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

L'acqua è il sangue vitale del nostro pianeta, ma trasporta sempre più spesso un carico invisibile: tracce di medicinali che abbiamo assunto. Quando le persone assumono antibiotici o antidolorifici, il corpo non assorbe ogni singola molecola. Ciò che resta fluisce dalle case e dagli ospedali, raggiungendo infine fiumi e laghi. Questi residui farmaceutici sono pericolosi perché persistono nell'ambiente e possono incoraggiare i batteri a diventare resistenti ai trattamenti, ponendo una minaccia a lungo termine per la salute pubblica. Gli impianti di trattamento delle acque tradizionali sono stati costruiti per rimuovere grandi particelle e batteri, non queste minuscole tracce chimiche disciolte. Per risolvere questo problema, gli scienziati si stanno rivolgendo a un approccio diverso: l'uso di minuscole particelle di ossido di ferro, che agiscono come spugne microscopiche capaci di catturare questi medicinali dall'acqua. Tuttavia, la produzione di queste particelle richiede solitamente sostanze chimiche aggressive ed elevata energia. Una via più sostenibile è quella di coltivarle utilizzando le piante, un metodo noto come sintesi verde, che trasforma i rifiuti in uno strumento utile.

In uno studio recente, ricercatori in Nigeria hanno esplorato come realizzare queste nanoparticelle di ossido di ferro utilizzando due tipi comuni di scarti agricoli: la crusca di riso e le bucce d'arancia. Invece di scartare questi materiali, il team li ha combinati per creare un modello naturale per la costruzione delle nanoparticelle. Hanno preso i frammenti solidi residui delle bucce di riso e d'arancia, li hanno mescolati con acqua per creare un estratto e hanno poi aggiunto sali di ferro a questa miscela. I materiali vegetali hanno agito come uno scaffold, guidando il ferro a formarsi in minuscole particelle magnetiche, rivestendole al contempo con sostanze chimiche naturali provenienti dalle piante. Il materiale risultante, che i ricercatori hanno chiamato RHOPTNPs, è stato poi testato per verificare se potesse estrarre efficacementmente due farmaci specifici — la ciprofloxacina, un antibiotico, e l'ibuprofene, un antidolorifico — dall'acqua contaminata.

Il team ha prima esaminato la natura fisica del loro nuovo materiale per comprendere ciò che avevano creato. Hanno scoperto che le nanoparticelle avevano una dimensione di circa 76 nanometri, una scala così piccola che milioni di esse potrebbero stare sulla testa di uno spillo. Più importante ancora, il materiale era incredibilmente poroso, ovvero possedeva una vasta rete di minuscoli fori e tunnel all'interno. Questa struttura ha conferito alle nanoparticelle una superficie enorme, permettendo loro di interagire con una grande quantità di acqua contemporaneamente. L'analisi ha anche confermato che le particelle erano magnetiche, una caratteristica cruciale che permette di estrarle facilmente dall'acqua con un magnete dopo che hanno svolto il loro compito, invece di doverle filtrare. La superficie di queste particelle era coperta da molecole organiche derivanti dal riso e dall'arancia, che hanno aiutato a stabilizzare le particelle e probabilmente hanno fornito i "ganci" chimici necessari per catturare i medicinali.

Quando i ricercatori hanno testato il materiale in laboratorio, hanno scoperto che funzionava eccezionalmente bene in condizioni specifiche. Per l'antibiotico ciprofloxacina, le nanoparticelle hanno rimosso quasi il 99,5% del farmaco dall'acqua quando utilizzate nella giusta quantità e lasciate agire per circa 40 minuti. Il processo funzionava meglio a un livello di pH neutro, simile all'acidità dell'acqua pura, e performava ancora meglio all'aumentare leggermente della temperatura dell'acqua. Al contrario, la rimozione dell'ibuprofene ha raggiunto un'efficienza di circa il 92% in condizioni simili, ma questo farmaco si comportava diversamente: le nanoparticelle erano più efficaci nel rimuoverlo quando l'acqua era più fredda. Questa differenza suggerisce che i due medicinali aderiscono alle particelle attraverso meccanismi leggermente diversi, con un processo che richiede calore per procedere efficientemente e l'altro che rallenta man mano che l'acqua si scalda.

Lo studio ha anche esaminato come il materiale si comportasse nel tempo e in scenari reali. I ricercatori hanno scoperto che le nanoparticelle potevano essere utilizzate ripetutamente. Dopo essere state lavate e riutilizzate quattro volte, il materiale rimuoveva ancora circa il 92% della ciprofloxacina che aveva catturato inizialmente, mostrando una forte durabilità. Tuttavia, la sua capacità di catturare l'ibuprofene è diminuita in modo più significativo dopo l'uso ripetuto, suggerendo che i siti di legame per l'ibuprofene siano più difficili da pulire e riutilizzare. Nonostante ciò, il materiale si è dimostrato efficace quando testato su campioni di acque reflue reali prelevati da ospedali e zone residenziali a Kaduna. In queste miscele complesse, che contengono molte altre sostanze oltre ai farmaci bersaglio, le nanoparticelle sono comunque riuscite a rimuovere una parte significativa di entrambi i farmaci, con tassi di rimozione compresi tra l'80 e il 97 percento a seconda del campione e del medicinale specifico.

I risultati indicano che trasformare gli scarti agricoli in un depuratore d'acqua ad alta tecnologia è una strategia valida e promettente. Il processo non riguarda solo la rimozione dell'inquinamento; si tratta di creare valore da materiali che altrimenti verrebbero gettati via. Utilizzando la chimica naturale della crusca di riso e delle bucce d'arancia, i ricercatori hanno creato un adsorbente magnetico che è economico da produrre, facile da recuperare dall'acqua e altamente efficace nel depurare i contaminanti farmaceutici. Sebbene lo studio confermi che il materiale funzioni bene in ambienti controllati e anche nelle reali acque reflue, gli autori sottolineano che sono necessari ulteriori test per comprendere appieno le esatte interazioni chimiche che avvengono sulla superficie delle particelle e per vedere come il sistema si comporti su una scala più ampia. Ciononostante, questo lavoro offre un passo concreto verso un futuro in cui la pulizia delle nostre acque potrebbe dipendere tanto dai campi che ci nutrono quanto dalle fabbriche che trattano i nostri rifiuti.