Новая эффективная биотехнология

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9168 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

В настоящей статье впервые способность пористого биокремнезема возникла из трех морских штаммов диатомей Nanofrustulum spp. а именно N. wachnickianum (SZCZCH193), N. shiloi (SZCZM1342), N. cf. shiloi (SZCZP1809) для удаления MB из водных растворов. Самая высокая биомасса была достигнута при обогащении силикатом для N. wachnickianum и N. shiloi (0,98 г л-1 с.в. и 0,93 г л-1 с.в. соответственно) и при температуре ниже 15 °C для N. cf. шилои (2,2 г/л с.в.). Кремнеземные скелеты штаммов очищали перекисью водорода и характеризовали методами СЭМ, ЭДС, адсорбции/десорбции N2, РФА, ТГА и НПВО-Фурье-Фурье. Пористый биокремнезем (20 мг сухой массы), полученный из штаммов SZCZCH193, SZCZM1342, SZCZP1809, показал эффективность в 77,6%, 96,8% и 98,1% удаления 14 мг/л МБ при pH 7 в течение 180 мин, а также максимальную адсорбцию. емкость рассчитана как 8,39, 19,02 и 15,17 мг/г соответственно. Кроме того, удалось повысить эффективность удаления МБ в щелочных (рН = 11) условиях до 99,08% для SZCZP1809 через 120 мин. Моделирование показало, что адсорбция MB соответствует псевдопервому порядку, модели диффузии пор Бэнгэма и изотермам Сипса.

Диатомовые водоросли (Bacillariophyta), представляющие основную группу фотосинтезирующих микроорганизмов, представляют собой одноклеточные эукариотические микроводоросли, живущие внутри клеточных стенок, состоящих из трехмерно структурированного пористого биокремнезема (SiO2). Они играют важную роль в глобальных циклах углерода и кремния в океане, а их фотосинтетическая активность обеспечивает почти одну пятую первичной продуктивности Земли1,2. Диатомовые водоросли привлекают все большее внимание в прикладных науках благодаря их потенциалу для производства различных биологически активных соединений и чистых химикатов для промышленного применения: фукоксантин известен своим антиоксидантным действием и может использоваться в фармацевтике и косметике3; ненасыщенные жирные кислоты использовались в качестве пищевых добавок4; триацилглицерины (ТАГ) служат углеродным сырьем для переработки в биотопливо5. Естественная пористая архитектура диатомовых панцирей привлекла внимание в области доставки лекарств6, биосенсорства7 и извлечения металлов8. Диатомовые водоросли обладают огромным биотехнологическим потенциалом для процессов биопереработки9, поэтому их биомасса может быть использована в производстве различных соединений экономически эффективным способом.

Широкое использование в промышленности различных органических загрязнителей, например лекарств10, антибиотиков11, фенолов12 и красителей13, привело к проблеме загрязнения воды. Их складируют как промышленные отходы, а затем сбрасывают в экологические водоемы, превращая бесцветную чистую воду в загрязненные цветные отходы. Водорастворимые основные красители обычно используются для окраски бумаги, полиэстера, шелка, хлопка и шерсти14. Это загрязнение высокотоксично и может отрицательно повлиять на человека, вызывая проблемы с дыханием, повреждение глаз и метгемоглобинемию15,16,17. Метиленовый синий (МБ) известен как модельный краситель, который используется для оценки удаляющей способности различных материалов и индикатора мезопористой природы адсорбентов18.

В настоящее время проведено множество исследований с целью найти эффективный метод удаления зеленого красителя, чтобы можно было восстановить краситель из сточных вод. Одним из наиболее перспективных методов деградации является адсорбция, которая дает лучшие результаты, может использоваться для различных типов красителей, не требует сложного оборудования, нечувствительна к токсичным сопутствующим загрязнителям в сточных водах и не образует токсичных веществ19. Активированный уголь, наиболее часто применяемый природный адсорбент, использовался в многочисленных исследованиях и показал высокую адсорбционную способность при удалении МБ, хотя высокая стоимость и сложный процесс регенерации привели к дальнейшим поискам недорогих и высокоэффективных адсорбентов20. В качестве адсорбентов предложено множество нетрадиционных адсорбентов, особенно на основе натуральных продуктов. Высокие адсорбционные способности показаны у биоадсорбентов (мертвая и живая биомасса бактерий21, водорослей22, грибов23, растений24 и сельскохозяйственных отходов25), цеолитов26 и диатомита27. Насколько нам известно, было проведено лишь несколько исследований с чистым диатомовым биокремнеземом, экстрагированным из Punnularia sp.28 и Cyclotella sp.29, с большим упором на легированный металлами диатомовый кремнезем30,31, диатомитовую землю27,32 и химически синтезированный мезопористый кремнезем33,34. Хотя химически синтезированный диоксид кремния демонстрирует высокую эффективность адсорбции, некоторые исследования показали, что этот материал может проявлять цитотоксичность35,36, тогда как биокремнезем диатомового происхождения, как сообщается, является нецитотоксичным материалом37, поэтому его можно использовать без ущерба для здоровья. В настоящем исследовании пористый биокремнезем из трех различных штаммов морских диатомей рода Nanofrustulum Round, Hallsteinsen & Paasche, выращенных в Щецинской коллекции диатомовых культур (SZCZ), Щецинского университета, Института морских и экологических наук, Польша, был использован для впервые охарактеризован и идентифицирован как высокоэффективный и дешевый адсорбент МБ.