České hlavy znovu překvapily svět. Vědci z Ostravy a Olomouce ukázali, jak světlem odstranit léky z vody

Ve chvíli, kdy Evropa zpřísňuje pravidla pro čištění odpadních vod a hledá technologie schopné zachytit mikropolutanty, přichází čeští vědci s řešením, které připomíná science fiction. Pomocí speciálního materiálu aktivovaného světlem dokázali rozložit zbytky léčiv ve vodě s mimořádnou účinností a zároveň snížit jejich ekologickou nebezpečnost. Výzkum otevírá cestu k nové generaci čištění vody, která by mohla výrazně omezit přítomnost antibiotik, analgetik či stimulantů v evropských řekách.

V laboratořích Ostravské univerzity, Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava a Univerzity Palackého v Olomouci vznikl výzkum, který může zásadně proměnit budoucnost evropského vodohospodářství. Český tým vyvinul a otestoval speciální fotokatalytický materiál založený na grafitickém nitridu uhlíku, jenž po ozáření světlem spouští chemické reakce schopné rozkládat farmaceutické látky obsažené ve vodě. Výsledky studie publikované v prestižním časopise iScience ukazují, že technologie dosahuje mimořádně vysoké účinnosti při odstraňování některých běžně používaných léčiv.

Výzkumníci testovali například antibiotikum ofloxacin, protizánětlivý diclofenac nebo kofein, který je v environmentálních studiích často používán jako indikátor lidského znečištění vod. V laboratorních podmínkách se podařilo během dvou hodin odstranit více než devadesát pět procent diclofenacu i antibiotika ofloxacinu. Kofein se podařilo rozložit přibližně z osmdesáti procent. Na první pohled jde o laboratorní čísla, ve skutečnosti ale představují velmi významný průlom. Právě farmaceutické látky totiž dnes patří mezi nejproblematičtější skupiny mikropolutantů, se kterými si současné čistírny odpadních vod často nedokážou poradit dostatečně účinně.

Farmaceutika se do vodního prostředí dostávají prakticky nepřetržitě. Část léčiv lidské tělo nevstřebá a vyloučí je do kanalizace. Další zbytky pocházejí z nemocnic, domácností, veterinární medicíny nebo z nesprávné likvidace nepoužitých léků. Konvenční čistírny odpadních vod přitom historicky vznikaly v době, kdy hlavním problémem bylo odstranění organického znečištění, dusíku a fosforu. Moderní chemické látky včetně antibiotik, hormonů, antidepresiv, analgetik nebo kosmetických složek však představují úplně jinou kategorii kontaminace.

Právě proto se v evropském vodohospodářství stále častěji mluví o takzvaném čtvrtém stupni čištění odpadních vod. První stupeň představuje mechanické čištění, při němž se odstraňují pevné nečistoty. Druhý stupeň tvoří biologické procesy využívající mikroorganismy k rozkladu organického znečištění. Třetí stupeň je zaměřen na chemické odstraňování nutrientů, především fosforu a dusíku. Čtvrtý stupeň pak reaguje na problémy jednadvacátého století a soustředí se na eliminaci mikropolutantů, tedy látek přítomných v extrémně nízkých koncentracích, které však mohou mít zásadní ekologické dopady.

Do této skupiny patří farmaceutika, hormonální látky, pesticidy, kosmetické chemikálie, mikroplasty nebo takzvané věčné chemikálie PFAS. Přestože se ve vodě často vyskytují jen v koncentracích nanogramů nebo mikrogramů na litr, jejich dlouhodobý vliv na vodní organismy i lidské zdraví je stále intenzivněji zkoumán. Antibiotika například přispívají k rozvoji antibiotické rezistence, hormonální látky mohou narušovat reprodukční cykly ryb a dalších organismů a některé chemické sloučeniny se v prostředí prakticky nerozkládají.

Evropská unie proto v posledních letech výrazně zpřísnila legislativu týkající se čištění městských odpadních vod. Klíčovým dokumentem se stala nová Směrnice Evropského parlamentu a Rady EU 2024/3019 o čištění městských odpadních vod, která byla přijata 27. listopadu 2024 a účinnosti nabyla od 1. ledna 2025. Jde o zásadní revizi původní směrnice z roku 1991, která po více než třiceti letech reaguje na nové environmentální hrozby včetně mikropolutantů a farmaceutických reziduí.

Nová evropská pravidla výrazně rozšiřují požadavky na čistírny odpadních vod napříč členskými státy. Směrnice nově zavádí povinnost pokročilého čištění zaměřeného právě na mikropolutanty. U velkých čistíren s kapacitou nad 150 tisíc populačních ekvivalentů bude čtvrtý stupeň čištění povinný. U části menších aglomerací nad deset tisíc populačních ekvivalentů budou členské státy rozhodovat podle míry environmentálního rizika. Směrnice zároveň zavádí princip rozšířené odpovědnosti výrobců, podle něhož mají významnou část nákladů na odstranění farmaceutických a kosmetických mikropolutantů nést právě producenti těchto výrobků.

Právě v tomto okamžiku získává český výzkum mimořádný význam. Evropa totiž nyní intenzivně hledá technologie, které budou schopny nové legislativní požadavky splnit efektivně, ekonomicky a energeticky udržitelně. Současné metody čtvrtého stupně čištění často využívají ozonizaci nebo aktivní uhlí. Tyto technologie jsou sice účinné, zároveň však mohou být energeticky náročné, drahé nebo mohou vytvářet problematické vedlejší produkty.

Fotokatalytický přístup českých vědců nabízí jinou cestu. Speciální materiál funguje podobně jako polovodič v solárních panelech. Po dopadu světla dochází k excitaci elektronů a vzniku vysoce reaktivních částic, které následně rozkládají molekuly léčiv na jednodušší sloučeniny. Klíčové přitom je, že použitý materiál neobsahuje drahé nebo toxické kovy a funguje i při viditelném světle, nikoli pouze pod ultrafialovým zářením. To výrazně zvyšuje potenciál budoucího praktického využití.

Velkým problémem mnoha pokročilých technologií je totiž skutečnost, že sice odstraní původní látku, ale během procesu vzniknou jiné chemické sloučeniny, které mohou být stejně nebezpečné nebo ještě toxičtější. Český výzkumný tým se proto detailně zaměřil také na analýzu transformačních produktů vznikajících během rozkladu léčiv. Pomocí moderních analytických metod včetně kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie sledovali chemické cesty degradace jednotlivých látek a hodnotili jejich ekologickou nebezpečnost.

Výsledky ukazují, že většina vznikajících produktů představuje nižší ekologické riziko než původní léčiva. To je z pohledu environmentální chemie mimořádně důležitý poznatek, tedy aby výsledný proces skutečně vedl ke snížení toxicity celého vodního prostředí. Právě tato oblast bývá často nejslabším místem řady pokročilých oxidačních technologií.

Význam podobného výzkumu bude v příštích letech rychle růst. Podle Evropské komise představují mikropolutanty jednu z hlavních překážek dosažení dobrého ekologického stavu evropských vodních toků. Současně se zvyšuje tlak veřejnosti na bezpečnost pitné vody i ochranu vodních ekosystémů. Sucho, klimatická změna a rostoucí potřeba opětovného využívání vyčištěných odpadních vod navíc znamenají, že kvalita čištění bude stále důležitější.

Moderní čistírny budoucnosti tak už nebudou pouze zařízeními na odstranění základního znečištění. Postupně se mění v technologicky vysoce sofistikované provozy kombinující biologii, chemii, materiálové inženýrství, energetiku i digitální monitoring. Evropská legislativa zároveň tlačí čistírny nejen k vyšší účinnosti, ale také k energetické neutralitě a nižší uhlíkové stopě. I v tomto směru může být český fotokatalytický výzkum zajímavý, protože využívá světelnou energii a pracuje s materiály, které nevyžadují použití vzácných kovů.

Samotní vědci však upozorňují, že cesta k reálnému nasazení technologie bude ještě dlouhá. Laboratorní podmínky jsou výrazně jednodušší než skutečné odpadní vody, které obsahují směsi organických látek, minerálů, bakterií i dalších chemických kontaminantů. Právě ty mohou účinnost fotokatalytických procesů ovlivňovat. Další výzkum proto bude směřovat k testování v reálných provozních podmínkách a k optimalizaci stability katalyzátoru při dlouhodobém používání.

Přesto už nyní český výzkum ukazuje, že tuzemské laboratoře dokážou držet krok s nejmodernějšími světovými trendy. Ve chvíli, kdy Evropa hledá nové technologie pro éru čtvrtého stupně čištění odpadních vod, přichází řešení právě z českého akademického prostředí. A pokud se podaří výsledky převést z laboratoří do reálných čistíren, může světlo jednou skutečně pomáhat čistit evropské řeky od léků, které do nich moderní civilizace každý den vypouští.

Podobně fascinující roli hraje světlo i v dalších moderních chemických technologiích, které mohou zásadně proměnit průmysl budoucnosti. Nedávno například vědci představili nový fotokatalytický systém schopný vyrábět peroxid vodíku pouze za pomoci světla, kyslíku a vody. Peroxid vodíku dnes patří mezi nejdůležitější chemikálie moderní civilizace a používá se při čištění vody, výrobě papíru, v textilním průmyslu i medicíně. Současná průmyslová výroba je však energeticky náročná a závislá na vysokých teplotách i tlacích. Nový materiál využívající uhlíkové nanočástice a jednotlivé atomy mědi dokáže pod vlivem světla řídit pohyb elektronů s mimořádnou přesností a přeměňovat kyslík přímo na peroxid vodíku s velmi vysokou selektivitou.

Světlo zároveň začíná hrát zásadní roli také při vývoji nové generace ekologických plastů. Výzkumné týmy dnes experimentují s technologiemi, které dokážou pomocí světelné energie přeměňovat cukry nebo oxid uhličitý na chemické sloučeniny využitelné při výrobě biologicky rozložitelných polymerů. Cílem je postupně nahradit plasty vyráběné z ropy materiály pocházejícími z obnovitelných zdrojů. Právě spojení fotochemie, katalýzy a obnovitelných surovin dnes představuje jeden z nejrychleji rostoucích směrů moderní environmentální chemie. Vědci se snaží využít světlo nejen jako zdroj energie, ale také jako nástroj k přesnému řízení chemických reakcí, které byly ještě před několika lety technologicky téměř nemožné.