Die Adsorption von Biochar auf Antibiotika hängt von der molekularen Struktur ab.

Antibiotika-Verschmutzung im Wasser

Die Verschmutzung von Wasser mit Antibiotika ist ein wachsendes globales Problem. Reste von menschlicher Medizin, Nutztierhaltung und Aquakultur können in der Umwelt verbleiben und zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beitragen. Eine neue Studie zeigt, dass die molekulare Struktur von Antibiotika eine entscheidende Rolle dabei spielt, wie effektiv sie aus Wasser entfernt werden können, indem man Biochar verwendet, ein kohlenstoffreiches Material, das aus landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt wird.

Was ist Biochar?

Biochar ist ein Produkt, das durch die Pyrolyse (eine thermische Zersetzung unter Sauerstoffausschluss) von biologischem Abfall entsteht. Es hat viele positive Eigenschaften, darunter die Fähigkeit, Schadstoffe zu adsorbieren.

Die Forscher haben fünf weit verbreitete Tetracyclin-Antibiotika untersucht und analysiert, wie deren strukturelle Unterschiede die Adsorption auf Reisstroh-Biochar beeinflussen, das bei hohen Temperaturen hergestellt wird. Ihre Erkenntnisse bieten neue Einblicke, wie die Chemie der Schadstoffe die Reinigungseffizienz bestimmt und geben Hinweise zur Entwicklung besserer Biochar-basierten Wasseraufbereitungsmaterialien.

Wichtige Erkenntnisse

• Die Studie zeigt, dass nicht alle Antibiotika in Wasseraufbereitungssystemen gleich funktionieren.
• Kleine strukturelle Unterschiede können beeinflussen, wie stark ein Molekül mit der Oberfläche von Biochar interagiert.
• Die Interaktion zwischen Tetracyclin und Biochar erfolgt hauptsächlich durch Wasserstoffbrückenbindungen.

Tetracycline werden häufig in Abwasser und Oberflächengewässern nachgewiesen, da große Mengen der verabreichten Antibiotika unverändert ausgeschieden werden. Konventionelle Behandlungsmethoden schaffen es oft nicht, sie vollständig zu entfernen, sodass Rückstände in natürliche Ökosysteme gelangen, wo sie Mikrobiome stören und Resistenzen fördern können.

Wie wirkt sich die molekulare Struktur aus?

Um zu verstehen, wie die molekulare Struktur die Entfernung von Antibiotika beeinflusst, kombinierte das Forschungsteam fortschrittliche Spektroskopie, Adsorptionsexperimente und quantenchemische Modellierung. Dabei stellten sie fest, dass die Wasserstoffbrückenbindung zwischen Aminogruppen an Tetracyclinen und Carbonylgruppen an der Biochar-Oberfläche die dominierende Wechselwirkung unter verschiedenen Umweltbedingungen ist.

Die Stärke dieser Wechselwirkung hängt jedoch stark von den Substituentengruppen ab, die an den Antibiotikamolekülen angebracht sind. Verbindungen mit elektronenstärkenden funktionellen Gruppen zeigten eine verbesserte Adsorption, während elektronenanziehende Substituenten den Prozess verlangsamten. Als Ergebnis hatten die fünf Antibiotika deutlich unterschiedliche Abtrennungsraten, wobei Doxycyclin und Minocyclin am schnellsten und Oxytetracyclin am langsamsten adsorbierten.

Die zwei Phasen der Adsorption

Die Studie zeigte auch, dass die Adsorption in zwei Phasen erfolgt: eine schnelle anfängliche Bindungsphase gefolgt von einer langsameren diffusionskontrollierten Phase. Die Forscher entwickelten prädiktive Modelle, die die Adsorptionsverhalten nur auf Basis der chemischen Struktur schätzen können.

„Diese Vorhersagefähigkeit ist wichtig“, erklärte der Hauptautor. „Das bedeutet, dass wir damit beginnen können, Biochar-Materialien gezielt für spezifische Schadstoffe zu entwerfen, anstatt uns auf Trial-and-Error-Methoden zu verlassen.“

Potenzial von landwirtschaftlichen Rückständen

Über die Verbesserung der Wasseraufbereitung hinaus heben die Ergebnisse das Potenzial von landwirtschaftlichen Rückständen wie Reisstroh hervor, in hochwertige Materialien zur Umweltremedation umgewandelt zu werden. Durch die Optimierung der Pyrolysebedingungen und der Oberflächenchemie könnte Biochar gezielt für bestimmte Arten von Schadstoffen entwickelt werden.

Die Forscher betonen, dass das Verständnis der Struktur von Schadstoffen entscheidend ist, um Remediation-Strategien in einer Welt mit zunehmender chemischer Kontamination zu verbessern.

„Wenn neue Pharmazeutika in die Umwelt gelangen, benötigen wir intelligentere Materialien und intelligentere Modelle, um sie zu entfernen“, sagte der Autor. „Diese Studie bietet einen Rahmen, um die molekulare Chemie mit der Reinigung von Umweltproblemen zu verknüpfen.“

Das Team hofft, dass ihre Arbeit zukünftige Anstrengungen zur Entwicklung kostengünstiger, nachhaltiger Adsorbentien leiten wird, die in der Lage sind, Antibiotika und andere neu auftretende Schadstoffe aus Wassersystemen weltweit zu entfernen.

Quellen: