Over-the-Counter Monocyclic Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs in Environment—Sources, Risks, Biodegradation

Recently, the increased use of monocyclic non-steroidal anti-inflammatory drugs has resulted in their presence in the environment. This may have potential negative effects on living organisms. The biotransformation mechanisms of monocyclic nonsteroidal anti-inflammatory drugs in the human body and in other mammals occur by hydroxylation and conjugation with glycine or glucuronic acid. Biotransformation/biodegradation of monocyclic non-steroidal anti-inflammatory drugs in the environment may be caused by fungal or bacterial microorganisms. Salicylic acid derivatives are degraded by catechol or gentisate as intermediates which are cleaved by dioxygenases. The key intermediate of the paracetamol degradation pathways is hydroquinone. Sometimes, after hydrolysis of this drug, 4- aminophenol is formed, which is a dead-end metabolite. Ibuprofen is metabolized by hydroxylation or activation with CoA, resulting in the formation of isobutylocatechol. The aim of this work is to attempt to summarize the knowledge about environmental risk connected with the presence of over-the-counter antiinflammatory drugs, their sources and the biotransformation and/or biodegradation pathways of these drugs

Microbiological degradation of gallic acid

Kwas galusowy należy do grupy roślinnych związków zwanych polifenolami. Związek ten występuje w roślinach w postaci wolnej i związanej w estrach. Rozkład GA zachodzi zarówno w tlenowych, jak i beztlenowych warunkach, a główną rolę w jego degradacji odgrywają mikroorganizmy. Kluczowymi enzymami tlenowej degradacji GA są, należące do oksygenaz, dioksygenazy rozszczepiające, katalizujące rozpad pierścienia aromatycznego z udziałem tlenu. Tlenowa degradacja kwasu galusowego u bakterii może zachodzić szlakiem meta, inicjowanym przez dioksygenazę galusanową i 4,5-dioksygenazę protokatechową, lub szlakiem orto, zapoczątkowanym aktywnością 3,4-dioksygenazy protokatechowej. Produktami rozkładu GA stwierdzonymi u Pseudomonas putida są pirogronian i szczawiooctan. Rozkład GA z udziałem tlenu powiązany jest również ze szlakiem ß-ketoadypinowym kwasu protokatechowego, którego końcowymi produktami są acetylo-CoA i bursztynylo-CoA. Stwierdzono także obecność tlenowej degradacji GA u grzybów. Głównymi związkami przejściowymi beztlenowej degradacji GA są floroglucyna oraz rezorcyna. Kluczowym produktem przejściowym w degradacji kwasu galusowego poprzez floroglucynę jest 3-hydroksy-5-ketoheksanian (HOHN). Rezorcyna, drugi produkt przejściowy beztlenowej degradacji GA, powstaje z floroglucyny i pirogalolu przez dehydroksylację. Związek ten może ulegać następnie redukcji z udziałem reduktazy rezorcynowej lub hydrolizie do kwasu 5-keto-2-heksenowego.Gallic acid (3,4,5-trihydroxybenzoic acid) is widely distributed throughout the plant kingdom. It is present in almost all plants. High gallic acid contents can be found in gallnuts, grapes, tea, hops and oak bark. According to its biochemical properties gallic acid is an industrially important chemical used as an antioxidant in food, cosmetics and pharmaceutical industries. It possesses a lot of potential therapeutic properties including anti-cancer and antimicrobial ones. The gallic acid is readily utilized by oxidative breakdown to simple aliphatic acids that are metabolized through the citric acid cycle. Although different aerobic pathways for the aromatic acids biodegradation are known they usually involve the formation of protocatechuate as a common intermediate. Protocatechuate may be cleaved by protocatechuate 3.4- dioxygenase [EC 1.13.11.3], which catalyzes the intradiol addition of molecular oxygen and forms 2-pyrone-4,6-dicarboxylic acid as well as protocatechuate 4.5-dioxygenase [1.13.11.8] that catalyzes extradiol addition of molecular oxygen result in 4-carboxy-2-hydroxy-cis,cis-muconic semialdehyde formation. Another mechanism of gallic acid degradation is observed in fungi. In Aspergillus niger gallic acid is oxidatively cleaved by an oxygenase to unstable tricarboxylic intermediate decarboxylated by an oxidative decarboxylase to cis-aconitic acid enter the citric acid cycle. Aspergillus flavus degrades gallic acid to oxaloacetic acid and finally pyruvic acid through the tricarboxylic acid intermediates. Different mechanisms of anaerobic breakdown of gallic acid are known. At the first step of its degradation gallate is decarboxylated to 1,2,3-trihydroxybenzene, which is isomerized to phloroglucinol by pyrogallol-phloroglucinol isomerase and then reduced to dihydrophloroglucinol by phloroglucinol reductase. In the next step dihydrophloroglucinol is converted to 3-hydroxy-5-oxohexanonic acid (HOHN) by dihydrophloroglucinol hydrolase. Then, HOHN may be degraded through different pathways. The first one is its conversion to 3,5-dioxohexanoate (triacetate) by HOHN dehydrogenase and ultimately to three molecules of acetyl-CoA via triacetyl-CoA by the sequential enzymatic reactions catalyzed by triacetyl-CoA transferase, triacetate-ketothiolase, acetoacetyl-CoA-ketothiolase, phosphotransacetylase and acetate kinase. In methanogenic conditions HONH-CoA is transformed to butyrate or acetate, which are finally degraded to methane and carbon dioxide

Properties, occurrence and biodegradation of ibuprofen in aquatic environment

Konsekwencją powszechnego stosowania niesteroidowych leków przeciwzapalnych, w tym ibuprofenu, jest ich obecność zarówno w ściekach, jak i w wodach powierzchniowych, do których odprowadzane są ścieki z oczyszczalni komunalnych, co może prowadzić do pojawiania się farmaceutyków również w wodzie wodociągowej. Ze względu na małą zawartość ibuprofenu w środowisku wodnym nie obserwuje się toksyczności ostrej, natomiast z uwagi na stały kontakt organizmów z tym lekiem istotne jest poznanie mechanizmów toksyczności chronicznej. Ponadto wiedza na temat migracji ibuprofenu w środowisku wodnym oraz przebiegu jego biodegradacji jest niepełna. Opisano jedynie kilka gatunków mikroorganizmów (głównie grzybów) zdolnych do metabolizowania tego leku. Dotychczasowy stan wiedzy wykazuje, że biotransformacja ibuprofenu zachodzi prawdopodobnie przez jego hydroksylację do 1,2-dihydroksyibuprofenu. Jedynym opisanym szczepem bakterii zdolnym do wykorzystywania ibuprofenu jako źródła węgla i energii jest Sphingomonas sp. Ibu-2. Pierwszym etapem rozkładu tego leku jest tioestryfikacja, a następnie dochodzi do usunięcia łańcucha propionowego z równoczesnym utlenieniem pierścienia do 4-izobutylokatecholu, który podlega ekstradiolowemu rozszczepieniu. Poznanie dróg metabolizowania niesteroidowych leków przeciwzapalnych pozwoli na skuteczniejsze oczyszczanie ścieków komunalnych z tego typu zanieczyszczeń, a przez to znaczącą poprawę jakości wód powierzchniowych.Common use of non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs), including ibuprofen, leads to drug presence in sewage but also in surface waters, which they enter with municipal treatment plants effluent. As a result, the drugs may also be found in tap water. Due to low ibuprofen concentration in aquatic environment, acute toxicity is not observed. Yet, continuous exposure of aquatic organisms to the drug makes it important to study chronic toxicity mechanisms. Moreover, knowledge of ibuprofen migration and the time course of its biodegradation in the aquatic environment is incomplete. Only a few microorganism species (mainly fungi) able to metabolize ibuprofen have been described. The current research suggests that ibuprofen biotransformation proceeds by its hydroxylation to 1,2-dihydroxyibuprofen. Sphingomonas spp. Ibu-2 is the only described bacterial strain able to use ibuprofen as a sole carbon and energy source. Thioestrification is the first step in ibuprofen degradation. Then, propionic chain is removed with simultaneous oxidation of aromatic ring to 4-isobutylcatechol, which is then cleaved by extradiol enzymes. Knowledge of pathways of NSAID metabolism will allow for more effective removal of such pollutants from municipal wastewater, resulting in a significant improvement of surface water quality

Dynamika rozkładu ibuprofenu przez szczep Bacillus thuringiensis B1(2015b)

High intake of over-the-counter, non-steroidal anti-inflammatory drugs, such as ibuprofen, has resulted in their presence in wastewaters and surface waters. The potentially harmful effect of ibuprofen present in the waters has led to a search for new methods of drugs’ removal from the environment. One of the most important technological and economical solutions comprises microbiological degradation of these resistant pollutants. Searching for new strains able to degrade ibuprofen could be one of the answers for increasing the detection of pharmaceuticals in the waters. In this study, the ability of bacterial strain Bacillus thuringiensis B1(2015b) to remove ibuprofen is described. Bacteria were cultured in both monosubstrate and cometabolic systems with 1, 3, 5, 7 and 9 mg L-1 ibuprofen and 1 g L-1 glucose as a carbon source. Bacillus thuringiensis B1(2015b) removed ibuprofen up to 9 mg L-1 in 232 hours in the monosubstrate culture, whereas in the cometabolic culture the removal of the drug was over 6 times faster. That is why the examined strain could be used to enhance the bioremediation of ibuprofen.Wysokie spożycie niesteroidowych leków przeciwzapalnych, takich jak ibuprofen, skutkuje ich obecnością w ściekach i wodach powierzchniowych. Potencjalnie szkodliwy wpływ obecności ibuprofenu w wodach wymusza konieczność poszukiwania nowych metod usuwania leków ze środowiska. Jedną z najbardziej obiecujących, między innymi ze względu na niskie koszty, jest metoda mikrobiologicznego oczyszczania. Z tego względu poszukuje się mikroorganizmów o zwiększonych zdolnościach degradacyjnych ibuprofenu. Celem pracy było określenie zdolności szczepu Bacillus thuringiensis B1(2015b)do degradacji ibuprofenu. Hodowle bakterii prowadzono w układach mono- i disubstratowych z 1, 3, 5, 7 i 9 mg L-1 ibuprofenu oraz 1 g L-1 glukozy jako źródłem węgla w układach kometabolicznych. Wykazano, że szczep Bacillus thuringiensis B1(2015b) usuwa 9 mg L-1 ibuprofenu w 232 godziny w układzie monosubstratowym, podczas gdy w hodowli kometabolicznej całkowite usunięcie ibuprofenu zachodziło 6-krotnie szybciej. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość zastosowania badanego szczepu w bioremediacji środowisk zanieczyszczonych ibuprofenem

Presence of some heavy metal ions: Bioremediation of an environment polluted with aromatic compounds

Szczepy bakterii Stenotrophomonas maltophilia KB2 oraz Pseudomonas putida N6 odznaczają się zwiększoną zdolnością do degradacji związków aromatycznych. W badaniach stwierdzono całkowity rozkład fenolu (3 mmol/dm3) w ciągu pięciu godzin przez oba badane szczepy. U szczepu KB2 po indukcji fenolem wykazano obecność 2,3-dio-ksygenazy katecholowej odpowiedzialnej za meta-rozszczepienie związków aromatycznych, natomiast u szczepu Pseudomonas putida N6 wykazano obecność 1,2-dioksygenazy katecholowej, charakterystycznej dla szlaku orto rozszczepienia pierścienia aromatycznego. W wyniku badań nad wrażliwością tych enzymów na obecność jonów metali wykazano, że jony Zn2+ aktywowały 2,3-dioksygenazę katecholową szczepu KB2. Wszystkie pozostałe jony były inhibitorami tego enzymu. Spośród przebadanych jonów metali najsilniejszym inhibitorem obu wyizolowanych dioksygenaz okazał się jon Cu2+, natomiast w mniejszym stopniu aktywność 1,2-dioksygenazy katecholowej szczepu N6 hamowały Cd2+ i Zn2+. Wzrost aktywności tego enzymu zaobserwowano w obecności Co2+. Pozostałe jony metali nie wpłynęły znacząco na aktywność 1,2-dioksygenazy katecholowej szczepu N6. Stwierdzona w badaniach częściowa aktywność obu badanych dioksygenaz po zastosowaniu soli metali sugeruje możliwość wykorzystania szczepów bakterii Stenotrophomonas maltophilia KB2 oraz Pseudomonas putida N6 do oczyszczania środowisk skażonych związkami aromatycznymi.The strains of Stenotrophomonas maltophilia KB2 and Pseudomonas putida N6 are characterized by an enhanced capacity for degrading aromatic compounds: within five hours of incubation both the strains were found to provide a complete degradation of phenol (3 mmol/dm3). Upon induction with phenol, catechol 2,3-dioxygenase, an enzyme responsible for the meta-cleavage of aromatic compounds, was detected in the Stenotrophomonas maltophilia KB2 strain, whereas in the Pseudomonas putida N6 strain the presence was revealed of catechol 1,2-dioxygenase, an enzyme characteristic of the pathway for the orthofission of the aromatic ring. Tests on the sensitivity of the enzymes to metal ions have demonstrated that Zn2+ ions activated catechol 2,3-dioxygenase in the KB2 strain. The other metal ions were found to be inhibitors of this enzyme. Among the metal ions tested, the Cu2+ ion was the strongest inhibitor of the two isolated dioxynases. Slightly weaker was the inhibition of catechol 1,2-dioxygenase induced by Cd2+ and Zn2+ ions in the N6 strain. The activity of this enzyme increased in the presence of Co2+ ions. The other ions had no significant influence on the activity of the catechol 1,2-dioxygenase isolated from the N6 strain. The partial activity of both dioxygenases observed upon the application of metal salts suggests that both the strains, Stenotrophomonas maltophilia KB2 and Pseudomonas putida N6, may contribute much to the remediation of an environment polluted with aromatic compounds

Modern research methods for determining structures of intradiol dioxygenases

Dioksygenazy intradiolowe są kluczowymi enzymami szlaku orto rozkładu związków aromatycznych. Ze względu na rodzaj intermediatu, którego pierścień rozszczepiają, enzymy te zaliczane są do trzech klas. Obecnie, dzięki zastosowaniu nowoczesnych metod badawczych takich jak: krystalografia rentgenowska, spektrometria mas, spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego oraz spektroskopia rentgenowska, możliwe jest dokładne poznanie nie tylko ich budowy przestrzennej, ale również wyjaśnienie sposobu wiązania się substratu z ligandami centrum aktywnego oraz poznanie mechanizmu katalizy.Intradiol dioxygenases are essential enzymes of ortho pathway involved in the decomposition of aromatic compounds. Enzymes are grouped into three classes on account of a type of the intermediate whose ring they cleave. Nowadays, the application of such modern research methods as X-ray crystallography, mass spectrometry, electron paramagnetic resonance spectroscopy, and X-ray spectroscopy creates possibilities for the thorough understanding of their spatial structure as well as for explaining the way of substrate binding with ligands in the active site and learning the catalysis mechanism

Arenes as prodrugs

Nowadays, improvement of physicochemical, biopharmaceutical and pharmacokinetic properties of pharmacologically active compounds is connected with development of prodrugs. Prodrugs are defined as pharmaceutical compounds inactive in their parent form and converted either chemically or enzymatically to the active derivative in the organism. A lot of prodrugs are aromatic compounds because of benzene ring reactivity. There are two main classes of prodrugs. In the carrier-linked prodrugs, the active drug is linked to a carrier through bioreversible covalent bond removed by enzymatic or chemical reactions. The second class comprises bioprecursor prodrugs that are modified in the body to induce the functional groups. Additionally, based on the site of prodrugs conversion into their active forms, they are classified into two groups: prodrugs metabolized intracellulary and prodrugs metabolized extracellulary. Chemical or enzymatic transformation of prodrugs may occur through their reduction, decarboxylation, oxidative deamination, cyclization, phosphorylation and/or hydrolysis. These reactions enable to overcome different barriers in drug delivery through changes in aqueous solubility, chemical instability and insufficient oral adsorption. It may also cause prolonged duration of drug action. Moreover, the prodrugs strategy allows achieving brain and tumor specific targeting. Summarizing, the designing of the prodrugs seems to be one of the most promising strategies to enhance the therapeutic effect of drugs and reduction of their negative side effects