إزالة ملوثات دوائية مختارة من المياه الجوفية باستخدام الكربون المنشط الغرواني

لماذا تهمنا الحبوب في الماء

الكثير من الأدوية التي نبتلع لا تبقى في أجسامنا. قد تنتقل آثار المسكنات، وأدوية مقاومة النوبات، وحتى الكافيين عبر المجاري، وتتحمل عمليات محطات المعالجة، وتتهادى إلى المياه الجوفية. تشكل هذه المياه الجوفية مصدرًا رئيسيًا لمياه الشرب في أنحاء العالم. تستعرض الدراسة الموضحة هنا طريقة جديدة لاحتجاز بعض هذه المخلفات الدوائية العنيدة تحت الأرض قبل أن تنتشر، باستخدام شكل مسامي للغاية من الكربون يمكن حقنه مباشرة في الباطن الأرضي.

بقايا غير مرئية من الحياة اليومية

تعتمد الحياة الحديثة على الأدوية، من منبهات شائعة مثل الكافيين إلى عقاقير متخصصة لمكافحة الصرع مثل الكاربamazepine واللاموتريجين. صُممت هذه المركبات لتقاوم التحلل داخل الجسم، وغالبًا ما تمر عبر محطات الصرف التقليدية. نتيجة لذلك، يكتشف العلماء الآن آثارها في الأنهار والبحيرات والمياه الجوفية عبر أوروبا والولايات المتحدة وآسيا والشرق الأوسط، وأحيانًا في خزانات جوفية معزولة. حتى عند مستويات منخفضة للغاية، تثير حضورها المستمر مخاوف بشأن التأثيرات طويلة الأمد على النظم البيئية والحياة البرية وصحة الإنسان. لقد أصبح إزالة مثل هذه «الملوثات الناشئة» من المياه تحديًا متزايدًا للمهندسين والجهات المنظمة.

إسفنجة كربونية دقيقة تحت الأرض

أحد النهج الواعدة هو الامتزاز، حيث تلتصق الملوثات بسطح مادة صلبة. الكربون المنشط يتميز بفعالية خاصة لذلك لأنه مليء بمسام دقيقة توفر مساحة داخلية هائلة لجزيئات أن تلتصق بها. ركز فريق هذه الدراسة على شكل خاص يسمى الكربون المنشط الغرواني، المكوّن من جسيمات صغيرة جدًا تشكل مستحلبًا مستقرًا في الماء. يمكن حقن هذا المستحلب في الأرض، حيث تغطي الجسيمات حبيبات الرمل والكربونات، مكونة نوعًا من منطقة مرشح غير مرئية يمر عبرها الماء الجوفي. قام الباحثون أولًا بوصف خصائص هذا الكربون ووجدوه أساسًا من الكربون مع قدر بسيط من البوتاسيوم، مساميًا للغاية، ومكوّنًا من جسيمات لا يتجاوز حجمها بضعة ميكرومترات وبسطح مشحون سالبًا يساعدها على البقاء مشتتة في الماء.

اختبار مرشح جوفي مصغر

لمعرفة مدى قدرة هذا الكربون على التقاط الأدوية، بنى العلماء أعمدة شفافة صغيرة معبأة بالرمل أو بصخور كربوناتية أو بمزيج بنسبة 50:50 من الاثنين، محاكيين طبقات الرواسب الطبيعية. ضخوا مياهًا محسنة بالكافيين والكاربamazepine واللاموتريجين صعودًا عبر الأعمدة بمعدلات تدفق محكومة، وأضافوا كميات محسوبة من الكربون الغرواني. من خلال مقارنة مستويات الأدوية الداخلة والخارجة، تمكنوا من تتبع مدى سرعة بدء «الاختراق» — أي الوقت الذي تبدأ فيه الملوثات بالتسرب — وكم استغرق قبل أن يتشبع الكربون تقريبًا. كما استخدموا منحنى رياضي من نمط «الجرعة‑الاستجابة» لوصف شكل هذه أنماط الاختراق ولتقدير كمية كل مركب التي يمكن للكربون أن يحتملها تحت ظروف مختلفة.

ما الذي يحدد كمية الإزالة

كشفت التجارب أن ظروف التشغيل تؤثر بقوة على الأداء. سمح التدفق الأبطأ بمزيد من زمن التلامس، مؤخرًا حدوث الاختراق، لكن أعلى معدل تدفق اختبروه أظهر أعلى امتصاص لكل غرام من الكربون قبل استنفاد العمود تمامًا، لأن كمية أكبر من الماء الملوث مرّت عبره. زيادة كمية الكربون في العمود مدت كلًا من زمن ما قبل الاختراق والوقت حتى التشبع، مما يعكس عددًا أكبر من مواقع الامتزاز المتاحة. بدأ المحلول بتركيزات ملوِّثة أعلى أدى إلى اختراق أسرع ومنحنيات اختراق أكثر انحدارًا، لأن مواقع الربط امتلأت بسرعة أكبر، لكنه زاد أيضًا من الكتلة الكلية للأدوية المحتجزة. وكان لنوع مادة الحشو أثر أيضًا: أعطى الحشو المختلط من الرمل والكربونات أطول حماية قبل الاختراق واحتجازًا أفضل إجمالًا، من المحتمل لأنه جمع بين التفاعل الكيميائي وتدفق أملس ومتوازن.

من اختبارات المختبر إلى المياه الجوفية الحقيقية

أخيرًا، اختبر الباحثون مياهًا جوفية حقيقية تم تحسينها بالثلاثة أدوية المستهدفة، تحت أفضل الظروف التي حددوها في تجاربهم السابقة: تدفق معتدل، جرعة كربون متواضعة، وحشو مختلط من الرمل والكربونات. في هذا الاختبار الأكثر واقعية، أجل الحاجز الكربوني الاختراق لأكثر من ساعتين واستمر في إزالة الأدوية لأكثر من سبع ساعات. عموماً، احتجز حوالي 40 في المئة من كتلة الدواء الداخلة قبل أن يصبح مشبعًا إلى حد كبير. وبالنظر إلى أن الكربون المنشط الغرواني يمكن حقنه مباشرة في الخزانات الجوفية، تشير هذه النتائج إلى أن المهندسين قد يكونون قادرين على خلق مناطق تفاعلية تحت الأرض تعترض وتضعف سحب التلوث الدوائي، مما يساعد على حماية مصادر مياه الشرب.

ماذا يعني هذا لمياه أكثر أمانًا

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن «إسفنجة» كربونية دقيقة يمكن نشرها عبر الرواسب الجوفية لالتقاط آثار الأدوية المنتقلة مع المياه الجوفية. ومع أنها لا تزيل كل شيء، إلا أنها تقلل بشكل ملحوظ من حمل الأدوية المقاومة مثل الكافيين والكاربamazepine واللاموتريجين تحت ظروف واقعية. وبما أن المادة مسامية للغاية ويمكن نشرها في المكان نفسه، فإنها تقدم وسيلة عملية لتعزيز الحواجز الطبيعية في الخزانات الجوفية دون بناء محطات معالجة ضخمة. ومع مزيد من التحسين والتجارب الحقلية، قد يصبح هذا الدرع الكربوني تحت الأرض أداة مهمة لإبقاء بقايا أدويتنا غير المرئية خارج مياه الشرب التي نعتمد عليها.

الاستشهاد: Alghamdi, S., Tawabini, B., Abdullah, A. et al. Removal of selected pharmaceutical pollutants from groundwater using colloidal activated carbon. Sci Rep 16, 8470 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36859-7

الكلمات المفتاحية: تلوث المياه الجوفية, الملوثات الدوائية, الكربون المنشط, معالجة المياه, الامتزاز