کتاب سنتز ‏نانو ‏اسفنج ‏مغناطیسی ‏و ‏بررسی ‏اثر ‏جذب ‏آن ‏روی ‏آنتی‌بیوتیک ‏آموکسی‌سیلین

فهرست
عنوان صفحه
فصـل اول 11
مقدمه 11
فصـل دوم 17
مطالعات 17
آنتی‌بیوتیک‌ها 17
آنتی‌بیوتیکها بتالاکتام 20
عارضه کلی آنتی‌بیوتیک‌ها 22
کاربردهاي کنونی و بالقوه براي تصفیه آب و فاضلاب 25
جذب 25
نانو جاذب‌های کربنی 26
حذف آلاینده‌هاي آلی 26
حذف فلزات سنگین 26
احیاء و استفاده مجدد 27
نانو جاذب‌های متکی بر فلزات 27
احیاء و استفاده مجدد از نانو جاذب‌های متکی بر فلزات 28
نانو جاذب پلیمري 29
کاربرد بالقوه در تصفیه آب 29
غشاء و فرايندهاي غشايی 29
غشاهاي نانو کامپوزیت 30
غشاهاي بیولوژيکی 31
اسمز مستقیم 31
فتوکاتالیست 32
نانو ذرات مغناطیسی 33
نگهداري و استفاده مجدد از مواد نانو 34
نانو اسفنج مغناطیسی 34
مطالعات انجام‌ شده 40
فصـل سوم 45
روش کار 45
مواد و وسایل 45
مواد اولیه به‌کاررفته در سنتز جاذب نانو اسفنج مغناطیسی 45
وسایل و دستگاه‌های به‌کاررفته در سنتز و مشخصه یابی جاذب نانو اسفنج مغناطیسی 47
وسایل و تجهیزات مورداستفاده در آزمایش‌های جذب 47
روش تهیه جاذب 47
آزمایش‌های مشخصه یابی جاذب 48
روش انجام آزمایش جذب و تعیین میزان جذب جاذب 48
ایزوترم جذب 49
روش طراحی نمونه و آنالیز داده‌ها 50
تجزیه‌وتحلیل آماری 53
فصـل چهارم 55
نتایج 55
مشخصه یابی جاذب‌ 55
طیف‌سنجی FTIR اسفنج خالص 55
نتایج آنالیز پراش پرتوایکس 57
خصوصیات جاذب 58
نتایج حذف آموکسی‌سیلین 61
اثر pH بر راندمان حذف آموکسی‌سیلین 61
اثر زمان تماس بر راندمان حذف 62
اثر میزان جاذب در حذف آموکسی‌سیلین 63
اثر غلظت اولیه در حذف آموکسی‌سیلین 65
مدل ایزوترم 66
تجزیه واریانس حذف آموکسی‌سیلین 68
شاخص‌های رگرسیونی مدل پیشنهادي 71
بررسی نمودار تابع نرمال باقیمانده‌ها 73
اثر پارامترهای مختلف بر حذف آموکسی‌سیلین 76
بهینه‌سازی مدل 85
فصـل پنجم 91
نتیجه‌گیری 91
منـابع و مآخـذ 95
منابع 95

افزايش بیش‌ازحد جمعيت و صنعتي شدن جوامع خصوصاً از نيمه دوم قرن حاضر باعث پيدايش مشكلات و مسائل جديد آلودگي محیط‌زیست شده است. ورود مقادير بالايي از انواع آلاینده‌های ناشي از پساب کارخانه‌های صنعتي، فاضلاب‌های شهري و آب شويي زمین‌های كشاورزي سبب به هم خوردن تعادل بيولوژيكي بوم‌سازگان‌های آبي شده و مشكلات عدیده‌ای را ازنظر سلامت محیط‌زیست و جوامع ايجاد كرده است. محدوديت منابع آبي از یک‌سو و افزايش آلاینده‌های سمي در آب‌های سطحي و زيرزميني از سوي ديگر، يافتن راه‌حل‌های مختلف و قابل‌قبول محيط زيستي را براي حذف این‌گونه آلاینده‌ها ضروري می‌سازد [28]. ورود داروهای و بقایای آن‌ها به محیط‌های آبی به‌عنوان یک مسئله مهم در محیط‌زیست مطرح می‌باشد. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که مواد دارویی به‌طور کامل در تصفیه‌خانه فاضلاب حذف نمی‌شوند و به محیط‌های آبی راه می‌یابند [29]. همچنین وجود ترکیبات دارویی در فاضلاب صنعتی اثبات‌شده است [30]؛ بنابراین لزوم حذف مواد دارویی قبل از ورود آن‌ها به تصفیه‌خانه فاضلاب به دلیل آسیب به میکروب‌های فعال در تصفیه لازم و ضروري می‌باشد [31].
آنتی‌بیوتیک‌ها
آنتی‌بیوتیک ماده‌ای است که از یک میکروارگانیسم گرفته می‌شود و میکروارگانیسم¬های دیگر را از بین می‌برد یا مانع تکثیر آن‌ها می‌شود؛ اما در کاربرد معمول‌تر این تعریف شامل انواع سنتزی آنتی‌بیوتیک‌ها هم می‌شود: آنتی‌بیوتیک‌ها به دو گروه عمده آنتی¬بیوتیک¬ها باکتریوسید که باعث کشتن سلول بیماری‌زا می‌شوند و باکتریواستاتیک که باعث توقف رشد و ثابت ماندن تعداد سلول بیماری‌زا هستند طبقه‌بندی می‌شوند. مکانیسم‌های عمل آنتی‌بیوتیک‌ها شامل مراحل زیر است:
1. مهار ساخت دیواره سلولی باکتری مانند بتالاکتام ها
2. مهار ساخت پروتئین‌سازی در باکتری مانند تتراسایکلین¬ها
3. مهار ساخت اسیدفولیک در باکتری مانند سولفانامیدها
4. مهار تکثیر DNA باکتری مانند کینولون¬ها
بيش از ۶۵% آنتی¬بیوتیک¬ها مصرفي جهان را گروه بتالاکتام تشکيل می‌دهند [32]. در ایران نیز 6/32 % مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها به گروه بتالاکتام ها (پنی‌سیلین، آموکسی¬سیلین و آمپی‌سیلین) تعلق دارد که آموکسی¬سیلین پرمصرف‌ترین آن‌ها می‌باشد [33]. آموکسی-سیلین یک پنی‌سیلین نیمه سنتزي با حلقه بتالاکتام با وزن مولکولی 4/365 گرم بر مول می‌باشد که از سنتز دیواره سلولی باکتري جلوگیري می‌کند [34،35] و به‌عنوان باکتریواستاتیک جهت از بین بردن باکتری‌های عفونی استفاده می‌گردد [20]. افزایش مصرف آنتی‌بیوتیک باعث افزایش نگرانی در مورد حضور طیف وسیعی از مواد دارویی در محیط‌های آبی شده است. به‌طورمعمول این مواد به دلیل ناکارآمدي فناوری‌های متداول تصفیه فاضلاب، از طریق پساب خروجی به محیط‌زیست راه‌یافته‌اند [36].
آنتی‌بیوتیک‌ها، پرمصرف‌ترین داروها می‌باشند که باعث ریشه‌کنی و توقف رشد میکروارگانیسم‌ها می‌شوند [37]. آنتی‌بیوتیک‌ها پایدار و چربی‌دوست بوده و به دلیل ورود مداوم به محیط‌زیست، می‌توانند براي مدت‌زمان طولانی در محیط‌زیست باقی بمانند که حضور آن‌ها در هر دو غلظت کم‌وزیاد، خطرناك می‌باشد. این ترکیبات نسبت به تجزیه بیولوژیکی بسیار مقاوم می‌باشند [38].
اهمیت عمده آن‌ها به دلیل ایجاد مقاومت باکتریایی بوده و بدین ترتیب تهدیدي براي سلامت بشر به‌حساب می‌آیند [39]. آنتی‌بیوتیک‌ها از تصفیه مؤثر فاضلاب جلوگیري می‌کنند، بنابراین کاربرد وسیع این داروها منجر به افزایش خطرات زیست‌محیطی می‌شود، همچنین حضور مستقیم این ترکیبات در فاضلاب داروسازي می‌توانند بر تصفیه بیولوژیکی و جمعیت میکروبی بیوراکتورها مؤثر باشند. باقیمانده آنتی‌بیوتیک‌ها و متابولیت آن‌ها در لجن می‌تواند اثر منفی روي سیستم تصفیه مانند هاضم‌های بی‌هوازی و سیستم‌های نیتریفیکاسیون داشته باشد [40]. آنتی‌بیوتیک‌ها ازجمله مواد دارویی هستند که به‌طور گسترده‌ای در پزشکی و دامپزشکی مورداستفاده قرارگرفته و از مسیرهاي مختلفی مانند پساب کشاورزي، تخلیه مستقیم از تصفیه‌خانه‌های فاضلاب شهري، مواد دفعی انسانی، دفع مستقیم زائدات پزشکی، دامپزشکی، صنعت و غیره وارد محیط‌های آبی می‌شوند [44-41].
وجود آنتی‌بیوتیک‌ها در آب‌های سطحي، زيرزميني، پساب‌ها و حتي در آب شرب در مقادير نانو تا ميکروگرم در ليتر تشخيص داده‌شده است. در ايالت متحده آمريکا باقيمانده آنتی‌بیوتیک‌ها به ميزان ۰/۱۱ ميکروگرم در ليتر در آب‌های سطحي تشخيص داده‌شده است؛ درحالی‌که در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب، غلظت‌های ۰/۵۲ ميکروگرم در ليتر در ورودي و ۰/۱۷ ميکروگرم در ليتر در برخي از پساب‌ها گزارش‌شده است [45]. مواد دارویی از دو مسیر وارد سیکل آبی می‌شوند. مسیر اول که روش صنعتی می‌باشد، شامل چهار مرحله فرآیندهاي تولید، سنتز شیمیایی، تخمیر و استخراج است که اغلب فاضلاب‌هایی با غلظت بالا تولید می‌کنند [46]. مسیر دوم از طریق خرید و استفاده مردم از داروها و دور ریز زائدات و دفع آنتی‌بیوتیک‌ها مصرفی از طریق ادرار و مدفوع به فاضلاب (90% آنتی‌بیوتیک‌هاي مصرفی از طریق ادرار و مدفوع دفع می‌شوند) می‌باشد [47،48]. به نظر می‌رسد حدود ۳۰–۹۰% آنتی‌بیوتیک‌ها در بدن انسان و حيوانات متابوليزه نمی‌شوند و درنهایت از طريق ادرار و مدفوع به شکل ترکيبات فعال وارد محیط‌زیست می‌شوند [49]. همچنین منبع عمده ورود آنتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌زیست پساب‌های تصفیه‌خانه‌های فاضلاب است. از ساير منابع اين آلاینده‌ها، تخليه داروهاي منقضي شده، زائدات کشاورزي و دامپزشکي، حوض‌های پرورش ماهي و همچنين تخلیه‌های ناشي از فعالیت‌های آزمايشگاهي و تحقيقاتي است [50،51]. نتایج مطالعه‌ای که توسط زابلی و همکاران انجام شد نشان می‌دهد که در استان‌های شمالی ایران همچون کل کشور یک‌روند صعودي در مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها وجود دارد [52]؛ بنابراین به دلیل مصرف بالاي آنتی‌بیوتیک‌ها غلظت آن‌ها در آب افزایش‌یافته و سبب کاهش کیفیت آب می‌گردد. به‌طوری‌که مطالعات متعددي در دسترس است که غلظت آنتی‌بیوتیک‌ها را در محیط‌های آبی سطحی و زیرزمینی را تا 100میکروگرم در لیتر تأیید می‌کند از طرف دیگر صنایع تولید آنتی‌بیوتیک‌ها داراي پساب با غلظت بالایی از آنتی‌بیوتیک‌ها تا 100میلی‌گرم در لیتر تولید می‌نمایند [53].
آنتی‌بیوتیک¬ها¬ی بتالاکتام
آنتی¬بیوتیک¬ها بتالاکتام که در درمان بیماری‌های باکتريايی به کار می‌روند، بیش از 50% آنتی‌بیوتیک‌ها [54] و قسمت عمده‌ای از داروهای شیمیايی را تشکیل می‌دهند [55-57]. اين مولکول‌ها با تشکيل يک ترکيب پايدار با متصل شدن به غشا باکتری در حال تشکيل، باعث جلوگيری از تشکيل ديواره سلولي باکتری‌ها می‌شوند. دسترسی آسان به ساختار اين ترکیبات، سمت ناچیز، کارآمدی و اثر زياد سبب کاربرد گسترده آنتی¬بیوتیک¬ها بتالاکتام در پزشکی شده است. اغلب آنتی¬بیوتیک¬ها بتالاکتام، بر دیواره سلولی باکتری‌ها اثر می‌کنند و باعث مهار آنزیم‌های سازنده ساختار پپتیدوگلیکان در دیواره سلولی باکتری می‌شوند، (شکل1-2) [58]. ساخت آنزیم بتالاکتاماز توسط باکتری‌ها یکی از راه‌های دفاعی بر ضد دارو و همچنین از دلایل ایجاد مقاومت به این گروه از آنتی‌بیوتیک‌ها است.

عارضه کلی آنتی‌بیوتیک‌ها
تأثیر آنتی‌بیوتیک‌ها در درمان بیماران عفونی غیرقابل‌اغماض می‌باشد، اما توسعه مقاومت در مقابل این عوامل تهدیدی جدی جهت درمان بیماری‌های عفونی می‌باشد. همچنین مصرف اکثر داروهای ضد میکروبی به دلیل انحلال‌پذیری پایین، ایجاد سمت بر بافت‌های سالم، تخریب و کلیرانس سریعشان در جریان خون با محدودیت شدیدی روبروست. همچنین چون تمام باکتری‌های مفید روده را از بین می‌برند باعث اسهال و استفراغ می‌شوند [61]. معمولاً آنتی¬بیوتیک¬ها استفاده‌شده در بدن انسان، به‌طور جزئی متابولیزه می‌شود، به‌طوری‌که (90-10) درصد آن بدون تغییر از طریق ادرار و مدفوع دفع می‌گردد. این آنتی¬بیوتیک¬ها باقیمانده متعاقباً به داخل سیستم تصفیه فاضلاب شهري تخلیه می‌شوند و اثرات نامطلوبی بر سیستم تصفیه فاضلاب دارند بعضی مطالعات نشان داده‌اند که مقدار زیادي از آنتی¬بیوتیک¬ها در محیط‌های طبیعی شامل آب‌های سطحی آب‌های زیرزمینی، خاك و در فاضلاب‌های شهري وجود دارد [62،63]. ازجمله دلايل اصلي تصفيه آنتی‌بیوتیک‌ها می‌توان به ايجاد مقاومت باکتريايي اشاره کرد که تهديد مهمي براي سلامت انسان به‌حساب می‌آیند [64]. فرايندهاي متعارف تصفيه آب و فاضلاب قادر به تجزيه و حذف اين ترکيبات نمی‌باشند. تاکنون روش‌های مختلفي همچون جذب با کربن فعال، اسمز معکوس، جداسازي با هوا و روش‌های بيولوژيک براي حذف اين ترکيبات دارويي استفاده گرديده است، اما اين روش‌ها آلاینده‌ها را از بين نمی‌برد بلکه تنها آن را از یک‌فاز به فاز ديگر منتقل می‌کند. میزان جذب سطحی بستگی به ماهیت سطح جامد (جاذب) به‌خصوص تخلخل و سطح ویژه آن دارد. به‌این‌ترتیب جاذب‌های مختلف که تخلخل بالا و سطح ویژه بزرگ دارند توسعه داده‌شده‌اند. ساختار متخلخل نه‌تنها با افزایش در سطح ویژه باعث تسهیل جذب سطحی می‌شوند، بلکه بر سینتیک‌های جذب سطحی نیز تأثیر می‌گذارد؛ بنابراین، یک جاذب خوب، بایستی دارای سطح ویژه بزرگ و زمان تعادل جذب پایین باشد. جذب سطحی می‌تواند از طریق مواد مختلفی مانند کربن فعال تجاری، مواد طبیعی، پلیمرهای سنتزی، ماده لجن و کربن فعال مواد لجن به دست آید. بااین‌حال، نیاز به مطالعه بیشتر براثر آلاینده‌های دیگر روی جذب سطحی مواد حلقوی وجود دارد تا اینکه اثرات سلامتی و محیط‌زیستی کاهش یابد [65].
حضور آنتی¬بیوتیک¬ها در محیط‌های آبی به‌عنوان یک آلاینده نوظهور و اثرات احتمالی آن‌ها بر روی محیط‌زیست در دهه اخیر موردتوجه بسیاری از دانشمندان بوده است. مطالعات صورت گرفته نشان‌دهنده وجود غلظت‌های متفاوتی از آنتی¬بیوتیک¬ها در منابعی همچون فاضلاب‌های بیمارستانی و شهری، پساب تصفیه‌خانه‌ها، رودخانه‌ها و آب‌های سطحی و همچنین آب‌های زیرزمینی می‌باشد [68-66].
ازآنجایی‌که مقدار کمی از آنتی¬بیوتیک¬ها در بدن جذب می‌شود، بخش قابل‌توجهی از آن‌ها از طریق ادرار و مدفوع دفع و از طریق فاضلاب‌های شهری وارد محیط‌های آبی می‌گردد [69].
آنتی‌بیوتیک‌ها به دلیل مقاومت باکتريايي از اهميت ویژه‌ای برخوردار می‌باشند. حضور آنتی¬بیوتیک¬ها و باکتری‌ها در کنار هم به‌عنوان یک خطر زیست‌محیطی و بهداشتی شناخته می‌شود، زیرا باکتری‌های موجود در محیط‌های آبی به‌مرور نسبت به آنتی¬بیوتیک¬ها موجود در محیط مقاوم شده و می‌توانند این رفتار را از طریق پلاسمیدهای سلولی به سایر باکتری‌ها انتقال دهند [70،71]. این در حالی است که مقاومت باکتریایی هرساله باعث مرگ حداقل 18000 نفر در آمریکا و 25000 نفر در اروپا می‌شود که این ارقام خود نشان‌دهنده میزان خطر این پدیده می‌باشد [72].
از راه‌های انتقال مواد دارويي و ترکيبات آن‌ها به محیط‌زیست می‌توان به مواردي چون انتقال از طريق پیش سازهای مواد دارويي به‌صورت عمدي و يا غيرعمدي در کارخانه تولیدکننده این مواد دارويي و انتقال از طريق مصرف و يا دفع مواد دارويي اشاره نمود [73]. از بیمارستان‌ها نيز می‌توان به‌عنوان يكي از مهم‌ترین اماكن مصرف‌کننده آنتي-بيوتيك¬ها نام برد. البته نبايد از كاربرد بسيار زياد آنتي¬¬بيوتيك¬ها در دامپزشكي نيز غافل شد. آنتي¬بيوتيک¬ها پايدار و چربی‌دوست بوده و می‌توانند ساختار شيميايي خود را به مدت طولاني براي اهداف درماني در بدن، حفظ نمايند و سپس از طريق فاضلاب انساني و كاربرد کود و لجن فاضلاب در خاک سبب آلودگي محيطي شوند. حضور مداوم آنتی‌بیوتیک‌ها در محيط، زنجيره غذايي، محیط‌های آبي و حتي تجمع زيستي آن‌ها، سبب مقاوم شدن میکروب‌ها و باکتری‌ها می‌گردد [69].
حضور آنتي¬بيوتيک¬ها در محیط‌های آبي به‌عنوان يک نگراني اصلي ديگر در ارتباط با آسيب به اکوسیستم‌ها مطرح است، زیرا پتانسيل اکوسيستم را دچار دگرگوني می‌نماید. شناخت درست از حضور و سرنوشت آنتي¬بيوتيک¬ها در طبيعت و سیستم‌های مهندسي آب، براي تشخيص خطرات و مشکلات مرتبط با اين ترکيبات، کاملاً الزامي است و همچنين مطالعات گوناگون نيز نشان داده‌اند که آنتی‌بیوتیک‌ها تقريباً غيرقابل‌ تجزیه بيولوژيکي هستند. گروه‌های مختلفي از آنتی‌بیوتیک‌ها در آب‌های زيرزميني، آب‌های سطحي، فاضلاب شهري، آب آشاميدني و حتي در خاك يافت می‌شوند. اهميت عمده آن‌ها، به دليل ايجاد مقاومت باكتريايي بوده و لذا به‌این‌ترتیب تهديدي براي سلامتي بشر به‌حساب می‌آیند [69].
مواد دارويي از طريق مصرف و دفع انسان و يا متابولیک‌های آن‌ها وارد فاضلاب شهري شده و چون عملیات تصفيه در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب براي حذف اين مواد کافي نيستند درنتیجه اين مواد بدون تصفيه ناکافي وارد آب‌های پذيرنده می‌شوند که به‌نوبه خود باعث آلودگي محیط‌زیست و درنتیجه آسيب به بهداشت عمومي می‌گردند و حتي ممکن است وارد رودخانه‌ها و دریاچه‌ها شده و سبب به خطر انداختن زندگي آبزيان شوند [76-74].
فناوري نانو واژهاي است کلی که به تمام فناوری‌های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادي در حدود 1 تا100 می‌باشد. در اين مقياس، مواد خواصي جديدي پيدا می‌کنند که وابسته به‌اندازه کوچک آن‌هاست و با خواص همان مواد در اندازه بزرگ‌تر بسيار متفاوت است. افزایش نسبت مساحت به حجم که به‌تدریج با کاهش اندازه ذره رخ می‌دهد، باعث غلبه یافتن رفتار اتم‌های واقع در سطح ذره نسبت به رفتار اتم‌های درونی شده و سطح واکنش‌پذیری نانو ذرات را به‌شدت افزایش می‌دهد. اين خواص جهت به‌کارگیری در تصفيه آب و فاضلاب موردبررسی قرارگرفته‌اند [77،78]. امروزه نانو فناوری به یک جزء تفکیک‌ناپذیر از فناوری‌های آینده بشر تبدیل‌شده است. این فناوری در محیط‌زیست نیز جایگاه ویژه‌ای برای خود باز نموده است، لذا بررسی کاربردهای آن در این حیطه حائز اهمیت می‌باشد. اگرچه تاکنون تعداد بی شماره مطالعه درزمینه کاربردهای نانو فناوری در محیط‌زیست انجام‌شده است [79]. با توسعه فناوري نانو در صنعت آب و فاضلاب، می‌توان تحولي عظيم در تأمین آب مصرفي و بخش‌های وابسته به آن به وجود آورد. کاربردهاي فناوري نانو در تصفيه آب، گندزدايي، استفاده بهينه از آب سفره‌های زيرزميني و بهبود سازه‌های آبي ازجمله ویژگی‌هایی است که صنعت آب و فاضلاب با استفاده از فناوري نانو به دنبال تحقق آن‌ها است.