Сокращение загрязнения окружающей среды антибиотиками с помощью наночастиц

В этой статье мы углубляемся в сложности загрязнения окружающей среды антибиотиками и исследуем, как наночастицы предлагают многообещающее решение для эффективной очистки воды, а также изучаем преимущества и проблемы, связанные с их использованием.

Изображение предоставлено: Фарони/Shutterstock.com

Почему антибиотики классифицируются как загрязнители окружающей среды?

Активные фармацевтические соединения считаются новыми загрязнителями систем водоснабжения, особенно в местах с высокой плотностью населения и уже ограниченным водоснабжением, что требует более высоких темпов обновления воды.

Активированные фармацевтические соединения, такие как антибиотики, которые попадают в водную систему и окружающую среду, в основном происходят из выделений человека, поскольку соединения, фильтруемые почками и гепатобилиарной системой, в конечном итоге удаляются. с помощью моча и кал. В частности, загрязнение окружающей среды антибиотиками вызывает обеспокоенность по поводу растущей устойчивости к антибиотикам, поскольку постоянное воздействие антибиотиков в малых дозах сильно способствует адаптации бактерий.

Наночастицы, созданные из различных материалов, являются многообещающими антибиотическими агентами, которые, как правило, не способствуют развитию устойчивости, поскольку механизм их действия обычно включает катастрофическое разрушение мембраны бактериальных клеток и разрушение биопленки под действием сильной поверхностной энергии частицы, против которой адаптация не была осуществлена. наблюдаемый.

Высокая поверхностная энергия наночастиц металлов и оксидов металлов является результатом делокализованных электронов, которые могут свободно участвовать в различных обменах с локальными молекулами, генерируя свободные радикалы, которые могут продолжать разрушать органические соединения.

Каковы преимущества очистки воды на основе наночастиц?

Типичные физические, химические и биологические средства удаления следовых количеств активных фармацевтических препаратов из сточных вод дороги в установке и обслуживании, часто требуют больших затрат энергии и, как правило, не полностью удаляют следовые примеси в требуемом масштабе.

По сравнению с объемными компонентами, изготовленными из тех же материалов, наночастицы обладают гораздо большей площадью поверхности и более способны свободно смешиваться со сточными водами, а также легко удаляются фильтрацией, центрифугированием или магнетизмом. Наноразмерные объекты также часто демонстрируют отличные от своих объемных аналогов физико-химические свойства: в случае металлических частиц, построенных из меди или серебра, поверхностная энергия значительно увеличивается в результате делокализованных и расширенных d-орбиталей.

Наночастицы также имеют соответствующий размер, чтобы создавать сильную кривизну поверхности внутри бактериальной клеточной стенки или мембраны при нахождении в непосредственной близости или во время проникновения. Их также можно существенно функционализировать с помощью молекул, которые способствуют бактериальному взаимодействию или эффективности антибиотиков. Поверхность с высокой энергией также может действовать как катализатор в различных электронообменных взаимодействиях, а именно в генерации свободных радикалов и деградации органических молекул.

С другой стороны, сами наночастицы часто проявляют токсичность по отношению к окружающей среде или человеку, особенно когда они также демонстрируют сильную антибиотическую или каталитическую эффективность, и поэтому их необходимо осторожно использовать при очистке воды. Кроме того, производство наночастиц часто требует высоких температур и токсичных реагентов, что создает проблемы с затратами и окружающей средой. Зеленый синтез наночастиц металлов и оксидов металлов может быть достигнут с использованием экстрактов растений при слегка повышенной или комнатной температуре, которые обычно действуют как восстановитель, облегчая восходящий синтез частиц из солей металлов. Нвилу и другие. (2023) использовали этот метод, в частности, на растении Партениум гистерофорныйинвазивный сорняк, который растет во многих местах по всему миру, был извлечен в водный раствор и смешан с сульфатом меди (II) для получения примерно сферических наночастиц CuO с полидисперсным диаметром около 30–100 нм.

Изображение предоставлено: nokwalai/Shutterstock.com

Как наночастицы разлагают отходы активных фармацевтических соединений?

Рифампицин — антибиотик, используемый для лечения нескольких типов бактериальных инфекций, особенно туберкулеза. Около 30% принятого внутрь рифампицина выводится с мочой, а еще около 60% – с калом и, таким образом, является основным источником загрязнения сточных вод активными фармацевтическими соединениями, особенно в регионах, пораженных туберкулезом, которые, как правило, менее развиты и, следовательно, уже отсутствие надежных очистных сооружений.

Вышеупомянутое исследование Нвилу и другие. (2023) проверили эффективность разложения антибиотиков полученных наночастиц CuO по отношению к рифампицину и обнаружили, что концентрации CuO 10–50 мг/л способны разлагать 93–99% рифампицина в растворе, причем эффективность увеличивается с увеличением концентрации.

Большая площадь поверхности наночастиц CuO обеспечивает большое количество мест адсорбции, с которыми может связываться рифампицин, в то время как наночастицы также действуют как катализатор в образовании активных форм кислорода и других свободных радикалов; от самого рифампицина, окружающих молекул воды, растворенного кислорода и других второстепенных источников.

Свободные радикалы в водной среде могут инициировать многочисленные типы реакций конденсации или гидролиза, вызывая распад, циклизацию или иную инактивацию рифампицина или других активных фармацевтических соединений. Интересно, что также было обнаружено, что pH играет роль в разложении рифампицина наночастицами CuO, причем специфический pH 5 вызывает снижение эффективности с ~ 98% до всего лишь 94% при сохранении других условий теми же. Это связано с изменением H⁺/ОЙ^– популяция ионов при изменении pH и последующем изменении скорости образования активных веществ. Аналогичным образом, более высокие температуры способствуют деградации рифампицина, поскольку взаимодействия наночастиц и лекарственного средства происходят чаще и последующая скорость реакции, вызывающей деградацию, увеличивается, что связано с усилением броуновского движения.

Подробно, процесс деградации активного фармацевтического соединения наночастицами металлов или оксидов металлов происходит, во-первых, путем возбуждения наночастиц падающим светом, который вызывает продвижение электрона из валентной зоны в зону проводимости, создавая в первой электронную дырку.

Путем электронного обмена электрон зоны проводимости может восстановить молекулярный кислород до кислородных радикалов. В то же время молекула воды окисляется с образованием гидроксильных радикалов при переносе электрона в валентную зону электрон-дырка. Тогда многочисленные точки активного фармацевтического соединения становятся чувствительными к атаке этих возбужденных частиц. Однако степень эффективности будет сильно зависеть от молекулярной структуры загрязнителя, а также от вышеуказанных свойств, таких как относительная концентрация, температура, форма и размер частиц.

Использование графена в датчиках воды для улучшения обнаружения загрязнений

Ссылки и дополнительная литература

Нзилу, Д.М., Мадиволи, Э.С., Махану, Д.С., Ванакаи, С.И., Кипроно, ГК, и Кареру, П.Г. (2023). Зеленый синтез наночастиц оксида меди и его эффективность в деградации антибиотика рифампицина. Научные отчеты, 13(1). doi.org/10.1038/s41598-023-41119-z

Лю Л.-К., Абдельвахаб Х., Мартин Дель Кампо Дж. С., Мехра-Чаудхари Р., Собрадо П. и Таннер Дж. Дж. (2016). Структура антибиотика, дезактивирующего и N-гидроксилирующего рифампицинмонооксигеназы. Журнал биологической химии, 291(41), стр. 21553–21562. doi.org/10.1074/jbc.m116.745315

Оздал М. и Гуркок С. (2022). Недавние достижения в области наночастиц как антибактериального агента. АДМЕТ и ДМПК. doi.org/10.5599/admet.1172

Отказ от ответственности: Мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в его личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Данное заявление об отказе от ответственности является частью Условия и положения использования этого веб-сайта.