Не мутите воду. Как наночастицы «разбираются» с антибиотиками

Загрязнение природных водоёмов антибиотиками и красителями — сегодня одна из острых экологических проблем. Привычные способы очистки часто не работают. Антибиотики, например, тетрациклин, а также синтетические красители, такие как метиленовый синий, практически не разлагаются. Они постепенно накапливаются в водоемах и формируют у бактерий устойчивость к лекарствам, что опасно для здоровья человека.

Свет «работает» по-новому

Именно поэтому учёные всё активнее ищут альтернативу. Одной из самых перспективных технологий считается фотокатализ. Её суть в следующем: под действием света на поверхности специальных наночастиц рождаются активные радикалы, которые разрушают органические молекулы загрязнителей. 

У распространённых фотокатализаторов — оксида цинка или диоксида титана — есть два серьёзных недостатка — они эффективно работают в основном под ультрафиолетом, а не под видимым светом; внутри них положительные и отрицательные заряды быстро сталкиваются и гасят друг друга, вместо того чтобы образовывать нужные радикалы. Эффективность очистки падает.

Обе эти проблемы ученые ТГУ и Института физики прочности и материаловедения СО РАН решили с помощью гетероперехода между оксидом металла и титанатом цинка. Научный коллектив получил гетерофазные наночастицы именно на основе титаната цинка. Их производили методом электроразрыва двух скрученных проволок — цинковой и титановой — в кислородсодержащей атмосфере. Способ одностадийный, даёт высокую чистоту продукта, узкое распределение частиц по размерам и экологически безопасен. В зависимости от того, какого диаметра брали проволоки, получили два типа частиц: оксид цинка плюс титанат цинка, а также диоксид титана плюс титанат цинка. Средний размер каждой частицы примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса, сообщает пресс-служба вуза.

Чтобы проверить эффективность на реальном опасном загрязнителе, учёные взяли гидрохлорид тетрациклина — широко применяемый антибиотик. При его концентрации 10 мг/л и добавлении 50 мг наночастиц оксида цинка с титанатом цинка на 100 мл воды за час разложилось 69,4% антибиотика. Когда количество катализатора увеличили до 150 мг при той же концентрации препарата, эффективность за два часа достигла 82%. Без наночастиц под тем же самым светом за два часа разрушилось не более 5% тетрациклина. 

Эксперименты показали и другие впечатляющие цифры. Под действием видимого света, имитирующего солнечный, в присутствии этих наночастиц за час разложилось 92,5% метиленового синего. Чистые оксиды цинка и титана в тех же условиях продемонстрировали эффективность лишь 15 и 8,5 процента соответственно. Константа скорости реакции (то есть показатель того, как быстро процесс идёт каждую минуту) для наночастиц оксида цинка с титанатом цинка оказалась на порядок выше. Это значит, что загрязнители не просто разлагаются в большей степени — они исчезают намного быстрее с самого начала.

Куда движутся исследования

Подобная эффективность за час – отличный лабораторный результат, считает младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии физико-технического факультета ТГУ Валерия Чжоу: «Наши дальнейшие исследования запланированы в сторону поиска носителя для нанесения наночастиц, для создания очистных фильтрационных мембран. Это решение позволит использовать наночастицы многократно с большей эффективностью, а также масштабировать данную технологию».

Важно и то, что наночастицы сохранили высокую активность после четырёх циклов использования. К примеру, после третьего цикла снижение эффективности составило всего 5%. Это говорит о возможности многократного применения наночастиц для нейтрализации антибиотиков и красителей, попавших в водоемы. 

В тему

Следующая задача ученых — найти подходящий носитель для нанесения наночастиц, чтобы создать фильтрационные мембраны для очистки воды. Это позволит применять разработку многократно, с ещё большей эффективностью и выйти на промышленный масштаб.