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

Wasser ist das Lebenselixier unseres Planeten, aber es trägt zunehmend eine verborgene Last: Spuren der Medikamente, die wir eingenommen haben. Wenn Menschen Antibiotika oder Schmerzmittel einnehmen, absorbiert der Körper nicht jedes einzelne Molekül. Was übrig bleibt, fließt aus Haushalten und Krankenhäusern ab und erreicht schließlich Flüsse und Seen. Diese Arzneimittelrückstände sind gefährlich, da sie in der Umwelt bestehen bleiben und Bakterien dazu ermutigen können, resistent gegen Behandlungen zu werden, was eine langfristige Bedrohung für die öffentliche Gesundheit darstellt. Traditionelle Wasseraufbereitungsanlagen wurden gebaut, um große Partikel und Bakterien zu entfernen, nicht diese winzigen, gelösten chemischen Spuren. Um dies zu lösen, wenden Wissenschaftler einen anderen Ansatz an: die Verwendung winziger Eisenoxidpartikel, die wie mikroskopische Schwämme wirken, die diese Medikamente aus dem Wasser herausziehen können. Die Herstellung dieser Partikel erfordert jedoch normalerweise aggressive Chemikalien und hohe Energie. Ein nachhaltigerer Weg ist es, sie mithilfe von Pflanzen wachsen zu lassen – eine Methode, die als Grüne Synthese bekannt ist und Abfall in ein nützliches Werkzeug verwandelt.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher in Nigeria, wie man diese Eisenoxid-Nanopartikel unter Verwendung zweier häufig vorkommender Arten von landwirtschaftlichen Abfällen herstellen kann: Reishülsen und Orangenschalen. Anstatt diese Materialien wegzuwerfen, kombinierte das Team sie, um eine natürliche Vorlage für den Aufbau der Nanopartikel zu schaffen. Sie nahmen die verbleibenden festen Bestandteile der Hülsen und Schalen, mischten sie mit Wasser, um ein Extrakt zu erstellen, und fügten dann Eisensalze dieser Mischung hinzu. Die Pflanzenmaterialien dienten als Gerüst, das das Eisen dazu leitete, sich zu winzigen, magnetischen Partikeln zu formen, während sie gleichzeitig mit natürlichen Chemikalien aus den Pflanzen beschichtet wurden. Das resultierende Material, das die Forscher RHOPTNPs nannten, wurde dann getestet, um zu sehen, ob es in der Lage ist, zwei spezifische Medikamente – Ciprofloxacin, ein Antibiotikum, und Ibuprofen, ein Schmerzmittel – effektiv aus kontaminiertem Wasser zu ziehen.

Das Team untersuchte zunächst die physikalische Natur ihres neuen Materials, um zu verstehen, was sie geschaffen hatten. Sie fanden heraus, dass die Nanopartikel eine Größe von etwa 76 Nanometern hatten – ein Maßstab, der so klein ist, dass Millionen davon auf die Spitze einer Nadel passen könnten. Noch wichtiger war, dass das Material unglaublich porös war, was bedeutet, dass es ein riesiges Netzwerk aus winzigen Löchern und Tunneln im Inneren besitzt. Diese Struktur verlieh den Nanopartikeln eine massive Oberfläche, die es ihnen ermöglicht, gleichzeitig mit einer großen Menge Wasser zu interagieren. Die Analyse bestätigte auch, dass die Partikel magnetisch waren, ein entscheidendes Merkmal, das es ermöglicht, sie nach getaner Arbeit leicht mit einem Magneten aus dem Wasser zu ziehen, anstatt sie herausfiltern zu müssen. Die Oberfläche dieser Partikel war mit organischen Molekülen aus Reis und Orange bedeckt, die halfen, die Partikel zu stabilisieren und wahrscheinlich die chemischen „Haken“ lieferten, die zum Auffangen der Medikamente benötigt werden.

Als die Forscher das Material im Labor testeten, entdeckten sie, dass es unter spezifischen Bedingungen außergewöhnlich gut funktionierte. Für das Antibiotikum Ciprofloxacin entfernten die Nanopartikel fast 99,5 Prozent des Wirkstoffs aus dem Wasser, wenn sie in der richtigen Menge verwendet wurden und etwa 40 Minuten Zeit erhielten. Der Prozess funktionierte am besten bei einem neutralen pH-Wert, der der Säure von reinem Wasser ähnelt, und arbeitete noch besser, wenn die Temperatur des Wassers leicht anstieg. Im Gegensatz dazu erreichte die Entfernung von Ibuprofen unter ähnlichen Bedingungen eine Effizienz von etwa 92 Prozent, aber dieses Medikament verhielt sich anders: Die Nanopartikel waren am effektivsten bei der Entfernung von Ibuprofen, wenn das Wasser kühler war. Dieser Unterschied deutet darauf an, dass die beiden Medikamente durch leicht unterschiedliche Mechanismen an die Partikel binden, wobei ein Prozess Wärme erfordert, um effizient zu verlaufen, während der andere langsamer wird, wenn das Wasser wärmer wird.

Die Studie untersuchte auch, wie sich das Material im Laufe der Zeit und in realen Szenarien verhält. Die Forscher fanden heraus, dass die Nanopartikel wiederholt verwendet werden konnten. Nachdem das Material gewaschen und viermal wiederverwendet worden war, entfernte es immer noch etwa 92 Prozent des ursprünglich von ihm aufgefangenen Ciprofloxacins, was eine starke Beständigkeit zeigt. Die Fähigkeit, Ibuprofen aufzufangen, sank jedoch nach wiederholter Anwendung deutlicher, was darauf hindeutet, dass die Bindungsstellen für Ibuprofen schwieriger zu reinigen und wiederzuverwenden sind. Dennoch erwies sich das Material bei Tests mit tatsächlichen Abwasserproben aus Krankenhäusern und Wohngebieten in Kaduna als wirksam. In diesen komplexen Mischungen, die neben den Zielmedikamenten viele andere Substanzen enthalten, gelang es den Nanopartikeln dennoch, einen signifikanten Teil beider Medikamente zu entfernen, wobei die Entfernungsraten je nach Probe und spezifischem Medikament zwischen 80 und 97 Prozent lagen.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Umwandlung von landwirtschaftlichen Abfällen in einen hochtechnologischen Wasserreiniger eine praktikable und vielversprechende Strategie ist. Bei dem Prozess geht es nicht nur darum, Verschmutzung zu entfernen; es geht darum, Wert aus Materialien zu schaffen, die ansonsten weggeworfen würden. Durch die Nutzung der natürlichen Chemie von Reishülsen und Orangenschalen schufen die Forscher ein magnetisches Adsorptionsmittel, das kostengünstig herzustellen, leicht aus dem Wasser zu bergen und hocheffektiv bei der Reinigung von pharmazeutischen Verunreinigungen ist. Während die Studie bestätigt, dass das Material in kontrollierten Umgebungen und auch in echtem Abwasser gut funktioniert, merken die Autoren an, dass weitere Tests erforderlich sind, um die genauen chemischen Wechselwirkungen auf der Oberfläche der Partikel vollständig zu verstehen und um zu sehen, wie das System in einem größeren Maßstab funktioniert. Dennoch stellt diese Arbeit einen konkreten Schritt in Richtung einer Zukunft dar, in der die Reinigung unseres Wassers ebenso sehr auf den Feldern, die uns ernähren, basieren könnte wie auf den Fabriken, die unsere Abfälle behandeln.