Адсорбция антибиотиков дорипенема и меропенема на активированном угле из семян салак: механизмы для однокомпонентных и бинарных систем — эксперименты и моделирование

Превращение фруктовых отходов в очиститель воды

Загрязнение рек и озер антибиотиками может казаться отдалённой проблемой, но оно затрагивает каждого, кто пользуется водопроводной водой или беспокоится о резистентных инфекциях. В этом исследовании рассматривается оригинальный способ удаления таких загрязнителей из воды — из отброшенных семян тропического фрукта салак (snake fruit) получают активированный уголь, эффективный в качестве сорбента. Работа демонстрирует не только способность этого материала захватывать два важных госпитальных антибиотика — дорипенем и меропенем, но и подробно объясняет механизмы процесса и потенциал для поддержки более циркулярной, с меньшим количеством отходов, экономики.

Почему лекарства попадают в наши воды

Современная медицина в значительной степени зависит от антибиотиков, включая препараты последней надежды, используемые при неэффективности других методов лечения. Однако после применения следы этих лекарств часто выделяются организмом и поступают в канализацию. Обычные очистные сооружения не рассчитаны на полное удаление таких сложных молекул, поэтому их небольшие количества могут проникать в реки, грунтовые воды и даже питьевую воду. Даже при низких концентрациях эти остатки способствуют развитию устойчивости у бактерий, подрывая эффективность жизненно важных антибиотиков. Поэтому разработка эффективных и доступных способов удаления таких соединений из воды стала неотложной экологической и общественно‑медицинской задачей.

Вторая жизнь семян салак

Салак, распространённый в Юго‑Восточной Азии, даёт большое количество несъедобных семян, которые обычно выбрасывают. Исследователи увидели в этих семенах бесплатный и устойчивый исходный материал для производства активированного угля — высокопористой формы углерода, широко применяемой в фильтрах. Семена сушили, дробили и нагревали в контролируемых условиях: сначала в атмосферах азота и диоксида углерода, затем обрабатывали гидроксидом калия. Такая двойная активация сформировала губчатый углерод с огромной внутренней площадью поверхности и сетью мелких каналов — мезопор. Исследования методом электронного микроскопа и адсорбции газов подтвердили шероховатую, пористую поверхность и высокую площадь поверхности порядка 1260 м²/г — свойства, делающие материал особенно пригодным для улавливания относительно крупных молекул антибиотиков.

Как новый фильтр захватывает антибиотики

Чтобы оценить эффективность угля, команда подвергала его воздействию растворов с дорипенемом и меропенемом по отдельности и в смеси. В однокомпонентных опытах один грамм угля мог удерживать до 193 мг дорипенема и 171 мг меропенема — показатели, сопоставимые или превосходящие многие другие недорогие сорбенты, описанные в литературе. При одновременном присутствии обоих препаратов суммарная адсорбция снижалась, особенно для меропенема, что указывает на конкуренцию двух антибиотиков за одни и те же внутренние сайты. Детальные эксперименты, включая рентгеновский анализ, сорбцию азота и инфракрасную спектроскопию, показали, что молекулы препаратов располагаются внутри пор и связываются в основном слабыми физическими взаимодействиями и водородными связями с кислородсодержащими группами на поверхности угля, а не образуют прочных химических связей.

Взгляд внутрь пор

Чтобы выйти за рамки простых чисел ёмкости, исследователи применили продвинутые статистические модели, рассматривающие адсорбцию как процесс на множестве одинаковых рецепторных участков в угле. Эти модели позволили оценить, сколько молекул каждого антибиотика может расположиться на одном участке, насколько плотно распределены такие участки и как процесс меняется с температурой. Результаты показали, что дорипенем и меропенем используют одинаковые типы сайтов и что когда один занимает участок, другой фактически исключается — антагонистическое взаимодействие, объясняющее более сильное снижение поглощения меропенема в смешанных растворах. Повышение температуры воды с 30 до 50 °C последовательно улучшало адсорбцию, а рассчитанные энергии подтвердили, что процесс эндотермичен, но по‑прежнему управляется обратимым физическим притяжением. Эта картина подкрепляется отсутствием новых химических пиков в инфракрасных спектрах, что поддерживает механизм, основанный на заполнении пор и непостоянных взаимодействиях.

Многоразовость и готовность к реальным сточным водам

Поскольку реальные фильтры должны эксплуатироваться многократно, команда проверила регенерацию угля. После нескольких циклов адсорбции‑десорбции с мягкими промывками кислотой или щёлочью материал по‑прежнему удалял порядка 80% антибиотиков, с лишь постепенным снижением эффективности, в основном из‑за частичной закупорки пор. Авторы предлагают следующие шаги: испытания материала в колоннах с непрерывным потоком и в реальных стоках больниц или муниципальных очистных, где многие другие растворённые вещества могут конкурировать за те же сайты. Они также отмечают более широкие преимущества преобразования сельскохозяйственных отходов в ценный ресурс для очистки воды, не конкурирующий с производством продовольствия.

Что это означает для более безопасной воды

Для неспециалистов главный вывод таков: доступные и в противном случае выбрасываемые семена можно превратить в высокоэффективный фильтр для некоторых из важнейших современных антибиотиков. Углерод из семян салак поглощает большие количества дорипенема и меропенема, главным образом за счёт мягких обратимых взаимодействий, и остаётся стабильным после многократного использования. Хотя необходимы дальнейшие испытания в реальных условиях, этот подход демонстрирует, как продуманный дизайн материалов и утилизация отходов могут сочетаться для борьбы с загрязнением антибиотиками и, в конечном счёте, помогать ограничивать распространение резистентных микробов в водных системах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: очищение воды, активированный уголь, загрязнение антибиотиками, стоки фармацевтического производства, биомассовые отходы