Journal of Mazandaran University of Medical Sciences

fa بررسی فعالیت کاتالیستی و ضدباکتریایی نانوذرات مگنتیت آهن در حذف سیپروفلوکساسین The Antibacterial and Catalytic Activity of Iron Magnetite Nanoparticles in the Removal of Ciprofloxacin بهداشت محیط زیست Environmental Health پژوهشي-کامل Research(Original) سابقه و هدف: آنتی‌بیوتیک‌ها یکی از پرمصرف‌ترین ترکیبات دارویی در علوم مختلف مانند پزشکی و دامپزشکی می‌باشند. در میان این دسته دارویی، سیپروفلوکساسین آنتی‌بیوتیکی پرمصرف در درمان عفونت‌ها است که تقریباً بخش عمده آن به‌صورت غیرمتابولیزه دفع می‌شود و در نهایت از طریق تخلیه فاضلاب‌ها و پساب‌ها به منابع آبی وارد می‌شود. حضور حتی مقادیر بسیار پایین سیپروفلوکساسین در فاضلاب و پساب‌ها می تواند آسیب‌های اکولوژیکی در پی داشته و عامل تهدید جدی برای سلامت انسان باشد، از این رو یافتن راهکارهای عملی جهت حذف این آنتی بیوتیک امری ضروری است. در بین روش‌های حذف آتی‌بیوتیک‌ها در محیط‌های آبی، فرایندهای اکسیداسیون پیشرفته جایگاه ویژه‌ای دارد. در این مطالعه خاصیت ضدباکتریایی و کاتالیستی نانوذرات مگنتیت (MNPs) (Fe3O4)  سنتز شده در حذف سیپروفلوکساسین مورد بررسی قرار گرفت. مواد و روش‌ها: در این مطالعه تجربی نانوذرات مغناطیسی آهن Fe3O4 (MNPs) به روش هم ترسیبی سنتز شدند. سپس بعد از تهیه نانو ذرات، مشخصات فیزیکی و ساختاری این نانوذرات با استفاده از روش‌های استاندارد میکروسکوپ الکترونی رویشی (SEM:Scanning Electron Microscope)، پراش اشعه ایکس(X-ray powder diffraction: XRD)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM:Transmission Electron Microscopy) و اندازه‌گیری سطح ویژه (Brunauer, Emmett and Teller: BET) مشخص گردید. در گام اول خاصیت کاتالیستی نانوذرات برای سیپروفلوکساسین طی فرایند سونو فنتون مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه پارامترهای تجربی مانند دوز کاتالیست Fe3O4، pHاولیه محلول و غلظت پراکسید هیدروژن، زمان واکنش و غلظت اولیه آنتی‌بیوتیک بررسی شدند. بررسی کارایی فرایندهای مختلف جهت حذف سیپروفلوکساسین شامل اولتراسوند/پراکسید هیدروژن/ نانوذرات مگنتیت در مقابل فرایندهای اولتراسوند به تنهایی(US)، پراکسید هیدروژن به تنهایی(hydrogen peroxide)، نانوذرات مگنتیت به تنهایی (MNPs)، اولتراسوند/پراکسید هیدروژن (hydrogen peroxide/US)، پراکسید هیدروژن/ نانوذرات مگنتیت (MNPs/hydrogen peroxide) و نانوذرات مگنتیت/ اولتراسوند(MNPs/US)در شرایط مشابه آزمایشات جداگانه انجام شد. در گام دوم خاصیت ضدباکتریایی نانوذره به روش ماکرو دیلوشن براث بر روی باکتری اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس تعیین گردید. در انتها نتایج حاصل از این مطالعه با استفاده از آنالیز واریانس یک طرفه(ANOVA) و نرم‌افزار SPSS نسخه 22تجزیه و تحلیل شدند. یافته‌ها: یافته‌های مشخصات نانوذرات سنتز شده مشخص کرد که میانگین اندازه نانوذرات مگنتیت تقریبا30-20 نانومتر می‌باشد. یافته‌های TEM ،یکنواخت بودن سایز و ساختار نانوذرات سنتز شده را تایید کرد. بالاترین راندمان حذف، مربوط به فرایند تلفیقی MNPs/hydrogen peroxide/US با راندمان حذف88/36 درصد بوده است که این راندمان بالا ناشی از اثر مستقیم واکنش بین عوامل فنتون با امواج اولتراسونیک بوده که منجر به تولید رادیکال‌های هیدروکسیل بسیار زیادی می‌شود. حداکثر حذف سیپروفلوکساسین در غلظت 0/5گرم در لیتر کاتالیست،3 pH=، غلظت 5 میلی‌مولار پراکسیدهیدروژن، قدرت اولتراسونیک 550 وات و زمان واکنش 60 دقیقه به دست آمد. برای اشرشیاکلی و استافیلوکوکوس اورئوس حداقل غلظت مهارکنندگی و کشندگی به ترتیب3/125 ، 6/25 و 1/56 ،3/125 میکروگرم بر میلی‌لیتر به‌دست آمد. استنتاج: براساس یافته‌های مطالعه حاضر نانوذرات آهن مگنتیت سنتز شده دارای خواص ضدباکتریایی بالایی علیه سویه‌های باکتریایی می‌باشند و هم‌چنین دارای ویژگی کاتالیستی بسیاری در فرایند سونوفنتون برای حذف سیپروفلوکساسین بودند، بنابراین این فرایند می‌تواند روشی موثر برای حذف فاضلاب بیمارستانی و دارویی باشد.   Background and purpose: Antibiotics are crucial in various scientific fields, including human and veterinary medicine, and are widely utilized medicinal compounds. Ciprofloxacin is a widely used antibiotic in the treatment of infections, most of which is excreted unmetabolized and finally enters water sources through the discharge of sewage and effluents. Even at low concentrations, ciprofloxacin in sewage and effluents can cause ecological harm and pose significant risks to human health. It is crucial to devise effective solutions for the removal of this antibiotic. Advanced Oxidation Processes (AOPs) are a promising method for the future removal of antibiotics, particularly in aquatic solutions, due to their potential to effectively remove ciprofloxacin. This study investigated the antibacterial and catalytic activity of synthesized magnetite nanoparticles (MNPs) (Fe3O4) in removing ciprofloxacin. Materials and methods: In this experimental research, Fe3O4 magnetic nanoparticles (MNPs) were prepared using the co-precipitation method. The nanoparticles were then examined for their physical and structural characteristics using scanning electron microscopy(SEM), X-ray powder diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and BET technique. Fe3O4 magnetic nanoparticles (MNPs) were initially synthesized, and their properties were determined. We performed separate investigations to assess the effectiveness of various methods for removing ciprofloxacin. This included evaluating ultrasound alone (US), hydrogen peroxide alone, magnetite nanoparticles alone (MNPs), and combinations such as ultrasound with hydrogen peroxide, hydrogen peroxide with magnetite nanoparticles, and magnetite nanoparticles with ultrasound. All tests were conducted under the same conditions. The first step assessed the catalytic activity of synthesized nanoparticles for ciprofloxacin through the Fenton process. In this study, experimental parameters such as Fe3O4 catalyst dosage, initial pH of the solution, Hydrogen peroxide concentration, reaction time, and initial antibiotic concentration were investigated. In the second step, the antibacterial efficacy of synthesized nanoparticles against Escherichia coli and Staphylococcus aureus was determined via the Broth Macro dilution method. Results: The examination of the characteristics of synthesized nanoparticles showed that the average size of magnetite nanoparticles is approximately 20-30 nm. TEM results confirmed that the synthesized nanoparticles have a uniform size and structure. The combined process of MNPs/hydrogen peroxide/US exhibited the highest removal efficiency at 88.36%. This high efficiency can be attributed to the direct effect of the reaction between Fenton agents and ultrasonic waves, leading to the generation of numerous hydroxyl radicals. The maximum removal of ciprofloxacin was achieved in 0.5 g/L catalyst, pH=3, five mM hydrogen peroxide concentration, 550 W ultrasonic power, and 60 min reaction time. For Escherichia coli and Staphylococcus aureus, the Minimum Inhibitory and Minimum bactericidal concentrations were 3.125, 6.25, and 1.56, 3.125 μg/mL, respectively. Conclusion: Synthesized iron magnetite nanoparticles have high antibacterial properties against bacterial strains and many catalytic properties in the Sono Fenton process to remove ciprofloxacin, so this process can be an effective method for eliminating hospital and pharmaceutical wastewater.   اولتراسوند, نانوذرات Fe3O4, خواص ضدباکتریایی, سیپروفلوکساسین ultrasound, Fe3O4 nanoparticles, antibacterial properties, ciprofloxacin 42 56 http://jmums.mazums.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-17043-1&slc_lang=fa&sid=1 Nima Firouzeh نیما فیروزه Nimafirouzeh4@gmail.com 1003194753284600171409 1003194753284600171409 No Assistant Professor, Vector-borne Diseases Research Center, School of Health North, Khorasan University of Medical Sciences, Bojnurd, Iran استادیار، مرکز تحقیقات بیماری‌های منتقله بوسیله ناقلین، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، بجنورد، ایران Ali Pasban علی پاسبان alipasban@gmail.com 1003194753284600171410 1003194753284600171410 No Assistant Professor, Department of Environmental Health Engineering, School of Health, North Khorasan University of Medical Sciences, Bojnurd, Iran استادیار، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، بجنورد، ایران Hamed Ghasemzadeh-moghaddam حامد قاسم زاده مقدم 1003194753284600171411 1003194753284600171411 No Assistant Professor, Vector-borne Diseases Research Center, School of Health North, Khorasan University of Medical Sciences, Bojnurd, Iran استادیار، مرکز تحقیقات بیماری‌های منتقله بوسیله ناقلین، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، بجنورد، ایران Mona Fani مونا فانی 1003194753284600171412 1003194753284600171412 No Assistant Professor, Vector-borne Diseases Research Center, School of Health North, Khorasan University of Medical Sciences, Bojnurd, Iran استادیار، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، بجنورد، ایران Reza Besharati رضا بشارتی 1003194753284600171413 1003194753284600171413 No Lecturer, Department of Pathobiology and Laboratory Science, School of Medicine, North Khorasan University of Medical Sciences, Bojnurd, Iran مربی، گروه پاتولوژی و علوم آزمایشگاهی، دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، بجنورد، ایران Seyedeh Nastaran Asadzadeh سیده نسترن اسدزاده snasadzadeh3@gmail.com 1003194753284600171414 1003194753284600171414 Yes Assistant Professor, Department of Environmental Health Engineering, School of Health, North Khorasan University of Medical Sciences, Bojnurd, Iran استادیار، گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی، بجنورد، ایران