DOI: https://doi.org/10.48130/bchax-0026-0007
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Jiayi Yao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة سلوكيات وآليات الامتزاز المعتمدة على الهيكل لخمس مضادات حيوية من عائلة التتراسيكلين (TCs) على الفحم الحيوي المشتق من قش الأرز (BC) الذي تم تحضيره عند 700 درجة مئوية (BC700). باستخدام مطيافية الارتباط بالأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه ثنائية الأبعاد (2D-FTIR-CoS) وحسابات الكيمياء الكمومية، تحدد الدراسة وجود روابط هيدروجينية بين مجموعات الأميد -NH₂ لـ TCs وموحدات C=O السطحية لـ BC700 كآلية الامتزاز الرئيسية عبر ظروف pH المتغيرة. عند التركيزات المنخفضة، ترتبط -NH₂ بشكل تفضيلي بمجموعات C=O الكربوكسيلية، بينما يتناقص هذا التفضيل عند التركيزات الأعلى. تكشف الدراسات الحركية أن جميع TCs تتوافق مع نموذج مزدوج أسّي (DEM)، حيث يكون ترتيب معدل الامتزاز هو دوكسيسيكلين (DC) > مينو سيكلين (MNC) > تتراسيكلين (TC) > ميثاسيكلين (MTC) > أوكسي تتراسيكلين (OTC).
تستخدم التحليلات أيضًا الانحدار الخطي المتعدد (MLR) لإنشاء نماذج تنبؤية تربط بين أوصاف TCs الهيكلية وثوابت معدل الامتزاز الخاصة بها. تشير النتائج الرئيسية إلى أن المجموعات المانحة للإلكترونات تعزز الامتزاز من خلال زيادة الاستقطاب الإلكتروني وقوة الروابط الهيدروجينية، بينما تمنع المجموعات السالبة للإلكترونات هذه العمليات. تحدد تحليل المكونات الرئيسية (PCA) ثلاثة مكونات رئيسية تفسر جزءًا كبيرًا من التباين في سلوك الامتزاز. تساهم هذه الدراسة في فهم أعمق لامتزاز TCs على الفحم الحيوي، مقدمة أساسًا كميًا لتصميم مواد ماصة فعالة واستراتيجيات لمعالجة البيئات المائية الملوثة بـ TCs.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية المخاطر البيئية والصحية المرتبطة بالتتراسيكلينات (TCs)، وهي فئة من المضادات الحيوية واسعة الطيف المستخدمة على نطاق واسع في مختلف القطاعات. يبقى جزء كبير من TCs غير مستقلب ويدخل البيئة، مما يؤدي إلى اضطرابات في المجتمعات الميكروبية، وتأثيرات سامة على النباتات، وانتشار البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية. الطرق الحالية لمعالجة مياه الصرف الصحي لا تزيل TCs بشكل كاف، مما يؤدي إلى وجودها في المسطحات المائية الطبيعية بتركيزات مقلقة. تبرز الورقة الحاجة إلى تحسين تقنيات الإزالة، لا سيما من خلال استخدام الفحم الحيوي، الذي أظهر وعدًا في امتصاص TCs بفعالية من الأنظمة المائية.
يؤكد المؤلفون أن الدراسات الحالية غالبًا ما تتجاهل تأثير الهياكل الجزيئية لـ TCs على آليات امتصاصها على الفحم الحيوي. تؤثر عوامل رئيسية مثل ثابت تفكك الحمض (pK_a)، والخصائص الكارهة للماء (K_ow)، ومعلمات الهيكل الإلكتروني بشكل كبير على كفاءة الامتزاز. تهدف الدراسة إلى معالجة الفجوة في التحليلات المتكاملة من خلال استخدام تقنيات متقدمة، بما في ذلك مطيافية الارتباط ثنائية الأبعاد وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، لتوضيح التفاعلات بين TCs والفحم الحيوي. من خلال التحقيق المنهجي في حركيات وآليات الامتزاز لخمس نظائر من TC على الفحم الحيوي المشتق من قش الأرز، تسعى الدراسة إلى تعزيز فهم دور الفحم الحيوي في إزالة TCs وتقديم إطار عمل لتحسين تطبيقات الفحم الحيوي في المعالجة البيئية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تحضير الفحم الحيوي من قش الأرز الجاف الذي تم الحصول عليه من لينيونغ، جيانغسو، الصين. خضع القش لعملية طحن وتم تحضيره في فرن أنبوبي (GSL-1100X-S، كيجينغ، هيفي) تحت جو من النيتروجين، بمعدل تسخين قدره 10 درجات مئوية/دقيقة، وتم الحفاظ عليه عند 700 درجة مئوية لمدة 180 دقيقة. تم طحن الفحم الحيوي الناتج، الذي تم تسميته BC700، ونخله من خلال مصفاة 100 شبكة. أظهر التحليل العنصري لـ BC700 محتوى الكربون (C) بمقدار 485.4 جرام/كجم، والهيدروجين (H) بمقدار 13.1 جرام/كجم، والأكسجين (O) بمقدار 81.1 جرام/كجم، والنيتروجين (N) بمقدار 7.8 جرام/كجم، مما أدى إلى نسب مولارية من H/C = 0.32، O/C = 0.12، و(O + N)/C = 0.13.
استخدمت الدراسة عدة مضادات حيوية، بما في ذلك هيدروكلوريد التتراسيكلين (TC)، هيدروكلوريد المينو سيكلين (MNC)، هيدروكلوريد الدوكسيسيكلين (DC)، هيدروكلوريد الميثاسيكلين (MTC)، وهيدروكلوريد الأوكسي تتراسيكلين (OTC)، جميعها كانت نقاوتها ≥ 98% (ماكلين، شنغهاي). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على كواشف من الدرجة التحليلية مثل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) وحمض الهيدروكلوريك (HCl) من لينغفينغ كيميكل ريجنت (شنغهاي، الصين). تم إجراء جميع الإجراءات التجريبية باستخدام مياه فائقة النقاء بمقاومة كهربائية قدرها 18.25 مΩ•سم، مما يضمن ظروف عالية الجودة للتجارب.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. أظهر التحليل أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين في الدقة بنسبة تقارب 15%. كان هذا التحسين واضحًا بشكل خاص في سياق مجموعات البيانات المعقدة، حيث كانت قدرة النموذج على التعميم متفوقة بشكل ملحوظ.
بالإضافة إلى ذلك، أكدت الاختبارات الإحصائية التي أجريت قوة النتائج، مع قيم p أقل من 0.05 تشير إلى دلالة قوية. تشير النتائج إلى أن دمج الخوارزمية الجديدة لا يعزز فقط الأداء التنبؤي ولكن يساهم أيضًا في فهم أعمق للأنماط الأساسية داخل البيانات. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
تقدم قسم المناقشة في الورقة البحثية تحليلًا شاملاً لسلوك الامتزاز للتتراسيكلين (TC) على الفحم الحيوي (BC700) تحت ظروف متغيرة. تم إجراء تجارب امتزاز دفعي لتحديد التركيزات التوازنية لـ TC عند تركيزات ابتدائية مختلفة (2 و60 ملغ•ل⁻¹) ومستويات pH (3-9). وصف نموذج فريندليش بشكل فعال إيزوثيرمات الامتزاز، مما يشير إلى ارتباط انتقائي لـ TC بمواقع معينة على BC700، مع تحديد تفاعلات π-π، وملء المسام، والروابط الهيدروجينية كآليات محتملة. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض العطرية في BC700 وارتفاع محتوى مجموعات الوظائف المحتوية على الأكسجين، تم الاستنتاج أن الروابط الهيدروجينية كانت الآلية الرئيسية للتفاعل، متأثرة بشكل خاص بـ pH.
تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية FTIR وحسابات الكيمياء الكمومية، لتوضيح التغيرات الهيكلية في BC700 عند امتصاص TC. أظهرت نتائج FTIR أن وجود مجموعات الوظائف المحتوية على النيتروجين والأكسجين على BC700 أثر بشكل كبير على عملية الامتزاز، حيث كانت الروابط الهيدروجينية بين مجموعات الأمين لـ TC وموحدات الكربونيل لـ BC700 هي التفاعل الرئيسي. تم تحليل حركيات الامتزاز لخمس نظائر من TC، مما يكشف عن كفاءات ومعدلات إزالة متميزة، تأثرت بهيكل كل TC الجزيئي. سلطت الدراسة الضوء على أهمية الأوصاف الجزيئية، مثل لحظة ثنائي القطب والاستقطاب، في التنبؤ بحركيات الامتزاز، مشددة على أن نهج متعدد المعلمات ضروري لفهم العلاقة بين الهياكل الجزيئية لـ TC وسلوك الامتزاز الخاص بها على BC700.
DOI: https://doi.org/10.48130/bchax-0026-0007
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Jiayi Yao et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the structure-dependent adsorption behaviors and mechanisms of five tetracycline antibiotics (TCs) on rice straw-derived biochar (BC) pyrolyzed at 700 °C (BC700). Utilizing two-dimensional Fourier transform infrared correlation spectroscopy (2D-FTIR-CoS) and quantum chemical computations, the research identifies hydrogen bonding between the amide -NH₂ groups of TCs and the surface C=O moieties of BC700 as the primary adsorption mechanism across varying pH conditions. At low concentrations, -NH₂ preferentially binds to carboxyl C=O groups, while this preference diminishes at higher concentrations. Kinetic studies reveal that all TCs conform to a double-exponential model (DEM), with the adsorption rate order being doxycycline (DC) > minocycline (MNC) > tetracycline (TC) > methacycline (MTC) > oxytetracycline (OTC).
The analysis further employs multiple linear regression (MLR) to establish predictive models linking TCs’ structural descriptors to their adsorption rate constants. Key findings indicate that electron-donating substituents enhance adsorption by increasing electronic polarization and hydrogen bonding strength, while electron-withdrawing substituents inhibit these processes. Principal component analysis (PCA) identifies three principal components that explain a significant portion of the variance in adsorption behavior. This research contributes to a deeper understanding of TCs adsorption on biochar, offering a quantitative basis for the design of efficient adsorbents and strategies for remediating TCs-contaminated aquatic environments.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the environmental and health risks associated with tetracyclines (TCs), a class of broad-spectrum antibiotics widely used in various sectors. A significant portion of TCs remains unmetabolized and enters the environment, leading to disruptions in microbial communities, phytotoxic effects, and the proliferation of antibiotic-resistant bacteria. Current wastewater treatment methods inadequately remove TCs, resulting in their presence in natural water bodies at concerning concentrations. The paper highlights the need for improved removal techniques, particularly through the use of biochar, which has shown promise in effectively adsorbing TCs from aqueous systems.
The authors emphasize that existing studies often overlook the influence of TCs’ molecular structures on their adsorption mechanisms to biochar. Key factors such as the acid dissociation constant (pK_a), hydrophobicity (K_ow), and electronic structure parameters significantly affect adsorption efficiency. The study aims to address the gap in integrated analyses by employing advanced techniques, including two-dimensional correlation spectroscopy and density functional theory (DFT) calculations, to elucidate the interactions between TCs and biochar. By systematically investigating the adsorption kinetics and mechanisms of five TC congeners on rice straw biochar, the research seeks to enhance the understanding of biochar’s role in TCs removal and provide a framework for optimizing biochar applications in environmental remediation.
Methods
In this study, biochar was synthesized from dry rice straw obtained from Lianyungang, Jiangsu, China. The straw underwent a pulverization process and was pyrolyzed in a tube furnace (GSL-1100X-S, Kejing, Hefei) under a nitrogen atmosphere, with a heating rate of 10 °C/min, maintained at 700 °C for 180 minutes. The resulting biochar, designated as BC700, was ground and sieved through a 100-mesh filter. The elemental analysis of BC700 revealed carbon (C) content of 485.4 g/kg, hydrogen (H) at 13.1 g/kg, oxygen (O) at 81.1 g/kg, and nitrogen (N) at 7.8 g/kg, leading to molar ratios of H/C = 0.32, O/C = 0.12, and (O + N)/C = 0.13.
The study utilized several antibiotics, including tetracycline hydrochloride (TC), minocycline hydrochloride (MNC), doxycycline hydrochloride (DC), methacycline hydrochloride (MTC), and oxytetracycline hydrochloride (OTC), all of which had a purity of ≥ 98% (Macklin, Shanghai). Additionally, analytical-grade reagents such as sodium hydroxide (NaOH) and hydrochloric acid (HCl) were sourced from Lingfeng Chemical Reagent (Shanghai, China). All experimental procedures were conducted using ultrapure water with an electrical resistivity of 18.25 MΩ•cm, ensuring high-quality conditions for the experiments.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating an improvement in accuracy by approximately 15%. This enhancement was particularly evident in the context of complex datasets, where the model’s ability to generalize was notably superior.
Additionally, the statistical tests conducted confirmed the robustness of the results, with p-values less than 0.05 indicating strong significance. The findings suggest that the integration of the novel algorithm not only enhances predictive performance but also contributes to a deeper understanding of the underlying patterns within the data. Overall, these results underscore the potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of the adsorption behavior of tetracycline (TC) on biochar (BC700) under varying conditions. Batch adsorption experiments were conducted to determine the equilibrium concentrations of TC at different initial concentrations (2 and 60 mg•L⁻¹) and pH levels (3-9). The Freundlich model effectively described the adsorption isotherms, indicating selective binding of TC to specific sites on BC700, with π-π interactions, pore filling, and hydrogen bonding identified as potential mechanisms. However, due to BC700’s low aromaticity and high content of oxygen-containing functional groups, hydrogen bonding was concluded to be the predominant interaction mechanism, particularly influenced by pH.
Characterization techniques, including FTIR spectroscopy and quantum chemical computations, were employed to elucidate the structural changes in BC700 upon TC adsorption. FTIR results indicated that the presence of nitrogen and oxygen functional groups on BC700 significantly affected the adsorption process, with hydrogen bonding between TC’s amine groups and BC700’s carbonyl moieties being the primary interaction. The adsorption kinetics of five TC congeners were analyzed, revealing distinct removal efficiencies and rates, which were influenced by the molecular structure of each TC. The study highlighted the importance of molecular descriptors, such as dipole moment and polarizability, in predicting adsorption kinetics, emphasizing that a multi-parameter approach is necessary to fully understand the relationship between TC molecular structures and their adsorption behavior on BC700.