Научные достижения химического факультета
4.02.2020

Химики МГУ научились очищать промышленные стоки от антибиотиков

Сотрудники Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова совместно с коллегами из Китайского университета геонаук разработали катализатор, эффективно разлагающий тетрациклиновые антибиотики. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Ежегодно Всемирная организация здравоохранения публикует список инфекций, которые плохо поддаются лечению из-за снижения эффективности антибиотиков. Причиной появления у бактерий лекарственной резистентности становится неконтролируемое применение антибиотиков, и не только в медицинских целях. Антибиотики используют в сельском хозяйстве для ускорения роста животных, профилактики болезней, борьбы с бактериозами растений. Употребление в пищу продукции, содержащей антибиотики, способствует формированию устойчивости микроорганизмов. Кроме того, из-за низкого метаболизма некоторые антибиотики остаются в природной среде в течение длительного времени, нарушают экологический баланс, попадают в питьевую воду.

Антибиотики тетрациклиновой группы активно используются в сельском хозяйстве ввиду их широкого спектра действия и доступности. Чтобы сравнительно быстро дезактивировать тетрациклин и его производные из промышленных и сельскохозяйственных стоков необходимо ощелачивание раствора с последующим кипячением. Но дешевле (и потому предпочтительнее) просто дать стокам отстояться. Однако, активность тетрациклинов может сохраняться в воде более месяца, поэтому риск попадания антибиотика в окружающую среду очень высок. Безопасные, стабильные и недорогие катализаторы, ускоряющие разложение антибиотиков, могут остановить распространение антибиотиков через промышленные стоки.

"Сотрудники кафедры химической технологии и новых материалов МГУ и их партнеры из Лаборатории по утилизации неметаллических минералов и твердых отходов (Китайский университет геонаук) создали церий-содержащий катализатор на основе природного минерала апатита, который эффективно ускоряет окисление тетрациклина", - рассказал декан химического факультета МГУ член-корреспондент РАН Степан Калмыков.

Оксиды металлов, таких как марганец и церий, часто используют в качестве катализаторов окислительного разложения антибиотиков, говорят авторы работы. "Однако в данном случае использование чистого катализатора неприемлемо - ионы тяжелых металлов могут растворяться из оксидов и переходить в воду, что ведет к новому загрязнению. - рассказала один из авторов исследования, к.х.н, доцент Дина Дейнеко.- Но растворение можно затормозить, "зафиксировав" тяжелые металлы в устойчивой кристаллической решетке". И такой решеткой стал апатит.

Апатит – природный минерал на основе фосфата кальция, одна из составляющих костной ткани человека, поэтому абсолютно не токсичный. Структура апатита позволяет менять катионы в его кристаллической структуре так, чтобы получать функциональные вещества и материалы. Ученые внедрили в структуру апатита атомы церия и подтвердили результат методами дифференциальной сканирующей калориметрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

"Предпосылками нашей работы стали зарубежные исследования, связанные с различными физическими воздействиями для дезактивации тетрациклина, такими как фото- или ультразвуковая дезактивация, а также с использованием химических веществ, например перовскитов, пероксимоносульфатов. – говорит Дина Дейнеко.- Церий может служить активным центром реакции, а также благодаря своим спектроскопическим свойством одновременно может быть индикатором для определения малейших содержаний антибиотиков к воде".

Каталитическую активность церий-содержащего апатита ученые проверили в промышленном озонаторе, подтвердили высокую эффективность катализатора и предложили механизмы реакций разложения тетрациклина.

Московские химики сотрудничают с китайскими коллегами по нескольким направлениям, в частности по созданию люминофоров нового поколения. Работа по кристаллохимическому дизайну веществ поддержана грантом Российского научного фонда.