Souboj světla a antibiotik. Dokážeme vyčistit vodu od škodlivých látek?

Odpadní vody obsahují velké množství antibiotik. Badatelé z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR s Jiřím Rathouským v čele nyní přicházejí s novým nápadem, jak je účinněji odstranit. Využívají k tomu sílu světla – fotokatalýzu. O svá zjištění se s námi podělili v akademickém čtvrtletníku A / Magazín.

Začalo to jako šťastná náhoda. Psal se rok 1928 a skotský lékař a bakteriolog Alexander Fleming se zrovna vrátil z dovolené do své laboratoře v nemocnici Saint Mary. Při obhlídce objevil zapomenutou Petriho misku s agarem plnou plísně, která k jeho překvapení hubila všechny bakterie okolo. Tou plísní bylo Penicillium notatum a objev superléku byl na světě.

Započala tak éra antibiotik, a ačkoli trvalo ještě další dekádu, než se masově rozšířila, pokrok v oblasti bakteriologie a léčby četných chorob byl obrovský. V průběhu 20. století se k penicilinu postupně přidala i další antibiotika a společně zachránila miliony životů.

Západní medicína se v současnosti bez antibiotických preparátů neobejde.

Objev Alexandra Fleminga můžeme s čistým svědomím označit jako jeden z největších v historii medicíny. V současné době se však ukazuje, že přistoupí-li se k němu bez rozmyslu, může mít i stinné stránky. Lékaři a jejich pacienti si natolik zvykli na existenci účinné látky proti původcům bakteriálních onemocnění, že se dnes antibiotika nadužívají a předepisují se i v případech, kdy to není bezpodmínečně nutné. Přichází nová éra – antibiotické rezistence.

Penicilin a H₂O
Čistá voda je, jak víme, pro zdraví lidí, zvířat i rostlin klíčová, zároveň však čím dál vzácnější. Její znečištění proto představuje jeden ze zásadních ekologických problémů současnosti. Jak to ale souvisí s Flemingovým penicilinem? V odpadních vodách se nachází široké spektrum zdraví škodlivých polutantů, které z nich nelze odstranit, a vracejí se tak do přírody. Velmi nebezpečnými znečišťujícími látkami jsou právě zbytková léčiva, zejména antibiotika.

Jak se do kanalizačního systému dostávají? Je to prosté: čím více pacientů (lidských, ale i zvířecích) je užívá, tím více jejich zbytků končí prostřednictvím moči a fekálií v kanalizaci. Hromadí se tam a klasické čističky odpadních vod jsou na ně krátké.

Největší riziko spočívá v tom, že farmaceutika působí i ve velmi nízkých koncentracích a postupně mohou podporovat vznik odolnějších bakterií, a tím pádem i antibiotické rezistence. Současné čističky si poradí s většinou běžných organických či dusíkatých látek a sloučenin fosforu, neplatí to ale pro rozklad farmaceutických molekul. Ty jsou navíc často navržené tak, aby byly velmi stabilní, což jejich odstranění výrazně komplikuje, takže se rozšiřují až do vodních toků.

V hledáčku vědců se ocitá světlo
Jak tedy škodlivé látky z odpadních vod vyloučit, aby dál nekolovaly v přírodě, nekontaminovaly životní prostředí a nepronikaly do živých organismů? Na stále naléhavější výzvu zareagoval vědecký tým vedený Jiřím Rathouským z Centra pro inovace v oboru nanomateriálů a nanotechnologií, jež je součástí Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Výzkumníci pátrali, jak na antibiotika vyzrát a dostat je pryč z odpadních vod. Na rozdíl od věhlasného skotského bakteriologa však jejich objev nebyl náhodný. Na pomoc si přizvali zdatnou pomocnici – fotokatalýzu. „Její výhodou je univerzálnost a také vysoká účinnost při odstraňování organických látek, které se ve vodě nacházejí v malých koncentracích,“ objasňuje chemik.

Jiří Rathouský z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR (CC)

A jak postup vynalezený českým týmem funguje? Pro fotokatalýzu jsou stěžejní dvě „přísady“ – světlo a fotokatalyzátor. Obvykle se využívá ultrafialové nebo viditelné záření. Díky pohlcenému světlu umožňuje fotokatalyzátor rozklad organických škodlivin, aniž by se sám spotřebovával. Sice se může opotřebovat mechanicky, dá se však jednoduše vyčistit a znovu použít.

Je důležité nanést ho na vhodné nosiče, jako jsou sklo, nerezová ocel, skelná tkanina či porézní keramika, aby se s ním snadněji manipulovalo. I na tom vědci pracují. „Když se fotokatalyzátor vystaví fotonům s dostatečnou energií, vzniknou v jeho struktuře kladné a záporné náboje, které nastartují tvorbu velmi reaktivních kyslíkatých částic. Ty pak rozkládají organické molekuly na oxid uhličitý, vodu a minerální kyseliny, což odborně označujeme jako mineralizace kontaminantů,“ vysvětluje Jiří Rathouský podstatu heterogenní fotokatalýzy.

Při čištění vody od antibiotik se nejčastěji využívá oxid titaničitý. Je levný, netoxický a velmi dobře účinkuje při ultrafialovém záření. Velmi perspektivní jsou také uhlíkaté nitridy, což jsou polymerní fotokatalyzátory ze skupiny organických látek, které dokážou efektivně využít viditelné světlo a jsou rovněž stabilní a netoxické.

Další záškodníci
Metoda skýtá několik výhod. Je šetrná k životnímu prostředí, především proto, že pro její fungování není třeba přidávat další chemikálie. Výsledná reakce vede k úplnému rozkladu znečišťujících látek, nejen k jejich přesunu například do kalu nebo do dalšího odpadu, jako je tomu u jiných metod. Navíc některým fotokatalyzátorům stačí k aktivaci pouhé sluneční záření. Sníží se tím provozní náklady a celý proces je pak ještě ekologičtější.

Jak už bylo řečeno, nejsou to jen antibiotika, která odpadní vody znečišťují. Nachází se zde rozmanitý koktejl látek, takzvaných mikropolutantů, které se dají jen obtížně odstranit. Nebezpečné jsou třeba endokrinní disruptory. Ve vodě se vyskytují ve velmi nízkých koncentracích, přesto jsou stále biologicky aktivní a negativně působí na živé organismy. Postupně se v nich ukládají a mohou způsobovat rakovinu nebo různé genetické mutace.

„Objevují se tu také látky z oblasti osobní péče – zbytky kosmetiky, konzervantů nebo UV filtrů, které se do vody dostávají při jejich každodenním používání. Narušují reprodukční schopnosti vodních organismů a zároveň se kumulují v potravním řetězci,“ doplňuje Jiří Rathouský. Dále tu najdeme drogy jako kokain či pervitin, zbytky dalších léčiv a hormony, hlavně estrogeny. Že jde o vážnou hrozbu pro životní prostředí, dokládá fyzikální chemik na příkladu: „Hormony mohou mít naprosto fatální dopady na ryby a jiné organismy. Jak již víme, dokážou dokonce měnit pohlaví ryb.“

Dobrou zprávou je, že i tyto nebezpečné látky se pomocí fotokatalýzy dají z odpadních vod odstranit. Molekuly se působením fotokatalyzátoru postupně rozpadnou až na neškodné sloučeniny, které už pro životní prostředí nepředstavují žádné riziko.

Africká zkouška
Metoda se zatím testuje v menších pilotních projektech, badatelé průběžně hledají firmy, se kterými by navázali spolupráci. Fotokatalyzátory pro praxi musejí být nejen účinné, ale i ekonomicky dostupné a škálovatelné – znamená to, že se musí snadno přizpůsobit podmínkám, ve kterých se budou využívat, i když se změní charakter a koncentrace polutantů nebo množství čištěné vody.

„Sice se zkoumají také katalyzátory s vylepšenými funkcemi, ale pokud se vyrábějí jen v malých množstvích v laboratoři, nemají praktické uplatnění. Pro využití v reálných podmínkách je třeba vyvinout metody, které budou levné i ve větším měřítku a půjdou snadno zavést do běžných procesů čištění odpadních vod,“ vysvětluje Jiří Rathouský.

Vývoj nových technologií by mohly podpořit i legislativní změny upravující obsah mikropolutantů v odpadních vodách. Zároveň by šlo také o ekonomickou motivaci pro čistírny vod při plánování investic do kvarterního, tedy čtvrtého stupně čištění vod, které se zaměřuje právě na odstraňování znečišťujících látek, jako jsou zbytky léčiv a dalších chemikálií.

Vzorky nanostrukturních materiálů určené pro stanovené porozity pomocí fyzikální adsorpce. (CC)

Vydejme se na chvíli na západ Afriky. Jedna z členek českého výzkumného týmu, Bukola Lois Ojobe, totiž pochází z nigerijského Lagosu a rozhodla se otestovat metodu i ve své rodné zemi. Lagos je rychle rostoucí město, v současnosti v něm žije asi 21 milionů obyvatel. Aby bylo možné zajistit pro tolik lidí funkční infrastrukturu, plánuje se vybudování satelitních měst, která s centrem propojí rychlovlaky.

„Bude důležité zajistit dostatečné množství kvalitní pitné vody a také s ní efektivně hospodařit. Jako klíčové se pak jeví zpracování odpadních vod, hlavně recyklace užitkové vody. A tady může být fotokatalytická technologie velmi užitečná,“ upozorňuje Jiří Rathouský. Jeho zahraniční kolegyně ji zamýšlí využít právě za účelem odstraňování nežádoucích látek z recyklované užitkové vody. Při navrhování takové čisticí jednotky bude hrát významnou roli možnost využití slunečního záření pro aktivaci fotokatalyzátoru. A toho je v Africe více než dost.

Ze špinavé na čistou
Vraťme se ale opět do českých končin. Čištění odpadních vod je u nás na vysoké úrovni, srovnatelné se zbytkem Evropy. „Máme velmi dobře zvládnuté odstraňování běžných znečišťujících látek. V tomto ohledu patří tuzemské čistírny mezi evropský standard a kvalita vody ve vodních tocích se díky tomu v posledních desetiletích znatelně zlepšila. Pokud jde o zbytky farmaceutik a dalších mikropolutantů, jsme na tom také podobně jako většina evropských zemí,“ poznamenává chemik. Tyto látky totiž současné technologie nezachytí a plošné nasazení pokročilých metod se zatím řeší jen v několika státech.

Tým fotokatalytiků z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. Zleva: Lenka Belháčová, Jiří Rathouský, Olha Zin a Tereza Maříková. (CC)

Čističky hrají v ochraně životního prostředí a vody v přírodě stěžejní roli. Existuje několik typů rozdělených například podle velikosti či druhu používaných technologií. V České republice nejčastěji narazíme na mechanicko-biologické provozy. Voda se tu čistí několikastupňově.

Nejprve se odstraní hrubé nečistoty, dále většina organických látek a živin, jako jsou třeba dusíkaté látky a sloučeniny fosforu. Následně přicházejí na řadu biologické procesy, které probíhají v takzvaných aktivovaných kalech, kde se nacházejí různé mikroorganismy schopné částečně odstranit jednoduché molekuly některých farmaceutik. „Se složitými molekulami si ovšem neporadí. Proto je potřeba vodu dočišťovat vhodnými metodami, které dokážou odstranit i tyto látky přítomné ve velmi malých koncentracích. A to je právě fotokatalýza,“ dodává Jiří Rathouský.

Lidské zdraví – neporušené životní prostředí – čistá voda. Chovají se jako spojité nádoby, jedno ovlivňuje druhé. Jako zástupci druhu, který má na přírodu nedozírný vliv, můžeme doufat, že podobné novinky z vědeckých laboratoří budou stejně úspěšné, jako byl v úvodu zmiňovaný objev penicilinu. Raději však bez oněch vedlejších negativních dopadů.

Článek vyšel pod názvem Souboj světla a antibiotik v A / Magazínu 4/2025:

4/2025 (verze k listování)
4/2025 (verze ke stažení)

Čtvrtletník A / Magazín vydává Akademie věd ČR. Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

Text: Markéta Wernerová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR; Shutterstock

Text a fotografie označené CC jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons. 

Přečtěte si také

• Převratná technologie: biosenzor odhalí zánět kloubního implantátu
• Lék na rakovinu? Boj s krizí klimatu? Ptejte se datových vědců
• S Tomášem Etrychem o polymerech, které umí chirurgům zobrazit zhoubný nádor
• V nanosvětě je zlato modré i rudé, říká Vladimíra Petráková
• Tajemství termitů: dlouhověkost a po miliony let fungující řád
• Plasty by se mohly vyrábět z oxidu uhličitého získaného z atmosféry, říká chemik
• Čeští vědci spolupracují na vývoji ekologických a levných solárních článků
• Nebezpečné látky obsažené v náplních elektronických cigaret poškozují plíce
• Nový vodíkový elektrolyzér ukládá energii z obnovitelných zdrojů
• Chemičkou jsem se chtěla stát už od čtrnácti let, říká Adéla Šimková