx1024

Beek, T.; Weber, F.-A.; Bergmann, A.; Hickmann, S.; Ebert, I.; Hein, A.; Küster, A. Environ. Toxicol. Chem. 2016, 35, 823-835.

Peña-Álvarez, A.; Castillo-Alanís, A. TIP. 2015, 18, 29–42. DOI: https://doi.org/10.1016/j.recqb.2015.05.003

Rivera-Jaimes, J. A.; Postigo, C.; Melgoza-Alemán, R. M.; Aceña, J.; Barceló, D.; López de Alda, M. Sci. Total Environ. 2018, 613-614, 1263–1274. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.09.134

Brodin, T.; Piovano, S.; Fick, J.; Klaminder, J.; Heynen, M.; Jonsson, M. Philos. Trans. R. Soc., B. 2014, 369, 1656. DOI: https://doi.org/10.1098/rstb.2013.0580

Brozinski, J.-M.; Lahti, M.; Meierjohann, A.; Oikari, A.; Kronberg, L. Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 342–348. DOI: https://doi.org/10.1021/es303013j

Yang, Y.; Ok, Y. S.; Kim, K.-H.; Kwon, E. E.; Tsang, Y. F. Sci. Total Environ. 2017, 596-597, 303–320. DOI: https://10.1016/j.scitotenv.2017.04.102

Vystavna, Y.; Frkova, Z.; Marchand, L.; Vergeles, Y.; Stolberg, F. Ecological Engineering 2017, 108, 50-58.

Domaradzka, D.; Guzik, U.; Wojcieszyńska, D. Rev. Environ. Sci. Bio/Technol. 2015, 14, 229 –239. DOI: https://doi.org/10.1007/s11157-015-9364-8

Bayati, M; Ho, T.L.; Vu, D.C., Wang, F.; Rogers, E.; Cuvellier, C.; Huebotter, S.; Inniss, E.C.; Udawatta, R.; Jose, S.; Lin, C.-H. Int. J. Hyg. Environ. Health 2021, 231, 113664. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheh.2020.113664

Cuevas, G.; Cortés, F. Introducción a la química computacional, Ed. Fondo de Cultura Económica, 2003.

Taylor, N.G. New Phytol. 2008, 178, 239-252. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2008.02385.x

Reed, S. C. WWPCDM74. United States Environmental Protection Agency, USA. 1993.

Loredo, P.R.; Leura, V.A.K.; Monreal, M. A.; Mitchell, K. N.; Alfaro, M.C.; García, R. F. 11th International Conference on the Biogeochemistry of Trace elements. 2011.

Zapata-Morales, A. L.; Alfaro-De la Torre, M. C.; Hernández-Morales, A.; García-De la Cruz, R. F. Water, Air, Soil Pollut. 2020, 231, 423. DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-020-04781-x

Barry, A.; Mahood, M.; Hamezh, M. J. Journal of Kerbala University 2009, 7, 310–316.

Alizadeh, N.; Keyhanian, F. Acta Poloniae Pharmaceutica - Drug Research 2015, 72, 867–875.

Arnon, D. Plant Physiol. 1949, 24, 1-15.

Stewart, J. J. P. J. Comput. Chem. 1989, 10, 209–220. DOI: https://doi.org/10.1002/jcc.540100208

Frisch, M.J.; Trucks, G.; Schlegel, H.B.; Scuseria, G.E.; Robb, M.A.; Cheeseman, J.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G.A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H.P.; Izmaylov, A.F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J.; Hada, M.; Fox, D. Gaussian 09 Revision A.1. Gaussian Inc., Wallingford, CT, 2009.

Jalbout, A. F. Acta Chim. Slov. 2003, 50, 159-160.

Jensen, F. Introduction to Computational Chemistry. 3rd Ed. John Wiley & Sons, 2017.

Gomes, T. C. F.; Skaf, M. S. J. Comput. Chem. 2012, 33, 1338-1346.

Liu, F.; Nielsen, A. H.; Vollertsen, J. Water 2019, 11, 526. DOI: https://doi.org/10.3390/w11030526

Lonappan, L.; Brar, S. K.; Das, R. K.; Verma, M.; Surampalli, R. Y. Environ. Int. 2016, 96, 127–138. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envint.2016.09.014

Hobza, P. Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. C: Phys. Chem. 2011, 107, 148-168.

Lancheros, J. C.; Madera-Parra, C. A.; Caselles-Osorio, A.; Torres-López, W. A.; Vargas-Ramírez, X. M. Ecological Engineering 2019, 135, 89–97. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2019.05.007

Hu, B.; Hu, S.; Chen, Z.; Vymazal, J. J. Hazard. Mater. 2021, 409, 124524. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124524

Hijosa-Valsero, M.; Reyes-Contreras, C.; Domínguez, C.; Bécares, E.; Bayona, J. M. Chemosphere 2016, 145, 508–517. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.11.090

Ávila, C.; Nivala, J.; Olsson, L.; Kassa, K.; Headley, T.; Mueller, R. A.; Bayona, J. M.; García, J. Sci. Total Environ. 2014, 494-495, 211–217. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.06.128

Ilyas, H.; Masih, I.; van Hullebusch, E. D. Water Sci. Technol. 2021, 83, 2809–2828. https://doi.org/10.2166/wst.2021.178

Buemi, G.; Zuccarello, F. Chem. Phys. 2004, 306, 115–129. DOI: https://doir.org/10.1016/j.chemphys.2004.07.02

Downloads

Published

2023-01-01

Issue

Section

Regular Articles