Safe-by-design algal EPS based ZnO/zeolite bio-nanocomposite for the removal of BPA

تواجه محطات معالجة المياه تحدياً مستمراً وغير مرئي: وجود المواد الكيميائية المسببة لاضطرابات الغدد الصماء. هذه هي المواد التي يمكن أن تتداخل مع الأنظمة الهرمونية لدى البشر والحيوانات، مما يسبب ضرراً حتى عند تركيزات منخفضة جداً. ومن أكثر هذه المواد شيوعاً هو "بيسفينول أ" (BPA)، وهو مادة كيميائية تُستخدم في صناعة البلاستيك الصلب والراتنجات الإيبوكسية الموجودة في كل شيء، من حاويات الطعام إلى زجاجات المياه. وعندما تتحلل هذه المنتجات أو يتم التخلص منها بشكل غير سليم، يتسرب الـ BPA إلى البيئة. وبينما يمكن للطرق التقليدية التقاط بعض هذه الملوثات، إلا أنها غالباً ما تكافح لتفكيكها تماماً، مما يؤدي أحياناً إلى ترك نواتج ثانوية سامة أو خلق نفايات جديدة في العملية. ويتطلع العلماء الآن نحو الطبيعة بحثاً عن حلول، حيث يستكشفون كيفية دمج المواد البيولوجية مع تقنيات النانو المتقدمة لتنقية المياه بشكل أكثر فعالية وأماناً.

في دراسة حديثة، طور باحثون في معهد فيلور للتكنولوجيا في الهند مادة جديدة مصممة لمعالجة هذه المشكلة تحديداً. فقد ابتكروا مادة هجينة تعمل على مرحلتين: أولاً، تعمل مثل الإسفنجة لالتقاط الملوث، وثانياً، تستخدم الضوء لتدميره. وقد جمع الفريق بين ثلاثة مكونات متمايزة لبناء هذه المادة. المكون الأول كان "الزيوليت"، وهو معدن طبيعي ذو بنية مسامية يعمل كدعامة قوية. والثاني كان "أكسيد الزنك"، وهو شبه موصل ينشط عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية، مما يولد أنواعاً تفاعلية قادرة على كسر الروابط الكيميائية. أما المكون الثالث فكان "المواد البوليمرية خارج الخلوية" (EPS)، وهي طبقة هلامية لزجة تنتجها الطحالب. وتعمل هذه الطبقة البيولوجية على تماسك المواد الأخرى معاً، والأهم من ذلك، جعل المنتج النهائي أكثر أماناً للكائنات الحية.

بدأ الباحثون بزراعة نوع معين من الطحالب البحرية لحصاد مادتها (EPS). ثم خلطوا هذا المستخلص البيولوجي مع مسحوق الزيوليت وأكسيد الزنك بنسب دقيقة. ومن خلال سلسلة من التجارماعت، حددوا أن نسبة معينة من هذه المكونات الثلاثة هي التي تعطي أفضل النتائج. فعندما مزجوا جزءاً واحداً من الزيوليت، وجزءاً واحداً من أكسيد الزنك، ونصف جزء من الـ EPS الطحلبي، حقق المركب الحيوي النانوي الناتج أعلى كفاءة. في هذا الخليط، وفر الزيوليت سطحاً خشناً وغير مستوٍ منع جزيئات أكسيد الزنك من التكتل، بينما عمل الـ EPS الطحلبي كغراء طبيعي، حيث نشر أكسيد الزنك بالتساوي عبر سطح المعدن. وقد خلق هذا الترتيب عدداً هائلاً من المواقع التي يمكن فيها اصطياد الملوث ثم تدميره.

ولاختبار المادة، وضع الفريق المادة في ماء ملوث بالـ BPA وعرضها للأشعة فوق البنفسجية من النوع (UV-A)، وهو نوع من الإشعاع فوق البنفسجي. وقبل تشغيل الضوء، قامت المادة ببساطة بامتصاص المادة الكيميائية، محتفظة بها على سطحها. وبمجرد تسليط الضوء فوق البنفسجي على أكسيد الزنك، تحولت المادة إلى وضع التدمير. فقد قام الضوء بتنشيط أكسيد الزنك، مما تسبب في إطلاق أنواع أكسجين تفاعلية. وهذه عبارة عن جزيئات نشطة للغاية تهاجم البنية الكيميائية للـ BPA، وتعمل على تفكيكه. ووجدت الدراسة أن الجذور الحرة من نوع "السوبر أكسيد" كانت الوكلاء الأساسيين المسؤولين عن هذا التدمير، حيث عملت كالقوة الرئيسية التي فككت الملوث. وكانت العملية فعالة للغاية، حيث أزالت الـ BPA من الماء، والأهم من ذلك، قامت بتفكيكه إلى مكونات غير ضارة مثل ثاني أكسيد الكربون والماء.

قام الباحثون بقياس نجاح هذه العملية من خلال تتبع إجمالي الكربون العضوي في الماء. وبعد تسعين دقيقة من التعرض للأشعة فوق البنفجية، حققت المادة انخفاضاً بنسبة 96 بالمئة في الكربون العضوي، مما أكد أن الـ BPA لم يُنقل فقط من الماء إلى المادة الصلبة، بل تم تمعدنه وتدميره بالفعل. كما تم اختبار كفاءة النظام تحت ظروف مختلفة؛ فقد عمل بشكل جيد عبر نطاق واسع من مستويات حموضة الماء، من الحمضية الطفيفة إلى القلوية المتوسطة، وهو ما يعد ميزة كبيرة لمعالجة مياه الصرف الصحي في العالم الحقيقي حيث تتقلب الظروف. ومع ذلك، لاحظ الفريق أنه إذا كان تركيز الملوث عالياً جداً، يصبح النظام أقل كفاءة، بسبب تشبع العدد المحدود من المواقع النشطة على المادة. وبالمثل، فإن إضافة الكثير من مادة التنظيف إلى الماء لم يحسن النتائج، لأن الجزيئات بدأت في حجب الضوء عن الوصول إلى الطبقات الأعمق من المحلول.

كان جانب حاسم في هذا البحث هو ضمان سلامة المادة الجديدة للبيئة. فالمواد النانوية قد تكون سامة أحياناً للخلايا الحية، لكن إدراج الـ EPS الطحلبي غير هذه النتيجة. فقد اختبر الباحثون المادة على نموذجين بيولوجيين مختلفين: نوع من الطحالب في المياه العذبة وجذور نبات الثوم. وفي كلتا الحالتين، تسببت النسخة من المادة التي تحتوي على الغلاف الطحلبي في ضرر أقل بكثير من النسخة التي لا تحتوي عليه. وبدا أن طبقة الـ EPS تعمل كدرع واقٍ، مما يقلل من إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية الضارة التي قد تضر الخلايا الحية. وهذا يشير إلى أن المكون البيولوجي لم يساعد المادة على العمل بشكل أفضل فحسب، بل جعلها أيضاً أكثر رفقاً بالنظام البيئي.

تخلص الدراسة إلى أن هذا المركب الحيوي النانوي يمثل نهجاً واعداً لتنقية المياه. فمن خلال الجمع بين دعم معدني، وحفاز منشط بالضوء، وغلاف بيولوجي واقٍ، أنشأ الباحثون نظاماً فعالاً في تدمير الملوثات وآمناً في الوقت نفسه للبيئة. نجحت المادة في إزالة الـ BPA من خلال عملية امتزاز تلاها تحلل ضوئي، محققة تمعدناً شبه كامل للملوث. وتسلط النتائج الضوء على أن موازنة مكونات مثل هذا النظام هو المفتاح؛ فإضافة الكثير من أحد المكونات قد يعيق العملية، بينما يخلق المزيج الصحيح تأثيراً تآزرياً. ويمثل هذا العمل خطوة ملموسة نحو تطوير تقنيات مستدامة يمكنها التعامل مع التحديات الكيميائية المعقدة لمياه الصرف الصحي الحديثة دون خلق مخاطر بيئية جديدة.