Les bêtabloquants sont des produits pharmaceutiques largement prescrits et utilisés pour gérer les maladies cardiovasculaires telles que l'hypertension, les arythmies et la récupération après une crise cardiaque. Parmi eux, l'aténolol (ATL) et le métoprolol (MTL) sont particulièrement courants. Leur haute stabilité chimique profite à l’efficacité thérapeutique, mais signifie également qu’ils se dégradent lentement et persistent dans l’environnement. Les stations d’épuration conventionnelles sont largement inefficaces pour éliminer ces composés, ce qui leur permet de pénétrer dans les rivières et les lacs, où même de faibles concentrations peuvent exercer des effets toxiques chroniques sur les algues, les poissons et d’autres organismes aquatiques.
Pour éliminer ces produits pharmaceutiques persistants, les chercheurs ont exploré le développement de matériaux adsorbants avancés, tels que les polymères organiques covalents (COP). Ces matériaux poreux peuvent être conçus avec divers groupes fonctionnels, permettant un réglage précis des propriétés d'adsorption. Récemment, les COP intégrant des atomes de fluor ont attiré une attention particulière en raison de leurs performances d'adsorption inhabituellement élevées et, par conséquent, de leur potentiel d'élimination des polluants environnementaux. Pourtant, peu d’études ont exploré leur application dans l’élimination des produits pharmaceutiques.
Pour combler cette lacune, une équipe de recherche dirigée par le professeur Yuhoon Hwang du Département de génie environnemental de l'Université nationale des sciences et technologies de Séoul (SeoulTech) a étudié les FCOP en tant qu'adsorbants pour les bêta-bloquants.
« Notre étude montre que les FCOP sont très prometteurs pour éliminer les bêta-bloquants persistants de l'eau », explique le professeur Hwang. « Nous avons également clarifié les mécanismes d'adsorption qui expliquent pourquoi les FCOP atteignent des capacités d'adsorption inhabituellement élevées. » L'étude est publiée dans la revue Recherche environnementale.
L’équipe a préparé un FCOP en utilisant une méthode simple et sans catalyseur et a testé sa capacité à éliminer l’ATL et le MTL de l’eau. Remarquablement, les FCOP ont démontré des performances d’adsorption exceptionnelles, éliminant 67,3 % du MTL et 70,4 % au cours de la première minute. Fait intéressant, lorsque les chercheurs ont comparé ses performances d’adsorption à la concentration de bêtabloquant, la courbe a montré un profil sigmoïdal ou en forme de S.
À des concentrations plus faibles, l’adsorption a augmenté progressivement, ce qui est cohérent avec l’effet d’adsorption monocouche, dans lequel les molécules sont adsorbées sur la surface adsorbante en une seule couche. Cependant, au-delà d’une concentration de 60 mg/L, l’absorption a fortement augmenté pour les deux bêtabloquants, indiquant un effet d’adsorption multicouche.
Dans l'adsorption multicouche, les molécules s'empilent en plusieurs couches et leurs interactions peuvent améliorer les performances d'adsorption. Ce comportement d'adsorption distingue les FCOP des adsorbants traditionnels. Il est important de noter que le FCOP a maintenu cette forte performance d’adsorption même dans des échantillons d’eau réels contenant plusieurs ions et acides organiques.
L’équipe a également identifié les mécanismes clés à l’origine de ces performances exceptionnellement élevées. Ils ont découvert que la structure riche du FCOP, constituée d’atomes de fluor abondants, conduit à de multiples interactions synergiques. Premièrement, la présence de fluor entraîne de fortes interactions intermoléculaires entre le FCOP et les bêta-bloquants. Deuxièmement, les interactions électrostatiques jouent un rôle clé dans l’adsorption des bêta-bloquants chargés positivement sur les molécules FCOP chargées négativement. Enfin, la nature hydrophobe du FCOP minimise le contact avec l'eau, favorisant l'agrégation des molécules adsorbées, facilitant l'adsorption multicouche.
« Ces interactions synergiques expliquent de manière exhaustive la capacité d'adsorption exceptionnelle du FCOP. Nos résultats pourraient servir de base précieuse pour la conception d'adsorbants de nouvelle génération », remarque le professeur Hwang. « À l'avenir, ces adsorbants riches en fluor seront utiles pour réduire la présence de produits pharmaceutiques dans les environnements aquatiques, protégeant non seulement la vie aquatique, mais garantissant également une eau potable plus sûre. »
En intégrant les FCOP dans des systèmes de traitement avancés, les services publics des eaux pourraient atténuer plus efficacement la pollution pharmaceutique. Cette innovation représente une étape importante vers des stratégies de purification durables qui préservent les écosystèmes et la santé humaine.
