DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-12799-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40707696
تاريخ النشر: 2025-07-24
المؤلف: Sedigheh Abdollahi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آليات الامتزاز لثلاثة مضادات حيوية—سيبروفلوكساسين، أموكسيسيلين، وتتراسيكلين—على الميكروبلاستيك غير القابل للتحلل، وبالتحديد بولي بروبيلين (PP) وبولي ستيرين (PS)، باستخدام محاكاة الديناميات الجزيئية (MD). تسلط الأبحاث الضوء على أن شيخوخة الميكروبلاستيك، التي تم محاكاتها من خلال إدخال مجموعات وظيفية مؤكسدة ومحبة للماء، تعزز بشكل كبير كفاءة الامتزاز لهذه المضادات الحيوية. على سبيل المثال، زادت الطاقة التفاعلية الإجمالية للسيبروفلوكساسين على PS المتقدم في العمر من -121.57 كيلوجول/مول إلى -242.04 كيلوجول/مول، مع تضاعف عدد الجزيئات الممتزة من 5 إلى 10. وبالمثل، زاد امتزاز الأموكسيسيلين على PP المتقدم في العمر من 4 إلى 6 جزيئات، مع ارتفاع الطاقة التفاعلية من -52.14 كيلوجول/مول إلى -93.43 كيلوجول/مول.
تشير النتائج إلى أن الميكروبلاستيك المتقدم في العمر يظهر قدرات امتزاز أقوى، خاصة بالنسبة للمضادات الحيوية العطرية مثل السيبروفلوكساسين، بسبب تعزيز التفاعلات الكهروستاتيكية وتكديس π-π. تستخدم الدراسة طرق تحليلية متنوعة، بما في ذلك الانحراف المعياري الجذري (RMSD) ودالة التوزيع الشعاعي (RDF)، لتأكيد استقرار هذه التفاعلات. تؤكد النتائج على إمكانية أن تعمل الميكروبلاستيك المتقدمة في العمر كحاملات مهمة للمضادات الحيوية في البيئات المائية، مما يؤدي إلى إطالة بقائها البيئي وتأثيرها على أنماط مقاومة الميكروبات. نظرًا لمعدل الإنتاج والانحلال المقلق للبلاستيك على مستوى العالم، تدعو الدراسة إلى تحسين استراتيجيات إدارة النفايات والسياسات التنظيمية لمعالجة المخاطر البيئية والصحية العامة التي تطرحها تلوث الميكروبلاستيك ومقاومة المضادات الحيوية.
نقاش
في هذه الدراسة، تم استخدام محاكاة الديناميات الجزيئية لتحليل سلوك الامتزاز لثلاثة مضادات حيوية—أموكسيسيلين، تتراسيكلين، وسيبروفلوكساسين—على نوعين شائعين من الميكروبلاستيك، بولي بروبيلين (PP) وبولي ستيرين (PS). تسلط الأبحاث الضوء على أن شيخوخة الميكروبلاستيك تعزز بشكل كبير قدرتها على امتصاص المضادات الحيوية، بشكل أساسي بسبب إدخال مجموعات وظيفية قطبية (مثل، هيدروكسيل وكربونيل) وزيادة خشونة السطح. على سبيل المثال، زادت طاقة الامتزاز للسيبروفلوكساسين على PS المتقدم في العمر من -121.57 كيلوجول/مول إلى -242.04 كيلوجول/مول، مع تضاعف عدد الجزيئات الممتزة من 5 إلى 10. يُعزى هذا التحسن في الامتزاز إلى تفاعلات فان دير فال الأقوى، وتحسين الجذب الكهروستاتيكي، وتكوين روابط هيدروجينية، خاصة مع الميكروبلاستيك المتقدم في العمر.
تؤكد النتائج على الآثار البيئية لتلوث الميكروبلاستيك، حيث يمكن أن تعمل الميكروبلاستيك المتقدمة في العمر كخزانات دائمة للمضادات الحيوية، مما قد يؤدي إلى التعرض المزمن للكائنات المائية ويساهم في انتشار البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى أبحاث متعددة التخصصات لاستكشاف الآثار التآزرية للميكروبلاستيك والملوثات الصيدلانية، داعية إلى تحسين استراتيجيات إدارة النفايات والسياسات التنظيمية لمعالجة المخاطر البيئية والصحية العامة المرتبطة. بشكل عام، توفر النتائج رؤى حاسمة حول آليات امتزاز المضادات الحيوية على الميكروبلاستيك، مما يبرز دورها المزدوج كملوثات مادية وناقلات كيميائية في النظم البيئية المائية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-12799-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40707696
Publication Date: 2025-07-24
Author(s): Sedigheh Abdollahi et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This study investigates the adsorption mechanisms of three antibiotics—ciprofloxacin, amoxicillin, and tetracycline—on non-biodegradable microplastics, specifically polypropylene (PP) and polystyrene (PS), using molecular dynamics (MD) simulations. The research highlights that microplastic aging, simulated by the introduction of oxidized and hydrophilic functional groups, significantly enhances the adsorption efficiency of these antibiotics. For example, the total interaction energy of ciprofloxacin on aged PS increased from -121.57 kJ/mol to -242.04 kJ/mol, with the number of adsorbed molecules doubling from 5 to 10. Similarly, amoxicillin adsorption on aged PP increased from 4 to 6 molecules, with interaction energy rising from -52.14 kJ/mol to -93.43 kJ/mol.
The findings indicate that aged microplastics exhibit stronger adsorption capabilities, particularly for aromatic antibiotics like ciprofloxacin, due to enhanced electrostatic interactions and π-π stacking. The study employs various analytical methods, including Root Mean Square Deviation (RMSD) and Radial Distribution Function (RDF), to confirm the stability of these interactions. The results underscore the potential of aged microplastics to act as significant carriers of antibiotics in aquatic environments, thereby prolonging their environmental persistence and influencing microbial resistance patterns. Given the alarming rate of global plastic production and degradation, the study calls for improved waste management strategies and regulatory policies to address the environmental and public health risks posed by microplastic pollution and antibiotic resistance.
Discussion
In this study, molecular dynamics simulations were employed to analyze the adsorption behavior of three antibiotics—amoxicillin, tetracycline, and ciprofloxacin—onto two prevalent microplastics, polypropylene (PP) and polystyrene (PS). The research highlights that aging of microplastics significantly enhances their capacity to adsorb antibiotics, primarily due to the introduction of polar functional groups (e.g., hydroxyl and carbonyl) and increased surface roughness. For instance, the adsorption energy of ciprofloxacin on aged PS increased from -121.57 kJ/mol to -242.04 kJ/mol, with the number of adsorbed molecules doubling from 5 to 10. This enhancement in adsorption is attributed to stronger van der Waals interactions, improved electrostatic attractions, and the formation of hydrogen bonds, particularly with aged microplastics.
The findings underscore the environmental implications of microplastic pollution, as aged microplastics can act as persistent reservoirs for antibiotics, potentially leading to chronic exposure for aquatic organisms and contributing to the proliferation of antibiotic-resistant bacteria. The study emphasizes the need for interdisciplinary research to further explore the synergistic effects of microplastics and pharmaceutical contaminants, advocating for improved waste management strategies and regulatory policies to address the associated environmental and public health risks. Overall, the results provide critical insights into the mechanisms of antibiotic adsorption onto microplastics, highlighting their dual role as both physical pollutants and chemical vectors in aquatic ecosystems.