2015. 6. 26.آ  Created Date: 5/15/2015 10:10:30 AM

download 2015. 6. 26.آ  Created Date: 5/15/2015 10:10:30 AM

of 29

  • date post

    23-Sep-2020
  • Category

    Documents

  • view

    0
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of 2015. 6. 26.آ  Created Date: 5/15/2015 10:10:30 AM

  • Iwona Kwiecień

    Koniugaty substancji biologicznie czynnych z biodegradowalnymi oligomerami polihydroksyalkanianów

    jako systemy kontrolowanego uwalniania pestycydów

    Autoreferat rozprawy doktorskiej wykonanej pod kierunkiem dr hab. Grażyny Adamus, prof. nadzw. PAN w Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk

    Zabrze 2015

  • 2

    Lista skrótów używanych w autoreferacie ESI-MSn — wielostopniowa spektrometria mas z jonizacją metodą elektrorozpylania (ang. Electrospray Ionisation Mass Spectrometry) GPC — chromatografia żelowa (ang. Gel Permeation Chromatography) NMR — Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (ang. Nuclear Magnetic Resonance) 2,4-D — kwas (2,4-dichlorofenoksy)octowy MCPA — kwas (4-chloro-2-metylofenoksy)octowy PHA — polihydroksyalkaniany PHB, poli(3HB) — poli(3-hydroksymaślan) poli(3HB-ko-4HB) — poli(3-hydroksymaślan-ko-4-hydroksymaślan) poli(3HB-ko-3HV) — poli(3-hydroksymaślan-ko-3-hydroksywalerian) poli(3HB-ko-3HH) — poli(3-hydroksymaślan-ko-3-hydroksyheksanian) TSA · H2O — monohydrat kwasu p-toluenosulfonowego

    1. Wstęp Rosnąca liczba ludności oraz malejące obszary rolne, kosztem rozrastających się terenów

    miejskich i obszarów przemysłowych, wymuszają konieczność zwiększania efektywności produkcji rolnej. W celu ograniczenia strat w plonach oraz utrzymania wysokiej jakości produktów rolnych stosowane są pestycydy.1

    Pestycydy definiowane są jako substancje, a także mieszaniny substancji chemicznych lub biologicznych przeznaczone do odstraszania, niszczenia jak również kontrolowania szkodników lub regulowania wzrostu roślin.2 Ze względu na zastosowanie, wśród pestycydów wyróżnia się m.in. herbicydy, czyli pestycydy chwastobójcze, fungicydy - grzybobójcze, bakteriocydy - bakteriobójcze, insektycydy - owadobójcze.3

    W przypadku konwencjonalnych form pestycydów, które są lotne i hydrofilowe, występują duże straty składników aktywnych spowodowane warunkami środowiskowymi; pestycydy są wymywane przez opady oraz odparowują, trafiając do gleby, wód powierzchniowych i gruntowych oraz do atmosfery.4 Dlatego tez obecnie obserwuje się wzrost zainteresowania systemami kontrolowanego uwalniania pestycydów, których celem jest dostarczanie substancji czynnej do określonego miejsca w określonej ilości przez odpowiedni czas.5 Systemy kontrolowanego uwalniania dzielą się na: (i) systemy zawierające fizycznie rozproszone składniki aktywne, np. pokrywany granulat czy matryce polimerowe; (ii) systemy zawierające pestycyd związany kowalencyjnie z polimerem.6,7 Ze względu na zmniejszoną lotność oraz zwiększoną hydrofobowość pestycydów znajdujących się w systemach kontrolowanego uwalniania, w mniejszym stopniu trafiają one do atmosfery, gleby czy wód gruntowych niż konwencjonalne formy pestycydów, a także są bezpieczniejsze dla pracowników narażonych na kontakt z pestycydami. Dodatkowo ograniczenie strat substancji aktywnych do środowiska pozwala zmniejszyć ilość aplikacji w czasie danego sezonu.8

    Bardzo ważną rolę w opracowywaniu systemów kontrolowanego uwalniania stanowią polimery biodegradowalne, które w środowisku ulegają biodegradacji do produktów bezpiecznych dla przyrody ożywionej i nieożywionej. Przykładem biodegradowalnych polimerów stosowanych jako nośniki w systemach kontrolowanego uwalniania są poliestry alifatyczne – polihydroksyalkaniany (PHA),9 które są wytwarzane przez wiele gatunków mikroorganizmów jako materiał zapasowy, stanowiący nawet do 80% suchej masy komórki.10,11 PHA mogą być również produkowane w procesach biotechnologicznych z wykorzystaniem jako źródła węgla surowców ze źródeł

  • 3

    odnawialnych, takich jak węglowodany, tłuszcze i alkohole lub z odpadów, takich jak glicerol z produkcji biodiesla, mączka mięsno-kostna czy melasa.12,13 Opracowanie technologii produkcji wybranych PHA na skalę przemysłową sprawia, że polimery te są stosunkowo łatwo dostępne na rynku światowym.14 Naturalne PHA ulegają biodegradacji, a powstałe w jej wyniku produkty są bioasymilowane przez różne szczepy bakterii.15,16 Syntetyczne analogi PHA można otrzymać na drodze polimeryzacji z otwarciem pierścienia odpowiednich β-laktonów. Poli([R,S]-3-hydroksymaślan) ([R,S]-PHB) można otrzymać na drodze polimeryzacji anionowej z otwarciem pierścienia β- butyrolaktonu.17 Syntetyczny [R,S]-PHB ulega głównie degradacji hydrolitycznej, a powstałe niskocząsteczkowe oligomery są bioasymilowane przez różne szczepy bakterii.18 Syntetyczny [R,S]- PHB degraduje również enzymatycznie pod wpływem niektórych enzymów zewnątrzkomórkowych.19,20

    W literaturze opisano wiele przykładów zastosowania otrzymanych na drodze biotechnologicznej polihydroksyalkanianów w systemach kontrolowanego uwalniania pestycydów takich jak: mikrosfery z poli([R]-3-hydroksymaślanu)21,22 lub mikrosfery23 i folie24 z poli([R]-3- hydroksymaślanu-ko-[R]-3-hydroskywalerianu). W przypadku tego typu systemów, substancja biologicznie czynna jest rozproszona w matrycy PHA, jej uwalnianie zależy głównie od fizycznego rozpadu polimeru, co wiąże się ze słabą kontrolę szybkości uwalniania. Ponadto, uwalnianie pestycydu zachodzi w stosunkowo krótkim czasie (w ciągu dni) w porównaniu z długością sezonu wegetacji roślin (od wiosny do jesieni). Biorąc pod uwagę powyższe ograniczenia obiecujące wydaje się opracowanie systemów kontrolowanego uwalniania, w których pestycyd byłby związany kowalencyjnie z nośnikiem polimerowym poprzez ulegające hydrolizie wiązanie estrowe. Pestycyd chemicznie związany z polihydroksyalkanianami (zarówno biopoliestrami jak i ich syntetycznymi analogami) może zostać uwolniony na skutek degradacji hydrolitycznej lub biodegradacji enzymatycznej łańcucha poliestrowego. Dotychczas w literaturze opisano zastosowania syntetycznych oligomerów 3-hydroksymaślanu jako nośnika w systemach kontrolowanego uwalniania leków, tj. Penicylina G,25 kwas acetylosalicylowy,26 oraz substancji stosowanych w przemyśle kosmetycznym, tj. kwas liponowy.27

    2. Cel pracy Stosowanie konwencjonalnych form pestycydów, które są lotne i hydrofilowe, wiąże się

    z dużymi stratami składników aktywnych spowodowanymi warunkami środowiskowymi. Rozwiązaniem wydają się być systemy kontrolowanego uwalniania pestycydów, które zapewniają wydłużony czas uwalniania pestycydu, możliwość dostarczenia optymalnej jego ilości do miejsca działania oraz ograniczają jego niekorzystny wpływ na środowisko.

    Celem cyklu prac stanowiących niniejszą rozprawę doktorską było opracowanie biodegradowalnych polimerowych systemów dla uwalniania substancji biologicznie czynnych, wybranych z grupy pestycydów, dla potencjalnych zastosowań w rolnictwie.

    W szczególności badania koncentrowały się nad opracowaniem koniugatów pestycydów z biodegradowalnymi oligomerami polihydroksyalkanianów. Zasadniczą część pracy stanowiło opracowanie metod syntezy pozwalających na związanie cząsteczek substancji biologicznie czynnej z łańcuchami biodegradowalnych oligomerów poprzez ulegające hydrolizie wiązanie estrowe. W kolejnym etapie badań przeprowadzono pełną molekularną i strukturalną charakterystykę otrzymanych koniugatów. Istotnym elementem prowadzonych badań było potwierdzenie, że

  • 4

    substancja biologicznie czynna po uwolnieniu z koniugatu posiadała niezmienioną budowę oraz aktywność biologiczną w stosunku do swojej pierwotnej postaci.

    W ostatnim etapie badań dla otrzymanych koniugatów przeprowadzono wstępne testy umożliwiające określenie przydatności opracowanych systemów dla zastosowań w rolnictwie.

    3. Zakres pracy Obecnie znane i stosowane są pestycydy, których cząsteczki zawierają karboksylowe

    lub hydroksylowe grupy funkcyjne. Konieczne było zatem opracowanie metod syntezy koniugatów, zarówno dla jednej jak i dla drugiej grupy substancji biologicznie czynnych.

    Na potrzeby prowadzonych badań wybrano pestycydy posiadające grupę karboksylową: t.j. kwas (4-chloro-2-metylofenoksy)octowy (MCPA), kwas (2,4-dichlorofenoksy)octowy (2,4-D), kwas 3,6-dichloro-2-metoksybenzoesowy (dikamba), oraz pestycydy posiadające grupę hydroksylową: t.j. 4-(2-hydroksyetylo)fenol (tyrosol) oraz 2-etyloheksano-1,3-diol (ethohexadiol).

    MCPA oraz 2,4-D należą do szeroko stosowanych herbicydów;28,29 Związki te używane najczęściej w postaci soli sodowych, potasowych i amoniowych są stosunkowo nielotne, lecz dobrze rozpuszczalne w wodzie.30 Dlatego też MCPA i 2,4-D są najczęściej spośród herbicydów występującymi zanieczyszczeniami wód powierzchniowych i gruntowych na terenach rolniczych w wielu krajach europejskich.31,32,33,34 Estry MCPA i 2,4-D, np. estry izooktylowe są słabiej rozpuszczalne w wodzie niż herbicydy w postaci kwasów lub soli, ale ze względu na dużą lotność35 łatwo przedostają się do atmosfery.

    W prowadzonych badaniach wykorzystano również bioaktywne związki zawierające grupy hydroksylowe: tyrosol, wykazujący działanie jako regulator wzrostu roślin36,37 oraz ethohexadiol, stosowany do odstraszania insektów, między innymi komarów.38,39

    Do syntezy koniugatów, w których wybrany pestycyd posiadający grupę karboksylową jest związany z syntetycznymi analogami biopoliestrów PHA wykorzystano polimeryzację anionową. W szczególności, koniugaty te otrzymano na drodze:

     oligomeryzacji anionowej β-but