Elektrody diamentowe, leki weterynaryjne i oddziaływanie na środowisko

Prof. Paweł Lochyński z Instytutu Inżynierii Środowiska realizuje projekt finansowany z funduszy Narodowego Centrum Nauki – do współpracy zaprosił naukowców z Wydziału Kształtowania Środowiska i Geodezji oraz Wydziału Medycyny Weterynaryjnej UPWr, a także z Państwowego Instytutu Weterynaryjnego w Puławach, Instytutu Fizyki Czeskiej Akademii Nauk oraz Uniwersytetu Karola w Pradze.

Diamentowe elektrody w reaktorze posłużą do elektrochemicznego rozkładu zanieczyszczeń. Innowacyjny projekt ma potencjał aplikacyjny – daje możliwość stworzenia narzędzia do monitorowania środowiska. Naukowcy będą badać toksyczność produktów rozpadu leków weterynaryjnych i pestycydów. W projekcie uczestniczą fizycy, chemicy, toksykolodzy i inżynierowie środowiska.

Projekt, na który prof. Paweł Lochyński zdobył finansowanie, realizowany jest w ramach konkursu Opus 26 + LAP. Jego celem jest sprawdzenie, czy elektrochemiczna degradacja – przy użyciu specjalnie zaprojektowanych reaktorów elektrochemicznych z innowacyjnymi materiałami elektrodowymi na bazie węgla – wybranych leków weterynaryjnych i pestycydów może skutecznie i bezpiecznie zmniejszyć ich wpływ na środowisko i toksyczność. Narodowe Centrum Nauki i Czech Science Fundation (GAČR) finansując krajowe zespoły badawcze z Polski i Czech przeznaczyły na realizację projektu łącznie 3,4 mln PLN, w tym blisko 1,3 mln dla UPWr.

– Zaprosiłem do współpracy światowej klasy specjalistów, którzy w Instytucie Fizyki Czeskiej Akademii Nauk i na Uniwersytecie Karola w Pradze tworzą nowoczesne elektrody diamentowe. Czesi mają bardzo duże doświadczenie w detekcji, czyli rozpoznawaniu substancji niebezpiecznych, a także w tworzeniu reaktorów elektrochemicznych – tłumaczy prof. Paweł Lochyński, który relacje z czeskimi naukowcami nawiązał podczas swojego stażu w Pradze i realizował już z nimi kilka projektów, które zaowocowały wspólnymi publikacjami.

Reaktor, pestycydy i leki

Jak wyjaśnia kierownik obecnego projektu, do analiz wybrano kilka pestycydów i kilka leków weterynaryjnych.

– Będziemy identyfikować produkty rozkładu tych substancji w reaktorach, ale też będziemy wykonywać testy ekotoksykologiczne na rozwielitkach oraz badać cytotoksyczność tych substancji in vitro, na liniach komórkowych. Stąd też tak szeroka interdyscyplinarność w naszym projekcie, w który zaangażowani są fizycy, chemicy, toksykolodzy i inżynierowie środowiska – mówi prof. Lochyński.

Nowatorski projekt dotyczy opracowania elektrod na bazie węgla sp3, tj. diamentu umieszczonych w zaprojektowanym reaktorze wykorzystywanym do procesów elektrochemicznego rozkładu zanieczyszczeń, identyfikacji produktów tego rozkładu oraz toksyczności mieszaniny różnych, specjalnie dobranych analitów w stężeniach odpowiadających poziomom środowiskowym. Do badań wybrano mieszaninę leków stosowanych w weterynarii: amoksycylinę, doksycyklinę, tylozynę, paracetamol i lewamizol oraz pestycydów: glifosat, metazachlor, flufenacet, spiroksaminę i diuron. Jak wyjaśnia prof. Lochyński, zaawansowane elektrochemiczne metody utlenienia (z ang. EAOP) z zastosowaniem elektrod diamentowych stanowią perspektywiczne podejście do nieselektywnej degradacji zanieczyszczeń środowiska. Stąd też pomysł na ten projekt.

– Liczymy na to, iż zdobyta dzięki niemu wiedza pozwoli nam lepiej poznać mechanizm elektrochemicznego rozkładu mieszanin ksenobiotyków, a w szczególności informacji dotyczących potencjalnych powstających produktów rozkładu i ich toksyczności – dodaje prof. Paweł Lochyński.

Innowacja i aplikacyjność

Prof. Piotr Jedziniak z Państwowego Instytutu Weterynaryjnego: – Projekt nie służy wdrożeniu, ale mimo tego ma silny potencjał aplikacyjny. Punktem wyjścia jest świadomość oddziaływania środowiskowego hodowli zwierząt i rolnictwa. Wybraliśmy do analiz dziesięć związków, ale będziemy się skupiać również na ich produktach rozpadu.

Jak tłumaczy naukowiec z PIWet, sprawdzana również będzie toksyczność mieszaniny, która powstanie. – Czy jest mniej toksyczna od pierwotnego związku, a może bardziej – wyjaśnia prof. Jedziniak, dodając, iż elektrody w większej skali zastosowane będą do badań próbek pobieranych ze ścieków z ferm hodowlanych i tu wyzwaniem będzie oczyszczenie tych ścieków tak, możliwe było sprawdzenie efektywności opracowanej technologii w praktyce.

Prof. Karolina Schwarzová wraz zespołem z Uniwersytetu Karola w Pradze projektuje reaktory elektrochemiczne, w których wykorzystywane są elektrody diamentowe domieszkowane borem (Boron-Doped Diamond). W głównej mierze w wyniku procesów elektrochemicznych rozkład związków organicznych prowadzi do ich „rozbicia” i powstania dwutlenku węgla i wody. – Moja kooperacja z Pawłem Lochyńskim trwa już od 10 lat. Zaczynaliśmy od badań nad elektrodami i bardzo się ucieszyłam, kiedy wyszedł z inicjatywą tego projektu, który teraz razem realizujemy – mówi Prof. Schwarzová, dodając, iż w jej dziedzinie na świecie specjalizuje się 1000 osób. Jedna trzecia z nich to kobiety.

Andrew Taylor z FZU – Instytutu Fizyki w Departamencie Materiałów Funkcjonalnych odpowiedzialny za wytworzenie diamentowych materiałów elektrodowych podkreśla, iż zastosowanie elektrod w procesach usuwania pestycydów i leków jest w stanie ograniczać rozprzestrzenianie się związków chemicznych w środowisku. – Idąc dalej, materiały diamentowe mają ogromy potencjał zastosowania, to przyszłościowy materiał, a nasze innowacyjne elektrody będą wyróżniać się domieszkami innych pierwiastków i morfologią 3D, co ma wpłynąć na końcowy efekt procesów utleniania – mówi Andrew Taylor.

Toksyczność i narządy

Prof. Błażej Poźniak, który w tym projekcie reprezentuje weterynarię na UPWr dodaje: – Substancje, które będziemy badali, mogą się znaleźć w ściekach z ferm wielkotowarowych czy gospodarstw rolnych. A my chcemy w skali laboratoryjnej przetestować, czy jesteśmy w stanie skutecznie rozkładać te związki. Moim zadaniem będzie sprawdzanie toksyczności tego, co uzyskamy po ich rozpadzie, w porównaniu do toksyczności substancji lub mieszaniny pierwotnej. Dodatkowo przeprowadzone zostaną badania ekotoksyczności z wykorzystaniem organizmów wodnych Daphnia magna, które realizowane będą przez dr inż. Sylwię Charazińską i dr inż. Aleksandrę Bawiec z Instytutu Inżynierii Środowiska.

Pracownicy z Instytutu Inżynierii Środowiska będą zaangażowani również w inne etapy badań prowadzonych wspólnie z pozostałymi partnerami projektu, szczególnie tych odnoszących się do wyboru odpowiednich parametrów procesów elektrodowych. A prof. Poźniak toksyczność będzie badał razem z dr Martą Henklewską z Katedry Farmakologii i Toksykologii. W swoich badaniach wykorzystają ustalone linie komórkowe, w tym komórki ludzkiego raka wątroby stanowiące powszechnie przyjęty model dla oceny działania hepatotoksycznego, oraz mysie fibroblasty, czyli komórki tkanki łącznej będące jednym z najbardziej ustandaryzowanych modeli oceny ogólnej cytotoksyczności.

– Profesor Jedziniak będzie badał to, co powstaje z tych rozkładanych związków macierzystych, a my będziemy badali, czy i jak to „coś” wpływa na wzrost komórek, czy nie jest dla nich toksyczne. Może się okazać, iż substancja macierzysta zniknie, a więc pozornie nie będzie oddziaływała na środowisko, ale komórki hodowane w takiej mieszaninie będą rozwijały się gorzej lub zaczną umierać. A to może oznaczać, iż jakieś produkty rozpadu tych 10 wybranych przez nas związków, kilku, a może tylko jednego, są toksyczne. Być może choćby bardziej toksyczne od produktu wyjściowego – tłumaczy prof. Błażej Poźniak, dodając, iż przy zidentyfikowaniu takiego efektu, badanie cytotoksyczności zostanie poszerzone o linię komórkową nerki. W ten sposób uzyskany zostanie panel komórek reprezentatywnych dla narządów oczyszczających organizm z produktów przemiany materii, leków oraz trucizn. – Narządów, które najczęściej są narażane na toksyczne uszkodzenie. Spróbujemy przyjrzeć się też potencjalnym mechanizmom tego działania sprawdzając nie tylko żywotność komórek, ale też oceniając czy mieszaniny te indukują stres oksydacyjny albo apoptozę, czyli programowaną śmierć komórki – mówi prof. Poźniak.

Interdyscyplinarność i kooperacja międzynarodowa

Projekt realizują specjaliści w dziedzinie inżynierii środowiska, inżynierii materiałowej, elektrochemii, toksykologii weterynaryjnej i chemii analitycznej z polskich i czeskich ośrodków naukowych: Instytutu Fizyki Czeskiej Akademii Nauk, Zakładu Chemii Analitycznej na Uniwersytecie Karola w Pradze, PIWet – Państwowego Instytutu Weterynaryjnego – Państwowego Instytutu Badawczego w Puławach i Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, lidera polskiej grupy badawczej.

Plan badań opiera się na ścisłej współpracy wszystkich zaangażowanych instytucji: strona czeska odpowiada za projektowanie, wytwarzanie i dostosowywanie adekwatności przewodzących elektrod diamentowych 2D i 3D oraz projektowanie i wytwarzanie reaktorów elektrochemicznych, uczestniczy wspólnie z naukowcami z UPWr w testowaniu wydajności opracowanych elektrod i rektorów elektrochemicznych w procesach EAOP oraz badaniach nad optymalnymi warunkami pracy dla degradacji modelowych ksenobiotyków, a wspólnie z PIWet w identyfikacji produktów rozkładu leków weterynaryjnych i pestycydów oraz ich mieszanin w obecności/braku jonów nieorganicznych. Za ocenę ekotoksyczności i cytotoksyczności mieszanin przed- i poreakcyjnych odpowiadają badacze z UPWr, a za zastosowanie opracowanego systemu badawczego do badania próbek wody z ferm hodowlanych badacze z Uniwersytetu Karola, PIWet i UPWr.

Opracowana metodyka zostanie zastosowana do analizy laboratoryjnej próbek ścieków rzeczywistych. Badania mogą doprowadzić do nowych praktycznych rozwiązań w zakresie usuwania szkodliwych związków i zmniejszenia ich negatywnego wpływu na środowisko.

Źródło: upwr.edu.pl