Sejak dunia dihantam pandemi COVID-19 beberapa tahun lalu, penggunaan obat-obatan di seluruh dunia melonjak tajam, tidak terkecuali antibiotik. Salah satu yang paling sering digunakan, baik untuk manusia maupun campuran pakan ternak dan budidaya ikan, adalah Tetracycline (TC). Obat ini sangat mujarab dalam menghentikan perkembangbiakan bakteri. Sayangnya, kemanjuran ini menyisakan cerita kelam bagi lingkungan periaran kita.
Tubuh makhluk hidup tidak menyerap seluruh antibiotik yang dikonsumsi. Sisa obat yang tidak terurai ini (mencapai 75% dari senyawa asalnya) dibuang dan mengalir ke sungai, air tanah, hingga sumber air minum kita. Karena memiliki struktur kimia yang sangat stabil, zat ini sangat sulit dihancurkan oleh bakteri pengurai alami. Kehadirannya dalam air, meski dalam jumlah sangat kecil, bertindak bagai bom waktu. Sisa antibiotik ini memicu mutasi bakteri menjadi kebal obat atau “superbug” dan mengacaukan keseimbangan ekosistem air.
Berburu Penjernih di Dalam Pori
Mengingat instalasi pengolahan limbah konvensional seringkali angkat tangan menghadapi antibiotik, para ilmuwan berpaling pada metode adsorpsi atau penyerapan. Di antara berbagai bahan penjerat yang ada, biochar (arang kaya karbon yang dibuat dari limbah organik) menjadi kandidat favorit karena murah, aman, dan ramah lingkungan.
Namun, biochar alami memiliki kelemahan: permukaannya kurang suka air (hidrofobik) dan pori-porinya sering tersumbat oleh lapisan karbon yang tidak teratur selama proses pembakaran. Untuk mendongkrak performanya, para peneliti mengembangkan dua metode mutakhir, yaitu mengubah arang menjadi tipis menyerupai struktur grafena (graphene-like biochar atau GBC) dan menyisipkan atom nitrogen ke dalam strukturnya (N-doping).
Teka-Teki Sisipan Nitrogen
Selama ini, efek penyisipan nitrogen pada arang alami (PBC) dan arang berstruktur grafena (GBC) seringkali dianggap sama. Namun, sebuah pengamatan mendalam mengungkap fenomena yang tak terduga.
Ketika atom nitrogen disisipkan pada arang alami, hasilnya tidak menentu. Di beberapa kondisi air, penyerapan antibiotik meningkat, namun di kondisi lain justru tidak memberikan dampak berarti. Sebaliknya, ketika nitrogen disisipkan pada arang berstruktur grafena (GBC), performanya melonjak drastis secara konsisten di berbagai kondisi air.
Melalui pemodelan komputer yang rumit dan simulasi teori fungsi kerapatan (DFT), rahasia di balik perbedaan ini akhirnya terkuak. Kunci utama efektivitas penyerapan ini bertumpu pada dua hal: seberapa baik antibiotik bisa mengisi pori-pori arang yang kosong, dan seberapa kuat interaksi molekuler di antara keduanya.
Gaya Tarik di Dunia Mikroskopis
Simulasi tersebut menunjukkan bahwa penyisipan nitrogen tidak banyak mengubah sifat kimiawi arang, melainkan memperkuat gaya tarik elektrostatis (gaya tarik-menarik bagai magnet akibat perbedaan muatan listrik) antara partikel arang dan molekul antibiotik.
Pada arang biasa, struktur permukaannya yang tidak beraturan membuat penguatan gaya elektrostatis ini menjadi tidak merata. Namun pada arang berstruktur grafena yang dasarnya sudah memiliki permukaan luas dan terbuka, sisipan nitrogen bekerja layaknya barisan magnet tambahan yang teratur. Ia memperkuat daya pikat elektrostatis tanpa mengganggu gaya van der Waals (gaya tarik fisik antar molekul) yang sudah ada. Hasilnya, molekul antibiotik Tetracycline yang melintas di dalam air akan langsung tertarik dan terkunci rapat di dalam pori-pori arang grafena tersebut.
Harapan dari Butiran Hitam
Membongkar cara kerja atom nitrogen dalam mengunci antibiotik ini memberikan arah baru dalam teknologi pembersihan air. Kita kini tahu bahwa untuk menghadapi polusi farmasi yang mematikan, kita tidak bisa hanya mengandalkan arang biasa. Modifikasi struktural menjadi bentuk tipis menyerupai grafena yang dipadukan dengan sisipan nitrogen adalah kombinasi terbaik.
Inovasi ini membuka peluang besar bagi pemulihan lingkungan perairan yang tercemar. Dengan memanfaatkan limbah yang diolah menjadi arang canggih, kita bisa membangun benteng pertahanan untuk menyaring sisa obat-obatan berbahaya. Sebuah langkah krusial untuk memastikan bahwa air yang mengalir di sekitar kita tetap aman, bebas dari ancaman superbug, dan kehidupan di dalamnya bisa terus berlanjut dengan selaras.