Elektrokoagulacja w walce z opornością na antybiotyki – przełomowe badanie

Czy wiesz, jak elektrokoagulacja zmniejsza oporność na antybiotyki?

Badanie przedstawione w artykule koncentruje się na zastosowaniu procesu elektrokoagulacji (ECP) do usuwania sulfametoksazolu (SMX) z roztworów wodnych. SMX jest jednym z najczęściej stosowanych antybiotyków na świecie i regularnie wykrywany jest w środowisku wodnym w stężeniach od 20 do 5320 ng L^-1. Ciągła ekspozycja na antybiotyki prowadzi do rozwoju szczepów opornych na antybiotyki i generowania genów oporności na antybiotyki, co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego.

Przeprowadzone badanie eksperymentalne miało na celu porównanie efektywności różnych materiałów elektrodowych (Fe/Fe, Al/Al, Cu/Cu, Zn/Zn) w procesie elektrokoagulacji oraz optymalizację parametrów operacyjnych tego procesu. Badacze zastosowali metodologię powierzchni odpowiedzi (RSM) z wykorzystaniem centralnego planu kompozycyjnego (CCD) do analizy wpływu kluczowych parametrów: początkowego stężenia SMX, gęstości prądu, pH roztworu oraz czasu reakcji.

Proces elektrokoagulacji (ECP) jest porównywalny z zaawansowanymi procesami utleniania (AOP) i technologiami adsorpcyjnymi w oczyszczaniu wody i ścieków. ECP jest ekonomiczny i wielofunkcyjny, chociaż AOP mogą być droższe ze względu na stosowanie katalizatorów i światła UV. ECP zużywa więcej energii niż technologie adsorpcyjne, ale generuje mniej osadów i jest bardziej przyjazny dla środowiska ze względu na minimalną ilość dodawanych chemikaliów.

Jakie mechanizmy i materiały decydują o skuteczności ECP?

Główny mechanizm usuwania SMX podczas ECP opiera się na pięciu procesach: koagulacji, sedymentacji, adsorpcji, flokulacji i flotacji, które działają synergistycznie przy zastosowaniu prądu elektrycznego. W badaniu wykorzystano cylindryczny reaktor z elektrodami pionowymi, zasilany przez MEGATEK (MP-3005D, Tajwan), z mieszadłem magnetycznym Heidolph (Niemcy) pracującym z prędkością 200 obr/min. Wszystkie eksperymenty przeprowadzono w temperaturze otoczenia 22 ± 3°C.

Porównanie materiałów elektrodowych wykazało, że elektrody żelazne (Fe/Fe) osiągnęły najwyższą skuteczność usuwania SMX (78,5% w czasie 20 minut przy pH 10,0), podczas gdy elektrody Al/Al, Cu/Cu i Zn/Zn wykazały skuteczność odpowiednio 65,4%, 34,1% i 56,8%. Wyższa skuteczność elektrod żelaznych przypisywana jest tworzeniu gęstszych kłaczków wodorotlenku żelaza, które mają lepszą zdolność sedymentacji i większą pojemność sorpcyjną w porównaniu do innych badanych materiałów.

Pod względem zużycia energii, elektrody Cu/Cu wykazały najniższe zużycie (0,224 kWh m^-3 przy pH 4,0), następnie Fe/Fe (0,347 kWh m^-3), Zn/Zn (0,421 kWh m^-3) i Al/Al (0,432 kWh m^-3). Lepsza wydajność elektrod Fe/Fe pod względem zużycia energii i skuteczności usuwania może być przypisana niższemu standardowemu potencjałowi elektrody (E°) elektrod Fe/Fe (Fe²⁺ = -0,44 V i Fe³⁺ = -0,036 V) w porównaniu do elektrod Al i Zn (-1,66 V, -0,76 V), co przyspiesza proces ECP i zwiększa jego efektywność.

Badacze przeanalizowali również wpływ różnych elektrolitów wspomagających (NaCl, KCl, KNO₃, Na₂SO₄ i CaCO₃) na wydajność procesu. NaCl i KCl wykazały najwyższą skuteczność usuwania SMX (odpowiednio 74,5% i 73,3%) przy najniższym zużyciu energii (0,608 i 0,656 kWh m^-3). Efektywność NaCl przypisuje się zdolności jonów Cl^– do niszczenia warstwy osadu tworzącej się na powierzchni anody, co zwiększa utlenianie i produkcję koagulantu.

Optymalne stężenie NaCl określono na 20 mM, co zapewniło 80,4% skuteczność usuwania SMX przy zużyciu energii 0,504 kWh m^-3. Dalsze zwiększanie stężenia NaCl do 30 mM nie powodowało znaczącej poprawy skuteczności procesu (81,1%) przy niewielkim zmniejszeniu zużycia energii (0,480 kWh m^-3).

Czy wyniki badań potwierdzają skuteczność ECP?

Do analizy danych eksperymentalnych zastosowano oprogramowanie Design-Expert® wersja 12, wykorzystując centralny plan kompozycyjny (CCD), który jest popularną metodą w metodologii powierzchni odpowiedzi (RSM). Zależność między parametrami operacyjnymi a zmienną odpowiedzi (Y) została wyjaśniona za pomocą wielomianu drugiego stopnia. Model kwadratowy okazał się najbardziej odpowiedni do interpretacji wyników ze względu na jego znaczącą wartość F, wysoką wartość R² i niższy błąd sumy kwadratów resztkowych przewidywania (PRESS) w porównaniu z alternatywnymi modelami.

Analiza statystyczna wykazała, że pH roztworu miało największy wpływ na skuteczność usuwania SMX (33,8%), następnie gęstość prądu (23,2%), czas reakcji (11,4%) i początkowe stężenie SMX (9,1%). Kwadratowe efekty czasu reakcji i gęstości prądu miały wpływ odpowiednio 19,6% i 2,9%. Zaproponowany model kwadratowy wykazał, że najważniejszymi współczynnikami o pozytywnym wpływie na skuteczność usuwania SMX były główne zmienne: gęstość prądu (X₂), pH roztworu (X₃) i czas reakcji (X₄).

Badania wykazały, że skuteczność usuwania SMX zwiększała się wraz ze wzrostem pH roztworu (z 72,7% przy pH 4,0 do 99,8% przy pH 10,0). W warunkach zasadowych cząsteczki SMX mają ładunek ujemny, co sprzyja ich adsorpcji na dodatnio naładowanych kłaczkach wodorotlenku żelaza. Zwiększenie gęstości prądu z 5,0 do 18,0 mA cm^-2 poprawiło skuteczność usuwania z 67,1% do 89,7%, ale dalszy wzrost do 20,0 mA cm^-2 powodował niewielki spadek wydajności, prawdopodobnie z powodu polaryzacji stężeniowej i pasywacji elektrod.

Skuteczność procesu ECP wzrastała również wraz ze spadkiem początkowego stężenia SMX. Przy stężeniu 2 mg L^-1 osiągnięto 93,6% skuteczność usuwania, podczas gdy przy 30 mg L^-1 skuteczność spadła do 79,3%. Jest to prawdopodobnie spowodowane niewystarczającą sedymentacją zanieczyszczeń SMX z powodu ograniczonego tworzenia się kłaczków wodorotlenku metalu przy wyższych stężeniach początkowych.

Optymalny czas reakcji określono na około 15 minut, po czym skuteczność zaczęła spadać ze względu na niestabilność kłaczków Fe(OH)₃, co powodowało ich rozpad i uwolnienie zaadsorbowanych cząsteczek SMX. Ponadto, ewolucja pęcherzyków tlenu utrudniała uwalnianie kationów żelaza z anody przy dłuższych czasach reakcji.

W optymalnych warunkach (stężenie SMX 20 mg L^-1, gęstość prądu 15,0 mA cm^-2, pH 9,0, czas reakcji 17,0 min) osiągnięto 99,9% skuteczność usuwania SMX, co jest zgodne z przewidywaną wartością 100% według opracowanego modelu. Przeprowadzono również eksperymenty walidacyjne w optymalnych i innych warunkach, które potwierdziły zgodność wartości eksperymentalnych i przewidywanych, co potwierdza ważność opracowanego modelu.

Badanie to potwierdza skuteczność procesu elektrokoagulacji z wykorzystaniem elektrod żelaznych jako efektywnej, ekonomicznej i przyjaznej dla środowiska metody usuwania antybiotyków ze ścieków szpitalnych. ECP wykazuje skuteczny potencjał do oczyszczania i zarządzania ściekami szpitalnymi z wysoką wydajnością, niskim zużyciem energii, opłacalnością i bezpieczeństwem ekologicznym. Wyniki mogą mieć istotne znaczenie dla opracowania strategii ograniczania rozprzestrzeniania się antybiotyków w środowisku wodnym, co może pomóc w walce z rosnącym problemem oporności na antybiotyki.

Podsumowanie

Badanie koncentruje się na wykorzystaniu procesu elektrokoagulacji (ECP) do usuwania sulfametoksazolu (SMX) z roztworów wodnych. Wykazano, że elektrody żelazne (Fe/Fe) osiągają najwyższą skuteczność usuwania SMX (78,5%) w porównaniu z elektrodami Al/Al, Cu/Cu i Zn/Zn. Proces ECP opiera się na pięciu mechanizmach: koagulacji, sedymentacji, adsorpcji, flokulacji i flotacji. Najlepsze rezultaty osiągnięto przy użyciu NaCl jako elektrolitu wspomagającego, z optymalnym stężeniem 20 mM. W optymalnych warunkach (stężenie SMX 20 mg/L, gęstość prądu 15,0 mA/cm², pH 9,0, czas reakcji 17 minut) uzyskano 99,9% skuteczność usuwania SMX. Badanie potwierdza, że ECP jest skuteczną, ekonomiczną i przyjazną dla środowiska metodą usuwania antybiotyków ze ścieków szpitalnych, co może przyczynić się do ograniczenia problemu antybiotykooporności.