Un nuovo composito di chitosano ed esopolisaccaride di Bacillus subtilis per la rimozione del blu di metilene da soluzioni acquose

Perché è importante depurare l’acqua colorata

Dai jeans che indossiamo alla carta su cui stampiamo, la vita moderna dipende dai coloranti sintetici. Ma quando i coloranti residuali vengono scaricati nelle fognature delle industrie, possono tingere i fiumi di colori vivaci, bloccare la luce solare, danneggiare la vita acquatica e persino rappresentare rischi per la salute umana. Trattare quest’«acqua colorata» è costoso, soprattutto in regioni già soggette a scarsità idrica. Questo studio esplora un materiale a basso costo e biodegradabile, ottenuto da polimeri naturali — uno derivato da scarti di crostacei e uno da batteri utili — in grado di estrarre un comune colorante blu dall’acqua in modo rapido ed efficiente.

Una squadra naturale per l’acqua inquinata

I ricercatori si sono concentrati sulla rimozione del blu di metilene, un colorante blu ampiamente utilizzato e difficile da degradare una volta disperso nell’ambiente. Hanno realizzato un nuovo materiale combinando il chitosano — un composto zuccherino ottenuto dai gusci dei crostacei — con esopolisaccaridi, lunghe catene di zuccheri prodotte dal batterio Bacillus subtilis. Entrambi gli ingredienti sono biodegradabili e già noti per la loro capacità di legare inquinanti. L’idea era che la loro miscela in un unico «composito» creasse più siti di legame e migliori prestazioni rispetto ai singoli materiali, riutilizzando allo stesso tempo sottoprodotti batterici che altrimenti verrebbero scartati.

Come si comporta il nuovo materiale filtrante

Per valutare l’efficacia del composito naturale, il team ha prima analizzato la sua chimica e struttura mediante spettroscopia infrarossa e microscopia elettronica. Questi strumenti hanno confermato che il materiale possiede numerosi gruppi chimici attivi — come gruppi ossidrilici, amminici, carbossilici e fosfato — in grado di agganciare le molecole del colorante. Al microscopio, il chitosano puro appariva liscio e relativamente denso, con poche porosità. Invece il composito chitosano–zucchero batterico mostrava una superficie più ruvida e porosa, con una texture simile a una spugna. Questa superficie più aperta e irregolare offre maggiore spazio perché le molecole del blu di metilene vi si infilino e si attacchino.

Trovare le condizioni migliori per la depurazione

Gli scienziati hanno quindi testato come diverse condizioni dell’acqua influenzassero la rimozione del colorante. Hanno variato l’acidità (pH), il tempo di contatto e la concentrazione iniziale del colorante. Il composito rimosse al meglio il colorante a un pH leggermente acido o quasi neutro, intorno a 6, mentre il chitosano puro funzionava meglio a pH 7. Con l’aumento del pH da valori fortemente acidi verso il neutro, la superficie del materiale diventava più carica negativamente, attirando fortemente le molecole di blu di metilene cariche positivamente. Entrambi i materiali eliminarono la maggior parte del colorante in circa 30 minuti, ma il composito fu costantemente più efficiente, rimuovendo circa il 72% del colore rispetto al circa 61% del solo chitosano. Quando la concentrazione iniziale del colorante era molto alta, l’efficienza di rimozione diminuiva, principalmente perché il numero limitato di siti di legame si saturava.

Cosa avviene su scala molecolare

Per approfondire il meccanismo di adesione del colorante, il team ha analizzato la capacità di adsorbimento e la cinetica del processo. I dati si adattavano a un modello in cui il colorante forma uno strato singolo e ordinato sulla superficie, segno di siti di attacco ben definiti. Il composito immagazzinò leggermente più colorante per grammo rispetto al solo chitosano e lo trattenne con maggiore forza. Gli esperimenti temporali mostrarono che il processo seguiva una cinetica di «secondo ordine», il che, in termini semplici, indica che la velocità è governata dalla formazione dei legami tra le molecole del colorante e siti specifici. Qui il composito risultò nettamente più rapido: la sua costante di velocità era circa un ordine di grandezza maggiore rispetto al chitosano puro. Ulteriori misure infrarosse prima e dopo la rimozione del colorante evidenziarono spostamenti piccoli ma significativi in segnali chimici chiave, mostrando che gruppi contenenti ossigeno, azoto e fosforo erano direttamente coinvolti. Complessivamente, le evidenze indicano una combinazione di attrazione elettrostatica tra cariche opposte, legami a idrogeno e interazioni di impilamento tra le molecole anulari del colorante e la spina dorsale zuccherina del composito.

Una via più ecologica per trattare le acque reflue colorate

Nel complesso, lo studio dimostra che la miscelazione di chitosano con esopolisaccaridi batterici crea un materiale completamente biodegradabile che rimuove il blu di metilene dall’acqua in modo più efficace e molto più rapido rispetto al solo chitosano. Sebbene alcuni materiali sintetici di alta tecnologia possano adsorbire quantità maggiori di colorante, spesso richiedono sostanze chimiche aggressive per la produzione e tempi di azione più lunghi. Al contrario, questo composito naturale è realizzato con ingredienti rinnovabili, inclusi sottoprodotti batterici che altrimenti verrebbero sprecati, e funziona bene in condizioni simili a quelle delle reali acque reflue industriali. Questa combinazione di velocità, prestazioni e sostenibilità suggerisce che il materiale potrebbe essere sviluppato in filtri pratici per le industrie che usano coloranti vivaci — contribuendo a mantenere i nostri fiumi più puliti senza introdurre nuovi inquinanti nel processo.

Citazione: 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

Parole chiave: trattamento delle acque reflue, adsorbente biodegradabile, rimozione del blu di metilene, composito a base di chitosano, esopolisaccaride batterico