Τα αντιβιοτικά που σώζουν ζωές μπορούν να γίνουν αόρατοι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι μόλις εγκαταλείψουν τα νοσοκομεία και τα νοικοκυριά.
Τώρα ένα νέο ερευνητικό έργο παρουσιάζει μια καινοτόμο λύση που μετατρέπει τα απόβλητα σε έναν φθηνό και φιλικό προς το περιβάλλον αισθητήρα, ικανό να ανιχνεύει ίχνη του ευρέως χρησιμοποιούμενου αντιβιοτικού τριμεθοπρίμης στο νερό, στα ούρα και στα φαρμακευτικά δείγματα. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Biochar.
Οι επιστήμονες δημιούργησαν μια αναλώσιμη ηλεκτροχημική συσκευή από βιοκάρβουνο, το οποίο παράγεται από τη λάσπη μιας μονάδας επεξεργασίας λυμάτων. Ο αισθητήρας προσφέρει έναν βιώσιμο τρόπο παρακολούθησης της ρύπανσης από αντιβιοτικά, δίνοντας παράλληλα νέα αξία σε ένα δύσκολα απορριπτόμενο υλικό.
Η τριμεθοπρίμη συνταγογραφείται συχνά για λοιμώξεις του ουροποιητικού, του εντέρου και του αναπνευστικού. Αφού χρησιμοποιηθεί, το φάρμακο μπορεί να φτάσει σε ποτάμια, λίμνες και εδάφη μαζί με τα λύματα. Ακόμα και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, τα αντιβιοτικά στο περιβάλλον μπορούν να προάγουν τη μικροβιακή αντοχή και να βλάψουν υδρόβια είδη.
«Η παρακολούθηση αυτών των ενώσεων είναι απαραίτητη, αλλά πολλές από τις υπάρχουσες μεθόδους είναι ακριβές, αργές και απαιτούν πολύπλοκη εργαστηριακή υποδομή», εξηγεί η επικεφαλής συγγραφέας Julia Oliveira Fernandes. «Ο στόχος μας ήταν να δημιουργήσουμε έναν αισθητήρα που να είναι απλός, γρήγορος και περιβαλλοντικά ‘υπεύθυνος’».
Το κλειδί είναι το βιοκάρβουνο, ένα πλούσιο σε άνθρακα υλικό που παράγεται με θέρμανση οργανικών αποβλήτων απουσία οξυγόνου. Στην περίπτωση αυτή, η ομάδα χρησιμοποίησε λάσπη από έναν βιολογικό καθαρισμό στο Ρίο ντε Τζανέιρο της Βραζιλίας και μετά από ελεγχόμενη πυρόλυση, ο προκύπτων βιοάνθρακας εφαρμόστηκε ως επίστρωση νανοϋλικού σε ηλεκτρόδια άνθρακα με μεταξοτυπία.
Η πορώδης δομή και η επιφανειακή χημεία του βιοκάρβουνου ενίσχυσαν σημαντικά την απόδοση του αισθητήρα. Εργαστηριακές δοκιμές έδειξαν ότι η συσκευή μπορεί να ανιχνεύσει τριμεθοπρίμη σε συγκεντρώσεις έως και 71 νανομορίων ανά λίτρο με ευρύ και αξιόπιστο εύρος μέτρησης. Επιπλέον, ο αισθητήρας έδειξε υψηλή εκλεκτικότητα, δηλαδή μπορούσε να εντοπίζει με ακρίβεια την τριμεθοπρίμη ακόμα και παρουσία άλλων κοινών ενώσεων όπως ουρία, σουλφαμεθοξαζόλη και ασκορβικό οξύ.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ένα σαφές αποτέλεσμα ‘συνεργασίας’ του βιοκάρβουνου και του ηλεκτροχημικού ηλεκτροδίου», σημειώνει ο συνσυγγραφέας Fernando Henrique Cincotto. «Το βιοκάρβουνο βελτιώνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων και αυξάνει την ενεργή επιφάνεια, κάτι που ενισχύει άμεσα την ευαισθησία του αισθητήρα».
Για να αποδείξουν την πρακτική χρησιμότητα, οι ερευνητές δοκίμασαν τον αισθητήρα σε νερό βρύσης, σε συνθετικά ούρα και σε εμπορικά φαρμακευτικά δισκία. Χωρίς προηγούμενη επεξεργασία των δειγμάτων, τα ποσοστά ανάκτησης κυμάνθηκαν από 92% έως 99%, δείχνοντας υψηλή ακρίβεια σε διαφορετικούς τύπους δειγμάτων.
Επειδή τα ηλεκτρόδια προέρχονται από μεταξοτυπία, οι συσκευές είναι φθηνές στην παραγωγή και σχεδιασμένες για εφάπαξ χρήση. Αυτό μειώνει τους κινδύνους μόλυνσης και εξαλείφει την ανάγκη καθαρισμού ή επαναβαθμονόμησης, καθιστώντας την τεχνολογία ιδανική για επιτόπια παρακολούθηση.
Πέρα από την ανίχνευση αντιβιοτικών, η μελέτη αναδεικνύει ένα ευρύτερο όφελος για τη βιωσιμότητα. Η λάσπη των λυμάτων παράγεται σε τεράστιες ποσότητες παγκοσμίως και συχνά καταλήγει σε χώρους υγειονομικής ταφής ή σε καύση, πρακτικές που είναι δαπανηρές και περιβαλλοντικά επιβλαβείς. Η μετατροπή αυτού του αποβλήτου σε βιοκάρβουνο για υψηλής αξίας εφαρμογές αισθητήρων υποστηρίζει τις αρχές της κυκλικής οικονομίας και της επαναχρησιμοποίησης αποβλήτων.
«Αυτή η δουλειά δείχνει ότι η ιλύς δεν είναι μόνο ένα πρόβλημα που πρέπει να διαχειριστούμε, αλλά μια πηγή που μπορεί να μετατραπεί σε προηγμένα λειτουργικά υλικά», δηλώνει η Fernandes. «Συνδέοντας τη διαχείριση αποβλήτων με την παρακολούθηση του περιβάλλοντος, μπορούμε να αντιμετωπίσουμε πολλαπλές προκλήσεις ταυτόχρονα».
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η πλατφόρμα θα μπορούσε να προσαρμοστεί για την ανίχνευση άλλων αναδυόμενων ρύπων, συμπεριλαμβανομένων φαρμάκων και προϊόντων προσωπικής φροντίδας. Με περαιτέρω ανάπτυξη, οι αισθητήρες βασισμένοι σε βιοκάρβουνο θα μπορούσαν να γίνουν ένα πρακτικό εργαλείο για την προστασία της ποιότητας του νερού και της δημόσιας υγείας, μειώνοντας παράλληλα τα περιβαλλοντικά απόβλητα.
