باحثون من جامعة قطر يساهمون في تطوير عمليات أكسدة كهروكيميائية مستدامة

لتكسير المركبات الصيدلانية الملوثة للمياه

• النتائج التي توصل إليها البحث توفر معلومات مهمة مطلوبة مستقبليًا لإزالة التلوث البيئي لكميات كبيرة من مياه الصرف الصحي الملوثة بعقار الهيدروكسي كلوروكين HCQ

قاد باحثون من جامعة قطر فريقًا بحثيًا دوليًا لنشر مقال بحثي في مجلة علمية ذات معامل تأثير مرتفع، مجلة الهندسة الكيميائية، التي تنشرها دار النشر العالمية السفير. قدم هذا البحث عملية تكسير مستدامة فعالة لعقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) في المحاليل المائية وذلك باستخدام طرق الأكسدة الكهروكيميائية المتقدمة التي شملت الأكسدة الكهروكيميائية (EO) باستخدام الماس المشبع بالبورون (BDD) مع الأشعة فوق البنفسجية (الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة أطياف الأشعة فوق البنفسجية PEO) والموجات فوق الصوتية (الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية SEO).

تشكل الفريق البحثي برئاسة الأستاذ الدكتور نصر بنصالح، أستاذ الكيمياء بقسم الكيمياء وعلوم الأرض، كلية الآداب والعلوم - جامعة قطر، وتضمن فريق البحث كلا من: الدكتور محمد إبراهيم أحمد، باحث مشارك، وحدة المختبرات المركزية، قطاع البحث والدراسات العليا - جامعة قطر، الأستاذ الدكتور أحمد بيدوي، قسم الكيمياء، كلية العلوم - جامعة قابس (تونس)، الطالبة سندس ميداسي (طالبة دكتوراه)، قسم الكيمياء، كلية العلوم - جامعة قابس (تونس).

وقد صرح الأستاذ الدكتور نصر بنصالح إلى أن الدراسات السابقة في هذا الصدد قد أشارت إلى أن عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) يستخدم على نطاق واسع كدواء لعلاج أمراض الروماتيزم والأمراض الجلدية كما يتم وصفه كعلاج مضاد لمرض الملاريا. وفي الآونة الأخيرة، سمحت المنظمات الطبية الوطنية والدولية على مستوي العالم باستخدام عقار الكلوروكين وعقار الهيدروكسي كلوروكين ضمن بروتوكولات العلاج لمرضي فيروس كورونا (COVID-19) في بعض المستشفيات. وقال الدكتور محمد إبراهيم أن كميات كبيرة من عقار الهيدروكسي كلوروكين تستخدم في علاج الأمراض المختلفة على المستوي العالمي، مما يؤدي بالتأكيد إلى تسرب كميات كبيرة من مياه الصرف الصحي الملوثة بعقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) في البيئة.

ونظرًا لخصائصه الكيميائية والبيولوجية المميزة، يتميز عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) بقدرة عالية على الثبات والتراكم البيولوجي والانتقال إلى الكائنات الحية في صورة سامة مكثفة. كما أشارت الأبحاث - كما ورد في الدراسة - إلى أن هذا العقار يمكنه أيضًا أن يلوث الهواء (مادة مستنفدة للأوزون)، والتربة (التراكم البيولوجي في الغطاء النباتي)، والمياه الجوفية (مادة ملوثة ثابتة). لذلك تتطلب المخاطر العالية لتلوث المياه الطبيعية بسبب الإنتاج الكبير الاستخدامات المتعددة لعقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) مزيدًا من الاهتمام والدراسات للحد من آثاره الخطرة على صحة الإنسان والبيئة.

وأشار فريق البحث إلى أن النتائج التي توصل إليها توفر معلومات مهمة مطلوبة مستقبليًا لإزالة التلوث البيئي لكميات كبيرة من مياه الصرف الصحي الملوثة بعقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) ومشتقاته. حيث تمت دراسة مراحل تكسير العقار بواسطة القياس الطيفي للأشعة المرئية / فوق البنفسجية (UV/VIS) وتحليل الكربون العضوي الكلي (TOC). كما تم إجراء التحاليل اللازمة للمواد الوسيطة العضوية وغير العضوية التي تتكون خلال عمليات التكسير وذلك باستخدام تقنيات الكروماتوجرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) وتقنيات الكروماتوجرافيا الأيونية (IC).

وبخصوص التجارب العملية للبحث فقد شملت إجراء التجارب الكهروكيميائية عن طريق خلية تدفق كهروكيميائية ذات مقصورة واحدة تعمل من خلال التشغيل الدفعي (الشكل 1. a). حيث يتم تدفيع الإلكتروليت المخزن في خزان زجاجي عبر الخلية الإلكتروليتية وذلك بواسطة مضخة طرد مركزي بمعدل تدفق ثابت. تم استخدام حمام حراري بمبادل حراري للحفاظ على درجة الحرارة عند 25 درجة مئوية خلال جميع التجارب. تم استخدام نفس خلية التدفق الكهروكيميائية في جميع تجارب الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة أطياف الأشعة فوق البنفسجية (PEO) والأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية SEO)). في تجارب الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية SEO)) تم تجهيز مولد للموجات فوق الصوتية بمسبار صوتي مغمور في الخزان الزجاجي. وعند إجراء تجارب الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة أطياف الأشعة فوق البنفسجية (PEO) تم تدعيم التجربة بمصدر للأشعة الفوق بنفسجية حيث تم وضعه في موضع محوري مغمور في أنبوب غمر رأسي موجود في أنبوب تبريد حراري من الكوارتز عمودي ومغمور في الخزان الزجاجي (الشكل 1. b).

الشكل (1): (a) الخلية الكهروكيميائية، (b) المفاعل الكهروكيميائي، (c) رسم كروكي لمكونات العملية

حققت عملية الأكسدة الكهروكيميائية (EO) باستخدام الماس المشبع بالبورون (BDD) استنفادًا كاملاً لعقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) في المحاليل المائية بغض النظر عن تركيز العقار وكثافة التيار وقيمة الأس الهيدروجيني الأولية. كان معدل تحلل عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) أسرع من الكربون العضوي الكلي (TOC) مما يشير إلى أن عملية تحلل العقار بواسطة عملية الأكسدة الكهروكيميائية (EO) باستخدام الماس المشبع بالبورون (BDD) تتضمن خطوات متتالية تؤدي إلى تكوين مواد وسيطة عضوية تنتهي إلى التمعدن (الشكل 2. a). علاوة على ذلك ، فقد دلت نتائج الدراسة علي تحرر أيونات الكلوريد (Cl-) في المراحل الأولى من عملية تكسير عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ). بالإضافة إلى ذلك، تم تحويل النيتروجين العضوي بشكل أساسي إلى (NH4+،NO3-) كميات قليلة من أنواع النيتروجين المتطاير (NH3 and NOx). كما دلت نتائج التحليل الكروماتوجرافي على تكوين مركبات مثل: 7 - كلورو - 4 - كينولينامين أمين وأحماض الأوكساميك والأكساليك كمواد وسطية لعملية تكسير عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) بواسطة عمليات الأكسدة الكهروكيميائية (الشكل 2.b).

الشكل (2): (a) التغييرات في تركيز عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) والكربون العضوي الكلي (TOC) مع الوقت والوسائط مع الشحنة الكهربائية المحددة أثناء عملية الأكسدة الكهروكيميائية المختلفة، (b) شكل توضيحي مبسط لميكانيكية تفاعل تكسير عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) بواسطة عمليات الأكسدة الكهروكيميائية المتبعة.

أكدت نتائج البحث على أن الجمع بين الأكسدة الكهروكيميائية (EO) باستخدام الماس المشبع بالبورون (BDD) مع الأشعة فوق البنفسجية (الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة أطياف الأشعة فوق البنفسجية PEO) والموجات فوق الصوتية (الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة الموجات فوق الصوتية SEO) يعزز من حركية وفعالية عملية أكسدة وتكسير عقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) في الأوساط المائية. وقد أظهرت النتائج أن عملية الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة أطياف الأشعة فوق البنفسجية PEO أقل استهلاكًا للطاقة الكهربائية حيث بلغت الطاقة المستهلكة 63 كيلو واط في الساعة / متر3 مما يدل على فاعلية التكلفة مقارنة بالطرق الأخرى المستخدمة (EAOPs). لذلك فإن عملية الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة أطياف الأشعة فوق البنفسجية (PEO) في الأوساط المائية يمكن أن تكون طريقة تطبيقية بديلة وفعالة لمعالجة مياه الصرف الصحي الملوثة بعقار الهيدروكسي كلوروكين (HCQ) ومشتقاته. وقد صرح الدكتور/ محمد إبراهيم أن طريقة الأكسدة الكهروكيميائية بمساعدة أطياف الأشعة فوق البنفسجية (PEO) تستخدم الإلكترونات والفوتونات فقط دون إضافة مواد كيميائية خطرة مما يؤكد على استدامة الطريقة كونها غير ملوثة للبيئة. إنه من اليسير توسيع النطاق التطبيقي لاستخدام هذه الطريقة في محطات معالجة المياه على النطاق الصناعي كما يمكن دعمها من ناحية الطاقة وذلك باستخدام موارد الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وغيرها.