Mechanisms of Lead Adsorption onto Keratin Nanoparticles from Human Hair and Sheep Fur Using Statistical Physics Analysis

يعد تلوث المياه بالمعادن الثقيلة تحديًا عالميًا مستمرًا لأن هذه العناصر السامة لا تتحلل طبيعيًا. فخلافًا للملوثات العضوية التي يمكن أن تتحلل بمرور الوقت، تظل المعادن مثل الرصاص باقية في البيئة إلى الأبد، وتتراكم في الكائنات الحية وتنتقل عبر السلسلة الغذائية حتى تهدد صحة الإنسان. ويعد الرصاص، على وجه الخصوص، خطرًا صامتًا يمكنه إلحاق الضرر بالجهاز العصبي والكلى والقلب، حتى عند المستويات المنخفضة. وبينما طورت الصناعات طرقًا متنوعة لتنقية مياه الصرف الصحي، فإن العديد منها مكلف أو يستهلك طاقة كبيرة أو يخلق مشكلات نفايات سامة خاصة به. وقد دفع هذا العلماء للبحث في الطبيعة عن حلول أبسط وأرخص، وتحديدًا من خلال التوجه نحو المواد التي تُهدر عادةً كنفايات.

في دراسة حديثة، استكشف الباحثون ما إذا كان بإمكان مصدرين شائعين من النفايات — شعر الإنسان وفراء الأغنام — أن يتحولا إلى أدوات قوية لتنظيف الرصاص من الماء. كلا المادتين غنيتان بالكيراتين، وهو بروتين هيكلي قوي يحتوي طبيعيًا على العديد من المجموعات الكيميائية القادرة على الإمساك بأيونات المعادن. أخذ العلماء الشعر المهدر من صالونات الحلاقة والفراء من معالجة الماشية، ونظفوها جيدًا، ثم طحنوها إلى جسيمات نانوية دقيقة. ومن خلال تقليص هذه المواد إلى المقياس النانوي، زادوا بشكل هائل من مساحة السطح المتاحة للتفاعلات الكيميائية، مما أدى جوهريًا إلى كشف المزيد من الأجزاء "اللزجة" للبروتين التي يمكنها احتجاز الرصاص. ثم اختبر الفريق مدى فعالية هذه الجسيمات النانوية في سحب الرصاص من الماء، وقاموا بقياس العملية بدقة تحت ظروف مختلفة لفهم كيفية ارتباط المعدن بالبروتين بالضبط.

أظهرت النتائج أن جسيمات نانوية من كل من شعر الإنسان وفراء الأغنام كانت فعالة للغاية في إزالة الرصاص. ووجد الباحثون أن العملية لم تكن مجرد التصاق فيزيائي بسيط، حيث تستقر أيونات المعدن فقط على السطح؛ بل أشارت البيانات إلى عملية ترابط كيميائي، حيث شكلت أيونات الرصاص روابط قوية ومحددة مع مجموعات الأمين والكربوكسيل والكبريت الموجودة داخل هيكل الكيراتين. هذا النوع من التفاعل، المعروف باسم الامتزاز الكيميائي (chemisorption)، أقوى بكثير وأكثر ديمومة من مجرد التجاذب الفيزيائي البسيط. وأكدت الدراسة أن عملية الامتزاز كانت تعمل بشكل أفضل عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يشير إلى أن الحرارة تساعد أيونات المعدن على التحرك بحرية أكبر والارتباط بشكل أكثر فعالية بمواقع البروتين. علاوة على على ذلك، زادت كمية الرصاص التي تمت إزالتها بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يثبت أن العملية تلقائية ومفضلة طاقيًا.

ولفهم التفاصيل المجهرية لكيفية ارتباط الرصاص بالجسيمات النانوية، استخدم الباحثون تصويرًا وطيفًا متقدمًا. فقد كشف المجهر الإلكتروني الماسح أن الأسطح الملساء والطبقية للجسيمات النانوية الأصلية أصبحت خشنة ومغطاة بترسبات لامعة بعد التعرض للرصاص، مما أكد بصريًا أن المعدن قد استقر بنجاح على المادة. كما قدم مطياف الأشعة تحت الحمراء دليلًا جزيئيًا، حيث أظهر أن الروابط الكيميائية داخل البروتين قد تغيرت بعد إضافة الرصاص. وأثبتت هذه التحولات أن أجزاء معينة من البروتين، وخاصة تلك التي تحتوي على النيتروجين والأكسجين والكبريت، كانت مشاركة مباشرة في الإمساك بأيونات المعدن. كما استخدمت الدراسة نماذج الفيزياء الإحصائية لوصف ترتيب أيونات الرصاص على السطح. واقترحت هذه النماذج أن الامتزاز كان معقدًا: ففي حالة جسيمات نانوية من شعر الإنسان، تميل أيونات الردد المتعددة إلى التكتل حول مواقع ربط واحدة، بينما أظهر فراء الأغنام مزيجًا من السلوكيات اعتمادًا على درجة الحرارة.

تخلص الدراسة إلى أن تحويل نفايات الشعر والفراء إلى جسيمات نانوية يوفر طريقة مستدامة وفعالة لمعالجة المياه الملوثة بالرصاص. فقد أثبتت المواد أنها منخفضة التكلفة، وقابلة للتحلل الحيوي، وقادرة على إزالة الرصاص من خلال روابط كيميائية قوية بدلاً من التجاذب الفيزيائي الضعيف. ومن خلال إثبات أن هذه المنتجات من النفايات اليومية يمكن هندستها لتصبح مواد امتصاص حيوية عالية الأداء، يسلط البحث الضوء على مسار عملي لتنظيف مياه الصرف الصناعي دون الاعتماد على تقنيات مكلفة أو كثيفة الاستهلاك للطاقة. وتشير النتائج إلى أنه مع التحضير المناسب، يمكن للمواد التي نتخلص منها عادةً أن تلعب دورًا حاسمًا في حماية موارد المياه من المعادن الثقيلة السامة.