Ein neuartiger Verbund aus Chitosan und Exopolysaccharid von Bacillus subtilis zur Entfernung von Methylenblau aus wässrigen Lösungen

Warum die Reinigung gefärbten Wassers wichtig ist

Von der Jeans, die wir tragen, bis zum Papier, auf dem wir drucken: Das moderne Leben ist auf synthetische Farbstoffe angewiesen. Wenn aber Farbrückstände in Fabrikabläufen in Gewässer gelangen, können sie Flüsse bunt färben, das Sonnenlicht blockieren, aquatisches Leben schädigen und sogar Gesundheitsrisiken für Menschen darstellen. Die Behandlung dieses „gefärbten Wassers“ ist teuer, besonders in Regionen mit Wasserknappheit. Diese Studie untersucht ein kostengünstiges, biologisch abbaubares Material aus natürlichen Polymeren — eines aus Schalenabfällen von Krebstieren und eines aus nützlichen Bakterien — mit dem ein verbreiteter blauer Farbstoff schnell und effizient aus Wasser entfernt werden kann.

Ein natürliches Team für verschmutztes Wasser

Die Forschenden konzentrierten sich auf die Entfernung von Methylenblau, einem weit verbreiteten blauen Farbstoff, der in der Umwelt schwer abzubauen ist. Sie entwickelten ein neues Material, indem sie Chitosan — eine zuckerbasierte Verbindung aus Krustenschalen — mit Exopolysacchariden kombinierten, langen Zuckerketten, die von dem Bakterium Bacillus subtilis produziert werden. Beide Bestandteile sind biologisch abbaubar und dafür bekannt, Schadstoffe zu binden. Die Idee war, dass die Kombination zu einem einzigen „Verbund“ mehr und bessere Bindungsstellen für den Farbstoff schafft als die einzelnen Materialien allein, gleichzeitig werden bakterielle Nebenprodukte verwertet, die sonst meist entsorgt würden.

Wie sich das neue Filtermaterial verhält

Um zu verstehen, wie gut dieser natürliche Verbund funktioniert, untersuchte das Team zunächst seine Chemie und Struktur mittels Infrarotspektroskopie und Elektronenmikroskopie. Diese Methoden bestätigten, dass das Material viele aktive chemische Gruppen aufweist — etwa Hydroxyl-, Amino-, Carboxyl- und Phosphatgruppen —, die an Farbmoleküle binden können. Unter dem Mikroskop erschien reines Chitosan glatt und relativ dicht, mit wenigen Poren. Im Gegensatz dazu wirkte der Chitosan–bakterielle Zucker-Verbund rauer und poröser, mit schwammartiger Struktur. Diese offenere, unregelmäßigere Oberfläche bietet zusätzlichen Raum, in den die blauen Farbmoleküle eindringen und sich anlagern können.

Die besten Bedingungen für die Reinigung finden

Die Forschenden testeten anschließend, wie verschiedene Wasserbedingungen die Farbstoffentfernung beeinflussen. Sie variierten den Säuregrad (pH), die Kontaktzeit und die Anfangskonzentration des Farbstoffs. Der Verbund entfernte den Farbstoff am besten bei einem leicht sauren bis annähernd neutralen pH von etwa 6, während reines Chitosan bei pH 7 am besten arbeitete. Mit zunehmendem pH von stark sauer hin zu neutral wurde die Oberfläche des Materials negativer geladen, was die positiv geladenen Methylenblau-Moleküle stark anzieht. Beide Materialien entfernten den größten Teil des Farbstoffs innerhalb von etwa 30 Minuten, doch der Verbund schnitt konstant besser ab und entfernte rund 72 Prozent der Farbe im Vergleich zu etwa 61 Prozent bei reinem Chitosan. Bei sehr hoher Anfangskonzentration sank die Entfernungseffizienz, hauptsächlich weil die begrenzte Anzahl an Bindungsstellen gesättigt wurde.

Was auf molekularer Ebene passiert

Um tiefer nachzuvollziehen, wie der Farbstoff haftet, analysierte das Team, wie viel Farbstoff die Materialien aufnehmen konnten und wie schnell sie arbeiteten. Ihre Messwerte passten zu einem Modell, in dem sich der Farbstoff in einer einzigen, geordneten Schicht auf der Oberfläche anlagert — ein Hinweis auf gut definierte Bindungsstellen. Der Verbund speicherte pro Gramm etwas mehr Farbstoff als reines Chitosan und hielt diesen stärker. Zeitliche Messungen zeigten, dass der Prozess einer „Zweite-Ordnungs“-Kinetik folgte, was vereinfacht bedeutet, dass die Rate durch die Geschwindigkeit begrenzt wird, mit der Farbmoleküle Bindungen an spezifischen Stellen eingehen. Hier war der Verbund auffallend schneller: seine Geschwindigkeitskonstante lag etwa eine Größenordnung über der von reinem Chitosan. Zusätzliche Infrarotmessungen vor und nach der Farbstoffentfernung zeigten kleine, aber aussagekräftige Verschiebungen in wichtigen chemischen Signalen, was darauf hinweist, dass Gruppen mit Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor direkt beteiligt sind. Zusammengenommen deuten die Befunde auf eine Kombination aus elektrostatischer Anziehung zwischen entgegengesetzten Ladungen, Wasserstoffbrücken und Stapelwechselwirkungen zwischen ringförmigen Farbmolekülen und dem Zucker-Rückgrat des Verbunds hin.

Ein grünerer Weg zur Behandlung gefärbter Abwässer

Insgesamt zeigt die Studie, dass die Mischung von Chitosan mit bakteriellen Exopolysacchariden ein vollständig biologisch abbaubares Material ergibt, das Methylenblau aus Wasser effektiver und deutlich schneller entfernt als reines Chitosan. Zwar können einige hochentwickelte synthetische Materialien noch mehr Farbstoff aufnehmen, doch erfordern sie oft scharfe Chemikalien zur Herstellung und arbeiten langsamer. Im Gegensatz dazu besteht dieser natürliche Verbund aus nachwachsenden Bestandteilen, einschließlich eines bakteriellen Nebenprodukts, das sonst ungenutzt bleiben würde, und er funktioniert gut unter Bedingungen, die denen realer Industrieabwässer ähneln. Diese Kombination aus Geschwindigkeit, Leistung und Nachhaltigkeit legt nahe, dass sich das Material zu praktischen Filtern für Fabriken entwickeln lässt, die mit kräftigen Farbstoffen arbeiten — und so unsere Flüsse klarer halten kann, ohne neue Schadstoffe einzubringen.

Zitation: Abd-Alla, M.H., Hassan, E.A., Mohammed, E.A. et al. A novel composite of chitosan and Bacillus subtilis exopolysaccharide for the removal of methylene blue from aqueous solutions. Sci Rep 16, 6349 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36875-7

Schlüsselwörter: Abwasserbehandlung, biologisch abbaubarer Adsorbent, Entfernung von Methylenblau, Chitosan-Verbund, bakterielles Exopolysaccharid