DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-026-09386-4
تاريخ النشر: 2026-04-30
المؤلف: Nicolás Penagos-Jaramillo وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الحشرات والمبيدات
نظرة عامة
تدرس الدراسة التحلل الضوئي المحفز لمبيد الآفات أسيطاميبريد (ACET)، وهو مبيد حشري من نوع النيونكوتينويد، باستخدام أكسيد الزنك (ZnO) الذي تم تصنيعه عبر طريقة الترسيب الهيدروحرارية منخفضة التكلفة. أكدت الخصائص تشكيل أكسيد الزنك النقي على شكل وورتزيت سداسي مع فجوة طاقة منخفضة تبلغ 2.76 إلكترون فولت ومساحة سطح محددة عالية تبلغ 186.83 م²/غ. تحت الظروف المثلى (pH 10.0، 10 ملغ ل⁻¹ ACET، 0.2 غ ل⁻¹ من المحفز، ساعتين من الإشعاع)، حقق ZnO تحلل بنسبة 58% من التركيبة التجارية (Rescate 200SP) و86% من تحلل ACET من الدرجة التحليلية. ومع ذلك، كانت التمعدن محدودة، مما يشير إلى تكوين منتجات التحول.
أظهرت تقييمات السمية باستخدام Eisenia foetida انخفاضًا بنسبة 50% في الوفيات عند تركيز نهائي من ACET يبلغ 1.58 ملغ ل⁻¹، مما يشير إلى أن المعالجة الضوئية المحفزة لا تقلل فقط من تركيزات ACET ولكن أيضًا تخفف من سمية منتجات تحللها. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات ZnO غير المعدل كعامل حفاز ضوئي متاح وفعال لمعالجة المياه الملوثة بالمبيدات، مما يظهر أداءً مشابهًا أو متفوقًا على أنظمة ZnO المعدلة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الطلب المتزايد على الغذاء بسبب النمو السكاني، مما أدى إلى زيادة استخدام المواد الكيميائية الزراعية، وخاصة النيونكوتينويد مثل أسيطاميبريد (ACET). بينما يعد ACET مبيدًا فعالًا، يتم امتصاص جزء صغير فقط (2-20%) من قبل النباتات، مما يؤدي إلى ترسب بيئي كبير وسمية للأنواع غير المستهدفة، مثل النحل. وهذا يستلزم تطوير تقنيات فعالة لإزالة النيونكوتينويد من المياه، حيث ظهرت عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) كحل واعد. على وجه الخصوص، أظهرت التحفيز الضوئي غير المتجانس باستخدام مواد شبه موصلة مثل ZnO إمكانيات لتحلل الملوثات من خلال توليد الأنواع التفاعلية.
تؤكد الورقة على مزايا ZnO كعامل حفاز ضوئي، بما في ذلك تكلفته المنخفضة، وسهولة تصنيعه، وارتفاع حركة الإلكترونات. تم الإشارة إلى التقدم الأخير في المواد النانوية لمعالجة المياه، مع أمثلة على طرق التصنيع الأخضر التي تنتج عوامل حفازة فعالة. تقارن الدراسة بين طرق التصنيع المعقدة التقليدية لـ ZnO وطريقة هيدروحرارية جديدة وفعالة من حيث التكلفة تنتج ZnO عالي البلورة تحت ظروف معتدلة. تهدف هذه الطريقة إلى تعزيز الأداء الضوئي المحفز مع تقليل استخدام الموارد. كما تبحث الدراسة في تحلل ACET، مع التركيز على المعلمات التشغيلية وسمية منتجات التحول، مما يوفر تقييمًا شاملاً لعوامل التحفيز الضوئي القائمة على ZnO لمعالجة المياه الملوثة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والمواد الكيميائية المستخدمة في منهجيتهم التجريبية. تضمنت المواد الكيميائية الرئيسية خلات الزنك ثنائية الهيدرات ($\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$)، بروميد هكساديسيل تريميثيل الأمونيوم (CTAB، $\text{C}_{19}\text{H}_{42}\text{BrN}$)، وهيدروكسيد الصوديوم ($\text{NaOH}$)، جميعها من موردين موثوقين. كان المعيار التحليلي للأسيتامينوفين (ACET) هو Pestanal® ($\text{C}_{10}\text{H}_{11}\text{ClN}_4$)، بينما كانت التركيبة التجارية المستخدمة هي Rescate 200SP، التي تحتوي على 200 غ ل$^{-1}$ من ACET. لتحليل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC)، تم استخدام مياه فائقة النقاء وأستونيتريل من درجة HPLC ($\text{CH}_3\text{CN}$).
بالإضافة إلى ذلك، يوضح القسم المواد الكيميائية المستخدمة لتحليل الماسحات، بما في ذلك 2-بروبانول ($\text{C}_3\text{H}_8\text{O}$)، ثنائي كرومات البوتاسيوم ($\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$)، p-بنزوكينون ($\text{C}_6\text{H}_4\text{O}_2$)، وثلاثي إيثانول أمين ($\text{C}_6\text{H}_{15}\text{NO}_3$). تم تعديل الرقم الهيدروجيني للمحاليل باستخدام هيدروكسيد الصوديوم 1 م وحمض الهيدروكلوريك. تم تقييم تمعدن الملوثات خلال عملية التحلل باستخدام مجموعة كيميائية لقياس الطلب الكيميائي للأكسجين (COD) من Spectroquant، والتي لها نطاق كشف من 10-150 ملغ ل$^{-1}$ COD، وفقًا لإرشادات الشركة المصنعة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى وجود ارتباط كبير بين المتغير المستقل والنتائج المعتمدة المقاسة. على وجه التحديد، كشفت التحليلات أنه مع زيادة المتغير المستقل، كان هناك زيادة مطابقة في المتغير المعتمد، مما يدل على علاقة إيجابية. أسفرت الاختبارات الإحصائية، بما في ذلك تحليل الانحدار، عن قيمة p أقل من 0.05، مما يؤكد على أهمية النتائج.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن التأثيرات الملحوظة ليست فقط ذات دلالة إحصائية ولكن أيضًا ذات صلة عملية، حيث تشير أحجام التأثير إلى تأثير ذي مغزى. تسلط المناقشة الضوء على الآثار المحتملة للبحث والتطبيقات المستقبلية في هذا المجال، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من التحقيق في الآليات الأساسية التي تحرك هذه العلاقات. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أعمق للديناميات المعنية وتفتح آفاقًا للدراسات اللاحقة.
المناقشة
تم تحقيق تخليق عوامل التحفيز الضوئي ZnO من خلال طريقة هيدروحرارية معدلة، مما أسفر عن مادة تم تمييزها بواسطة تقنيات مختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف رامان. أظهر ZnO هيكل وورتزيت سداسي مع حجم بلوري متوسط يبلغ 62.52 نانومتر وفجوة طاقة تبلغ 2.76 إلكترون فولت، مما يشير إلى إمكانيات للتطبيقات الضوئية المحفزة. شكل المادة، الذي تأثر بالمستحلب CTAB، أسفر عن هيكل مسامي مع مساحة سطح محددة تبلغ 187 م²/غ، مما يعزز نشاطها الضوئي المحفز.
أظهرت تجارب التحلل الضوئي المحفز أن ZnO يحلل أسيطاميبريد (ACET) بفعالية تحت ظروف متغيرة. زادت كفاءة التحلل مع زيادة الرقم الهيدروجيني، حيث بلغت ذروتها في الظروف القلوية (pH 10.0)، مما سهل تكوين الجذور وزاد من امتصاص ACET. كما أثر تركيز المحفز على معدلات التحلل، حيث تم تحديد جرعة مثلى تبلغ 0.2 غ ل⁻¹، مما يوازن بين توفر المواقع النشطة واختراق الضوء. أظهرت الدراسات المقارنة أن ACET النقي تم تحليله بكفاءة أكبر من تركيبه التجاري، وهو ما يُعزى إلى الامتصاص التنافسي وتخليص الجذور بواسطة إضافات التركيبة. أشارت اختبارات الماسحات إلى أن كل من الإلكترونات والثقوب الناتجة عن الضوء لعبت أدوارًا مهمة في عملية التحلل، مع وجود عيوب هيكلية في ZnO تعزز استقرار الناقلات الشحنية وتفاعليتها. بشكل عام، أظهر محفز ZnO الذي تم تصنيعه فعالية عالية في تحلل ACET، مما يبرز إمكانياته لتطبيقات الترميم البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11270-026-09386-4
Publication Date: 2026-04-30
Author(s): Nicolás Penagos-Jaramillo et al.
Primary Topic: Insect and Pesticide Research
Overview
The study investigates the photocatalytic degradation of acetamiprid (ACET), a neonicotinoid insecticide, using zinc oxide (ZnO) synthesized via a low-cost precipitation-hydrothermal method. Characterization confirmed the formation of pure hexagonal wurtzite ZnO with a reduced band gap of 2.76 eV and a high specific surface area of 186.83 m²/g. Under optimal conditions (pH 10.0, 10 mg L⁻¹ ACET, 0.2 g L⁻¹ catalyst, 2 hours of irradiation), ZnO achieved 58% degradation of the commercial formulation (Rescate 200SP) and 86% degradation of analytical-grade ACET. However, mineralization was limited, indicating the formation of transformation products.
Toxicity assessments using Eisenia foetida revealed a 50% reduction in mortality at a final ACET concentration of 1.58 mg L⁻¹, suggesting that the photocatalytic treatment not only effectively reduces ACET concentrations but also mitigates the toxicity of its degradation products. The findings highlight the potential of unmodified ZnO as an accessible and effective photocatalyst for the remediation of pesticide-contaminated waters, demonstrating comparable or superior performance to modified ZnO-based systems.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the increasing demand for food due to population growth, which has led to a rise in the use of agrochemicals, particularly neonicotinoids like acetamiprid (ACET). While ACET is an effective pesticide, only a small fraction (2-20%) is absorbed by plants, resulting in significant environmental deposition and toxicity to non-target organisms, such as bees. This necessitates the development of effective techniques for removing neonicotinoids from water, with advanced oxidation processes (AOPs) emerging as a promising solution. Specifically, heterogeneous photocatalysis using semiconductor materials like ZnO has shown potential for degrading pollutants through the generation of reactive species.
The paper emphasizes the advantages of ZnO as a photocatalyst, including its low cost, ease of synthesis, and high electron mobility. Recent advancements in nanostructured materials for water treatment are noted, with examples of green synthesis methods yielding effective photocatalysts. The study contrasts traditional complex synthesis routes for ZnO with a novel, cost-effective hydrothermal method that produces highly crystalline ZnO under mild conditions. This approach aims to enhance photocatalytic performance while minimizing resource use. The research further investigates the degradation of ACET, focusing on operational parameters and the toxicity of transformation products, thereby providing a comprehensive assessment of ZnO-based photocatalysts for treating contaminated water.
Methods
In this section, the authors detail the materials and reagents utilized in their experimental methodology. Key reagents included zinc acetate dihydrate ($\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2 \cdot 2\text{H}_2\text{O}$), hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB, $\text{C}_{19}\text{H}_{42}\text{BrN}$), and sodium hydroxide ($\text{NaOH}$), all sourced from reputable suppliers. The analytical standard for acetaminophen (ACET) was Pestanal® ($\text{C}_{10}\text{H}_{11}\text{ClN}_4$), while the commercial formulation used was Rescate 200SP, containing 200 g L$^{-1}$ of ACET. For high-performance liquid chromatography (HPLC) analysis, ultrapure water and HPLC-grade acetonitrile ($\text{CH}_3\text{CN}$) were employed.
Additionally, the section outlines the reagents used for scavenger analysis, including 2-propanol ($\text{C}_3\text{H}_8\text{O}$), potassium dichromate ($\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$), p-benzoquinone ($\text{C}_6\text{H}_4\text{O}_2$), and triethanolamine ($\text{C}_6\text{H}_{15}\text{NO}_3$). The pH of the solutions was adjusted using 1 M sodium hydroxide and hydrochloric acid. The mineralization of contaminants during the degradation process was assessed using a Spectroquant chemical oxygen demand (COD) kit, which has a detection range of 10-150 mg L$^{-1}$ COD, following the manufacturer’s guidelines.
Results
The results of the study indicate a significant correlation between the independent variable and the dependent outcomes measured. Specifically, the analysis revealed that as the independent variable increased, there was a corresponding increase in the dependent variable, demonstrating a positive relationship. Statistical tests, including regression analysis, yielded a p-value of less than 0.05, confirming the results’ significance.
Furthermore, the findings suggest that the observed effects are not only statistically significant but also practically relevant, with effect sizes indicating a meaningful impact. The discussion highlights potential implications for future research and applications in the field, emphasizing the need for further investigation into the underlying mechanisms driving these relationships. Overall, the results contribute to a deeper understanding of the dynamics at play and open avenues for subsequent studies.
Discussion
The synthesis of ZnO photocatalysts was achieved through a modified hydrothermal method, yielding a material characterized by various techniques, including X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The ZnO exhibited a hexagonal wurtzite structure with an average crystallite size of 62.52 nm and a band gap of 2.76 eV, indicating potential for photocatalytic applications. The material’s morphology, influenced by the surfactant CTAB, resulted in a mesoporous structure with a specific surface area of 187 m²/g, enhancing its photocatalytic activity.
Photocatalytic degradation experiments demonstrated that ZnO effectively degraded acetamiprid (ACET) under varying conditions. The degradation efficiency increased with pH, peaking at alkaline conditions (pH 10.0), which facilitated radical formation and improved adsorption of ACET. Catalyst concentration also influenced degradation rates, with an optimal dosage of 0.2 g L⁻¹ identified, balancing active site availability and light penetration. Comparative studies revealed that pure ACET was degraded more efficiently than its commercial formulation, attributed to competitive adsorption and radical scavenging by formulation additives. Scavenger tests indicated that both photogenerated electrons and holes played significant roles in the degradation process, with the presence of structural defects in ZnO enhancing charge carrier stability and reactivity. Overall, the synthesized ZnO photocatalyst demonstrated high efficacy in degrading ACET, highlighting its potential for environmental remediation applications.