Carbon Nanodots Modulate Ciprofloxacin Adsorption onto Polylactic Acid Microplastics in Aquatic Environments: Behavior and Mechanistic Insights

في عالم العلوم البيئية، تُخاض معركة هادئة حول مصير جزيئات بلاستيكية صغيرة والمواد الكيميائية التي تحملها. الميكروبلاستيك (اللدائن الدقيقة) هي قطع صغيرة من البلاستيك، أصغر عادةً من ظفر الإصبع، تكسرت عن قطع أكبر وتنتشر الآن في محيطاتنا وأنهارنا وتربتنا. ولأنها صغيرة للغاية ومتينة، فهي لا تختفي ببساطة؛ بل تعمل بدلاً من ذلك مثل الإسفنج، حيث تمتص الملوثات الأخرى الطافية في الماء. أحد هذه الملوثات هو السيبروفلوكساسين، وهو مضاد حيوي شائع يُستخدم لعلاج العدوى البكتيرية لدى البشر والحيوانات. فعندما لا يمتص الجسم هذا الدواء بشكل كامل، يتم إفرازه ويدخل إلى المجاري المائية، حيث يمكن أن يتراكم في البيئة وفي نهاية المطاف يصل إلى السلسلة الغذائية. ويشعر العلماء بقلق متزايد بشأن كيفية تفاعل أنواع مختلفة من البلاستيك مع هذه الأدوة، وخاصة البلاستيك القابل للتحلل الحيوي مثل حمض البوليلكتيك، والذي يُسوق غالباً كبدائل صديقة للبيئة للبلاستيك التقليدي المشتق من البترول. إن فهم ما إذا كانت هذه البلاستيكات "الخضراء" تسلك سلوكاً مختلفاً عن البلاستيك التقليدي عند مواجهتها للأدوية الموجودة في الماء أمر ضروري للتنبؤ بالأثر البيئي الحقيقي لنفاياتنا.

وضع باحثون في جامعة جيلين للتكنولوجيا الكيميائية هدفاً لاستقصاء سؤال محدد: هل يغير طلاء جزيئات البلاستيك القابلة للتحلل الحيوي بنقاط الكربون النانوية طريقة إمساكها بجزيئات المضادات الحيوية؟ نقاط الكربون النانوية هي جزيئات كربونية متناهية الصغر ومتوهجة، يبلغ قطرها عادةً بضعة نانومترات فقط، ويمكن إنتاجها من مواد نباتية طبيعية. في هذه الدراسة، استخدم الفريق أوراق الصفصاف كنقطة انطلاق. فقد أخذوا أوراق الصفصاف المجففة، وطحنوها إلى مسحوق ناعم، ثم أخضعوها لحرارة وضغط عاليين في حاوية مغلقة، وهي عملية تُعرف باسم المعالجة الحرارية المائية. قامت هذه الطريقة بتفكيك المادة النباتية وإعادة تجميعها في نقاط كربونية كروية موحدة يبلغ متوسط حجمها حوالي 6 وحدات ذرية (AU). وكانت هذه النقاط غنية بالمجموعات الكيميائية القائمة على الأكسجين على سطحها، مما جعلها شديدة التفاعل مع الماء والجزيئات الأخرى. ثم أخذ الباحثون هذه النقاط وسمحوا لها بالاستقرار على سطح جزيئات حمض البوليلكتيك، مما خلق مادة مركبة جديدة حيث تم "تغبير" البلاستيك بنقاط الكربون.

ولرؤية كيف ستتصرف هذه المادة الجديدة، وضع الفريق عينات من البلاستيك العادي والبلاستيك المغطى بنقاط الكربون في حاويات مليئة بالماء الذي يحتوي على السيبروفلوكساسين. وراقبوا عن كثب لعدة أيام لمعرفة مقدار المضاد الحيوي الذي سيلتصق بأسطح البلاستيك. أظهرت النتائج اختلافاً واضحاً في السلوك؛ فبينما امتص البلاستيك العادي بعض المضاد الحيوي، فإن النسخة المغطاة بنقاط الكربون احتفظت بكمية أكبر بكثير. لقد عملت نقاط الكربون مثل "خطافات" إضافية، حيث وفرت أماكن أكثر بكรรม للارتباط بجزيئات المضاد الحيوي. ووجد الباحثون أن عملية التصاق المضاد الحيوي بالبلاستيك لم تكن عشوائية، بل اتبعت نمطاً يمكن التنبؤ به حيث اعتمد معدل الامتصاص على عدد المواقع المتاحة على السطح. وهذا يشير إلى أن التفاعل كان عبارة عن رابطة كيميائية قوية وليس مجرد تلاصق فيزيائي ضعيف ومؤقت.

وكشف المزيد من التحليل أن نقاط الكربون لم تغير البنية الكيميائية الأساسية للبلاستيك نفسه، لكنها قامت بتنعيم السطح وملء الفجوات الصغيرة والنتوءات الخشنة التي توجد طبيعياً في جزيئات البلاستيك. وعندما ارتبطت جزيئات المضاد الحيوي بالسطح، شكلت روابط هيدروجينية، وهي جاذبات قوية بين الجزيئات، لا سيما بين المجموعات الغنية بالأكسجين في نقاط الكربون والمضاد الحيوي. كانت هذه "المصافحة الكيميائية" أقوى وأكثر عدداً على البلاستيك المغطى بنقاط الكربون مقارنة بالبلاستيك العادي. وأشارت البيانات إلى أن البلاستيك المغطى بنقاط الكربون يمكنه الاحتفاظ بكمية أكبر بكثير من المضاد الحيوي مقارنة بالنسخة غير المعدلة، مما يشير إلى أن وجود هذه الجزيئات الكربونية الصغيرة يزيد بشكل كبير من قدرة البلفستيك على العمل كحامل للملوثات.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يُنظر إلى البلاستيك القابل للتحلل الحيوي غالباً كحل للتلوث، فإن تفاعله مع المواد الكيميائية الأخرى في البيئة يمكن أن يكون معقداً ومتزايداً بوجود مواد نانوية أخرى. لقد نجحت نقاط الكربون، المستخرجة من مصدر نباتي شائع، في تعديل البلاستيك ليصبح "إسفنجة" أكثر فعالية للمضادات الحيوية. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على أن السلوك البيئي للبلاستيك ليس ثابتاً، بل يمكن تغييره بوجود جزيئات أخرى في الماء. توفر هذه الأبحاث صورة أوضح لكيفية تفاعل هذه المواد، حيث تظهر أن الجمع بين البلاستيك القابل للتحلل الحيوي والمواد النانوية القائمة على الكربون يخلق سطحاً متعطشاً كيميائياً للارتباط بالملوثات الدوائية، وهو عامل يجب مراعاته عند تقييم مخاطر التلوث البلاستيكي في النظم البيئية المائية.