Een nieuw composiet van chitosan en exopolysaccharide van Bacillus subtilis voor het verwijderen van methyleenblauw uit waterige oplossingen

Waarom het schoonmaken van gekleurd water ertoe doet

Van de jeans die we dragen tot het papier waarop we afdrukken, het moderne leven is afhankelijk van synthetische kleurstoffen. Maar wanneer restanten van kleurstoffen in fabrieksafvoeren verdwijnen, kunnen ze rivieren felle kleuren geven, zonlicht blokkeren, het waterleven schaden en zelfs gezondheidsrisico’s voor mensen opleveren. Het behandelen van dit “gekleurd water” is kostbaar, vooral in regio’s die al te maken hebben met waterschaarste. Deze studie onderzoekt een goedkope, biologisch afbreekbare stof gemaakt van natuurlijke polymeren — een afkomstig van schaaldierafval en een van behulpzame bacteriën — om een veelgebruikte blauwe kleurstof snel en efficiënt uit water te halen.

Een natuurlijk team voor vervuild water

De onderzoekers richtten zich op het verwijderen van methyleenblauw, een veelgebruikte blauwe kleurstof die moeilijk afbreekbaar is zodra ze in het milieu terechtkomt. Ze ontwikkelden een nieuw materiaal door chitosan — een suikergestuurd verbinding gewonnen uit schaaldierkraakbeen — te combineren met exopolysacchariden, langketenige suikers die worden geproduceerd door de bacterie Bacillus subtilis. Beide ingrediënten zijn biologisch afbreekbaar en staan erom bekend zich aan verontreinigingen te hechten. Het idee was dat het mengen van beide tot een enkel “composiet” meer en betere bindingsplaatsen voor de kleurstof zou creëren dan elk materiaal afzonderlijk, en tegelijkertijd bacteriële bijproducten zou hergebruiken die normaal worden weggegooid.

Hoe het nieuwe filtermateriaal zich gedraagt

Om te begrijpen hoe goed dit natuurlijke composiet werkt, onderzocht het team eerst de chemie en structuur met infraroodspectroscopie en elektronenmicroscopie. Deze instrumenten bevestigden dat het materiaal veel actieve chemische groepen had — zoals hydroxyl-, amino-, carboxyl- en fosfaatgroepen — die zich aan kleurstofmoleculen kunnen hechten. Onder de microscoop leek puur chitosan glad en relatief dicht, met weinig poriën. Daarentegen oogde het chitosan–bacteriële suikerscomposiet ruwer en poreuzer, met een sponsachtige textuur. Dit meer open, onregelmatige oppervlak biedt extra ruimte voor de blauwe kleurstofmoleculen om naar binnen te glippen en zich vast te hechten.

De beste omstandigheden voor reiniging vinden

De wetenschappers testten vervolgens hoe verschillende watercondities de kleurstofverwijdering beïnvloedden. Ze varieerden de zuurgraad (pH), de contacttijd en de beginkleurstofconcentratie. Het composiet verwijderde het beste bij een licht zuurgevoelige tot bijna neutrale pH van ongeveer 6, terwijl puur chitosan het beste werkte bij pH 7. Naarmate de pH steeg van sterk zuur naar neutraal, werd het oppervlak van het materiaal negatiever geladen, wat de positief geladen methyleenblauwmoleculen sterk aantrok. Beide materialen verwijderden het grootste deel van de kleurstof binnen ongeveer 30 minuten, maar het composiet presteerde consequent beter, en verwijderde ongeveer 72 procent van de kleur in vergelijking met ongeveer 61 procent voor alleen chitosan. Wanneer het initiële kleurstofgehalte zeer hoog was, daalde de verwijderingsefficiëntie voornamelijk omdat het beperkte aantal bindingsplaatsen verzadigd raakte.

Wat er op moleculair niveau gebeurt

Om dieper te onderzoeken hoe de kleurstof zich hecht, analyseerde het team hoeveel kleurstof de materialen konden vasthouden en hoe snel ze werkten. Hun metingen pasten bij een model waarin de kleurstof een enkele, ordelijke laag op het oppervlak vormt, een aanwijzing voor goed gedefinieerde bindingsplaatsen. Het composiet slaagde erin iets meer kleurstof per gram op te nemen dan alleen chitosan en hield er sterker aan vast. Tijdmetingen toonden dat het proces een kinetisch patroon van “tweede orde” volgde, wat in eenvoudige termen betekent dat de snelheid wordt bepaald door hoe snel kleurstofmoleculen bindingen met specifieke sites kunnen vormen. Hier was het composiet opvallend sneller: de snelheidsconstante was ongeveer een orde van grootte hoger dan die van puur chitosan. Aanvullende infraroodmetingen voor en na de kleurstofverwijdering toonden kleine maar veelzeggende verschuivingen in sleutelchemische signalen, wat liet zien dat groepen met zuurstof, stikstof en fosfor direct betrokken waren. Gezamenlijk wijzen de aanwijzingen op een combinatie van elektrostatiche aantrekking tussen tegengesteld geladen deeltjes, waterstofbruggen en stapelingsinteracties tussen ringvormige kleurstofmoleculen en de suikerruggengraat van het composiet.

Een groenere route voor de behandeling van gekleurd afvalwater

Al met al toont de studie aan dat het mengen van chitosan met bacteriële exopolysacchariden een volledig biologisch afbreekbaar materiaal oplevert dat methyleenblauw uit water effectiever en veel sneller verwijdert dan alleen chitosan. Hoewel sommige hightech synthetische materialen zelfs meer kleurstof kunnen opnemen, vereisen ze vaak agressieve chemicaliën voor de productie en hebben ze doorgaans meer tijd nodig om te werken. Daarentegen is dit natuurlijke composiet gemaakt van hernieuwbare ingrediënten, inclusief een bacterieel bijproduct dat anders zou worden weggegooid, en het functioneert goed onder condities die vergelijkbaar zijn met echt industrieel afvalwater. Die combinatie van snelheid, prestatie en duurzaamheid suggereert dat dit materiaal kan worden ontwikkeld tot praktische filters voor fabrieken die felle kleurstoffen gebruiken — waarmee het helpt onze rivieren helderder te houden zonder nieuwe verontreinigingen toe te voegen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: rioolwaterzuivering, biologisch afbreekbaar adsorbens, verwijdering van methyleenblauw, chitosancomposiet, bacteriële exopolysaccharide