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Synergistic Sonocatalytic Degradation of Sulfasalazine Using Green-Synthesized Nanoscale Zero-Valent Iron: Optimization, Kinetics, and Toxicity Assessment

Este estudio demuestra que el hierro nano-valente de valencia cero (nZVI) sintetizado de forma verde derivado de extracto de hojas de roble, cuando se combina con ultrasonido y peróxido de hidrógeno en un sistema sono-Fenton, degrada eficazmente la sulfasalazina y las aguas residuales farmacéuticas con alta eficiencia, cinética rápida, mineralización sustancial y una toxicidad significativamente reducida.

Autores originales: Salman Rahmani, Masoud Yousefi, Ebrahim Rahimi, Hamideh Akbari, Kourosh Rahmani

Publicado 2026-09-07

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CC BY 4.0

Autores originales: Salman Rahmani, Masoud Yousefi, Ebrahim Rahimi, Hamideh Akbari, Kourosh Rahmani

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El agua que fluye de nuestros grifos y ríos transporta cada vez más una carga oculta: rastros de medicamentos que las personas han tomado y luego han desechado por el desagüe. Uno de estos medicamentos es la sulfasalazina, un fármaco utilizado para tratar afecciones inflamatorias graves como la artritis y las enfermedades intestinales. Aunque ayuda a los pacientes, el fármaco es obstinado. No se descompone fácilmente en la naturaleza y las plantas de tratamiento de agua estándar suelen fallar al intentar eliminarlo. Cuando este químico permanece en el medio ambiente, puede dañar la vida acuática y contribuir al aumento de bacterias que resisten los antibióticos. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de destruir estos contaminantes persistentes sin crear nuevos desechos, recurriendo en su lugar a métodos que utilizan poderosas reacciones químicas para descomponer las moléculas.

Un equipo de investigadores ha desarrollado ahora un método que combina tres elementos distintos para abordar este problema: un catalizador hecho de hierro, peróxido de hidrógeno y ondas sonoras. El catalizador es un tipo especial de partícula de hierro, tan pequeña que miles podrían caber en la cabeza de un alfiler. Lo que hace que este enfoque sea único es cómo se fabricó el hierro. En lugar de utilizar productos químicos industriales agresivos, los investigadores utilizaron un extracto simple de hojas de roble. Estas hojas contienen compuestos naturales que actúan como una mano suave, guiando a los átomos de hierro para que se agrupen en diminutas esferas reactivas. Esta síntesis "verde" evita subproductos tóxicos y deja las partículas de hierro recubiertas con una capa protectora de materia vegetal, lo que ayuda a mantenerlas estables y activas.

Para probar este sistema, los investigadores colocaron una muestra de agua contaminada con sulfasalazina en un reactor de vidrio. Añadieron las partículas de hierro de hoja de roble y una dosis de peróxido de hidrógeno, un oxidante común. Luego, introdujeron ultrasonido, que son ondas sonoras de alta frecuencia que crean millones de burbujas diminutas y colapsantes en el líquido. A medida que estas burbujas estallan, generan un calor y una presión intensos y localizados. Esta fuerza física ayuda a romper el peróxido de hidrógeno en fragmentos altamente reactivos que atacan las moléculas del fármaco. Las partículas de hierro actúan como una chispa, acelerando la creación de estos fragmentos reactivos, mientras que las ondas sonoras aseguran que el hierro permanezca disperso y no se agrupe inútilmente.

Los resultados fueron sorprendentes. Bajo las mejores condiciones, el sistema eliminó casi el 96 por ciento de la sulfasalazina del agua en solo noventa minutos. El proceso fue tan eficiente que las moléculas del fármaco no solo se rompieron, sino que se convirtieron en gran medida en dióxido de carbono e agua inofensivos, un proceso conocido como mineralización. Los investigadores descubrieron que los tres componentes funcionaban mejor juntos; usar solo el sonido, solo el hierro o solo el peróxido producía muy poco resultado por sí solo. Fue la combinación de los tres lo que creó una poderosa sinergia, donde el todo fue mucho mayor que la suma de sus partes.

El equipo también probó este método con aguas residuales reales de una fábrica farmacéutica, que contenían una mezcla compleja de sales y otros productos químicos que a menudo interfieren con los procesos de limpieza. Incluso en este entorno difícil, el sistema eliminó alrededor del 78 por ciento del fármaco y redujo significamente la toxicidad del agua. Antes del tratamiento, el agua era tan tóxica que detenía el crecimiento de bacterias comunes en casi un 90 por ciento. Después del tratamiento, esta inhibición cayó a solo un 10 a 20 por ciento, lo que indica que el químico peligroso se había transformado en algo mucho más seguro para el medio ambiente.

Este estudio demuestra que un catalizador hecho de una hoja de árbol común, cuando se combina con sonido y un oxidante simple, puede limpiar eficazmente el agua de contaminantes farmacéuticos persistentes. El método ofrece un camino a seguir para tratar las aguas residuales que sea tanto efectivo como respetuoso con el medio ambiente, basándose en materiales naturales para resolver un problema industrial moderno. Los investigadores confirmaron que las partículas de hierro permanecieron estables durante el proceso y que el sistema podía manejar la química compleja de las aguas residuales del mundo real, lo que sugiere que podría ser una herramienta práctica para proteger los suministros de agua de la creciente amenaza de la contaminación por fármacos.

Resumen Técnico: Degradación Sonocatalítica Sinérgica de la Sulfasalazina mediante Hierro Nanoescala de Valencia Cero de Síntesis Verde

Planteamiento del Problema
La sulfasalazina (SSZ), un antibiótico de la clase de las sulfonamidas ampliamente utilizado para la enfermedad inflamatoria intestinal y la artritis reumatoide, persiste en entornos acuáticos debido a su compleja estructura aromática y su resistencia a los tratamientos convencionales de aguas residuales. Su liberación continua desde efluentes municipales y hospitalarios contribuye a la resistencia antibiótica y plantea riesgos toxicológicos crónicos. Los métodos convencionales, como la degradación biológica, la adsorción y la filtración por membrana, suelen ser ineficaces contra tales compuestos refractarios o generan residuos secundarios. Si bien los Procesos de Oxidación Avanzada (POA) ofrecen una solución, el proceso Fenton homogéneo tradicional está limitado por un rango de pH estrecho, una generación excesiva de lodos y problemas de recuperación del catalizador. Además, la síntesis de hierro nanoescala de valencia cero (nZVI), un prometedor catalizador heterogéneo, depende típicamente de agentes reductores químicos peligrosos, lo que socava la sostenibilidad ambiental del proceso de tratamiento.

Metodología
Este estudio desarrolló y evaluó un sistema sono-Fenton (US/nZVI/H₂O₂) utilizando nZVI sintetizado mediante un método verde empleando extracto de hoja de Quercus brantii (roble).

Síntesis del Catalizador: El nZVI se preparó reduciendo sulfato ferroso con un extracto acuoso de hoja de roble, el cual proporcionó compuestos polifenólicos para actuar tanto como agentes reductores como de recubrimiento.
Caracterización: El catalizador sintetizado fue analizado mediante FESEM, TEM, XRD, potencial zeta y EDS para confirmar la morfología, la estructura cristalina y la composición elemental.
Configuración Experimental: Los experimentos de degradación se llevaron a cabo en un reactor por lotes equipado con una sonda ultrasónica (20 kHz). El sistema se optimizó variando el pH, la dosis de nZVI, la concentración de H₂O₂, la potencia de ultrasonido y la concentración inicial de SSZ.
Análisis: La degradación de la SSZ se monitoreó mediante HPLC, mientras que la mineralización se evaluó a través de mediciones de Carbono Orgánico Total (T $\text{TOC}$ ) y Demanda Química de Oxígeno (DQO).
Sinergia y Cinética: El estudio comparó siete configuraciones de sistemas diferentes (componentes individuales y combinados) para cuantificar los efectos sinérgicos. Los datos cinéticos se ajustaron a modelos de pseudo-primer orden y pseudo-segundo orden.
Aplicación en el Mundo Real y Toxicidad: El proceso optimizado se aplicó a aguas residuales farmacéuticas reales. Además, se evaluó la toxicidad residual mediante un ensayo de inhibición del crecimiento bacteriano contra seis cepas estándar (cuatro Gram-negativas y dos Gram-positivas).

Contribuciones Clave

Síntesis Verde: El artículo demuestra la fabricación exitosa de nanopartículas de nZVI estables de tipo núcleo-capa (tamaño promedio ≈ 32 nm) utilizando extracto de hoja de roble, evitando el uso de agentes reductores peligrosos.
Integración de Procesos: Establece un sistema ternario sinérgico (Ultrasonido + nZVI + H₂O₂) que supera las limitaciones de los procesos individuales, como la aglomeración de nanopartículas y la pasivación superficial, mediante la cavitación acústica.
Evaluación Integral: El estudio proporciona una evaluación holística que incluye la cinética de degradación, la eficiencia de mineralización, los efectos de la matriz en aguas residuales reales y una evaluación ecotoxicológica detallada del efluente tratado.

Resultados

Propiedades del Catalizador: La caracterización confirmó nanopartículas esféricas con un núcleo metálico de Fe⁰ y una capa de óxido de hierro, estabilizadas por polifenoles unidos a la superficie. El punto de carga cero (pHₚzc) se determinó en 6.8.
Optimización: Bajo condiciones óptimas (pH 3.0, nZVI 1.5 g L⁻¹, H₂O₂ 1.5 mM, Ultrasonido 150 W, 90 min), el sistema logró una degradación de SSZ del 95.8%.
Cinética y Sinergia: La degradación siguió una cinética de pseudo-primer orden con una constante de velocidad ( $k_1$ ) de 0.0268 min⁻¹ y una vida media ( $t_{1/2}$ ) de 25.9 min. Un ratio de sinergia (SR) mayor a 1 confirmó un efecto sinérgico significativo entre los tres componentes, donde el ultrasonido mejoró la generación de radicales y la dispersión del catalizador, mientras que el nZVI proporcionó una liberación sostenida de Fe²⁺.
Mineralización: La eliminación de TOC alcanzó el 86.7% tras 120 minutos, indicando una conversión sustancial de contaminantes orgánicos a CO₂ y agua.
Desempeño en Aguas Residuales Reales: En aguas residuales farmacéuticas reales, el sistema logró un 78.4% de eliminación de SSZ, una reducción de DQO del 55.6%, una eliminación de TOC del 52.3% y una eliminación de color del 72.8%. Se observaron efectos de matriz, donde los iones de carbonato y el ácido húmico mostraron los efectos inhibitorios más fuertes sobre la eficiencia de degradación.
Reducción de Toxicidad: La inhibición del crecimiento bacteriano disminuyó drásticamente del 89–98% en muestras no tratadas al 10–21% en muestras tratadas en todas las cepas probadas, confirmando una desintoxicación efectiva.

Significancia
El artículo afirma que el sistema sono-Fenton basado en nZVI de síntesis verde representa una tecnología eficaz y respetuosa con el medio ambiente para el tratamiento de aguas contaminadas con SSZ. Al combinar altas eficiencias de degradación y mineralización con una reducción significativa de la toxicidad residual, el estudio demuestra la viabilidad práctica del uso de catalizadores derivados de biomasa en procesos de oxidación avanzada. Los hallazgos sugieren que este enfoque aborda el doble desafío de eliminar contaminantes farmacéuticos persistentes y mitigar su impacto ecológico, ofreciendo una alternativa sostenible a los métodos de tratamiento convencionales.

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