ES2203439T3 - Utilizacion de derivados de la porfirina en acuarios. - Google Patents

Abstract

Utilización de fotosensibilizadores de la familia del tetrapirrol y/o del tetraazapirrol, que lleven al menos una carga positiva en un sustituyente, para combatir gérmenes bacterianos y algas en acuarios, añadiéndose los fotosensibilizadores directamente al agua del acuario, sin apartar previamente a los peces o las plantas.

Description

Utilización de derivados de la porfirina en acuarios.

La presente invención se refiere a la utilización de derivados de la porfirina para detener el crecimiento de algas y para combatir gérmenes de bacterias en acuarios.

A causa de la demanda creciente de agua sin carga, con una oferta estacionaria o en descenso de fuentes naturales, el desarrollo de procedimientos para el acondicionamiento del agua ha ganado en importancia en forma creciente en las últimas décadas. Así se conocen ya numerosos procedimientos, con cuya ayuda se debe descartar una contaminación bacteriana del agua. Para el acondicionamiento de agua potable se utilizan frecuentemente agentes oxidantes fuertes como los hipohalogenitos o el permanganato. Además, están ganando en importancia los procedimientos como el tratamiento de agua con ozono o radiación ultravioleta, que deben impedir que la calidad del agua sea influenciada desventajosamente por las sustancias químicas agregadas.

Sin embargo tales procedimientos, que normalmente solo pueden ser implementados a gran escala con un despliegue técnico importante, no pueden cumplir en general con las exigencias de la acuarística, que plantea requisitos especiales a los métodos de acondicionamiento del agua utilizados. Mientras que para los métodos convencionales, que deben liberar al agua tratada de los microorganismos existentes, de ser posible totalmente, existe la posibilidad de tratar el agua posteriormente y antes del suministro al consumidor, para la utilización en el acuario es necesario un medio que pueda ser utilizado de forma continua e in situ, sin tener efectos nocivos sobre la fauna y la flora. En general, las instalaciones de filtraje sirven para el mantenimiento de la pureza del agua del acuario, separando del agua principalmente impurezas particulares mediante los filtros utilizados (filtrado mecánico). Adicionalmente se utilizan a menudo filtros químicos en forma de intercambiadores de iones, para controlar la composición iónica del agua. Sin embargo, incluso con la utilización de otras masas filtrantes eficaces químicamente, como por ejemplo el carbón activado, no siempre se puede impedir eficazmente la aparición y la propagación de contaminantes bacterianos.

Mediante el control de la calidad del agua en los acuarios se puede impedir por un lado el crecimiento de algas, por el otro lado se puede prevenir la aparición de enfermedades en los peces. Es deseable una posibilidad eficaz para actuar contra la propagación de agentes patógenos con antelación, sobre todo en las enfermedades de los peces condicionadas por bacterias, dado que los métodos de tratamientos medicamentosos no siempre conducen al éxito deseado en los peces sensibles. Se han detectado numerosos agentes patógenos bacterianos en el agua, inclusive bacilos y cocos grampositivos, aeromonas, micobacterias, bacilos gramnegativos, vibriones y pseudomonas. La utilización intencionada de medicamentos eficaces del punto de vista antibiótico contra tales bacterias, puede tener lugar recién después de la aparición de los primeros síntomas de la enfermedad e implica además la identificación exacta del gérmen. En ese momento la expansión de la enfermedad no puede impedirse ya de forma eficaz.

El documento DE-A-196 06 081 da a conocer un procedimiento para la utilización en un campo afín, el tratamiento de agua en instalaciones de cría de peces, en el que se utilizan fotosensibilizadores para esterilizar el agua. Ciertamente, aquí se evita el contacto de los peces con los sensibilizadores con un esfuerzo considerable, llevando al agua para su esterilización a un depósito separado, irradiándola allí y conduciéndola finalmente de vuelta al estanque de los peces.

De esta manera, la presente invención se basa en la tarea de proporcionar un medio, con el que se pueda combatir algas y gérmenes bacterianos en acuarios sin un gasto adicional en aparatos.

Esta tarea se soluciona según la invención, agregando al agua al menos un fotosensibilizador de la familia del tetrapirrol y/o del tetraazapirrol, que lleve al menos una carga positiva, y exponiéndolo a una radiación electromagnética, preferiblemente luz. Los compuestos citados pueden ser añadidos directamente al agua del acuario sin afectar a los peces y las plantas, a pesar de que son conocidos también, por ejemplo, como insecticidas de ingestión para insectos.

A causa de su capacidad para catalizar la formación de moléculas excitadas al ser irradiados, se puede evitar ventajosamente la expansión en el acuario de bacterias o algas mono o policelulares, mediante la utilización de tales fotosensibilizadores en el agua del acuario.

Mediante la utilización según la invención de sensibilizadores se pueden combatir eficazmente bacterias gram-positivas así como también gram-negativas. Sin embargo, respecto a procedimientos alternativos, el método tiene especialmente la ventaja de que las bacterias gram-negativas, que son resistentes a numerosas otras sustancias químicas, pueden ser combatidas de forma extremadamente eficaz con la ayuda de los fotosensibilizadores.

Como "fotosensibilizadores" se entienden aquí compuestos que pueden absorber radiación electromagnética, preferiblemente luz visible, y catalizar la formación de radicales y/u oxígeno singulete a partir de oxígeno triplete bajo la influencia de la radiación. Para la utilización en la presente invención se consideran los compuestos de tetrapirrol y/o tetraazapirrol, que contienen al menos un sustituyente de carga positiva (fotosensibilizadores catiónicos). Para las propiedades fotoquímicas de los fotosensibilizadores tiene menos importancia el tipo de sustituyentes en el macrociclo; estos influyen esencialmente en sus propiedades de solubilidad. De esta manera, mediante la inserción intencionada de sustituyentes, puede dotarse a los fotosensibilizadores de las propiedades de solubilidad deseadas, manteniendo las propiedades fotoquímicas de los compuestos iniciales. El experto en la técnica ya tiene a su disposición un gran número de compuestos adecuados para el presente objetivo, que se pueden adquirir comercialmente.

Cuando un fotosensibilizador del tipo mencionado anteriormente se irradia, preferiblemente con luz, desarrolla su efecto antibacteriano mediante la activación de oxígeno y/o el estímulo de procesos, en los cuales están implicados radicales. Preferiblemente se utiliza una radiación con un espectro en el intervalo de aproximadamente 350-900 nm.

La utilización de los fotosensibilizadores según la invención muestra una buena eficacia para combatir un gran número de bacterias gram-negativas. Ejemplos típicos de bacterias gram-negativas que pueden ser inactivadas rápida y eficazmente mediante la irradiación con luz visible, en presencia de fotosensibilizadores catiónicos, abarcan Escherichia coli, Pseudomonas aeroginosa y Vibrio anguillarum. Por otra parte, con la ayuda de tales sensibilizadores también pueden inactivarse bacterias gram-positivas como estafilococos y estreptococos. La carga positiva necesaria para la actividad antibacteriana se puede insertar mediante diferentes sustituyentes en el macrociclo.

Los sustituyentes preferidos, con los que se puede insertar la carga positiva en la molécula, contienen un grupo de amonio cuaternario o un heterociclo, que incluye un átomo de nitrógeno de carga positiva.

Ejemplos de sustituyentes especialmente preferidos son tales que contienen, al menos, un grupo trialquiloamonio. Además, se utilizan preferiblemente como sustituyentes de carga positiva derivados de N-alquilo-piridinio, N,N-dialquilo-piperacinio o , N-dialquilopiperidinio. El número de sustituyentes de carga positiva se encuentra preferiblemente en el intervalo de 1 a 4. La carga positiva del macrociclo puede ser neutralizada por aniones, como por ejemplo iones de halogenuros o tosilato.

En el dibujo siguiente se muestran, a modo de ejemplo, los sustituyentes y las clases de sustituyentes que son adecuados como portadores de una carga positiva en la presente invención:

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Como fotosensibilizadores se utilizan preferiblemente compuestos de los grupos de las bacterioclorinas, clorinas, porfirinas, ftalocianinas y naftalocianinas, que son conocidos desde hace tiempo y han sido descritos detalladamente en la bibliografía. Un gran número de tales compuestos se puede adquirir comercialmente. También las técnicas para insertar el o los sustituyentes que llevan la carga positiva en los macrociclos representados son habituales para el experto en la técnica y se describen detalladamente en, por ejemplo, K. M. Smith <<Porphyrins and Metalloporphyrins>> Elsevier Publishing Co. (1975), 29-61.

La estructura básica de las porfirinas, bacterioclorinas, clorinas, ftalocianinas y naftalocianinas se reproduce mediante las fórmulas estructurales siguientes:

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Además de los grupos que llevan cargas, las porfinas, bacterioclorinas, clorinas, ftalocianinas y naftalocianinas que son utilizadas en la presente invención, pueden llevar otros sustituyentes.

Todos los fotosensibilizadores citados anteriormente desarrollan una eficacia antibacteriana especialmente buena, si llevan al menos dos cargas positivas en la molécula, siendo especialmente ventajoso cuando las dos cargas positivas se encuentran en posición meso, de tal manera que se consigue una distribución de cargas asimétrica en la molécula. Sin embargo, una molécula con una única carga positiva ya presenta actividad antibacteriana.

Los sustituyentes lipófilos pueden aumentar el efecto inhibidor de los sensibilizadores, aumentando su afinidad a las membranas celulares. Los restos preferidos, que pueden penetrar en membranas citoplasmáticas, son cadenas de alquilos con un largo de 4 a 14, especialmente preferible de 8-12 átomos de carbono. Tales restos alquilos pueden ser insertados ventajosamente en la estructura básica de los sensibilizadores, como sustituyentes en el átomo de nitrógeno de un sustituyente piridilo, de un sustituyente piperacinilo o de un sustituyente piperidinilo.

Las bacterioclorinas, clorinas, porfirinas, ftalocianinas y naftalocianinas pueden ligar un gran número de diferentes iones metálicos en el centro del macrociclo, pudiéndose ligar en cada caso solo un ión simultáneamente. El ión metálico se liga a los cuatro átomos de nitrógeno del anillo pirrol mediante enlaces coordinativos, con lo que los orbitales de los electrones híbridos participan de la unión.

Los parámetros fotofísicos importantes, que son determinantes para la actividad del agente sensibilizador, son el rendimiento cuántico y la duración del estado triplete activo más bajo así como el rendimiento cuántico de la producción de O_{2} singulete. Estos datos se pueden obtener para muchos de los fotosensibilizadores de prontuarios de tablas, sin embargo también pueden ser determinados por el propio experto en la técnica. De esta manera, el primer parámetro puede determinarse, por ejemplo, mediante fotolisis láser flash y reflectancia difusiva. Estas medidas permiten la selección de un fotosensibilizador, cuyo estado de excitación tenga una duración que sea lo suficientemente larga como para posibilitar la reacción con el oxígeno en el estado básico. La eficacia de la transformación del oxígeno en^{1}O_{2} se determina mediante la medida de la emisión de luminiscencia de ^{1}O_{2} en el intervalo infrarrojo cercano, para lo que se utiliza un detector de Ge enfriado con nitrógeno. Además, se puede determinar la constante de reacción de la reacción del fotosensibilizador con el oxígeno respecto a la constante de reacción con otros sustratos (por ejemplo lípidos insaturados, esteroides, aminoácidos aromáticos o que contienen azufre), para determinar la selectividad de la producción de ^{1}O_{2}. Especialmente preferidos para la utilización en el procedimiento según la invención son los fotosensibilizadores que únicamente producen ^{1}O_{2}.

El oxígeno singulete (^{1}O_{2}) producido mediante la irradiación de los fotosensibilizadores se forma mediante la excitación electrónica de oxígeno normal y tiene una duración de pocos microsegundos en el agua equilibrada con aire. Puede difundir aproximadamente 15 mm antes de ser desactivado y actúa desactivando los microorganismos a causa de su alta reactividad.

Los fotosensibilizadores pueden ser añadidos directamente al agua del acuario para mantener la calidad del agua, debiendo ser su concentración de entre 1 y 30 \mumol/l, preferiblemente entre 5 y 15 \mumol/l. Si se mantiene esta concentración, se pueden descartar los efectos tóxicos de las moléculas sobre la fauna y la flora del acuario. Sorprendentemente no se produce ningún perjuicio para la salud de los peces, a causa de las sustancias químicas.

Para mantener la concentración efectiva en el acuario, el agregado de los fotosensibilizadores debe repetirse periódicamente, a pesar de su baja velocidad de degradación en soluciones acuosas. Gracias a la buena estabilidad de las moléculas utilizadas en soluciones acuosas existe, con este fin, por ejemplo la posibilidad de preparar concentrados, que están adaptados al tamaño respectivo del acuario y que pueden ser utilizados de esta manera por el usuario sin más gasto adicional. Además, en la selección de un medio soporte adecuado soluble en agua, también es un método adecuado para su utilización en acuarios la liberación retardada de los sensibilizadores incluidos en el medio soporte. Dado que los sensibilizadores son fácilmente absorbibles, a causa de su tendencia a formar complejos, en materiales diferentes, como por ejemplo intercambiadores de iones, arena, zeolitas, carbón activado, pero también turba, su concentración se reduce continuamente al utilizar equipos con filtros tradicionales para la eliminación de impurezas particulares.

De esta manera se descarta al mismo tiempo un enriquecimiento del fotosensibilizador y además un daño potencial de los peces.

En una realización especialmente preferida se utilizan varios fotosensibilizadores diferentes simultáneamente en el tratamiento del agua. Además es especialmente ventajoso si los fotosensibilizadores diferentes se eligen de tal manera que se aproveche para la fotosensibilización el espectro de las fuentes luminosas utilizadas para la iluminación. Se pueden elegir compuestos que tengan diferentes máximos de absorción, por ejemplo un compuesto con un máximo de absorción a aproximadamente 400 nm, un compuesto con un máximo de absorción a aproximadamente 500 nm y otro compuesto con un máximo de absorción a aproximadamente 600 nm. Una combinación tal de fotosensibilizadores con diferentes máximos de absorción tiene la ventaja de que la luz puede aprovecharse de forma especialmente eficaz.

Además es posible inmovilizar los fotosensibilizadores y colocarlos en el acuario como parte de una matriz sólida. Como soporte se prefieren especialmente polímeros insolubles en agua, que unen por enlaces covalentes a las moléculas de los sensibilizadores. De esta manera se puede proporcionar un soporte con base de polímeros, que contenga al fotosensibilizador en una cantidad que esté adaptada al tamaño y al contenido del acuario. Para su utilización según la invención se agrega directamente al acuario.

Los ejemplos de compuestos que pueden ser utilizados para los objetivos de la invención se enumeran a continuación:

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meso-tetra(4-N-metil-piridil)porfina: R_{1}, R_{2}, R_{3}, R_{4}= 4

meso-tetra(3-N-metil-piridil)porfina: R_{1}, R_{2}, R_{3}, R_{4}= 5

meso-tri(4-N-metil-piridil)monofenilporfina: R_{1}, R_{2}, R_{3}, = 6

\hskip6cm

R_{4} = 7

meso-di(N-metil-4-piridil)difenilporfina: R_{1}, R_{2}, = 8

\hskip5.3cm

R_{3}, R_{4} = 9

meso-mono(N-metil-4-piridil)trifenilporfina: R_{1} = 10

\hskip4.7cm

R_{2}, R_{3}, R_{4} = 11

Como otros compuestos del tipo porfirina además de meso-tetra (N-4-metil-piridil)-porfina (abreviado como T_{4}MPyP) pueden utilizarse compuestos, en los que el largo del grupo alquilo, que está unido al átomo de nitrógeno del resto piridilo, ha sido aumentado a hasta 12 átomos de carbono, como por ejemplo meso-tetra (N-4-etil-piridil)porfina (T_{4}EPyP), meso-tetra(N-3-etil-piridil)porfina (T_{3}EPyP) o meso-tetra(N-4-pentil-piridil)porfina (T_{4}PPyP).

Para ilustrar los compuestos, que tienen dos cargas positivas en posición meso se puede mencionar cis-di-(N-metil-piridil)-difenil) -difenil-porfina.

Claims (9)

1. Utilización de fotosensibilizadores de la familia del tetrapirrol y/o del tetraazapirrol, que lleven al menos una carga positiva en un sustituyente, para combatir gérmenes bacterianos y algas en acuarios, añadiéndose los fotosensibilizadores directamente al agua del acuario, sin apartar previamente a los peces o las plantas.

2. Utilización según la reivindicación 1, caracterizada porque el fotosensibilizador se elige entre bacterioclorinas, clorinas, porfirinas, ftalocianinas y naftalocianinas.

3. Utilización según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque el fotosensibilizador presenta una estructura de porfirina.

4. Utilización según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el fotosensibilizador tiene de 2 a 4 cargas positivas.

5. Utilización según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el fotosensibilizador tiene 2 cargas positivas en posición meso.

6. Utilización según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el fotosensibilizador tiene al menos un sustituyente lipófilo.

7. Utilización según la reivindicación 6, en la que el sustituyente lipófilo es un resto alquilo con de 4 a 12 átomos de carbono.

8. Utilización según una de la reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el fotosensibilizador está presente en una concentración de 1 a 30 \mumol/l.

9. Utilización según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque se utilizan simultáneamente fotosensibilizadores con diferentes espectros de absorción, de tal manera que el espectro completo de la luz visible es aprovechado para la fotosensibilización.