DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33048-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526510
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Mohamed S. Abdelwahab وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير مادة ماصة جديدة صديقة للبيئة لاستخراج الطور الصلب (SPE)، وهي الفحم الحيوي المعدل من الرمان (POM)، المشتق من نفايات قشر الرمان. تم توصيف POM باستخدام تقنيات مختلفة (SEM، TEM، FT-IR، وXRD)، مما كشف عن هيكله النانوي المعقد ذو النواة والقشرة ومجموعاته الوظيفية السطحية الغنية. تحت ظروف محسّنة، أظهر POM قدرات امتصاص متفوقة تبلغ 3900 ± 71 ميكرومول/غرام للرصاص (Pb(II)) عند pH 7 و87.6% إزالة للتتراسيكلين (TC) عند pH 4، متفوقًا على الفحم الحيوي غير المعدل من الرمان (PO). تبعت حركية الامتصاص للرصاص (Pb(II)) نموذجًا زائفًا من الدرجة الثانية، مما يشير إلى آلية معقدة تشمل الامتصاص الفيزيائي وخصائص محتملة للامتصاص الكيميائي، بينما التتراسيكلين اتبعت نموذجًا زائفًا من الدرجة الأولى، مما يشير إلى الامتصاص الفيزيائي.
أكد التحليل الديناميكي الحراري أن عمليات الامتصاص لكلا الملوثين تلقائية وماصة للحرارة، مدفوعة أساسًا بالإنتروبيا. وصف نموذج لانغموير الامتصاص بشكل فعال، مما يشير إلى تشكيل طبقة أحادية على سطح الماصة. تشير كفاءات الإزالة العالية (>98% للرصاص (Pb(II) و>97% للتتراسيكلين (TC)) إلى إمكانية إعادة استخدام POM عبر دورات متعددة. بالإضافة إلى ذلك، أظهر POM نشاطًا مضادًا للبكتيريا ضد البكتيريا سالبة الجرام، مقارنة بالمضادات الحيوية القياسية، مما يبرز إمكانيته لوظائف مزدوجة في تطبيقات معالجة المياه. بشكل عام، تؤكد هذه الأبحاث فعالية POM كمواد ماصة مستدامة لإزالة المعادن الثقيلة والمضادات الحيوية من المحاليل المائية، باستخدام نفايات زراعية ذات قيمة.
طرق
في هذه الدراسة، تشمل المواد التجريبية المستخدمة قشر الرمان المستمد من سوق محلي، ومجموعة متنوعة من الكواشف الكيميائية مثل ثنائي الصوديوم أسيتات الإيثيلين ثنائي الأمين، وحمض الهيدروكلوريك، والكحول الإيثيلي المطلق، وأسيتات الصوديوم، والأسيتون، ونترات الرصاص، والتتراسيكلين، وDMSO، جميعها تم الحصول عليها من Alpha Chemicals، الهند. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على سلالات بكتيرية قياسية من مجموعة الثقافة الأمريكية (ATCC)، تحديدًا سلالات إيجابية الجرام مثل Staphylococcus aureus (ATCC 25923) وBacillus subtilis (ATCC 6633)، بالإضافة إلى سلالات سالبة الجرام مثل Escherichia coli (ATCC 8739) وPseudomonas aeruginosa (ATCC 9027) من الولايات المتحدة الأمريكية.
تم اختيار هذه المواد للتحقيق في الخصائص المضادة للميكروبات لقشر الرمان ضد السلالات البكتيرية المحددة، مما يوفر أساسًا لتقييم تطبيقاتها المحتملة في العلاجات المضادة للبكتيريا.
النتائج
تكشف النتائج من تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن هيكل هرمي معقد من بولي أوكسي ميثيلين (POM) يتميز بجزيئات نانوية كروية متجمعة. تُظهر الصورة المجهرية (الشكل 1A) عند تكبير 25,000X إطارًا مساميًا كبيرًا مع فجوات غير منتظمة تتراوح من عدة ميكرومترات إلى نانومترات، مما يسهل تسرب السوائل الكبيرة أثناء الامتصاص. تعرض الجزيئات الكروية الأولية تكوينًا بلوريًا مميزًا مدفونًا داخل مصفوفة كربونية غير متبلورة، مما يدل على هيكل كربوني جزئي الترتيب. تعرض أسطح هذه الجزيئات خشونة ميكروسكوبية كبيرة، مع شقوق، وأخاديد، وشقوق ناتجة عن التحلل الحراري أثناء التحلل الحراري عند 300 درجة مئوية.
تقدم التعديلات باستخدام مستخلص البوليفينول (PPE) ميزات طوبولوجية على النطاق النانوي، بما في ذلك نتوءات أو بروزات موزعة بكثافة (حوالي 50-100 نانومتر) على الوحدات الكروية، تعزى إلى المكونات الكيميائية النباتية مثل التانينات القابلة للتحلل والمركبات الفينولية. تعزز هذه المورفولوجيا السطحية متعددة المقاييس، التي تتكون من مسام كبيرة، ومجالات بلورية، ونقش نانوي، مساحة سطح المادة وتقدم العديد من العيوب الهيكلية، والتي تعتبر حاسمة لربط أيونات الرصاص (Pb(II)) والتتراسيكلين (TC) بشكل فعال. تسهل الترتيبات الانتشار السريع للأيونات إلى المواقع النشطة وتعزز الامتصاص القوي من خلال المجموعات الوظيفية المكشوفة، مما يحسن من قدرات الامتصاص للمادة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتوصيف الفحم الحيوي المعدل من الرمان (POM)، بالإضافة إلى تطبيقه في امتصاص أيونات الرصاص (Pb(II)) والتتراسيكلين (TC). تم تخليق POM من قشر الرمان من خلال التحلل الحراري والمعالجة اللاحقة بالأسيتون لتعزيز خصائص سطحه باستخدام المواد الكيميائية النباتية. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك استخراج الطور الصلب (SPE)، حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FT-IR)، التحسينات الهيكلية والوظيفية لـ POM، الذي أظهر هيكلًا ذو نواة وقشرة وكثافة عالية من المواقع النشطة المناسبة لامتصاص أيونات المعادن.
قيمت الدراسة بشكل منهجي تأثيرات معلمات مختلفة على قدرات الامتصاص لـ POM والفحم الحيوي غير المعدل من الرمان (PO) للرصاص (Pb(II)) والتتراسيكلين (TC). من الجدير بالذكر أن POM أظهر أداءً متفوقًا في الامتصاص، خاصة عند مستويات pH المحايدة، حيث حقق أقصى قدرة امتصاص للرصاص (Pb(II)) تبلغ 3900 ميكرومول/غرام. كشفت حركية الامتصاص أن POM وصل إلى القدرة المثلى في غضون 30 ثانية تحت إشعاع الميكروويف، مما يبرز كفاءة الطريقة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم النشاط المضاد للبكتيريا لـ POM ضد عدة سلالات بكتيرية، مما أظهر نتائج واعدة تؤكد إمكانيته كمواد متعددة الوظائف للتخفيف البيئي وتطبيقات الصحة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن POM هو ماص فعال للغاية لكل من المعادن الثقيلة والأدوية، مع آثار كبيرة على معالجة مياه الصرف الصحي وتطبيقات مضادة للبكتيريا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33048-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41526510
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Mohamed S. Abdelwahab et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study presents the development of a novel eco-friendly solid-phase extraction (SPE) sorbent, modified pomegranate biochar (POM), derived from pomegranate peel waste. POM was characterized using various techniques (SEM, TEM, FT-IR, and XRD), revealing its hierarchical core-shell nanostructure and enriched surface functional groups. Under optimized conditions, POM demonstrated superior adsorption capacities of 3900 ± 71 µmol/g for lead (Pb(II)) at pH 7 and 87.6% removal of tetracycline (TC) at pH 4, outperforming the unmodified pomegranate biochar (PO). The adsorption kinetics for Pb(II) followed a pseudo-second-order model, indicating a complex mechanism that includes physisorption and potential chemisorption characteristics, while TC adhered to a pseudo-first-order model, suggesting physisorption.
The thermodynamic analysis confirmed that the adsorption processes for both pollutants are spontaneous and endothermic, primarily driven by entropy. The Langmuir model effectively described the adsorption, indicating monolayer formation on the adsorbent surface. High desorption efficiencies (>98% for Pb(II) and >97% for TC) suggest the reusability of POM across multiple cycles. Additionally, POM exhibited antibacterial activity against Gram-negative bacteria, comparable to standard antibiotics, highlighting its potential for dual functionality in water treatment applications. Overall, this research underscores POM’s effectiveness as a sustainable sorbent for simultaneous removal of heavy metals and antibiotics from aqueous solutions, utilizing valorized agricultural waste.
Methods
In this study, the experimental materials utilized include pomegranate peel sourced from a local market, various chemical reagents such as ethylenediaminetetraacetic disodium acetate dihydrate, hydrochloric acid, absolute ethyl alcohol, sodium acetate, acetone, lead nitrate, tetracycline, and DMSO, all procured from Alpha Chemicals, India. Additionally, standard bacterial strains were obtained from the American Type Culture Collection (ATCC), specifically Gram-positive strains Staphylococcus aureus (ATCC 25923) and Bacillus subtilis (ATCC 6633), as well as Gram-negative strains Escherichia coli (ATCC 8739) and Pseudomonas aeruginosa (ATCC 9027) from the USA.
These materials were selected to investigate the antimicrobial properties of pomegranate peel against the specified bacterial strains, providing a basis for evaluating its potential applications in antibacterial treatments.
Results
The results from the scanning electron microscopy (SEM) analysis reveal a complex hierarchical structure of polyoxymethylene (POM) characterized by aggregated spherical nanoparticles. The micrograph (Fig. 1A) at 25,000X magnification shows a macroporous scaffold with irregular gaps ranging from several micrometers to nanometers, facilitating bulk fluid infiltration during adsorption. The primary spherical particles exhibit a distinct crystalline configuration embedded within an amorphous carbon matrix, indicative of a partially ordered carbon structure. The surfaces of these particles display significant microscale roughness, featuring fractures, ridges, and fissures resulting from thermal degradation during pyrolysis at 300 °C.
Modification with polyphenol extract (PPE) introduces nanoscale topological features, including densely distributed bumps or protuberances (approximately 50-100 nm) on the spherical units, attributed to phytochemical constituents such as hydrolyzable tannins and phenolic compounds. This multi-scale surface morphology, comprising macropores, crystalline domains, and nano-texturing, enhances the material’s surface area and introduces numerous structural defects, which are critical for the efficient binding of lead ions (Pb(II)) and tetracycline (TC). The arrangement facilitates rapid ion diffusion to active sites and promotes strong adsorption through exposed functional groups, thereby improving the material’s adsorption capabilities.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of modified pomegranate biochar (POM) are detailed, along with its application in the adsorption of lead ions (Pb(II)) and tetracycline (TC). POM was synthesized from pomegranate peel through pyrolysis and subsequent treatment with acetone to enhance its surface properties with phytochemicals. Characterization techniques, including solid-phase extraction (SPE), X-ray diffraction (XRD), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), confirmed the structural and functional enhancements of POM, which exhibited a core-shell architecture and a high density of active sites conducive to metal ion adsorption.
The study systematically evaluated the effects of various parameters on the adsorption capacities of POM and the unmodified pomegranate biochar (PO) for Pb(II) and TC. Notably, POM demonstrated superior adsorption performance, particularly at neutral pH levels, where it achieved a maximum Pb(II) adsorption capacity of 3900 µmol/g. The adsorption kinetics revealed that POM reached optimal capacity within 30 seconds under microwave irradiation, highlighting the efficiency of the method. Additionally, the antibacterial activity of POM was assessed against several bacterial strains, showing promising results that underscore its potential as a multifunctional material for environmental remediation and health applications. Overall, the findings suggest that POM is a highly effective adsorbent for both heavy metals and pharmaceuticals, with significant implications for wastewater treatment and antibacterial applications.