Zielona synteza amorficznych Ce-MOF jako wydajnych adsorbentów dla antybiotyku ofloksacyny

Dlaczego oczyszczanie wody z zanieczyszczeń farmaceutykami ma znaczenie

Śladowe ilości antybiotyków regularnie pojawiają się dziś w rzekach, jeziorach, a nawet w wodzie pitnej, głównie dlatego, że leki przyjmowane przez ludzi i zwierzęta nie ulegają całkowitemu rozkładowi w organizmie. Jednym z szeroko stosowanych leków jest ofloksacyna, która może utrzymywać się w środowisku, zagrażając życiu wodnemu i sprzyjając powstawaniu oporności na antybiotyki. W tym badaniu analizowano nowy, przyjazny dla środowiska materiał, który skutecznie usuwa ofloksacynę z wody, a jednocześnie jest prostszy i bardziej ekologiczny w wytwarzaniu niż wiele dostępnych opcji.

Budowanie mikroskopijnych gąbek z części metalowych i organicznych

Materiałem użytym w pracy są tzw. metalowo‑organiczne rusztowania (MOFy). Powstają jak rusztowania z atomów metalu połączonych cząsteczkami organicznymi, tworząc ogromną powierzchnię wewnętrzną i drobne pory, w których można uwięzić zanieczyszczenia. Tradycyjnie MOFy to uporządkowane kryształy otrzymywane przy użyciu rozpuszczalników organicznych i podgrzewania. Tu badacze skoncentrowali się na „amorficznych” MOFach opartych na cerze — strukturach bez długodystansowego uporządkowania, które jednak zachowują podstawowe wiązania metal‑organiczne. Wersje amorficzne mogą być łatwiejsze do produkcji na dużą skalę, bardziej odporne mechanicznie i bogate w defekty, które mogą służyć jako dodatkowe miejsca wiązania zanieczyszczeń.

Zielony przepis wykorzystujący wyłącznie wodę

Aby otrzymać te amorficzne MOFy ceru, zespół opracował metodę w temperaturze pokojowej, używając wody jako jedynego rozpuszczalnika zarówno do formowania, jak i aktywacji materiału. Mieszali sól ceru z linkiem organicznym w wodzie zawierającej sól, która sprzyja tworzeniu rusztowania. Poprzez regulację postępowania z nierozpuszczalnym linkiem i wyboru płynów do płukania uzyskali kilka odmian o różnych rozmiarach porów i polach powierzchni. Jednym z kluczowych zabiegów było odsączanie cząstek linkera, które się nie rozpuściły, by nie zatykały porów. Badania za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej i spektroskopii w podczerwieni potwierdziły, że produkty były rzeczywiście amorficzne, ale zachowały podstawowe chemiczne elementy budowy spotykane u ich krystalicznych odpowiedników.

Jak dobrze nowe gąbki wyłapują ofloksacynę

Następnie sprawdzono każdy amorficzny MOF jako adsorbent — materiał zdolny wychwytywać cząsteczki z wody — używając ofloksacyny jako modelowego zanieczyszczenia. Pomiary adsorpcji azotu wykazały, że cząstki posiadały mezopory, czyli pory na tyle duże, by ofloksacyna mogła do nich wchodzić i się poruszać. Spośród różnych próbek najlepszą równowagę między rozmiarem porów a polem powierzchni osiągnęła próbka oznaczona Ce‑MOF‑A‑2. W sprzyjających warunkach, bliskich temperaturze pokojowej i przy pH zbliżonym do neutralnego, wchłonęła ofloksacynę do doświadczalnej pojemności około 139 mg na gram materiału. Analiza kinetyki i siły wiązania sugerowała tworzenie jednorodnej warstwy cząsteczek na powierzchni i w porach, przy czym proces kontrolowany był głównie przez interakcje chemiczne, a nie tylko proste uwięzienie fizyczne. Co istotne, maksymalna pojemność wyliczona z danych nieco przewyższała tę dla porównywalnego krystalicznego MOFu i była ponad dwukrotnie większa niż typowego punktu odniesienia — węgla aktywnego.

Co kontroluje wychwyt i uwalnianie

Aby naśladować warunki ścieków, zespół zbadał wpływ pH, rozpuszczonych soli i temperatury na wydajność. Materiał działał najlepiej w pobliżu pH neutralnego, gdzie ofloksacyna występuje w postaci częściowo naładowanej, a powierzchnia MOFu ma łagodny ładunek ujemny. W tych warunkach współdziała kilka sił: delikatne przyciąganie elektrostatyczne, wiązania wodorowe, oddziaływania π‑π między pierścieniowymi fragmentami leku i organicznego rusztowania oraz prosty efekt wypełnienia porów. Dodanie zwykłej soli zwiększało usuwanie, czyniąc ofloksacynę mniej skłonną pozostawać w wodzie i kierując ją ku MOFowi. Wyższe temperatury również zwiększały pochłanianie, co wskazuje, że adsorpcja korzysta z dodatkowej energii termicznej. Materiał można było kilkakrotnie poddać ponownemu użyciu po płukaniu, z pewną utratą pojemności z powodu cząsteczek leku pozostających zakleszczonymi w porach, ale jego ogólna struktura i stabilność termiczna pozostały w dużej mierze nienaruszone.

Co to oznacza dla bezpieczniejszej wody

Mówiąc prościej, badanie pokazuje, że można wytwarzać wysoce skuteczne „molekularne gąbki” do usuwania zanieczyszczeń antybiotykowych za pomocą prostego procesu wodnego w temperaturze pokojowej. Najlepiej działający amorficzny MOF ceru wychwytywał więcej ofloksacyny niż wiele krystalicznych MOFów i znacznie więcej niż węgiel aktywny, pozostając przy tym stabilny i w pewnym stopniu nadając się do ponownego użycia. Ponieważ metoda opiera się na łagodnych składnikach i unika surowych warunków, wskazuje na opłacalną produkcję zaawansowanych filtrów, które mogłyby być umieszczane w kolumnach lub wkładach. Jeśli zostanie skalowana, taka zielona synteza amorficznych MOFów mogłaby stać się skutecznym narzędziem pomagającym utrzymać farmaceutyczne pozostałości z dala od wody, od której zależymy my i inne organizmy żywe.

Cytowanie: Molavi, H., Saeedi, S. & Ghorbani, A. Green synthesis of amorphous Ce-MOFs as efficient adsorbents towards Ofloxacin antibiotics. Sci Rep 16, 11322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42188-6

Słowa kluczowe: oczyszczanie wody, usuwanie antybiotyków, metalowo‑organiczne rusztowania, zielona synteza, ofloksacyna