Przełom w walce z antybiotykoopornością: nanocząstki usuwają leki ze ścieków

Czy nowatorskie nanocząstki to rewolucja w walce z antybiotykoopornością?

Nanocząstki cynku domieszkowane srebrem mogą skutecznie usuwać antybiotyki ze ścieków, co potencjalnie ograniczy problem antybiotykooporności – wynika z nowego badania opublikowanego w czasopiśmie naukowym. Nowatorskie podejście łączy zaawansowane materiały z algorytmami sztucznej inteligencji, osiągając niemal 100% skuteczność.

Antybiotyki, choć kluczowe w leczeniu infekcji bakteryjnych, stanowią rosnące zagrożenie dla środowiska naturalnego. Cefuroksym, antybiotyk z grupy cefalosporyn drugiej generacji, powszechnie stosowany w leczeniu zakażeń skóry, dróg moczowych i układu oddechowego, jest jednym z wielu związków wykrywanych w ściekach w stężeniach od nanogramów do mikrogramów na litr. Obecność antybiotyków w środowisku wodnym budzi obawy dotyczące ich potencjalnego wpływu na ekosystemy oraz rozwoju lekooporności.

“Szkodliwy wpływ pozostałości leków, szczególnie antybiotyków, w ekosystemach wodnych stał się poważnym problemem. W konsekwencji ich efektywne usuwanie i oczyszczanie stało się znaczącym i dokładnie badanym obszarem badawczym, z celem złagodzenia zagrożeń środowiskowych i zmniejszenia rozwoju antybiotykooporności” – piszą autorzy badania.

Jakie innowacje w fotokatalizie poprawiają usuwanie antybiotyków?

Naukowcy opracowali i przetestowali nanocząsteczki tlenku cynku domieszkowane srebrem (Ag:ZnO) jako fotokatalizator do rozkładu cefuroksymu pod wpływem światła słonecznego. Materiał ten wykorzystuje energię światła do generowania reaktywnych form tlenu, które rozkładają cząsteczki antybiotyku. Kluczową innowacją było zastosowanie domieszki srebra, która znacząco poprawia właściwości fotokatalityczne tlenku cynku.

W celu usunięcia pozostałości antybiotyków z wody opracowano różne metody, w tym zaawansowane procesy utleniania (AOPs), metody biologiczne, procesy sonokatalizy oraz koagulację. Badania wykazały, że AOPs mogą skutecznie eliminować i rozkładać szeroką gamę antybiotyków do bezpiecznych i przyjaznych dla środowiska związków. Technika fotokatalizy opiera się na aktywacji półprzewodnika przez światło, co prowadzi do generowania par elektron-dziura zdolnych do reagowania z tlenem z powietrza i/lub wilgotnością atmosferyczną w celu tworzenia rodników i inicjowania reakcji utleniania-redukcji.

Czy odpowiednia optymalizacja katalizatora zwiększa efektywność degradacji?

Badacze przetestowali różne stężenia srebra (1%, 2%, 2,5% i 3%) i odkryli, że najwyższą skuteczność degradacji cefuroksymu osiągnięto przy 2% domieszce srebra. W optymalnych warunkach (pH 6, dawka katalizatora 0,1 g/L, początkowe stężenie cefuroksymu 10 mg/L) materiał ten był w stanie usunąć 99,97% antybiotyku po 180 minutach ekspozycji na światło słoneczne. Co ważne, analiza całkowitego węgla organicznego (TOC) wykazała, że 85,9% związku zostało całkowicie zmineralizowane do CO₂ i H₂O po 280 minutach.

Mechanizm działania opiera się na kilku kluczowych procesach. Domieszka srebra zmniejsza przerwę energetyczną tlenku cynku z 3,15 eV do około 3,01 eV, co pozwala na wykorzystanie większej części widma światła słonecznego. Ponadto, nanocząsteczki srebra działają jako “pułapki elektronowe”, skutecznie zapobiegając rekombinacji par elektron-dziura, co znacząco zwiększa wydajność procesu fotokatalitycznego.

Szczegółowe badania mechanizmu fotodegradacji wykazały, że rodniki hydroksylowe (•OH) są głównym czynnikiem odpowiedzialnym za rozkład cefuroksymu, co potwierdzono poprzez eksperymenty z wykorzystaniem różnych zmiatacze rodników. Wprowadzenie izopropanolu (IPA), który wychwytuje rodniki hydroksylowe, spowodowało spadek wydajności degradacji do zaledwie 23,45%, podczas gdy zmiatacze anionów ponadtlenkowych (p-benzochinon) i dziur elektronowych (EDTA-2Na) miały mniejszy wpływ, zmniejszając wydajność odpowiednio do 81,54% i 91,32%.

Czy praktyczne testy trwałości i sztuczna inteligencja zmieniają oczyszczanie ścieków?

Czy takie podejście mogłoby zostać zastosowane w praktyce klinicznej lub w systemach oczyszczania ścieków szpitalnych? Badacze przeprowadzili testy trwałości materiału, wykazując, że po pięciu cyklach użycia katalizator zachował 79% swojej pierwotnej skuteczności, co sugeruje możliwość wielokrotnego wykorzystania. Co istotne, analiza XRD przeprowadzona po pięciu cyklach wykazała, że struktura krystaliczna 2% Ag:ZnO pozostała nienaruszona, potwierdzając stabilność materiału podczas wielokrotnego użycia.

Nowatorskim elementem badania było zastosowanie zaawansowanych algorytmów sztucznej inteligencji do optymalizacji procesu. Naukowcy wykorzystali model DT_LSBOOST (Decision Tree coupled with Least Squares Boosting) do przewidywania wydajności degradacji w różnych warunkach eksperymentalnych. Model ten wykazał niezwykłą dokładność, ze współczynnikiem korelacji powyżej 0,999 między wartościami przewidywanymi a eksperymentalnymi.

Jak nowoczesne algorytmy wspomagają optymalizację procesów?

Algorytm DT_LSBOOST jest szczególnie skuteczny w modelowaniu złożonych, nieliniowych zależności między parametrami procesu. W przeciwieństwie do pojedynczych drzew decyzyjnych, które są podatne na przeuczenie, połączenie z metodą LSBOOST pozwala na sekwencyjne budowanie drzew, gdzie każde nowe drzewo koryguje błędy poprzedniego. Ta technika znacząco poprawia dokładność predykcji przy zachowaniu interpretacyjności modelu.

Do optymalizacji warunków eksperymentalnych zastosowano Algorytm Dragonfly (DA), inspirowany zbiorowym zachowaniem ważek podczas żerowania i migracji. Algorytm ten, oparty na pięciu kluczowych siłach (separacja, wyrównanie, spójność, przyciąganie do źródła pokarmu i unikanie drapieżników), skutecznie eksploruje przestrzeń poszukiwań i zbiega do optymalnych rozwiązań. Wykorzystanie tego algorytmu pozwoliło na precyzyjne określenie optymalnych parametrów procesu, które maksymalizują wydajność degradacji cefuroksymu.

Badacze opracowali również interaktywną aplikację w środowisku MATLAB, która umożliwia optymalizację procesu w czasie rzeczywistym. Narzędzie to może pomóc w szybkim dostosowaniu parametrów procesu do konkretnych warunków, co ułatwia wdrożenie tej technologii w praktyce.

Czy warunki środowiskowe decydują o skuteczności fotodegradacji?

Wyniki te mają istotne implikacje dla zdrowia publicznego. Skuteczne usuwanie antybiotyków ze ścieków mogłoby pomóc w ograniczeniu rozwoju antybiotykooporności – jednego z największych globalnych zagrożeń zdrowotnych zidentyfikowanych przez WHO. Dla lekarzy oznacza to potencjalnie nowe narzędzie w walce z narastającą opornością bakterii na antybiotyki.

Warto zauważyć, że pH środowiska reakcji ma kluczowy wpływ na wydajność fotodegradacji. Badacze odkryli, że optymalne pH wynosi około 6, przy którym powierzchnia katalizatora ma wystarczający ładunek dodatni, aby przyciągać niewiążące elektrony atomów azotu i tlenu cząsteczek cefuroksymu. W bardziej kwaśnym pH (pH=3) wydajność degradacji spada z powodu protonowania cząsteczek cefuroksymu i odpychania elektrostatycznego, podczas gdy w środowisku zasadowym (pH>8) powierzchnia katalizatora staje się ujemnie naładowana, co również prowadzi do odpychania i zmniejszenia wydajności.

Chociaż badanie przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych, autorzy sugerują, że technologia ta mogłaby zostać zaimplementowana w istniejących systemach oczyszczania ścieków, szczególnie w miejscach o dużym nasłonecznieniu. Kolejnym krokiem będzie testowanie skuteczności tego podejścia w rzeczywistych ściekach szpitalnych i farmaceutycznych, które zawierają mieszaninę różnych antybiotyków i innych farmaceutyków.

Badanie to stanowi przykład, jak interdyscyplinarne podejście łączące inżynierię materiałową, chemię środowiskową i sztuczną inteligencję może prowadzić do rozwiązań istotnych problemów zdrowia publicznego. Dla klinicystów oznacza to nadzieję na skuteczniejsze metody ograniczania antybiotykooporności poprzez eliminację pozostałości antybiotyków u ich źródła.

Podsumowanie

Najnowsze badania przedstawiają przełomowe rozwiązanie w walce z antybiotykoopornością poprzez zastosowanie nanocząstek tlenku cynku domieszkowanych srebrem (Ag:ZnO). Technologia ta wykazuje wyjątkową skuteczność w usuwaniu antybiotyków ze ścieków, osiągając niemal 100% efektywność w przypadku cefuroksymu. Kluczowym elementem jest 2% domieszka srebra, która optymalizuje proces fotokatalityczny poprzez lepsze wykorzystanie światła słonecznego. System został dodatkowo udoskonalony dzięki zastosowaniu zaawansowanych algorytmów sztucznej inteligencji, w tym modelu DT_LSBOOST i Algorytmu Dragonfly, które pozwalają na precyzyjną optymalizację procesu. Badania wykazały również wysoką trwałość materiału, zachowującego 79% skuteczności po pięciu cyklach użycia. Ta interdyscyplinarna innowacja może stanowić skuteczne rozwiązanie w ograniczaniu globalnego problemu antybiotykooporności poprzez efektywne oczyszczanie ścieków szpitalnych i farmaceutycznych.