Sekwencyjna biosorpcyjno-degradacyjna rekultywacja przy użyciu masy komórkowej nowo wyizolowanego Bacillus safensis SMAH: optymalizacja, kinetyka, izotermy i ocena termodynamiczna usuwania błękitu metylenowego z zanieczyszczonej gleby i ścieków

Dlaczego oczyszczanie zabarwionej gleby ma znaczenie

Jaskrawe barwniki syntetyczne sprawiają, że nasze ubrania i wyroby skórzane przyciągają wzrok, ale gdy te kolory przedostają się do gleby i wody, mogą utrzymywać się przez lata i szkodzić organizmom żywym. Jeden z najpowszechniej stosowanych barwników, błękit metylenowy, jest szeroko wykorzystywany w przemyśle tekstylnym i garbarskim. W tym badaniu przeanalizowano rozwiązanie oparte na naturze, które pozwala usunąć ten uporczywy barwnik z zanieczyszczonej gleby i go rozłożyć, wykorzystując nowo odkrytą szczepę nieszkodliwych bakterii zamiast kosztownych chemikaliów czy energochłonnych urządzeń.

Poszukiwanie pomocnego mikroba

Naukowcy zaczęli od przeszukania miejsc już narażonych na duże ilości barwnika — ścieki garbarskie, osady, odpady skórzane i pobliskie jezioro. Z tych środowisk wyizolowali szesnaście różnych szczepów bakterii i przetestowali, jak dobrze każdy z nich potrafi usunąć błękit metylenowy z medium ciekłego. Jeden szczep wyróżnił się: usunął około 97 procent barwnika w zaledwie 24 godziny. Analiza genetyczna wykazała, że zwycięski szczep należy do gatunku Bacillus safensis. Zespół następnie rozmnożył dużą ilość tego mikroba, delikatnie wysuszył komórki, by zachować ich powierzchniową chemię, i użył powstałego materiału bakteryjnego — nazwanego BS-SMAH-B — jako wielokrotnego użytku środka oczyszczającego.

Jak materiał bakteryjny przyciąga barwnik

Aby zrozumieć, dlaczego BS-SMAH-B działa tak skutecznie, naukowcy zbadali jego powierzchnię za pomocą kilku technik obrazowania i analiz. Zdjęcia wykonane mikroskopem elektronowym ujawniły chropowatą, porowatą strukturę z wieloma drobnymi wnękami, które razem zapewniają dużą powierzchnię, na którą może przywierać barwnik. Analizy chemiczne wykazały, że powierzchnia bakteryjna jest bogata w węgiel, tlen i azot, ułożone w powszechne grupy funkcyjne, takie jak kwasy, alkohole i aminy. Grupy te niosą ładunki ujemne w typowych warunkach środowiskowych, podczas gdy błękit metylenowy ma ładunek dodatni. Ta różnica ładunku pomaga wyciągać barwnik z roztworu glebowego na powierzchnię bakterii, podobnie jak elektryczność statyczna sprawia, że kurz przylega do tkaniny. Pomiary ładunku powierzchniowego potwierdziły to: biomasa miała wyraźnie ujemny potencjał elektryczny, sprzyjający przyciąganiu dodatnio naładowanych cząsteczek barwnika.

Zabarwiona gleba a czystsze podłoże

Po scharakteryzowaniu materiału zespół przetestował BS-SMAH-B na glebie celowo zanieczyszczonej błękitem metylenowym. W laboratorium badano, jak kwasowość, dawka biomasy, temperatura, zawartość soli i czas kontaktu wpływają na efektywność. Najlepsze warunki to słabo zasadowe środowisko (około pH 9), wystarczająca ilość biomasy zapewniająca wiele miejsc wiązania i umiarkowane podniesienie temperatury, co łącznie zwiększało usuwanie barwnika. Przy tych zoptymalizowanych ustawieniach układ szybko pobierał barwnik na początku, a następnie zwalniał, gdy powierzchnia bakteryjna ulegała nasyceniu. Matematyczne modele tego przebiegu czasowego wskazały, że kluczowym etapem jest tworzenie silnych wiązań chemicznych między barwnikiem a powierzchnią bakterii, a nie jedynie luźne przyleganie. Co ważne, gdy tę samą metodę zastosowano do rzeczywistych zanieczyszczonych gleb pobranych z terenów garbarskich — gdzie inne substancje konkurują o miejsca na powierzchniach — materiał bakteryjny nadal usunął do około 82 procent barwnika w zaledwie jedną godzinę.

Co dzieje się z zatrzymanym barwnikiem

Badanie nie zatrzymało się na prostym wychwycie barwnika. Dowody ze spektroskopii absorpcji światła oraz wcześniejsze prace z podobnymi bakteriami sugerują, że po przyłączeniu błękitu metylenowego do biomasy enzymy produkowane przez mikroby zaczynają rozcinać cząsteczki barwnika. Z upływem czasu intensywny niebieski kolor blednie, a duże cząsteczki barwnika przekształcane są w mniejsze, znacznie mniej szkodliwe fragmenty, a ostatecznie w proste formy nieorganiczne i krótkie związki organiczne. Ten dwustopniowy mechanizm — szybka „biosorpcja” a następnie wolniejszy biologiczny rozkład — oznacza, że barwnik nie jest tylko ukryty, lecz aktywnie rozkładany, zmniejszając ryzyko ponownego uwolnienia do środowiska.

Natura jako inspiracja dla bezpieczniejszych gleb

Krótko mówiąc, badanie pokazuje, że naturalnie występujący szczep bakterii może działać jak sprytna gąbka na uporczywy barwnik przemysłowy: najpierw wyłapuje błękit metylenowy z gleby, a potem pomaga go rozłożyć. Materiał BS-SMAH-B jest tani w hodowli, działa w łagodnych warunkach i unika intensywnego użycia chemikaliów, które mogą tworzyć nowe problemy z zanieczyszczeniem. Chociaż potrzebne są dalsze testy poza laboratorium, wyniki te wskazują na praktyczne, niskokosztowe metody wykorzystujące żywe lub niegdyś żywe mikroorganizmy do oczyszczania zabarwionych gleb wokół garbarni i innych przemysłów intensywnie stosujących barwniki, co zwiększa bezpieczeństwo gruntów i wód dla okolicznych społeczności.

Cytowanie: Mahmoud, M.E., Moneer, A.A., Abouelkheir, S.S. et al. Sequential biosorptive-degradative remediation of methylene blue from polluted soil and wastewater by a newly isolated Bacillus safensis SMAH biomass: optimization, kinetics, isotherms and thermodynamics assessments. Sci Rep 16, 8496 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39057-7

Słowa kluczowe: bioremediacja gleby, błękit metylenowy, bakteryjna biosorpcja, zanieczyszczenie barwnikami, oczyszczanie środowiska