Nowy kompozyt z chitozanu i egzopolisacharydu Bacillus subtilis do usuwania błękitu metylenowego z roztworów wodnych

Dlaczego oczyszczanie zabarwionej wody ma znaczenie

Od dżinsów, które nosimy, po papier, na którym drukujemy — współczesne życie opiera się na barwnikach syntetycznych. Gdy jednak pozostałości farb trafiają do kanalizacji fabrycznej, mogą zabarwiać rzeki, blokować dostęp światła, szkodzić organizmom wodnym, a nawet stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzi. Leczenie takiej „zabarwionej wody” jest kosztowne, zwłaszcza w regionach borykających się już z niedoborem wody. W badaniu tym zbadano niskokosztowy, biodegradowalny materiał z naturalnych polimerów — jednego pochodzącego z odpadów skorupiaków i drugiego od pożytecznych bakterii — służący do szybkiego i skutecznego usuwania powszechnego niebieskiego barwnika z wody.

Naturalny duet do zanieczyszczonej wody

Naukowcy skupili się na usuwaniu błękitu metylenowego, szeroko stosowanego niebieskiego barwnika, który trudno rozłożyć po przedostaniu się do środowiska. Opracowali nowy materiał przez połączenie chitozanu — związku cukrowego pozyskiwanego ze skorup krabów i innych skorupiaków — z egzopolisacharydami, długimi łańcuchami cukrowymi produkowanymi przez bakterię Bacillus subtilis. Oba składniki są biodegradowalne i znane z zdolności do wiązania zanieczyszczeń. Pomysł polegał na tym, że ich zmieszanie w jeden „kompozyt” stworzy więcej i lepszych miejsc wiążących barwnik niż każdy materiał z osobna, jednocześnie wykorzystując produkt uboczny bakterii, który zwykle jest wyrzucany.

Jak zachowuje się nowy materiał filtracyjny

Aby ocenić skuteczność naturalnego kompozytu, zespół najpierw zbadał jego chemię i strukturę za pomocą spektroskopii w podczerwieni oraz mikroskopii elektronowej. Te metody potwierdziły, że materiał zawiera wiele aktywnych grup chemicznych — takich jak grupy hydroksylowe, aminowe, karboksylowe i fosforanowe — które mogą wiązać cząsteczki barwnika. W mikroskopie czysty chitozan wydawał się gładki i stosunkowo zwarty, z niewielką liczbą porów. Natomiast kompozyt chitozanu z bakteryjnym cukrem wyglądał na bardziej chropowaty i porowaty, o gąbczastej strukturze. Ta bardziej otwarta, nieregularna powierzchnia daje dodatkową przestrzeń, w której cząsteczki niebieskiego barwnika mogą się zagnieździć i przyczepić.

Poszukiwanie najlepszych warunków oczyszczania

Naukowcy następnie sprawdzili, jak różne warunki wodne wpływają na usuwanie barwnika. Modyfikowali kwasowość (pH), czas kontaktu i początkowe stężenie barwnika. Kompozyt najlepiej usuwał barwnik w lekko kwaśnym do zbliżonego do obojętnego pH około 6, podczas gdy czysty chitozan działał najlepiej przy pH 7. W miarę wzrostu pH od silnie kwaśnego w kierunku wartości obojętnej powierzchnia materiału stawała się bardziej naładowana ujemnie, co silnie przyciągało dodatnio naładowane cząsteczki błękitu metylenowego. Oba materiały usuwały większość barwnika w ciągu około 30 minut, ale kompozyt konsekwentnie wypadał lepiej, usuwając około 72 procent barwy w porównaniu z około 61 procent dla samego chitozanu. Przy bardzo wysokim początkowym stężeniu barwnika efektywność spadała, głównie dlatego, że ograniczona liczba miejsc wiążących ulegała nasyceniu.

Co dzieje się w skali molekularnej

Aby głębiej zrozumieć mechanizm wiązania, zespół przeanalizował, ile barwnika materiały mogą pomieścić i jak szybko to robią. Pomiary pasowały do modelu, w którym barwnik tworzy pojedynczą, uporządkowaną warstwę na powierzchni — znak wyraźnych miejsc przyłączenia. Kompozyt magazynował nieco więcej barwnika na gram niż sam chitozan i wiązał go silniej. Eksperymenty czasowe wykazały, że proces przebiega według kinetyki „drugiego rzędu”, co w prostych słowach oznacza, że szybkość kontrolowana jest przez to, jak szybko cząsteczki barwnika mogą tworzyć wiązania z konkretnymi miejscami. Tutaj kompozyt był wyraźnie szybszy: jego stała szybkości była około rzędu wielkości wyższa niż samego chitozanu. Dodatkowe pomiary w podczerwieni przed i po usunięciu barwnika ujawniły niewielkie, ale znamienne przesunięcia w kluczowych sygnałach chemicznych, pokazując zaangażowanie grup zawierających tlen, azot i fosfor. Razem dowody wskazują na kombinację oddziaływań elektrostatycznych między przeciwstawnymi ładunkami, wiązań wodorowych oraz oddziaływań π-π między pierścieniowymi cząsteczkami barwnika a cukrowym szkieletem kompozytu.

Bardziej zielona droga do oczyszczania barwionych ścieków

Podsumowując, badanie pokazuje, że połączenie chitozanu z bakteryjnymi egzopolisacharydami tworzy w pełni biodegradowalny materiał, który usuwa błękit metylenowy z wody skuteczniej i znacznie szybciej niż sam chitozan. Chociaż niektóre zaawansowane syntetyczne materiały mogą pochłaniać jeszcze więcej barwnika, często wymagają do produkcji ostrych chemikaliów i działają wolniej. W przeciwieństwie do nich ten naturalny kompozyt powstaje z odnawialnych składników, w tym ubocznego produktu bakteryjnego, który w innym wypadku trafiłby na odpady, i dobrze funkcjonuje w warunkach podobnych do rzeczywistych ścieków przemysłowych. To połączenie szybkości, wydajności i zrównoważenia sugeruje, że materiał mógłby zostać opracowany w praktyczne filtry dla zakładów używających intensywnych barwników — pomagając utrzymać rzeki w czyściejszym stanie bez wprowadzania nowych zanieczyszczeń.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: oczyszczanie ścieków, biodegradowalny adsorbent, usuwanie błękitu metylenowego, kompozyt z chitozanu, bakteryjny egzopolisacharyd