Химики Санкт-Петербургского государственного университета разработали новую методику синтеза вещества и создали экологически безопасные сорбенты, которые позволят проводить мониторинг и очищать сточные воды от антибиотиков.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в международном журнале Journal of Hazardous Materials, который рассказывает об исследованиях мирового уровня в области экологических наук и инженерии.

В настоящее время практически все сточные воды содержат антибиотики тетрациклинового ряда, что связано с их широким применением в животноводстве. Тетрациклины в разной концентрации попадают в окружающую среду вместе с продуктами жизнедеятельности животных, которые получали антибиотики с пищей во время разведения.

При этом стандартная процедура очистки сточных вод не всегда приводит к полному удалению антибиотиков, а их наличие в воде со временем провоцирует появление опасных для человека резистентных штаммов бактерий. Созданный исследователями СПбГУ сорбент позволит быстрее и дешевле очищать сточные воды, что поможет снизить влияние человека на окружающую среду и предотвратить появление новых опасных бактерий.

Описание эксперимента ученых / ©Пресс-служба СПбГУ

В качестве основы для создания экологичного сорбента исследователи СПбГУ выбрали биосовместимый и биоразлагаемый минерал гидроксиапатит и разработали методику, позволяющую значительно сократить время синтеза сорбента. Ученые видоизменили наночастицы, прикрепив к поверхности нетоксичные молекулы модификаторов, — это позволило создать материалы, которые способны сорбировать антибиотики в больших количествах.

Поверхность, покрытая модификаторами, может не только захватить больше молекул антибиотика, чем поверхность немодифицированного сорбента, но и за счет изменения условий управляемо «отдать» такие молекулы, что позволяет осуществить регенерацию сорбента.

«Наш сорбент позволяет обеспечить эффективное удаление тетрациклинов из сточных вод. Кроме того, он может быть использован для концентрирования антибиотиков и повышения чувствительности их количественного определения с целью мониторинга веществ в сточных водах», — сообщила автор аналитической части исследования, доцент кафедры аналитической химии СПбГУ Кристина Вах, работающая в научной группе профессора Российской академии наук Андрея Булатова.

Несмотря на прогресс в современной науке, причины многих явлений и процессов, которые могут быть использованы в высокотехнологичных устройствах, еще не понятны до конца, поэтому ученые нередко используют метод перебора, отыскивая таким образом наиболее подходящий вариант. Исследователи СПбГУ предлагают иную стратегию создания высокоэффективных сорбентов, которая позволяет перейти к осознанному выбору их структуры и состава поверхности, а также сокращает время на разработку новых материалов.

Исходя из того, какую молекулу необходимо сорбировать, исследователи СПбГУ на основании данных о составе поверхности и кристаллической структуре сорбентов проводят компьютерное моделирование и выбирают подходящие материалы. Затем экспериментальную проверку проходят от одного до трех различных сорбентов, что уменьшает не только затраты на исследования, но и отходы, образующиеся в результате работы с химическими реагентами.

«Можно сказать, что мы создали руководство шеф-поваров в области химии. Для создания нового блюда шеф-повар должен приготовить и попробовать множество версий. Наш метод позволяет, не готовя блюдо, понять, будет ли оно вкусным, отбросить неудачные рецепты и представить самые подходящие варианты для дегустации», — пояснил автор вычислительной части исследования, доцент кафедры физической химии Института химии СПбГУ Михаил Вознесенский.

Как отмечает руководитель группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов, доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ольга Осмоловская, использование экспериментальных данных в компьютерном моделировании и стратегия производства сорбентов увеличивают точность результатов. Созданный учеными СПбГУ метод синтеза наночастиц и модификации их поверхности позволяет быстро и экономично разрабатывать сорбенты и может быть использован для создания сорбентов других органических соединений.

Междисциплинарное исследование на стыке вычислительной химии, неорганического материаловедения и нанохимии проводилось в Санкт-Петербургском государственном университете с использованием современного оборудования ресурсных центров Научного парка СПбГУ при поддержке гранта Российского научного фонда «Новые миниатюризированные и экологически безопасные методы химического анализа биологических жидкостей и пищевых продуктов».