Green Synthesis and Characterisation of Iron Oxide Nanoparticles Using Rice Husk and Orange Peel Extracts and Residue Templates (RHOPTNPs) for the Adsorptive Removal of Ciprofloxacin and Ibuprofen from Aqueous Solution

تُعد المياه شريان الحياة لكوكبنا، لكنها تحمل بشكل متزايد عبئاً خفياً: آثار الأدوية التي تناولناها. فعندما يتناول الناس المضادات الحيوية أو المسكنات، لا يمتص الجسم كل جزيء منها؛ بل تتدفق البقايا المتبقية من المنازل والمستشفيات لتصل في النهاية إلى الأنهار والبحيرات. وتعتبر هذه البقايا الدوائية خطيرة لأنها تستمر في البيئة ويمكن أن تشجع البكتيريا على أن تصبح مقاومة للعلاج، مما يشكل تهديداً طويل الأمد للصحة العامة. لقد بُنيت محطات معالجة المياه التقليدية لإزالة الجسيمات الكبيرة والبكتيريا، وليس هذه الآثار الكيميائية الذائبة والمتناهية الصغر. ولحل هذه المشكلة، يتجه العلماء إلى نهج مختلف: استخدام جزيئات صغيرة من أكسيد الحديد، والتي تعمل مثل إسفنج مجهري يمكنه التقاط هذه الأدوية من الماء. ومع ذلك، فإن صنع هذه الجزيئات يتطلب عادةً مواد كيميائية قاسية وطاقة عالية. وثمة مسار أكثر استدامة، وهو تنميتها باستخدام النباتات، وهي طريقة تُعرف باسم "التخليق الأخضر"، والتي تحول النفايات إلى أداة مفيدة.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون في نيجيريا كيفية صنع هذه الجسيمات النانوية من أكسيد الحديد باستخدام نوعين شائعين من النفايات الزراعية: قشور الأرز وقشور البرتقال. وبدلاً من التخلص من هذه المواد، قام الفريق بدمجها لإنشاء قالب طبيعي لبناء الجسيمات النانوية. فقد أخذوا الأجزاء الصلبة المتبقية من القشور، وخلطوها بالماء لإنشاء مستخلص، ثم أضافوا أملاح الحديد إلى هذا الخليط. عملت المواد النباتية كدعامة، حيث وجهت الحديد ليتشكل في جزيئات مغناطيسية صغيرة، مع تغليفها أيضاً بمواد كيميائية طبيعية من النباتات. وقد تم اختبار المادة الناتجة، التي أطلق عليها الباحثون اسم RHOPTN-NPs، لمعرفة ما إذا كان بإمكانها سحب دواءين محددين بفعالية، وهما: سيبروفلوكساسين (مضاد حيكوي) وإيبوبروفين (مسكن للألم)، من المياه الملوثة.

قام الفريق أولاً بفحص الطبيعة الفيزيائية لمادتهم الجديدة لفهم ما صنعوه. ووجدوا أن الجسيمات النانوية يبلغ حجمها حوالي 76 نانومتر، وهو مقياس صغير جداً لدرجة أنه يمكن احتواء الملايين منها فوق رأس دبوس. والأهم من ذلك، أن المادة كانت مسامية للغاية، مما يعني أنها تمتلك شبكة واسعة من الثقوب والأنفاق الصغيرة بداخلها. منح هذا الهيكل الجسيمات النانوية مساحة سطح هائلة، مما سمح لها بالتفاعل مع كمية كبيرة من الماء في وقت واحد. كما أكد التحليل أن الجسيمات كانت مغناطيسية، وهي ميزة حاسمة تسمح بسحبها بسهولة من الماء باستخدام مغناطيس بعد أن تؤدي مهمتها، بدلاً من الحاجة إلى ترشيحها. وكان سطح هذه الجزيئات مغطى بجزيئات عضوية من الأرز والبرتقال، مما ساعد في تثبيت الجسيمات ومن المحتمل أن وفر "الخطافات" الكيميائية اللازمة للإمساك بالأدوية.

وعندما اختبر الباحثون المادة في المختبر، اكتشفوا أنها تعمل بشكل جيد للغاية تحت ظروف محددة. فبالنسبة للمضاد الحيوي "سيبروفلوكساسين"، أزالت الجسيمات النانوية ما يقرب من 99.5 بالمائة من الدواء من الماء عند استخدام الكمية المناسبة ومنحها حوالي 40 دقيقة للعمل. وقد عملت العملية بشكل أفضل عند مستوى حموضة (pH) متعادل، وهو ما يشبه حموضة الماء النقي، وأدت أداءً أفضل حتى مع ارتفاع درجة حرارة الماء قليلاً. وفي المقابل، وصلت كفاءة إزالة الإيبوبروفين إلى حوالي 92 بالمائة تحت ظروف مماثلة، لكن هذا الدواء تصرف بشكل مختلف: حيث كانت الجسيمات النانوية أكثر فعالية في إزالته عندما يكون الماء أبرد. ويشير هذا الاختلاف إلى أن الدواءين يلتصقان بالجسيمات من خلال آليات مختلفة قليلاً، حيث تتطلب إحدى العمليات الحرارة للمضي قدماً بكفاءة، بينما تتباطأ الأخرى مع ارتفاع حرارة الماء.

كما درست الدراسة كيفية سلوك المادة بمرور الوقت وفي سيناريوهات واقعية. ووجد الباحثون أنه يمكن استخدام الجسيمات النانوية بشكل متكرر؛ فبعد غسلها وإعادة استخدامها أربع مرات، كانت المادة لا تزال تزيل حوالي 92 بالمائة من السيبروفلوكساسين الذي التقطته في البداية، مما أظهر متانة قوية. ومع ذلك، انخفضت قدرتها على التقاط الإيبوبروفين بشكل أكبر بعد الاستخدام المتكرر، مما يشير إلى أن مواقع الارتباط الخاصة بالإيبوبروفين أصعب في التنظيف وإعادة الاستخدام. ورغم ذلك، أثبتت المادة فعاليتها عند اختبارها على عينات فعلية من مياه الصرف الصحي المأخوذة من المستشفيات والمناطق السكنية في كادونا. وفي هذه الخلطات المعقدة، التي تحتوي على العديد من المواد الأخرى بجانب الأدوية المستهدفة، نجحت الجسيمات النانوية في إزالة جزء كبير من كلا الدواءين، حيث تراوحت معدلات الإزالة بين 80 و97 بالمائة اعتماداً على العينة والدواء المحدد.

تشير النتائج إلى أن تحويل النفايات الزراعية إلى منظف مياه عالي التقنية هو استراتيجية قابلة للتطبيق وواعدة. إن العملية لا تقتصر فقط على إزالة التلوث، بل تتعلق بخلق قيمة من مواد كان سيتم التخلص منها لولا ذلك. فمن خلال استخدام الكيمياء الطبيعية لقشور الأرز وقشور البرتقال، أنشأ الباحثون مادة امتزاز مغناطيسية رخيصة الصنع، وسهلة الاسترداد من الماء، وفعالة للغاية في تنظيف الملوثات الدوائية. وبينما تؤكد الدراسة أن المادة تعمل جيداً في البيئات المخبرية المنضبطة وفي مياه الصرف الصحي الحقيقية، يشير المؤلفون إلى أن هناك حاجة لمزيد من الاختبارات لفهم التفاعلات الكيميائية الدقيقة التي تحدث على سطح الجسيمات، ولمعرفة كيفية أداء هذا النظام على نطاق أوسع. ومع ذلك، يمثل هذا العمل خطوة ملموسة نحو مستقبل قد يعتمد فيه تنظيف مياهنا بقدر ما يعتمد على الحقول التي تغذينا بقدر ما يعتمد على المصانع التي تعالج نفاياتنا.