קומפוזיט חדש על בסיס כיטוסן ואקסופוליסכריד של Bacillus subtilis להסרת תכלת מתילן מממיסים מימיים

מדוע חשוב לנקות מים צבועים

מהג׳ינסים שאנחנו לובשים ועד לנייר שעליו מדפיסים, החיים המודרניים נשענים על צבעים סינתטיים. אבל כאשר שאריות צבעים נשפכות לנחלים דרך ניקוזי מפעלים, הן עשויות לצבוע נהרות, לחסום את חדירת האור, לפגוע בחיים המימיים ואפילו לסכן את בריאות האדם. טיפול במים הצבועים הזה יקר, במיוחד באזורים שסובלים ממחסור במים. מחקר זה בוחן חומר זול וביודגרדבילי העשוי מפולימרים טבעיים — אחד ממקור של פסולת צדפות ואחד מתוצר של חיידקים מועילים — שמסוגל להוציא צבע כחול נפוץ מהמים במהירות וביעילות.

צוות טבעי למים מזוהמים

החוקרים התמקדו בהסרת תכלת מתילן, צבע כחול נפוץ שקשה לפרק בסביבה. הם יצרו חומר חדש על ידי שילוב כיטוסן — תרכובת מבוססת סוכר המופקת מקליפות סרטנאים — עם אקסופוליסכרידים, סוכרים פולימריים ארוכי-שרשרת המיוצרים על‑ידי החיידק Bacillus subtilis. שני המרכיבים ביודגרדביליים וכבר ידועים ביכולת שלהם להיקשר לזיהומים. הרעיון היה שחיבור שלהם לקומפוזיט אחד ייצור יותר ובעלי אתרי קשירה טובים יותר לצבע מאשר כל חומר לחוד, ובמקביל ינצל תוצרי חיידקים שלרוב נזרקים.

איך החומר המסנן החדש מתנהג

כדי להבין עד כמה הקומפוזיט הטבעי יעיל, הצוות בחן תחילה את הכימיה והמבנה שלו באמצעות ספקטרוסקופיית אינפרא‑אדום ומיקרוסקופ אלקטרונים. כלים אלה אישרו שלחומר יש קבוצות כימיות פעילות רבות — כגון קבוצות הידרוקסיל, אמינו, קרבוקסיל ופוספט — שיכולות להיאחז במולקולות הצבע. תחת המיקרוסקופ, כיטוסן נטול הוספות נראה חלק וצפוף יחסית, עם מעט נקבים. לעומת זאת, הקומפוזיט המשלב כיטוסן וסוכר חיידקי נראה מחוספס ויותר נקבי, במרקם ספוגי. פני שטח פתוחים ואי‑סדירים אלה מספקים מקום נוסף למולקולות הצבע הכחול להיכנס ולהיקשר.

מציאת התנאים הטובים ביותר לניקוי

המדענים ניסו כיצד תנאי המים השונים משפיעים על הסרת הצבע. הם שינו את החומציות (pH), זמן המגע וריכוז הצבע ההתחלתי. הקומפוזיט הסיר את הצבע בצורה הטובה ביותר בטווח חומציות מעט חומצי עד ניטרלי של כ‑6, בעוד שכיטוסן נטו עבד טוב יותר ב‑pH 7. כשה‑pH עלה מחומצי חזק לכיוון ניטרלי, פני השטח של החומר הפכו לטעונים יותר באופן שלילי, מה שמשך בחוזקה את מולקולות תכלת המתילן החיוביות. שני החומרים הסירו את רוב הצבע בתוך כ‑30 דקות, אך הקומפוזיט עשה זאת בעקביות ביתר יעילות — כ‑72% הסרה לעומת כ‑61% לכיטוסן לבד. כאשר ריכוז הצבע ההתחלתי היה גבוה מאוד, היעילות ירדה, בעיקר כיוון שמספר אתרי הקשירה המוגבל התמלא בסופו של דבר.

מה קורה בקנה מידה מולקולרי

כדי לחקור לעומק כיצד הצבע נצמד, הצוות ניתח כמה צבע החומרים יכולים לאחסן וכמה מהר הם פועלים. המידות התאימו למודל שבו הצבע יוצר שכבה יחידה ומסודרת על פני השטח — סימן לאתרי קשירה מוגדרים היטב. הקומפוזיט אחסן מעט יותר צבע לגרם מאשר כיטוסן לבד והחזיק בו בחוזקה רבה יותר. ניסויי תזמון הראו שהתהליך תואם למכניקת קינטיקה מסדר שני, שמשמעותה בפשטות היא שהקצב נשלט על־ידי המהירות שבה מולקולות הצבע יוצרות קשרים עם אתרים ספציפיים. כאן, הקומפוזיט היה בולט במהירותו: קבוע הקצב שלו היה בערך בסדר גודל גבוה יותר מזה של כיטוסן רגיל. מדידות אינפרא‑אדום נוספות לפני ואחרי הסרת הצבע הראו שינויים קטנים אך משמעותיים באותות כימיים מרכזיים, המעידים שקבוצות המכילות חמצן, חנקן ופוספור מעורבות ישירות. יחד, הראיות מצביעות על שילוב של משיכה אלקטרוסטטית בין מטענים מנוגדים, קשרי מימן ואינטראקציות הצטברות בין טבעות מולקולות הצבע לגב הסוכרי של הקומפוזיט.

דרך ירוקה יותר לטיפול במי שפכים צבעוניים

בסך הכל, המחקר מראה ששילוב כיטוסן עם אקסופוליסכרידים חיידקיים יוצר חומר ביודגרדבילי מלא שמסיר תכלת מתילן מהמים בצורה יעילה ומהירה יותר מאשר כיטוסן בלבד. אמנם חלק מהחומרים הסינתטיים המתקדמים עשויים לאחסן עוד צבע, אבל הם לעתים קרובות דורשים כימיקלים קשים לייצור ועובדים לאט יותר. לעומת זאת, קומפוזיט טבעי זה מיוצר מרכיבים מתחדשים, כולל תוצר חיידקי שלולא כן היה הופך לפסולת, ופועל היטב בתנאים דומים לנפוצים במי שפכים תעשייתיים אמיתיים. הצירוף של מהירות, ביצועים וקיימות מציע שניתן לפתח חומר זה לסננים מעשיים עבור מפעלים המשתמשים בצבעים חזקים — ולסייע לשמור על נהרות נקיים יותר מבלי להוסיף מזהמים חדשים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: טיפול במי שפכים, סופח ביודגרדבילי, הסרת תכלת מתילן, קומפוזיט כיטוסן, אקסופוליסכריד חיידקי