זיהום אנטיביוטי במים הוא דאגה עולמית הולכת וגוברת, שכן שאריות של רפואת האדם, ייצור בעלי חיים וחקלאות ימית עלולים להימשך בסביבה ולתרום להתפשטות העמידות לאנטיביוטיקה. מחקר חדש מראה שלמבנה המולקולרי של אנטיביוטיקה תפקיד מכריע באיזו יעילות ניתן להסירם מהמים באמצעות ביו-צ'אר, חומר עשיר בפחמן המופק מפסולת חקלאית.
החוקרים חקרו חמש אנטיביוטיקות טטרציקלין בשימוש נרחב ובדקו כיצד ההבדלים המבניים שלהן משפיעים על ספיחה על ביוצ'אר קש אורז המיוצר בטמפרטורה גבוהה. הממצאים שלהם מספקים תובנה חדשה לגבי האופן שבו כימיה מזהמים שולטת ביעילות ההסרה ומציעים הדרכה לתכנון חומרי טיפול טובים יותר מבוססי ביו-פחמים.
"העבודה שלנו מראה שלא כל האנטיביוטיקה מתנהגת אותו דבר במערכות לטיפול במים", אמר מחבר המחקר המקביל. "אפילו הבדלים מבניים עדינים יכולים לשנות את מידת האינטראקציה של מולקולה עם משטחי ביוצ'אר, מה שקובע בסופו של דבר באיזו מהירות ובאיזו יעילות ניתן להסיר אותה."
טטרציקלינים מתגלים בדרך כלל בשפכים ובמים עיליים מכיוון שחלקים גדולים של אנטיביוטיקה שניתלת מופרשים ללא חילוף חומרים. שיטות טיפול קונבנציונליות לרוב אינן מצליחות לחסל אותן במלואן, מה שמאפשר לשאריות להיכנס למערכות אקולוגיות טבעיות שבהן הן יכולות לשבש קהילות מיקרוביאליות ולקדם גנים עמידות.
כדי להבין כיצד המבנה המולקולרי משפיע על ההסרה, צוות המחקר שילב ספקטרוסקופיה מתקדמת, ניסויי ספיחה ומידול כימי קוונטי. התוצאות שלהם גילו כי קשרי מימן בין קבוצות אמינו על מולקולות טטרציקלין וקבוצות קרבוניל על משטחי ביוצ'אר היא האינטראקציה הדומיננטית בתנאי סביבה שונים.
עם זאת, עוצמתה של אינטראקציה זו תלויה מאוד בקבוצות תחליפיות המחוברות למולקולות האנטיביוטיות. תרכובות המכילות קבוצות פונקציונליות תורמות אלקטרונים הראו ספיחה משופרת, בעוד שתחליפים מושכי אלקטרונים האטו את התהליך. כתוצאה מכך, חמש האנטיביוטיקה הציגו שיעורי הסרה שונים באופן ניכר, כאשר דוקסיציקלין ומינוציקלין נקשרים במהירות הגבוהה ביותר ואוקסיטטרציקלין הראו את הספיחה האיטית ביותר.
המחקר גם הדגים שספיחה מתרחשת בשני שלבים: שלב כריכה ראשוני מהיר ואחריו שלב מבוקר דיפוזיה איטי יותר. על ידי קישור מתארים מולקולריים לפרמטרים קינטיים, החוקרים פיתחו מודלים חיזויים המסוגלים להעריך התנהגות ספיחה על סמך מבנה כימי בלבד.
"יכולת הניבוי הזו חשובה", הסביר המחבר הראשי. "זה אומר שאנחנו יכולים להתחיל לתכנן חומרי ביוצ'אר המותאמים למזהמים ספציפיים במקום להסתמך על ניסוי וטעייה".
מעבר לשיפור הטיפול במים, הממצאים מדגישים את הפוטנציאל ששאריות חקלאיות כמו קש אורז יהפכו לחומרי שיקום סביבתיים בעלי ערך גבוה. על ידי אופטימיזציה של תנאי פירוליזה וכימיה פני השטח, ניתן להנדס ביוצ'אר כדי למקד באופן סלקטיבי לקבוצות של מזהמים מתעוררים.
החוקרים מדגישים כי הבנת מבנה המזהמים חיונית לשיפור אסטרטגיות השיקום בעולם המתמודד עם זיהום כימי הולך וגובר.
"כאשר תרופות חדשות נכנסות לסביבה, אנו זקוקים לחומרים חכמים יותר ולדגמים חכמים יותר כדי להסיר אותם", אמר המחבר. "מחקר זה מספק מסגרת לקישור כימיה מולקולרית עם ביצועי ניקוי סביבתיים."
הצוות מקווה שעבודתם תנחה מאמצים עתידיים לפיתוח סופחים ברי קיימא בעלות נמוכה המסוגלת להסיר אנטיביוטיקה ומזהמים אחרים המתעוררים ממערכות מים ברחבי העולם.
