Comparative Evaluation of Fe₂O₃, CuO, ZnO and NiO Nanoparticles for Removal of Triazine Herbicides from Water and Agricultural Commodities

يعتمد المزارعون يومياً على فئة محددة من المواد الكيميائية تسمى مبيدات الأعشاب من نوع "تريازين" لحماية محاصيلهم من الأعشاب الضارة. هذه المواد، بما في ذلك الأسماء الشائعة مثل "أترازين" و"ميتريبوزين"، فعالة في إبقاء الحقول خالية من الأعشاب، لكنها أيضاً مواد عنيدة؛ فهي لا تتحلل بسهولة في البيئة، ويمكنها الانتقال من التربة إلى الأنهار والبحيرات والمياه الجوفية. يخلق هذا الاستمرار مشكلة مزدوجة: فهو يهدد صحة الأنظمة البيئية ويترك بقايا على طعامنا، مثل الطماطم والذرة والبطاطس. وبينما يعد غسل المنتجات بالماء ممارسة قياسية، فإن هذه المواد الكيميائية غالباً ما تلتصق بشدة بسطح النباتات، مما يجعل إزالتها صعبة بمجرد شطف بسيط. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة لتنظيف مياهنا وغذائنا بشكل أكثر فعالية، حيث وجهوا اهتمامهم إلى عالم النانو المجهري. ومن خلال استخدام جزيئات صغيرة جداً لدرجة أنها تُقاس بأجزاء من المليار من المتر، يمكن للباحثين إنشاء مواد ذات مساحات سطحية هائلة وقدرات كيميائية فريدة قد تلتقط أو تفكك هذه الملوثات المستعصية.

وضع فريق من الباحثين في كلية سانت كزافييه (St Xavier's College) هدفهم لاختبار أربعة أنواع مختلفة من هذه الجسيمات المجهرية لمعرفة أي منها يمكنه إزالة "الأترازين" و"الميتريبوزين" بشكل أفضل من الماء ومن المنتجات الطازجة. وقد ركزوا على جسيمات مكونة من أربعة أكاسيد معادن انتقالية شائعة وهي: أكسيد الحديد، وأكسيد النحاس، وأكسيد الزنك، وأكسيد النيكل. تم اختيار هذه المواد لأنها معروفة بالتفاعل مع المواد الكيميائية العضوية بطرق متنوعة، مثل الالتصاق بها أو تفكيكها من خلال التفاعلات الكيميائية. لم يكتفِ الباحثون بمراقبة مدى قدرة هذه الجسيمات على الاستقرار في الماء وامتصاص المواد الكيميائية فحسب، بل اختبروا أيضاً ما إذا كان تعريض الخليط للضوء سيساعد في تفكيك المواد الكيميائية بشكل أسرع، وهي عملية تُعرف باسم "التحفيز الضوئي". أرادوا معرفة ما إذا كانت هناك مادة محددة تتفوق على غيرها وما إذا كان يمكن استخدامها بشكل متكرر دون أن تفقد فعاليتها.

للبدء في تحقيقهم، أعد الفريق محاليل تحتوي على مبيدات الأعشياء وخلطوها بكميات مختلفة من كل نوع من أنواع النانو. وتحكموا بدقة في الظروف، حيث قاموا بضبط حموضة الماء والوقت الذي تُترك فيه الجسيمات للتفاعل مع المواد الكيميائية. ووجدوا أن جميع الأنواع الأربعة من الجسيمات النانوية قادرة على إزالة مبيدات الأعشاب إلى حد ما، ولكن كانت هناك فروق واضحة في أدائها. فقد ثبت أن الجسيمات المصنوعة من أكسيد الزنك هي الأكثر فعالية، حيث أزالت ما يقرب من 94 بالمائة من "الأترازين" وأكثر من 91 بالمائة من "الميتريبوزين" من الماء في ظل أفضل الظروف. وجاء أكسيد النحاس في المرتبة الثانية كأفضل أداء، بينما كان أكسيد الحديد وأكسيد النيكل أقل كفاءة. وقد حدد الباحثون أن جسيمات أكسيد الزنك تعمل بشكل جيد لأنها لا تستطيع فقط الالتصاق بجزيئات مبيد الأعشاب، بل يمكنها أيضاً، عند تعرضها للضوء، توليد أنواع نشطة تعمل بنشاط على كسر الروابط الكيميائية للملوثات.

كما درست الدراسة كيفية عمل هذه العملية بمرور الوقت. ومن خلال تحليل سرعة إزالة مبيدات الأعشاب، خلص الفريق إلى أن التفاعل لم يكن مجرد عملية التصاق فيزيائي بسيطة؛ بل أشارت البيانات إلى حدوث ارتباط كيميائي أكثر تعقيداً بين الجسيمات النانوية وجزيئات مبيد الأعشاب. ساعد هذا الاكتشاف في تفسير سبب كفاءة الإزالة العالية ولماذا كان أداء جسيمات أكسيد الزنك، التي تمتلك قدرة قوية على التفاعل مع الضوء، ممتازاً للغاية. وعندما قارن الباحثون بين نتائج التجارب التي أجريت في الظلام وتلك التي أجريت تحت الضوء، كان الفرق كبيراً بالنسبة لأكسيد الزنك وأكسيد النحاس. لقد عزز الضوء بشكل كبير القدرة على تفكيك مبيدات الأعشاب، مما أكد أن التفاعل الكيميائي المدفوع بالضوء كان جزءاً رئيسياً من عملية التنظيف.

وبعيداً عن تنظيف المياه، أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكان هذه الجسيمات المساعدة في تنظيف الطعام الفعلي. فقد أخذوا طماطم وذرة وبطاطس طازجة ورشوا عليها مبيدات الأعشاب لمحاكاة التلوث في العالم الحقيقي، ثم غسلوا هذه العينات بمعلق من الجسيمات النانوية. جاءت النتائج مطابقة لاختبارات الماء: حيث أدى الغسل بأكسيد الزنك إلى إزالة أعلى نسبة مئوية من بقايا المبيدات من جميع أنواع المحاصيل الثلاثة. وبالنسبة للطماطم والذرة والبطاطس، قلل الغسل بأكسيد الزنك من بقايا "الأترازين" بنسبة 93% و85% و89% على التوالي. وبينما أظهر أكسيد النحاس أيضاً نتائج جيدة، إلا أنه لم يكن بمستوى أداء أكسيد الزنك. ولاحظ الباحثون أن السطح الأملس للطماطم سمح بتنظيف أفضل قليلاً من الأسطح الخشنة وغير المنتظمة للذرة والبطاطس، والتي تميل إلى التمسك بالمواد الكيميائية بقوة أكبر.

كان جزء حاسم من الدراسة هو تحديد ما إذا كان يمكن استخدام هذه الجسيمات النانوية أكثر من مرة، وهو أمر ضروري لأي تطبيق عملي. اختبر الفريق جسيمات أكسيد الزنك عبر خمس دورات تنظيف متتالية. وحتى بعد غسل الجسيمات وتجفيفها وإعادة استخدامها، حافظت الجسيمات على مستوى عالٍ من الفعالية، حيث أزالت أكثر من 88 بالمائة من مبيدات الأعشاب بحلول الدورة الخامسة. أثبت هذا أن المادة مستقرة ولا تتحلل بسرعة، مما يجعلها مرشحة صالحة للاستخدام المتكرر. في المقابل، أظهرت المواد الأخرى آليات عمل مختلفة؛ فعلى سبيل المثال، اعتمدت جسيمات أكسيد الحديد على مزيج من الامتزاز السطحي والتعقيد السطحي، بينما استخدمت جسيمات أكسيد النحاس عملية الأكسدة والاختزال، والتي تتضمن نقل الإلكترونات لتفكيك المواد الكيميائية. أما جسيمات أكسيد النيكل، فقد عملت بشكل أساسي من خلال التفاعلات السطحية مع حد أدنى من التحلل المدفوع بالضوء، حيث عملت بشكل أساسي كمادة ممتزة.

كان الاستنتاج النهائي للبحث عبارة عن تصنيف واضح للمواد بناءً على قدرتها الإجمالية على تنظيف مبيدات أعشاب "التريازين". برز أكسيد الزنك كخيار أول، يليه أكسيد النحاس، ثم أكسيد الحديد، وأخيراً أكسيد النيكل. وسلطت الدراسة الضوء على أن أكسيد الزنك واعد بشكل خاص لأنه يجمع بين قدرة امتزاز عالية ونشاط تحفيز ضوئي قوي، مما يعني أنه يمكنه جذب الملوثات وتدميرها عند وجود الضوء. كما أثبت أنه قابل لإعادة الاستخدام وفعال في تنظيف المواد الغذائية الحقيقية. ورغم أن البحث أجري تحت ظروف مخبرية محكومة، إلا أن النتائج تشير إلى أن جسيمات أكسيد الزنك النانوية يمكن أن تلعب دوراً هاماً في التقنيات المستقبلية المصممة لحماية إمدادات المياه وضمان سلامة إمداداتنا الغذائية من خلال إزالة هذه المواد الكيميائية الزراعية المستمرة.