DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84122-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747525
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Arezou Khezerlou وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تستخدم التتراسيكلينات (TCs) بشكل شائع في الطب البيطري للوقاية من الأمراض وتعزيز النمو في الحيوانات، مما يؤدي إلى وجودها في مصادر الغذاء والماء، مما يشكل مخاطر صحية كبيرة على البشر. إن القلق المتزايد بشأن بقايا TC يتطلب استراتيجيات فعالة للإزالة لضمان سلامة الغذاء والماء. تبرز الأبحاث الحديثة إمكانية استخدام الأطر العضوية المعدنية (MOFs) كمواد ماصة فعالة للغاية لاستخراج TCs من عينات الغذاء والماء الملوثة بسبب خصائصها الهيكلية والسطحية الفريدة.
تناقش هذه القسم آليات امتصاص TC بواسطة MOFs والعوامل المختلفة التي تؤثر على هذه العملية، مع التأكيد على أهمية هذه المواد في التخفيف من المخاطر المرتبطة بتلوث TC. علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن تطبيق MOFs قد يمتد إلى إزالة الملوثات البيئية الأخرى، مما يدل على تنوعها وإمكاناتها لجهود الترميم البيئي الأوسع.
طرق
في هذا القسم، تناقش الأبحاث مصادر وآليات تلوث التتراسيكلين (TC) في الماء والغذاء، مع تسليط الضوء على المخاطر الصحية الكبيرة التي تشكلها على البشر والحيوانات. ينشأ تلوث TC بشكل أساسي من الممارسات الزراعية، والتخلص غير السليم من النفايات الصيدلانية، والتصريفات الصناعية، حيث يعتبر استخدام الماشية مساهمًا رئيسيًا. يؤكد القسم على الآثار الصحية للتعرض لـ TC، بما في ذلك ردود الفعل التحسسية واضطرابات الجهاز الهضمي، بالإضافة إلى تعزيز البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية بسبب الاستخدام المفرط لـ TC في الماشية. تم تنفيذ تدابير تنظيمية للتخفيف من هذه المخاطر، بما في ذلك تحديد حدود بقايا قصوى وتعزيز الممارسات الزراعية الجيدة.
يستكشف القسم أيضًا طرقًا تقليدية مختلفة لإزالة TC من العينات الملوثة، مصنفة إلى عمليات فيزيائية وكيميائية وكهروكيميائية وبيولوجية. أظهرت الطرق الفيزيائية مثل الترشيح والمعالجات الحرارية فعاليتها، بينما تتضمن الطرق الكيميائية التحلل الحمضي وتقنيات الأكسدة مثل الأوزون. تستخدم الطرق البيولوجية الكائنات الدقيقة أو الإنزيمات للتحلل. من بين هذه الطرق، ظهرت تقنيات الامتصاص، وخاصة باستخدام الأطر العضوية المعدنية المغناطيسية (MOFs)، كأكثر الطرق فعالية وتنوعًا لإزالة TC. تظهر الدراسات الحديثة إمكانيات مركبات MOF المغناطيسية، مثل Fe₂O₄@UiO-66(Zr) وNiCoFe-Fe₃O₄@MOF-74، تحقيق كفاءات إزالة TC عالية تصل إلى حوالي 94% وتظهر قابليتها لإعادة الاستخدام وفعاليتها في معالجة مياه الصرف.
نقاش
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتطبيق الأطر العضوية المعدنية (MOFs) لامتصاص التتراسيكلين (TC)، مع تسليط الضوء على خصائصها الهيكلية والطرق المختلفة المستخدمة في تخليقها. تتميز MOFs بهياكلها البلورية المسامية العالية المكونة من عقد معدنية وروابط عضوية، وقد حازت على اهتمام كبير بسبب خصائصها القابلة للتعديل. تشمل تقنيات التخليق الطرق الهيدروحرارية، والذوبانية، والكهربائية، والميكانيكية، وطرق الميكروويف، كل منها يؤثر على الخصائص النهائية لـ MOFs. على سبيل المثال، تتيح الطريقة الهيدروحرارية التجميع الذاتي تحت ظروف مسيطر عليها، بينما يوفر التخليق الميكانيكي نهجًا صديقًا للبيئة من خلال القضاء على الحاجة إلى المذيبات. تتيح قابلية تعديل MOFs إجراء تعديلات على المستوى الذري، مما يعزز فعاليتها في إزالة TC.
يصنف النقاش أيضًا أنظمة MOF القائمة على الأنظمة أحادية المعدن، وثنائية المعدن، والإطارات المركبة/الهجينة، كل منها يظهر سعات امتصاص وآليات فريدة لإزالة TC. تظهر MOFs أحادية المعدن، مثل الإطارات القائمة على الحديد، امتصاصًا فعالًا من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية وπ-π. تظهر MOFs ثنائية المعدن، مثل الأنظمة المحملة بالنحاس/الكوبالت، خصائص امتصاص وتحفيز محسنة بسبب التأثيرات التآزرية للمعادن. تعزز MOFs المركبة، التي تدمج مواد متنوعة، القوة الميكانيكية وكفاءة الامتصاص. يتم أيضًا فحص العوامل التي تؤثر على كفاءة إزالة TC، بما في ذلك الرقم الهيدروجيني، وقوة الأيونات، ودرجة الحرارة، ووقت الاتصال، مع التأكيد على الحاجة إلى تحسين لتحقيق أقصى سعة امتصاص. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات أنظمة MOF كمواد ماصة فعالة للترميم البيئي، خاصة في تطبيقات تنقية المياه.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84122-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747525
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Arezou Khezerlou et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Overview
Tetracyclines (TCs) are commonly used in veterinary medicine for disease prevention and growth promotion in animals, leading to their presence in food and water sources, which poses significant health risks to humans. The increasing concern over TC residues necessitates effective removal strategies to ensure food and water safety. Recent research highlights the potential of metal-organic frameworks (MOFs) as highly effective adsorbents for the extraction of TCs from contaminated food and water samples due to their unique structural and surface properties.
This section discusses the mechanisms of TC adsorption by MOFs and the various factors influencing this process, emphasizing the importance of these materials in mitigating the risks associated with TC contamination. Furthermore, the findings suggest that the application of MOFs may extend to the removal of other environmental pollutants, indicating their versatility and potential for broader environmental remediation efforts.
Methods
In this section, the research discusses the sources and mechanisms of tetracycline (TC) contamination in water and food, highlighting the significant health risks it poses to humans and animals. TC contamination primarily arises from agricultural practices, improper pharmaceutical waste disposal, and industrial discharges, with livestock use being a major contributor. The section emphasizes the health implications of TC exposure, including allergic reactions and gastrointestinal disorders, as well as the promotion of antibiotic-resistant bacteria due to excessive TC use in livestock. Regulatory measures have been implemented to mitigate these risks, including setting maximum residue limits and promoting good agricultural practices.
The section further explores various conventional methods for TC removal from contaminated samples, categorized into physical, chemical, electrochemical, and biological processes. Physical methods such as filtration and thermal treatments have shown effectiveness, while chemical methods involve acid hydrolysis and oxidative techniques like ozonation. Biological methods utilize microorganisms or enzymes for degradation. Among these, adsorption techniques, particularly using magnetic metal-organic frameworks (MOFs), have emerged as the most effective and versatile approach for TC removal. Recent studies demonstrate the potential of magnetic MOF composites, such as Fe₂O₄@UiO-66(Zr) and NiCoFe-Fe₃O₄@MOF-74, achieving high TC removal efficiencies of approximately 94% and showcasing their recyclability and effectiveness in wastewater treatment.
Discussion
In this section, the synthesis and application of metal-organic frameworks (MOFs) for the adsorption of tetracycline (TC) are discussed, highlighting their structural properties and the various methods employed in their synthesis. MOFs, characterized by their highly porous crystalline structures formed from metal nodes and organic linkers, have gained significant attention due to their tunable properties. The synthesis techniques include hydrothermal, solvothermal, electrochemical, mechanochemical, and microwave-assisted methods, each influencing the final characteristics of the MOFs. For instance, the hydrothermal method allows for self-assembly under controlled conditions, while mechanochemical synthesis offers an eco-friendly approach by eliminating the need for solvents. The adaptability of MOFs enables modifications at the atomic level, enhancing their effectiveness in TC removal.
The discussion further categorizes MOF-based systems into monometallic, bimetallic, and composite/hybrid frameworks, each exhibiting unique adsorption capacities and mechanisms for TC removal. Monometallic MOFs, such as iron-based frameworks, demonstrate effective adsorption through electrostatic and π-π interactions. Bimetallic MOFs, like Cu/Co-loaded systems, show improved adsorption and catalytic properties due to the synergistic effects of the two metals. Composite MOFs, which integrate various materials, enhance mechanical strength and adsorption efficiency. Factors influencing TC removal efficiency, including pH, ionic strength, temperature, and contact time, are also examined, emphasizing the need for optimization to achieve maximum adsorption capacity. Overall, the findings underscore the potential of MOF-based systems as effective adsorbents for environmental remediation, particularly in water purification applications.