Kontekst badania
Zanieczyszczenie wód ściekami medycznymi stanowi poważne zagrożenie globalne z uwagi na obecność toksycznych substancji, patogenów, metali ciężkich i antybiotyków. Ich niekontrolowane uwalnianie prowadzi do eutrofizacji, zaburzeń ekosystemów i rozprzestrzeniania się genów oporności na antybiotyki (ARGs). Konwencjonalne metody, takie jak chlorowanie i ozonowanie, nie są w stanie skutecznie usuwać mikroorganizmów odpornych oraz pozostałości farmaceutyków. W tej sytuacji nanotechnologia, zwłaszcza wykorzystanie tlenków metali, stała się obiecującym kierunkiem badań. Autorzy skupili się na superparamagnetycznych nanocząstkach tlenku żelaza, które łączą właściwości magnetyczne i fototermiczne, umożliwiając zarówno dezynfekcję, jak i łatwe odzyskiwanie materiału z oczyszczonej wody.
Cele i hipotezy
Celem badań było opracowanie i ocena skuteczności nowego, odzyskiwalnego nanoukładu TEG-SPIONs do eliminacji patogenów z wód biomedycznych poprzez mechanizmy niezależne od antybiotyków. Autorzy założyli, że: modyfikacja SPIONów trietylenoglikolem zwiększy ich stabilność i biokompatybilność; działanie fototermiczne pod wpływem NIR umożliwi szybką inaktywację mikroorganizmów; nanocząstki będą mogły być wielokrotnie używane bez utraty aktywności; metoda nie będzie indukować antybiotykooporności.
Metody badawcze
Nanocząstki TEG-SPIONs otrzymano metodą termicznego rozkładu prekursorów żelaza w obecności trietylenoglikolu. Oceniano ich strukturę, morfologię i stabilność za pomocą technik SEM, TEM, XRD, FTIR i XPS. Badano właściwości fototermiczne w zakresie 808 nm, konwersję energii cieplnej i stabilność termiczną. Przeprowadzono testy biokompatybilności (hemoliza i cytotoksyczność na liniach komórkowych HeLa i MSC). Aktywność przeciwbakteryjną oceniano wobec szczepów E. coli i S. aureus, zarówno w warunkach oświetlenia NIR, jak i bez niego. Dodatkowo badano zdolność do niszczenia biofilmów, generację ROS, uszkodzenia błony komórkowej oraz możliwość rozwoju oporności po wielokrotnych ekspozycjach.
Wyniki badań i ich interpretacja
Nanocząstki TEG-SPION uzyskane w procesie syntezy miały średnią średnicę około 77 nm i wykazywały dobrą stabilność koloidalną w środowisku wodnym. Analizy SEM i TEM potwierdziły ich regularny, kulisty kształt, a widma XRD wskazały na krystaliczną strukturę magnetytu (Fe₃O₄). Obecność trietylenoglikolu na powierzchni cząstek została potwierdzona w badaniach FTIR i XPS, co świadczy o skutecznej modyfikacji chemicznej, zwiększającej hydrofilowość i stabilność nanocząstek.
W badaniach fototermicznych wykazano, że TEG-SPIONy efektywnie absorbują promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni (808 nm) i w krótkim czasie powodują intensywny wzrost temperatury roztworu. Ich wydajność konwersji fototermicznej wyniosła 30,44%, co potwierdza ich wysoką zdolność do przekształcania energii świetlnej w cieplną. Po wielokrotnych cyklach naświetlania cząstki zachowały stabilność strukturalną i termiczną.
Testy przeciwdrobnoustrojowe wykazały, że TEG-SPIONy wykazują silne działanie bakteriobójcze wobec Escherichia coli i Staphylococcus aureus, zwłaszcza w połączeniu z promieniowaniem NIR. W warunkach oświetlenia uzyskano całkowitą inaktywację drobnoustrojów w ciągu 10 minut, podczas gdy w ciemności obserwowano jedynie częściową redukcję liczby żywych komórek. Analizy biochemiczne potwierdziły wzrost poziomu reaktywnych form tlenu (ROS), uszkodzenia błon komórkowych oraz wyciek kwasów nukleinowych, co wskazuje na synergiczny mechanizm działania – termiczny i oksydacyjny.
Nanocząstki skutecznie niszczyły biofilmy, redukując ich masę o ponad 90% w warunkach ekspozycji na światło NIR. Co istotne, zachowały ponad 60% swojej pierwotnej aktywności po 20 cyklach ponownego użycia, co potwierdza ich wysoką trwałość i możliwość wielokrotnego zastosowania. W przeciwieństwie do antybiotyków, TEG-SPIONy nie powodowały rozwoju oporności bakterii nawet po wielokrotnych ekspozycjach.
Wyniki testów biokompatybilności wskazały, że nanocząstki są nietoksyczne wobec komórek ssaczych i nie powodują hemolizy w efektywnych stężeniach roboczych, co czyni je bezpiecznymi dla zastosowań środowiskowych.
Ograniczenia zakresu badawczego
Choć uzyskane wyniki potwierdzają wysoką skuteczność TEG-SPIONów w unieszkodliwianiu patogenów, badanie ma kilka istotnych ograniczeń. Przede wszystkim prace prowadzono w warunkach laboratoryjnych, z wykorzystaniem modelowych szczepów bakterii i syntetycznych roztworów, co nie w pełni odzwierciedla złożoność rzeczywistych ścieków biomedycznych. Ścieki takie zawierają szerokie spektrum związków organicznych, jonów, białek i innych cząstek, które mogą wpływać na fototermiczną aktywność i stabilność nanocząstek.
Nie analizowano również wpływu obecności materii organicznej i konkurencyjnych mikroorganizmów na skuteczność działania systemu, ani nie badano potencjalnej interakcji TEG-SPIONów z metalami ciężkimi czy antybiotykami obecnymi w rzeczywistych matrycach ściekowych. W związku z tym efektywność obserwowana w laboratorium może być przeszacowana względem zastosowań praktycznych.
Kolejnym ograniczeniem jest brak długoterminowych testów trwałości i wpływu na środowisko. Nie oceniono, czy nanocząstki zachowują swoje właściwości po wielomiesięcznym przechowywaniu, ekspozycji na zmienne pH lub obecność soli mineralnych. Niewystarczająco zbadano też wpływ na mikroflorę pożyteczną i możliwość akumulacji nanocząstek w osadach ściekowych.
Ponadto badania dotyczyły wyłącznie działania przeciwbakteryjnego, bez analizy skuteczności wobec wirusów, grzybów czy mikroorganizmów wielokomórkowych. Dla pełnej oceny przydatności technologii konieczne są testy w skali pilotowej oraz badania toksykologiczne i środowiskowe, obejmujące ocenę biodegradowalności i ewentualnej bioakumulacji TEG-SPIONów.
Wnioski
TEG-SPIONy stanowią skuteczny, fototermiczno-magnetyczny układ do eliminacji patogenów w ściekach medycznych. Nanocząstki wykazują wysoką efektywność, stabilność i możliwość wielokrotnego użycia bez indukowania oporności. Ich działanie opiera się na synergii hipertermii, generacji ROS i uszkodzeń błon komórkowych. Technologia wykazuje potencjał do zastosowań w oczyszczaniu wód i zwalczaniu opornych mikroorganizmów, jednak wymaga dalszej walidacji w warunkach rzeczywistych i optymalizacji procesu pod kątem skali przemysłowej.
Artykuł opublikowano w Journal of Environmental Chemical Engineering.