DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41972-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41807528
تاريخ النشر: 2026-03-11
المؤلف: Elham A. Alzahrani وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تتناول الدراسة القضية المتزايدة للملوثات الصيدلانية في البيئات المائية، مع التركيز بشكل خاص على امتصاص اثنين من المضادات الحيوية من فئة β-لاكتام، دوريبينيم (DOR) وميروبينيم (MER)، باستخدام الكربون المنشط المستخرج من بذور فاكهة الثعبان. كشفت تقنيات التوصيف مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وحيود الأشعة السينية (XRD) وخصائص الامتصاص والانبعاث النيتروجيني عن شكل سطحي خشن ومسامي مع مساحة سطح عالية تبلغ 1260.61 م²/غ، مما يسهل الامتصاص الفعال. تم تحديد السعات القصوى للامتصاص لتكون 193 ملغ/غ لدوريبينيم و171 ملغ/غ لميروبينيم في الأنظمة الفردية، مما يشير إلى وجود تقارب قوي بين الممتزات وكلا المضادين الحيويين.
في الأنظمة الثنائية، أدى وجود كلا المضادين الحيويين إلى تقليل سعات الامتصاص بسبب التفاعلات التنافسية في مواقع مستقبلات الكربون المنشط (ACRS). استخدمت الدراسة نماذج نظرية لشرح هذه التفاعلات، مع تسليط الضوء على التأثير المعاكس بين الممتزات. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الكربون المنشط المستخرج من بذور فاكهة الثعبان هو مادة واعدة لإزالة الملوثات الصيدلانية، مما يظهر إمكانات كبيرة للتطبيقات البيئية في معالجة المياه.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القلق المتزايد بشأن التلوث المائي بالمركبات الصيدلانية، والتي تشكل مخاطر كبيرة على كل من النظم البيئية وصحة الإنسان. وقد تصاعدت هذه القضية بسبب الطلب العالمي المتزايد على الأدوية، المدفوع بالتحديات الصحية المتزايدة وتطوير أدوية جديدة. وبالتالي، أصبح إطلاق هذه المركبات في البيئة، وخاصة من خلال تصريف مياه الصرف الصحي، مصدر قلق بيئي ملح.
لمعالجة هذا التحدي، برزت معالجة مياه الصرف الصحي كمنطقة بحث حيوية، مع اقتراح تقنيات متنوعة للتخفيف من إطلاق الملوثات الملوثة إلى النظم البيئية الأنظف. من بين هذه التقنيات، اكتسبت تقنية الامتصاص اهتمامًا كبيرًا لفعاليتها وكفاءتها من حيث التكلفة في تنقية المياه. تُعرف هذه الطريقة ببساطتها التشغيلية وأدائها المتفوق في إزالة الملوثات، وخاصة تلك التي يصعب تحللها بيولوجيًا أو الموجودة في تركيزات ضئيلة، مما يجعلها حلاً واعدًا لمواجهة قضايا تلوث المياه المتنوعة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، استخدم المؤلفون بذور فاكهة الثعبان (Salacca zalacca) من نوع بوندو، المستخرجة من سوق محلي في سورابايا، إندونيسيا. لضمان سلامة المعالجة الحرارية، تم استخدام غاز النيتروجين من الدرجة الصناعية (نقاء 99.9%) لمنع الأكسدة، بينما تم استخدام غاز ثاني أكسيد الكربون (نقاء 99.9%) كعامل تنشيط، وكلاهما تم توفيره من قبل PT Aneka Gas، سورابايا. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على المضادات الحيوية من فئة β-لاكتام دوريبينيم (C₁₅H₂₄N₄O₆S₂) وميروبينيم (C₁₇H₂₅N₃O₅S) من موزع محلي للأدوية في سورابايا. كانت جميع المواد الكيميائية والمركبات المستخدمة في التجارب من الدرجة التحليلية وتم تطبيقها دون مزيد من التنقية، مما يضمن موثوقية النتائج التجريبية.
مناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على فعالية الكربون المنشط المستخرج من بذور فاكهة الثعبان (Salacca zalacca) في إزالة المضادات الحيوية من فئة الكاربابينيم، وتحديدًا دوريبينيم (DOR) وميروبينيم (MER)، من البيئات المائية. تسلط الدراسة الضوء على مزايا استخدام بذور فاكهة الثعبان كمادة سابقة للكربون المنشط بسبب محتواها العالي من الكربون، ووفرتها كنفايات زراعية صناعية، وفوائدها المستدامة. أظهر الكربون المنشط الناتج من خلال عملية تنشيط مزدوجة باستخدام CO₂-KOH مساحة سطح كبيرة وتطور المسامية المتوسطة، مما يجعله فعالًا بشكل خاص في امتصاص جزيئات المضادات الحيوية الكبيرة. لا تعالج هذه الطريقة فقط تحدي إزالة الأدوية من المياه ولكنها تساهم أيضًا في تقليل النفايات وتدعم مبادئ الاقتصاد الدائري.
تبحث الدراسة أيضًا في آليات الامتصاص لدوريبينيم وميروبينيم باستخدام نماذج متقدمة قائمة على الفيزياء الإحصائية، والتي تقدم رؤى حول كل من سيناريوهات الامتصاص الفردية والثنائية. تكشف النتائج أن دوريبينيم يظهر تقاربًا أعلى مع الكربون المنشط مقارنة بميروبينيم، ويعزى ذلك إلى حجمه الأكبر وقطبيته الأكبر، مما يسهل تفاعلات أقوى مع سطح الكربون. تشير ظاهرة الامتصاص التنافسية الملحوظة في الأنظمة الثنائية إلى أن وجود دوريبينيم يثبط بشكل كبير امتصاص ميروبينيم، مما يبرز أهمية فهم التفاعلات الجزيئية في تحسين استراتيجيات إزالة الملوثات. بشكل عام، تقدم الدراسة مسارًا واعدًا لاستخدام الكربون المنشط المستخرج من الكتلة الحيوية في تطبيقات معالجة المياه المتقدمة، خاصة لمواجهة التهديد المتزايد لمقاومة المضادات الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41972-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41807528
Publication Date: 2026-03-11
Author(s): Elham A. Alzahrani et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The study addresses the growing issue of pharmaceutical contaminants in aquatic environments, specifically focusing on the adsorption of two β-lactam antibiotics, doripenem (DOR) and meropenem (MER), using activated carbon derived from snake fruit seeds. Characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and nitrogen adsorption-desorption isotherms revealed a rough and porous surface morphology with a high surface area of 1260.61 m²/g, which is conducive to effective adsorption. The maximum adsorption capacities were determined to be 193 mg/g for DOR and 171 mg/g for MER in single systems, indicating a strong affinity of the adsorbent for both antibiotics.
In binary systems, the presence of both antibiotics resulted in reduced adsorption capacities due to competitive interactions at the activated carbon receptor sites (ACRS). The study employed theoretical models to explain these interactions, highlighting the antagonist effect between the two adsorbates. Overall, the findings suggest that activated carbon from snake fruit seeds is a promising material for the removal of pharmaceutical contaminants, demonstrating significant potential for environmental applications in water treatment.
Introduction
The introduction highlights the growing concern over aquatic contamination by pharmaceutical compounds, which poses significant risks to both ecosystems and human health. This issue has escalated due to the rising global demand for pharmaceuticals, driven by increasing health challenges and the development of new drugs. Consequently, the release of these compounds into the environment, particularly through wastewater discharges, has become a pressing environmental concern.
To address this challenge, wastewater treatment has emerged as a critical area of research, with various technologies proposed to mitigate the release of contaminated effluents into cleaner ecosystems. Among these, the adsorption technique has gained considerable attention for its effectiveness and cost-efficiency in water purification. This method is noted for its operational simplicity and superior performance in removing pollutants, particularly those that are difficult to degrade biologically or are present in trace concentrations, making it a promising solution for tackling diverse water pollution issues.
Methods
In the experimental section of the study, the authors utilized snake fruit (Salacca zalacca) seeds from the Pondoh variety, sourced from a local market in Surabaya, Indonesia. To ensure the integrity of the thermal processing, industrial-grade nitrogen gas (99.9% purity) was employed to prevent oxidation, while carbon dioxide gas (99.9% purity) served as the activating agent, both supplied by PT Aneka Gas, Surabaya. Additionally, the β-lactam antibiotics doripenem (C₁₅H₂₄N₄O₆S₂) and meropenem (C₁₇H₂₅N₃O₅S) were procured from a local pharmaceutical distributor in Surabaya. All chemicals and reagents used in the experiments were of analytical grade and applied without further purification, ensuring the reliability of the experimental results.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the efficacy of activated carbon derived from snake fruit seeds (Salacca zalacca) in removing carbapenem antibiotics, specifically doripenem (DOR) and meropenem (MER), from aquatic environments. The study highlights the advantages of using snake fruit seeds as a precursor for activated carbon due to their high carbon content, abundance as agro-industrial waste, and sustainability benefits. The activated carbon produced through a CO₂-KOH double activation process exhibited a large surface area and developed mesoporosity, making it particularly effective for adsorbing large antibiotic molecules. This approach not only addresses the challenge of pharmaceutical removal from water but also contributes to waste reduction and supports circular economy principles.
The research further investigates the adsorption mechanisms of DOR and MER using advanced statistical physics-based models, which provide insights into both single and binary adsorption scenarios. The findings reveal that DOR demonstrates a higher affinity for the activated carbon compared to MER, attributed to its larger size and greater polarity, which facilitate stronger interactions with the carbon surface. The competitive adsorption observed in binary systems indicates that the presence of DOR significantly inhibits the adsorption of MER, underscoring the importance of understanding molecular interactions in optimizing pollutant removal strategies. Overall, the study presents a promising avenue for utilizing biomass-derived activated carbon in advanced water treatment applications, particularly for combating the rising threat of antimicrobial resistance.