Adsorbimento degli antibiotici doripenem e meropenem su carbone attivo ottenuto dai semi del frutto serpente: meccanismo in composti singoli e binary tramite esperimenti e modellizzazione

Trasformare gli scarti di frutta in un purificatore d'acqua

L’inquinamento da antibiotici nei fiumi e nei laghi può sembrare lontano, ma riguarda chiunque beva acqua di rubinetto o si preoccupi delle infezioni resistenti ai farmaci. Questo studio esplora un modo ingegnoso per rimuovere tali inquinanti dall’acqua trasformando i semi scartati di un frutto tropicale, il frutto serpente, in un materiale filtrante potente. Il lavoro mostra non solo l’efficacia di questo materiale nel trattenere due importanti antibiotici ospedalieri, doripenem e meropenem, ma spiega in dettaglio anche il meccanismo d’azione e come ciò potrebbe favorire un’economia più circolare e a basso spreco.

Perché i medicinali finiscono nelle nostre acque

La sanità moderna fa ampio uso di antibiotici, compresi farmaci di ultima risorsa impiegati quando gli altri trattamenti falliscono. Dopo l’uso, però, tracce di questi farmaci spesso passano attraverso i pazienti ed entrano nelle reti fognarie. Gli impianti di trattamento convenzionali non sono progettati per rimuovere completamente queste molecole complesse, dunque piccole quantità possono raggiungere fiumi, acque sotterranee e persino l’acqua potabile. Anche a basse concentrazioni, questi residui possono favorire l’evoluzione della resistenza batterica, indebolendo l’efficacia degli antibiotici. Perciò trovare modi efficienti e accessibili per eliminare questi composti dall’acqua è diventata una priorità urgente per l’ambiente e la salute pubblica.

Dare una seconda vita ai semi del frutto serpente

Il frutto serpente, coltivato comunemente nel Sud-est asiatico, produce numerosi semi non commestibili che vengono generalmente scartati. I ricercatori li hanno considerati una materia prima gratuita e sostenibile per ottenere carbone attivo, una forma di carbonio altamente porosa ampiamente usata nei filtri. Hanno essiccato, macinato e riscaldato i semi in fasi controllate, prima in atmosfere di azoto e anidride carbonica e poi con idrossido di potassio. Questa doppia attivazione ha generato un carbonio a struttura spugnosa con un’enorme area superficiale interna e una rete di piccole vie chiamate mesopori. Prove con microscopia elettronica e adsorbimento di gas hanno confermato una superficie irregolare, ricca di cavità, e una elevata area specifica di circa 1260 metri quadrati per grammo — caratteristiche ideali per catturare molecole antibiotiche relativamente grandi.

Come il nuovo filtro trattiene gli antibiotici

Per valutare l’efficacia del carbonio nella depurazione, il gruppo lo ha esposto a soluzioni contenenti doripenem e meropenem, singolarmente o in miscela. Nei test con composto singolo, ogni grammo di carbonio ha adsorbito fino a 193 milligrammi di doripenem e 171 milligrammi di meropenem, valori che risultano favorevoli o superiori rispetto a molti altri sorbenti a basso costo riportati in letteratura. In presenza di entrambi i farmaci, la capacità totale è diminuita, in particolare per il meropenem, rivelando che i due antibiotici competono per gli stessi siti interni. Esperimenti più approfonditi, inclusi analisi a raggi X, adsorbimento di azoto e spettroscopia infrarossa, hanno mostrato che i farmaci si sistemano all’interno dei pori e si legano principalmente attraverso forze fisiche deboli e legami a idrogeno con gruppi ricchi di ossigeno presenti sulla superficie del carbonio, piuttosto che mediante legami chimici permanenti.

Uno sguardo all’interno dei pori

Per andare oltre i semplici numeri di capacità, i ricercatori hanno applicato modelli statistici avanzati che considerano l’adsorbimento come un processo che avviene su molti siti recettoriali identici all’interno del carbonio. Questi modelli hanno permesso di stimare quante molecole di ciascun antibiotico possano affollare un singolo sito, quanto densamente sono distribuiti tali siti e come il processo varia con la temperatura. I risultati hanno indicato che sia il doripenem sia il meropenem occupano lo stesso tipo di siti e che quando uno prende possesso di un sito, l’altro è effettivamente escluso — una relazione antagonista che spiega la maggiore perdita di adsorbimento del meropenem nelle soluzioni miste. L’aumento della temperatura dell’acqua da 30 a 50 gradi Celsius ha migliorato costantemente l’adsorbimento e le energie calcolate hanno confermato che il processo è endotermico ma comunque governato da attrazione fisica reversibile. Questa interpretazione è stata rafforzata dall’assenza di nuovi picchi chimici negli spettri infrarossi, a sostegno di un meccanismo basato sul riempimento dei pori e su interazioni non permanenti.

Riutilizzabile e pronto per acque reflue reali

Poiché i filtri reali devono essere impiegati ripetutamente, il team ha valutato la rigenerabilità del carbonio. Dopo diversi cicli adsorbimento–desorbimento usando risciacqui con acidi o basi blandi, il materiale ha continuato a rimuovere oltre circa l’80 percento degli antibiotici, con un declino graduale dovuto principalmente al parziale intasamento dei pori. Gli autori suggeriscono passi successivi come testare il materiale in colonne a flusso continuo e in acque reflue ospedaliere o municipali autentiche, dove molte altre sostanze disciolte potrebbero competere per gli stessi siti. Segnalano inoltre i benefici più ampi della conversione dei rifiuti agricoli in una risorsa preziosa per il trattamento dell’acqua che non compete con la produzione alimentare.

Cosa significa per acque più sicure

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che un seme abbondante e altrimenti scartato può essere trasformato in un filtro altamente efficace per alcuni degli antibiotici più rilevanti della medicina moderna. Il carbone ottenuto dai semi del frutto serpente cattura grandi quantità di doripenem e meropenem, lo fa principalmente tramite forze delicate e reversibili e rimane stabile dopo usi ripetuti. Pur necessitando di ulteriori test in condizioni reali, questo approccio illustra come progettazione intelligente dei materiali e valorizzazione dei rifiuti possano combinarsi per affrontare l’inquinamento da antibiotici e, di conseguenza, contribuire a limitare la diffusione di microrganismi resistenti ai farmaci nei nostri sistemi idrici.

Citazione: Alzahrani, E.A., Sellaoui, L., Soetaredjo, F.E. et al. Adsorption of doripenem and meropenem antibiotics on activated carbon derived from snake fruit seeds: single-compound and binary mechanism via experiments and modelling. Sci Rep 16, 13053 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41972-8

Parole chiave: purificazione dell'acqua, carbone attivo, inquinamento da antibiotici, acque reflue farmaceutiche, rifiuti di biomassa