Green Rosemary Extract-Mediated Synthesis of Ag/Co/La2O3/Chitosan Nanocomposite for Multifunctional Antibacterial Activity and Simultaneous Removal of Binary Dyes from Water

تعد معالجة المياه معركة مستمرة ضد نوعين مختلفين تماماً من التلوث. فمن ناحية، هناك البقع الكيميائية الناتجة عن صناعات مثل المنسوجات، حيث تقاوم الأصباغ الملونة التحلل وتحجب ضوء الشمس عن الحياة المائية. ومن ناحية أخرى، توجد التهديدات البيولوجية غير المرئية، مثل البكتيريا التي يمكن أن تسبب الأمراض. لعقود من الزمن، حاول العلماء بناء مواد يمكنها تنقية المياه من هذه الملوثات، لكن معظم الحلول صُممت للتعامل مع مشكلة واحدة فقط في كل مرة؛ فالمادة التي قد تكون ممتازة في احتجاز جزيئات الصبغة غالباً ما تفشل في قتل البكتيريا، والمادة التي تقتل الجراثيم قد لا تكون قوية بما يكفي لتفكيك المواد الكيميائية المعقدة. ويكمن التحدي في ابتكار مادة واحدة ذكية يمكنها القيام بالوظيفتين معاً، خاصة عندما تحتوي المياه على خليط فوضوي من الملوثات المختلفة بدلاً من مادة واحدة نقية.

قام باحثون في جامعة الحدود الشمالية في المملكة العربية السعودية بتطوير مادة جديدة تحاول حل هذه المشكلة المزدوجة. فقد ابتكروا مركباً نانوياً، وهو عبارة عن هيكل هندسي دقيق يتم بناؤه عبر دمج عدة مكونات مختلفة في كيان واحد. بدأ الفريق باستخدام طريقة طبيعية "خضراء" لبناء قلب المادة؛ حيث استخدموا مستخلصاً من أوراق إكليل الجبل (الروزماري)، وهو نبات معروف باحتوائه على مركبات يمكن أن تعمل كعوامل مختزلة، وخلطوه مع الفضة والكوبالت وأكسيد اللانثانوم. عمل مستخلص إكليل الجبل كموجه لطيف، مما ساعد أيونات المعادن على التشكل إلى جسيمات نانوية صلبة دون الحاجة إلى مواد كيميائية قاسية. ثم غُطي هذا القلب بمادة "الشيتوزان"، وهي بوليمر طبيعي مستخلص من قشور القشريات، مما ساعد في تماسك الجسيمات وتحسين استقرارها في الماء. وكانت النتيجة مادة هجينة تجمع بين القدرة المضادة للبكتيريا التي توفرها الفضة، والقدرات التحفيزية للكوبالت واللانثانوم، وخصائص الامتزاز التي يوفرها الشيتوزان.

اختبر العلماء هذه المادة الجديدة في بيئة مختبرية لمعرفة مدى كفاءتها في تنظيف مياه ملوثة بنوعين شائعين من الأصباغ: ميثيلين بلو (أزرق الميثيلين) وكريستال فيوليت (البنفسج البلوري). قاموا بإعداد خليط يحتوي على كميات متساوية من كلا الصبغتين لمحاكاة الظروف المعقدة الموجودة في مياه الصرف الحقيقية. وعندما أضافوا المركب النانوي إلى الماء وعرضوه للأشعة فوق البنفسجية، بدأت المادة في العمل على جبهتين: أولاً، جذبت سطح المادة جزيئات الصبغة وأمسكت بها، ثم تحت تأثير الضوء، ولدت المادة أنواع الأكسجين التفاعلية، وهي جزيئات عالية الطاقة تعمل مثل "مقصات صغيرة" تقطع جزيئات الصبغة وتفككها إلى نواتج ثانوية غير ضارة. كانت العملية فعالة بشكل ملحوظ؛ فبعد ثلاث ساعات من المعالجة، أزالت المادة 97.5 بالمائة من ميثيلين بلو و94.0 بالمائة من كريستال فيوليت من الماء. وقد تحقق هذا المستوى العالي من النجاح رغم أن الصبغتين كانتا تتنافسان على المساحة المتوفرة على سطح المادة، وهو وضع غالباً ما يؤدي إلى إبطاء عمليات التنظيف.

وبعيداً عن قدرتها على تنظيف المواد الكيميائية، أثبتت المادة أيضاً أنها سلاح فعال ضد البكتيريا. اختبر الباحثون هذه المادة ضد سلالات بكتيرية مختلفة، بما في ذلك السلالات المعروفة بصعوبة علاجها. أحدث المركب النانوي "مناطق تثبيط"، وهي مناطق لا تستطيع البكتيريا النمو فيها، حول المادة. وقد كانت المادة فعالة بشكل خاص ضد بكتيريا Staphylococcus epidermidis (المكورات العنقودية البشرية)، وهي بكتيريا جلدية شائعة، حيث خلقت منطقة تثبيط واضحة بلغت 22 ملم. كان هذا الأداء أقوى من المضاد الحيوي القياسي المستخدم كعينة ضابطة في التجربة. ويبدو أن الآلية وراء هذا العمل المضاد للبكتيريا هي مزيج من العوامل: حيث تعمل أيونات الفضة المنبعثة من المادة على تعطيل الجدران الخلوية للبكتيريا، بينما تهاجم أنواع الأكسجين التفاعلية التي تولدها المادة الآلات الداخلية للبكتيريا. ومن المرجح أن غطاء الشيتوزان، الذي يحمل شحنة كهربائية موجبة، يساعد المادة على الالتصاق بالأسطح سالبة الشحنة للخلايا البكتيرية، مما يجعل الهجوم أكثر كفاءة.

ومن الجوانب الأكثر عملية لهذا الاكتشاف هو متانة المادة. ففي التطبيقات الواقعية، يحتاج عامل التنظيف إلى أن يكون قابلاً لإعادة الاستخدام حتى لا يصبح هو نفسه مشكلة نفايات. قام الباحثون بإعادة تدوير المركب النانوي سبع مرات، باستخدامها لتنظيف دفعات جديدة من المياه الملوثة في كل مرة. وبعد هذه الدورات السبع، ظلت المادة تحتفظ بـ 93.85 بالمائة من قدرتها على إزالة ميثيلين بلو و88.09 بالمائة من قدرتها على إزالة كريستال فيوليت. يشير هذا إلى أن المادة مستقرة ولا تتفكك بسهولة أثناء الاستخدام. علاوة على ذلك، تحقق الفريق مما إذا كانت مكونات الفضة والكوبالت تتسرب إلى الماء، وهو أمر قد يكون خطيراً، فوجدوا أن تسرب هذه المعادن كان منخفضاً جداً، مما يشير إلى أن غطاء الشيتوزان نجح في تثبيت الجسيمات المعدنية في مكانها، ومنعها من التسرب إلى البيئة.

كما درست الدراسة كيفية سلوك المادة تحت ظروف مختلفة، مثل التغيرات في درجة الحرارة أو حموضة الماء. كانت العملية تعمل بشكل أفضل في المياه القلوية قليلاً، وتحديداً عند درجة حموضة (pH) تبلغ 9.0، كما عملت بشكل جيد في درجة حرارة الغرفة العادية، مما يعني أنها لا تتطلب تسخيناً مكلفاً لتعمل. لاحظ الباحثون أن المادة تعمل من خلال مزيج من الامتزاز، حيث تمسك بالملوثات فيزيائياً، والتحفيز الضوئي، حيث تدفع طاقة الضوء التفكك الكيميائي. سمح هذا العمل المزدوج للمادة بالتعامل بفعالية مع التنافس بين الصبغتين المختلفتين. وبينما أظهرت المادة وعداً كبيراً في المختبر، يشير المؤلف إلى أن العمل المستقبلي سيتطلب اختبارها على عينات فعلية من مياه الصرف من المصادر الصناعية، والتحقق من المصير طويل الأمد لنواتج التحلل. ومع ذلك، يظل هذا المركب النانوي المدعوم بإكليل الجبل والمغلف بالشيتوزان نموذجاً مقنعاً لكيفية دمج المكونات الطبيعية مع تقنية النانو المتقدمة لإنشاء أداة واحدة قادرة على مواجهة تحديات تلوث المياه المتعددة في آن واحد.