Estudo da UFSCar aperfeiçoa material para tratamento de água contaminada com antibióticos
Uma equipe de pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) investigou formas de aprimorar o processo de limpeza de águas poluídas por medicamentos e apresentou um material melhorado para essa finalidade. O estudo, publicado recentemente no Chemical Engineering Journal, foi conduzido por Matheus G. Guardiano, Isabelle M. D. Gonzaga, Lara K. Ribeiro, Caio V. da Silva Almeida, sob liderança da Profª Drª Lucia Helena Mascaro, pesquisadora titular do Departamento de Química e integrante do Centro de Excelência para Pesquisa em Química Sustentável (CERSusChem).
A contaminação de corpos de água por antibióticos não afeta apenas o meio ambiente, mas também tem se tornado um problema crescente de saúde pública porque pode levar ao desenvolvimento de bactérias resistentes. Grande parte dessa poluição vem de estações de tratamento de esgoto doméstico que não conseguem remover completamente os resíduos de medicamentos descartados incorretamente. Esses compostos são identificados com frequência em concentrações alarmantes em certas regiões, o que reforça a urgência de soluções para resolver essa questão.
Para degradar os poluentes e reduzir seus danos no meio ambiente, uma técnica chamada eletrocatálise solar é utilizada. Ela se baseia no uso da luz solar para gerar eletricidade e “quebrar” os compostos contaminantes. Nessa abordagem, o composto vanadato de bismuto (BiVO₄), um semicondutor, é utilizado como um material base que, ao ser exposto à luz, inicia reações químicas que ajudam a remover as substâncias contaminantes presentes na água. Porém, o BiVO₄ apresenta baixa estabilidade em exposição prolongada à luz e uma eficiência limitada na conversão de energia para as reações desejadas, levando os pesquisadores a buscar formas de promover melhorias nessas propriedades do material.
A estratégia adotada na pesquisa foi adicionar um outro elemento ao BiVO₄ (um processo chamado doping), de modo a substituir alguns dos seus átomos por outros de outro composto. Essa modificação altera características físico-químicas do material e pode torná-lo mais eficiente para uma aplicação desejada. Para tanto, o metal gadolínio (Gd) foi o elemento inserido na estrutura do BiVO₄. Entre as razões, o Gd foi escolhido por pertencer ao grupo dos metais de terras raras com propriedades que podem melhorar o desempenho de semicondutores em processos fotoquímicos, embora poucos estudos utilizaram esse elemento como dopante.
O novo material (Gd-BiVO₄) foi aplicado para remover dois antibióticos muito usados, o ciprofloxacino (CIP) e o sulfametoxazol (SMX), de diferentes amostras de água: rio e lago, coletadas em São Carlos (SP), e água residual farmacêutica, coletada em Toledo (PR). Em apenas 30 minutos do processo, foi possível remover completamente os dois fármacos. Além disso, o material foi reutilizado cinco vezes e ainda manteve sua eficácia. No entanto, os pesquisadores identificaram que as condições da água podem influenciar a eficiência do processo de degradação, em especial se outras substâncias presentes no meio competirem com o antibiótico pela ação do material. Mesmo assim, o Gd-BiVO₄ mostrou eficácia na remoção de antibióticos de águas contaminadas, com a vantagem de ser reutilizável ao longo de vários ciclos.
Sobre os próximos passos da pesquisa, a Profª Drª Lucia Helena Mascaro explica: “Em continuidade a este trabalho, estamos testando a dopagem com outros metais de terras raras, combinados ou em diferentes proporções, para comparar seus efeitos na eficiência do material. A análise do mecanismo de degradação dos fármacos também pode fornecer insights valiosos para otimizar o processo e potencializar sua eficácia contra uma gama mais ampla de poluentes emergentes e em diferentes matrizes. Além disso, seria interessante explorar a aplicação do material em larga escala, avaliando sua viabilidade técnica e econômica em sistemas reais de tratamento de águas residuais”. O artigo completo, “Gd-BiVO₄: An efficient photoanode for pharmaceuticals degradation in contaminated waters via solar photoelectrocatalysis”, pode ser conferido na íntegra em: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158463
UFSCar's research optimizes material for the treatment of water contaminated with antibiotics
A research team from the Federal University of São Carlos (UFSCar) investigated methods to improve the process of cleaning water contaminated by pharmaceuticals and presented an enhanced material for this purpose. The study, recently published in the Chemical Engineering Journal, was conducted by Matheus G. Guardiano, Isabelle M. D. Gonzaga, Lara K. Ribeiro, and Caio V. da Silva Almeida, under the guidance of Professor Lucia Helena Mascaro, a senior researcher in the Department of Chemistry and member of the Centre of Excellence for Research in Sustainable Chemistry (CERSusChem).
The contamination of water sources by antibiotics not only affects the environment but has also become an increasing public health concern as it can lead to the development of antibiotic-resistant bacteria. Much of this pollution comes from domestic wastewater treatment facilities that are incapable of completely remove improperly discarded pharmaceutical residues. These compounds are often found at alarming levels in certain regions, reinforcing the urgency for solutions to address this problem.
To degrade pollutants and reduce their environmental impact, a technique known as solar photoelectrocatalysis is used. By utilizing solar light, it generates electricity “to break” contaminant compounds. In this approach, the compound bismuth vanadate (BiVO₄), a semiconductor, is used as a base material that, when exposed to light, initiates chemical reactions that help to remove the contaminants in water. However, BiVO₄ has low stability when exposed to light for extended periods and limited efficiency in converting energy for the desired reactions, leading researchers to look for ways to improve these material properties.
The research strategy was to incorporate an additional element into BiVO₄ (a process called doping), replacing some of its atoms with those from another compound. This modification changes the physicochemical properties of the material and can make it more efficient for a specific application. The metal gadolinium (Gd) was selected to be add to the BiVO₄ structure. Among the reasons, Gd was chosen because it belongs to the rare earth metal group, which has properties that can improve the performance of semiconductors in photochemical processes, although few studies have utilized it as a doping substance.
The new material (Gd-BiVO₄) was tested to remove two commonly used antibiotics, ciprofloxacin (CIP) and sulfamethoxazole (SMX), from different water samples: river and lake water collected in São Carlos (state of São Paulo - Brazil) and pharmaceutical wastewater collected in Toledo (state of Paraná - Brazil). In just 30 minutes, both drugs were completely removed. Additionally, the material was reused five times and still maintained its effectiveness. Despite that, the researchers identified that water conditions may influence the degradation process efficiency, especially if other substances present in the water compete with the antibiotic for the material's action. Nevertheless, Gd-BiVO₄ proved to be effective in removing antibiotics from polluted water, with the advantage of being reusable over several cycles.
Exploring future directions, Professor Lucia Helena Mascaro explains: “As a continuation of this work, we are testing doping with other rare earth metals, either combined or in different proportions, to compare their effects on the material's efficiency. The analysis of the degradation mechanism of pharmaceuticals can also provide valuable insights to optimize the process and enhance its effectiveness against a wider range of emerging pollutants and different matrices. We are also considering large-scale applications of the material, assessing its technical and economic viability for real wastewater treatment systems”. The complete article, “Gd-BiVO₄: An efficient photoanode for pharmaceuticals degradation in contaminated waters via solar photoelectrocatalysis”, is available at: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158463
Texto por Milena Rossales Castro.