Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева совместно с коллегами из Индии и других стран создали абсорбент на основе глинистого минерала монтмориллонита для очищения сточных вод от антибиотиков. Он позволяет не просто извлечь лекарства из воды, но и полностью расщепить их до углекислого газа и воды, благодаря чему абсорбент можно использовать повторно.

Результаты работы опубликованы в Journal of Molecular Liquids.

В сточных водах содержится достаточно много антибиотиков, попадающих туда вместе с выделениями людей, принимавших лекарства, или отходами разных производств. Канализационные очистные сооружения не удаляют антибиотики полностью из стоков, и в результате эти соединения попадают в природные водоемы, создавая угрозу для флоры и фауны.

Кроме того, это способствует развитию резистентности к антибиотикам у живущих в водоемах бактерий, что уже чрезвычайно опасно для человека: если такие микроорганизмы патогенны, то вызываемые ими болезни может быть очень сложно лечить с помощью антибиотиков. Поэтому природоохранные ведомства всех стран, как правило, предписывают очищать сбросы воды от таких лекарств, а ученые ищут лучшие способы решения этой задачи.

Исследователи из РХТУ совместно с коллегами из Джамия Миллия Исламия (Центральный университет Нью-Дели, Индия), а также учеными Германии, ЮАР и Саудовской Аравии предложили новый вариант в своей недавней работе. Они сосредоточились на поиске недорогого и эффективного абсорбента для извлечения антибиотиков из сточных вод, который был бы дешевле и экологичнее синтетических аналогов, а с другой стороны, удобнее в использовании самого распространенного на сегодня натурального абсорбента – активированного угля.

Последний, конечно, дешев, но имеет существенный недостаток: из него слишком сложно извлекать сорбированные антибиотики, так что его можно использовать только однократно. При этом после отработки уголь обычно сжигают, из-за чего в атмосферу попадают токсичные вещества, абсорбированные на его поверхности.

В качестве основы для нового абсорбента ученые взяли распространенный в природе минерал – монтмориллонитовую глину. Ее молекулярная структура такова, что она расслаивается в присутствии жидкости, в частности воды, и в зазоры между слоями очень удобно заходить различным молекулам. Это, с одной стороны, объясняет высокую абсорбирующую способность глины, а с другой, дает большие возможности для ее модификации с помощью разных реагентов.

Рецепт многоразового абсорбента

Для создания абсорбента учёные смешали порошок глины с модифицирующим раствором, содержащим соединения алюминия и кобальта. Полученную смесь нагрели до температуры 450°С, в результате чего в пространстве между слоями монтмориллонита образовались и закрепились нанокластеры оксидов алюминия и кобальта. Алюминий способствовал улучшению пористой структуры материала, а кобальт придавал материалу каталитические свойства. В результате получился абсорбент, не только впитывающий антибиотики (в работе использовался модельный токсикант – широко распространенный антибиотик диоксидин), но и способный в присутствии пероксида водорода окислять их до углекислого газа и воды и таким образом очищаться.

«Главное преимущество нашего материала в том, что он обладает не только абсорбционными, но и каталитическими свойствами, – поясняет один из российских авторов работы, профессор РХТУ Татьяна Конькова. – В экспериментах мы очищали модельный водный раствор, содержащий антибиотик диоксидин в концентрации 30 мг на 1 л. Степень очистки составила свыше 95%. Антибиотик остался на поверхности абсорбента, а после удаления основной части очищенной воды и добавления к абсорбенту раствора пероксида водорода диоксидин окислялся до углекислого газа и воды. Это позволило повторно использовать абсорбент – в лаборатории мы один и тот же образец использовали 5 раз без потери его эффективности. С активированным углем это было бы невозможно».

Сейчас авторы исследования считают, что их разработка имеет в большей степени фундаментальное значение, поскольку промышленность пока еще не проявляет большой заинтересованности в максимально полном соблюдении экологических стандартов. В отдельных случаях фармпредприятия и больницы – основные источники загрязнения сточных вод антибиотиками – даже предпочитают платить штрафы за грязные сбросы, чем внедрять системы их очистки.

Тем не менее скоро, в том числе под действием общей ухудшающейся ситуации с антибиотикорезистентностью, многоразовый абсорбент из монтмориллонита еще сможет найти свое применение, а пока его разработка продолжается в российской и индийских лабораториях.

Статья: I. Ali et al, Preparation and characterization of nano-structured modified montmorillonite for dioxidine antibacterial drug removal in water, Journal of molecular liquids (Q1), 2021, DOI: 10.1016/j.molliq.2021.115770