Новый композит хитозана и экзополисахарида Bacillus subtilis для удаления метиленового синего из водных растворов

Почему важно очищать окрашенную воду

От джинсов, которые мы носим, до бумаги, на которой печатаем — в современной жизни широко используются синтетические красители. Но когда излишки красителей попадают в стоки заводов, они могут окрашивать реки в яркие цвета, блокировать свет, вредить водной жизни и даже представлять риск для здоровья людей. Очистка такой «окрашенной воды» обходится дорого, особенно в регионах с проблемами водоснабжения. В этом исследовании рассматривается недорогой, биоразлагаемый материал из природных полимеров — одного из отходов панцирей морепродуктов и одного от полезных бактерий — для быстрого и эффективного удаления распространённого синего красителя из воды.

Натуральная команда для загрязнённой воды

Исследователи сосредоточились на удалении метиленового синего, широко используемого синего красителя, который трудно разлагается в окружающей среде. Они создали новый материал, комбинируя хитозан — углеводный компонент, получаемый из панцирей ракообразных — с экзополисахаридами, длинноцепочечными сахарами, вырабатываемыми бактерией Bacillus subtilis. Оба ингредиента биоразлагаемы и уже известны своей способностью связывать загрязнители. Идея заключалась в том, чтобы объединить их в единый «композит», который создаст больше и лучших мест связывания для красителя, чем любой из материалов по отдельности, а также позволит использовать бактериальные побочные продукты, которые обычно выбрасывают.

Как ведёт себя новый фильтрующий материал

Чтобы понять, насколько эффективно работает этот природный композит, команда сначала изучила его химию и структуру с помощью инфракрасной спектроскопии и электронного микроскопа. Эти методы подтвердили наличие множества активных химических групп — таких как гидроксильные, аминные, карбоксильные и фосфатные группы — которые способны захватывать молекулы красителя. В микроскопе чистый хитозан выглядел гладким и относительно плотным, с немногими порами. Напротив, композит хитозана и бактериального полисахарида был более шероховатым и пористым, с губчатой текстурой. Такая более открытая, нерегулярная поверхность предоставляет дополнительное пространство для проникновения и прикрепления молекул синего красителя.

Поиск оптимальных условий для очистки

Учёные затем проверили, как разные условия воды влияют на удаление красителя. Они варьировали кислотность (pH), время контакта и начальную концентрацию красителя. Композит эффективнее всего удалял краситель при слабо-кислой или близкой к нейтральной pH около 6, в то время как чистый хитозан работал лучше при pH 7. По мере повышения pH от сильно кислого к нейтральному поверхность материала становилась более отрицательно заряженной, что сильно притягивало положительно заряженные молекулы метиленового синего. Оба материала удаляли большую часть красителя примерно за 30 минут, но композит стабильно показывал лучшие результаты, устраняя около 72 процентов цвета по сравнению с примерно 61 процентом для одного только хитозана. При очень высокой начальной концентрации красителя эффективность удаления падала, в основном потому, что ограниченное число мест связывания насыщалось.

Что происходит на молекулярном уровне

Чтобы глубже понять механизм прилипания красителя, команда проанализировала, сколько красителя материалы могут удерживать и с какой скоростью они это делают. Полученные данные соответствовали модели, при которой краситель формирует одиночный, упорядоченный слой на поверхности — признак хорошо определённых сайтов связывания. Композит вмещал немного больше красителя на грамм, чем чистый хитозан, и держал его прочнее. Эксперименты по времени показали, что процесс описывается кинетикой «второго порядка», что в простых терминах означает, что скорость контролируется тем, как быстро молекулы красителя образуют связи с конкретными участками. В этом отношении композит оказался заметно быстрее: его константа скорости была примерно на порядок выше, чем у чистого хитозана. Дополнительные инфракрасные измерения до и после удаления красителя показали небольшие, но характерные сдвиги в ключевых химических сигналах, указывающие на прямое участие групп, содержащих кислород, азот и фосфор. В совокупности доказательства указывают на комбинацию электростатического притяжения между противоположно заряженными участками, водородных связей и стэкинговых взаимодействий между кольцевыми молекулами красителя и сахарным остовом композита.

Более экологичный путь обработки окрашенных сточных вод

В целом исследование показывает, что смешение хитозана с бактериальными экзополисахаридами создаёт полностью биоразлагаемый материал, который удаляет метиленовый синий из воды эффективнее и значительно быстрее, чем один только хитозан. Хотя некоторые высокотехнологичные синтетические материалы могут удерживать ещё больше красителя, для их производства часто требуются жёсткие химикаты и они работают медленнее. Напротив, этот природный композит изготовлен из возобновляемых компонентов, включая бактериальный побочный продукт, который в противном случае шел бы в отходы, и он хорошо функционирует при условиях, близких к реальным промышленным сточным водам. Такое сочетание скорости, эффективности и устойчивости делает материал перспективным для разработки практичных фильтров для предприятий, использующих яркие красители — что поможет сохранить наши реки чище без добавления новых загрязнителей.

Цитирование: 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

Ключевые слова: очистка сточных вод, биоразлагаемый адсорбент, удаление метиленового синего, композит на основе хитозана, бактериальный экзополисахарид