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Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 9168 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal die Fähigkeit des porösen Biosilica von drei marinen Diatomeenstämmen von „Nanofrustulum spp.“ untersucht. nämlich. N. wachnickianum (SZCZCH193), N. shiloi (SZCZM1342), N. vgl. Shiloi (SZCZP1809) zur Eliminierung von MB aus wässrigen Lösungen wurde untersucht. Die höchste Biomasse wurde unter Silikatanreicherung für N. wachnickianum und N. shiloi (0,98 g L−1 DW bzw. 0,93 g L−1 DW) und unter 15 °C für N. erreicht, vgl. Shiloi (2,2 g L−1 DW). Die silikatischen Skelette der Stämme wurden mit Wasserstoffperoxid gereinigt und durch SEM, EDS, N2-Adsorption/Desorption, XRD, TGA und ATR-FTIR charakterisiert. Das poröse Biosilica (20 mg DW), das aus den Stämmen SZCZCH193, SZCZM1342, SZCZP1809 erhalten wurde, zeigte eine Effizienz von 77,6 %, 96,8 % und 98,1 % der Entfernung von 14 mg L−1 MB bei pH 7 für 180 Minuten und die maximale Adsorption Die Kapazität wurde mit 8,39, 19,02 bzw. 15,17 mg g-1 berechnet. Darüber hinaus konnte die MB-Entfernungseffizienz unter alkalischen (pH = 11) Bedingungen für SZCZP1809 nach 120 Minuten auf bis zu 99,08 % gesteigert werden. Die Modellierung ergab, dass die Adsorption von MB den Modellen Pseudo-erster Ordnung, Banghams Porendiffusion und Sips-Isotherme folgt.

Kieselalgen (Bacillariophyta), eine Hauptgruppe photosynthetischer Mikroorganismen, sind einzellige eukaryotische Mikroalgen, die in Zellwänden leben, die aus porösem Biosilica (SiO2) mit 3D-Struktur bestehen. Sie spielen eine wesentliche Rolle in den globalen Kohlenstoff- und Siliziumkreisläufen im Ozean und ihre photosynthetische Aktivität macht fast ein Fünftel der Primärproduktivität der Erde aus1,2. Aufgrund ihres Potenzials zur Herstellung vielfältiger bioaktiver Verbindungen und Feinchemikalien für industrielle Anwendungen erregen Kieselalgen zunehmend Aufmerksamkeit in der angewandten Wissenschaft: Fucoxanthin ist für seine antioxidative Wirkung bekannt und kann in Pharmazeutika und Kosmetika eingesetzt werden3; ungesättigte Fettsäuren werden als Nahrungsergänzungsmittel verwendet4; Triacylglycerine (TAG) stellen einen Kohlenstoffrohstoff für die Umwandlung in Biokraftstoffe dar5. Die natürliche poröse Architektur von Kieselgurfrusteln erregte Aufmerksamkeit in den Bereichen Arzneimittelabgabe6, Biosensorik7 und Metallrückgewinnung8. Kieselalgen haben ein enormes biotechnologisches Potenzial für Bioraffinerieprozesse9, wodurch ihre Biomasse kostengünstig für die Herstellung verschiedener Verbindungen genutzt werden könnte.

Der weit verbreitete Einsatz verschiedener organischer Schadstoffe, z. B. Medikamente10, Antibiotika11, Phenole12 und Farbstoffe13, in der Industrie hat zu dem Problem der Wasserverschmutzung geführt. Sie werden als Industrieabfälle gelagert und dann in die Gewässer der Umwelt eingeleitet, wodurch farbloses, sauberes Wasser in kontaminierte, farbige Abfälle umgewandelt wird. Wasserlösliche Grundfarbstoffe werden häufig zum Färben von Papier, Polyester, Seide, Baumwolle und Wolle verwendet14. Diese Kontamination ist hochgiftig und könnte sich negativ auf den Menschen auswirken und zu Atemproblemen, Augenschäden und Methämoglobinämie führen15,16,17. Methylenblau (MB) ist als Modellfarbstoff bekannt, der zur Bewertung der Entfernungskapazität verschiedener Materialien und als Indikator für die mesoporöse Natur von Adsorbentien verwendet wird18.

Derzeit wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um eine effiziente Methode zur Entfernung grüner Farbstoffe zu finden, damit der Farbstoff im Abwasser zurückgewonnen werden kann. Eine der vielversprechendsten Abbaumethoden ist die Adsorption, die bessere Ergebnisse liefert, für verschiedene Arten von Farbstoffen verwendet werden kann, keine hochentwickelte Ausrüstung erfordert, unempfindlich gegenüber toxischen Co-Schadstoffen in Abwässern ist und keine giftigen Substanzen produziert19. Aktivkohle, das am häufigsten verwendete natürliche Adsorptionsmittel, wurde in zahlreichen Studien verwendet und zeigte eine hohe Adsorptionskapazität bei der Entfernung von MB, obwohl die hohen Kosten und der schwierige Regenerationsprozess zu einer weiteren Suche nach kostengünstigen und hochwirksamen Adsorptionsmitteln führten20. Als Adsorptionsmittel wurden viele unkonventionelle Adsorbentien, insbesondere solche auf Basis von Naturstoffen, vorgeschlagen. Für Bioadsorbentien (tote und lebende Biomasse von Bakterien21, Algen22, Pilzen23, Pflanzen24 und landwirtschaftlichen Abfällen25), Zeolithen26 und Kieselgur27 wurden hohe Adsorptionskapazitäten nachgewiesen. Nach unserem besten Wissen wurden nur wenige Studien mit reinem Kieselgur-Biosilikat durchgeführt, das aus Punnularia sp.28 und Cyclotella sp.29 extrahiert wurde, wobei der Schwerpunkt stärker auf metalldotiertem Kieselgur30,31 und Kieselgur27,32 lag und chemisch synthetisiert wurde mesoporöses Siliciumdioxid33,34. Obwohl chemisch synthetisiertes Siliciumdioxid eine hohe Adsorptionseffizienz aufweist, deuten einige Untersuchungen darauf hin, dass dieses Material zytotoxisch sein kann35,36, während aus Kieselalgen stammendes Biosilica Berichten zufolge kein zytotoxisches Material ist37 und daher auf nicht schädliche Weise verwendet werden könnte. In der vorliegenden Studie wurde poröses Biosilica aus drei verschiedenen marinen Diatomeenstämmen der Gattung Nanofrustulum Round, Hallsteinsen & Paasche, gezüchtet in der Szczecin Diatom Culture Collection (SZCZ), Universität Stettin, Institut für Meeres- und Umweltwissenschaften, Polen, verwendet erstmals als hochwirksames und kostengünstiges MB-Adsorbens charakterisiert und identifiziert.

Drei Stämme von Nanofrustulum spp. zeigten während der Batch-Kultur deutliche Verzögerungs-, Exponential- und stationäre Phasen (Abb. 1a, b). Die Verzögerungsphase des Stammes SZCZCh193 N. wachnickianum wurde bis zum 5. Tag der Kultivierung beobachtet, mit exponentiellem Wachstum für 7 Tage vom 5. bis 12. Tag und einer stationären Phase ab dem 12. Tag des Wachstums. Die maximale spezifische Wachstumsrate der exponentiellen Phase wurde mit 0,115 d−1 (R2 = 0,95) berechnet. Das Wachstum des Stammes SZCZM1342 N. shiloi zeigte eine Verzögerungsphase (bis zum 4. Tag), eine exponentielle Phase (für 6 Tage, vom 4. bis zum 10. Tag) und eine stationäre Phase (ab dem 10. Tag) sowie die maximale spezifische Wachstumsrate der exponentiellen Phase wurde als 0,270 d−1 (R2 = 0,97) 6 Tage nach der Inokulation berechnet, SZCZP1809 N. vgl. Shiloi zeigte 10 Tage lang (bis zum 16. Tag der Kultivierung) ein exponentielles Wachstum, gefolgt von einer stationären Wachstumsphase. Die maximale spezifische Wachstumsrate während der exponentiellen Phase wurde mit 0,513 d−1 (R2 = 0,99) berechnet. Daher kann gesagt werden, dass die maximalen Biomasseerträge für SZCZCh193 N. wachnickianum (0,39 ± 0,039 g L−1 DW) und SZCZM1342 N. shiloi (0,47 ± 0,033 g L−1 DW) am 18. Tag erzielt wurden für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi (0,63 ± 0,013 g L−1 DW) am 16. Tag der Kultivierung.

Batch-Kultur von SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. vgl. Shiloi: (a) Wachstumsdynamik von Biomasse-DW; (b) Kultivierungsflaschen.

Experimente mit unterschiedlichen Salzgehalten des künstlichen Meerwasser-Guillard-f/2-Mediums (Tabelle 1, ergänzende Abbildung S1a) zeigten, dass niedrige Salzgehalte (15 und 20‰) zu einer geringeren Biomasseakkumulation führten als hohe Salzgehalte (35 und 45‰). Der höchste Trockenbiomasseertrag wurde mit 45‰ für SZCZCH193 N. wachnickianum (n = 8, einfache ANOVA p = 0,0319; Türkei HSD p = 0,0251 zwischen 35 und 45‰) und die Stämme SZCZP1809 N beobachtet. vgl. shiloi, (n = 8, einfaktorielle ANOVA p = 0,002; Türkei HSD p = 0,0361 zwischen 35 und 45 %) und keine signifikante Steigerung des Biomasseertrags für SZCZM1342 N. shiloi (n = 8, einfaktorielle ANOVA p = 0,0003). ; Türkei HSD p = 0,6117 zwischen 35 und 45 %).

Die folgende Reihe von Experimenten (Tabelle 1, ergänzende Abbildung S1b) zeigte eine Tendenz von Nanofrustulum spp. um ihren Biomasseertrag mit zunehmender Silikatkonzentration in Guillards f/2-Medium um das 20-fache (2,12 mM) für alle drei Stämme zu steigern (SZCZCH193: n = 10, einfache ANOVA p = 0,0018, Türkei HSD p = 0,0024, 0,0028, 0,608, 0,2001 (zwischen 2,12 und 0,11, 0,53, 1,06 bzw. 1,59); SZCZM1342: n = 10, einfache ANOVA p = 0,0008, Türkei HSD p = 0,001 (zwischen 2,12 mM und 0,11, 0,53 oder 1,06 mM) und p = 0 .0731 (zwischen 2,12 und 1,59 mm);

Experimente mit unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten (Tabelle 1, ergänzende Abbildung S1e) zeigten, dass die hohe Lichtintensität (150 µmol s−1 m−2) nicht zu unterschiedlichen Biomasseausbeuten für SZCZCH193 N. wachnickianum und SZCZM1342 N. shiloi und zu einer erhöhten Biomasse führte Akkumulation für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi. (SZCZCH193: n-8, einfaktorielle ANOVA p = 0,6473; SZCZM1342: n = 8, einfaktorielle ANOVA p = 0,1237; SZCZP1809: n = 8, einfaktorielle ANOVA p = 0,0155, Türkei HSD p = 0,0119 zwischen 10 und 150 µmol s−1 m−2).

Der Einfluss der Temperatur (Tabelle 1, ergänzende Abbildung S1f) auf die Biomasseakkumulation war für jeden Stamm unterschiedlich. Für SZCZCH193 N. wachnickianum erhöhte die hohe Kultivierungstemperatur (30 °C) den Biomasseertrag (n = 6, einfache ANOVA p = 0,0259, Türkei HSD p = 0,032, 0,0357 zwischen 20 und 15 bzw. 30 °C). ; Es wurden keine Unterschiede in der Biomasseakkumulation für SZCZM1342 N. shiloi beobachtet (n = 6, einfache ANOVA p = 0,1296); und für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi: Die niedrige Kultivierungstemperatur (15 °C) erhöhte den Biomasseertrag (n = 6, einfache ANOVA p = 0,0027, Türkei HSD p = 0,0074, 0,0025 zwischen 15 und 20 bzw. 30 °C).

Die Variation der Nitrat- (Tabelle 1, ergänzende Abbildung S1c) und Phosphat- (Tabelle 1, ergänzende Abbildung S1d) Konzentrationen in Guillards f/2-Medium zeigte keine Unterschiede in der Trockenbiomasseausbeute für SZCZCH193 N. wachnickianum (Nitrat: n = 10, eins). -way ANOVA p = 0,4732; Phosphat: n = 10, einfaktorielle ANOVA p = 0,2371), SZCZM1342 N. shiloi (Nitrat: n = 10, einfaktorielle ANOVA p = 0,1749; Phosphat: n = 10, einfaktor ANOVA p = 0,1219) und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi (Nitrat: n = 10, einfaktorielle ANOVA p = 0,0455, Türkei HSD p = 0,0355 zwischen 4,41 und 13,23 mM; Phosphat: n = 10, einfaktorielle ANOVA p = 0,5765).

Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte Ähnlichkeiten und Unterschiede in der Morphologie der Frusteln der drei Nanofrustulum-Stämme (Abb. 2a – d, g, h). Die Klappen der Frusteln aller drei Stämme sind oval. Die Länge der Frusteln variiert geringfügig zwischen 2,6–2,9 µm (SZCZCH193 N. wachnickianum) und 3,1–3,3 µm (SZCZM1342 N. shiloi) und 3,9–4,2 µm (SZCZP1809 N. cf. shiloi), und die Breite variiert zwischen 2,9– 3,1 µm (SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi) bis 3,6–4,0 µm (SZCZP1809 N. cf. shiloi). Das Brustbein ist bei SZCZCH193 N. wachnickianum breit lanzettlich und bei den anderen beiden Stämmen schmal-linear. Die Poren auf einer Klappenfläche, Warzenhöfe genannt, sind zum Klappenmantel hin leicht verlängert. Länge und Breite wurden mit 120–615 nm und 120–330 nm gemessen (SZCZCH193 N. wachnickianum); 150–450 nm und 120–400 nm (SZCZM1342 N. shiloi); 80–510 nm und 100–330 nm (SZCZP1809 N. vgl. Shiloi). Es gibt nur eine Reihe Warzenhöfe auf der Ventilfläche von SZCZCH193 N. wachnickianum (Abb. 2a, b), dann gibt es zwei Reihen auf der Ventilfläche von SZCZM1342 N. shiloi (Abb. 2c, d) und bis zu vier Reihen zum Ventil von SZCZP1809 N. vgl. Shiloi (Abb. 2g, h).

REM-Bilder zeigen die Oberflächenmorphologie von (a, b) SZCZCH193 N. wachnickianum, (c, d) SZCZM1342 N. shiloi, (g, h) SZCZP1809 N. vgl. shiloi und EDS-Spektren bestätigten das Vorhandensein von Si und O auf der Oberfläche von (e) SZCZCH193 N. wachnickianum, (f) SZCZM1342 N. shiloi, (i) SZCZP1809 N. vgl. Shiloi (Maßstabsbalken – 1 µm, rote Kreise zeigen das Vorhandensein von Si).

Die energiedispersiven Röntgenspektren (Abb. 2e, f, i) der drei Stämme zeigten deutliche Peaks für Silizium (Si), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) und Kupfer (Cu), was ein Effekt ist der Verwendung von Kupfergittern in der STEM-Bildgebung. Der Atomprozentsatz der Hauptelemente wurde mit 30,55, 24,03 und 23,00 % Silizium, 51,77, 54,69 und 54,67 % Sauerstoff und 9,44, 10,51 und 12,38 % Kohlenstoff für SZCZCH193 N. wachickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. vgl. Shiloi bzw.

Die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen und der Porendurchmesser (Ergänzungstabelle S1) von Nanofrustulum spp. Stammkegel wurden aus den in Abb. 3a–c dargestellten Niedertemperatur-N2-Adsorptions-/Desorptionsisothermen auf 25,32 m2 g−1, 0,267 cm3 g−1 bzw. 4,22 nm für SZCZCH193 N. wachnickianium, 21,78 m2 g−1, geschätzt , 0,113 cm3 g−1, 2,07 nm bzw. für SZCZM1342 N. shiloi, und 35,23 m2 g−1, 0,174 cm3 g−1, 1,97 nm bzw. für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi.

Die N2-Adsorptions-/Desorptionsisothermen für (a) SZCZCH193 N. wachnickianum, (b) SZCZM1342 N. shiloi, (c) SZCZP1809 N. vgl. Shiloi; und die UV-Vis-Spektroskopie von Biomasse (farbige Linie) und Biosilica (graue Linie) für (d) SZCZCH193 N. wachnickianum, (e) SZCZM1342 N. shiloi, (f) SZCZP1809 N. vgl. Shiloi.

Die UV-Vis-Spektroskopie der beschallten Biomasse zeigte einen deutlichen Peak bei 230 nm und kleine Peaks bei 270, 430, 495 und 676 nm (Abb. 3d – f, grüne Linie). Das reine, beschallte Biosilica zeigte nur einen deutlichen Peak bei 230 nm (Abb. 3d – f, graue Linie).

Das Biosilica-Tauc-Diagramm (Abb. 4a) zeigte einen steilen linearen Anstieg der Lichtabsorption mit zunehmender Energie. Der x-Achsen-Schnittpunkt der linearen Anpassung des Tauc-Diagramms ergibt eine Schätzung der Bandlückenenergie von 4,40 eV für SZCZCH193 N. wachnickianum, 4,05 eV für SZCZM1342 N. shiloi und 4,10 eV für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi.

Charakterisierung von reinem Kieselgur-Biosilica mit (a) Taucs Diagramm – dargestellte Biosilica-Bandlücken; (b) XRD – zeigte eine amorphe Struktur von Biosilica sowie das Vorhandensein von Quarz oder anorganischen Salzen; (c) FTIR-Spektren – zeigten das Vorhandensein funktioneller Gruppen rund um die Oberflächen von Biosilica von SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. vgl. shiloi (s – Dehnung, b – Biegung; Spektren sind zum besseren Vergleich versetzt).

Auf der Abbildung 4b XRD sind die Ergebnisse der Röntgenbeugungsanalyse dargestellt. Auf dem XRD-Muster aller Proben ist der breite Peak bei 2θ ≈ 15°–32°. Für die Probe SZCZCH193 N. wachnickianum gab es jedoch intensive Signale bei 2θ ≈ 26,4°, 27,4°, 36,6°, 37,5°, 38,1°, 38,6°, 41,4°, 43,1°, 46,0°, 50,4°, 59,4°, 61,9°, 77,2 ° wurden unterschieden, während für die Probe SZCZP1809 N das Vorhandensein von Signalen geringer Intensität bei 2θ ≈ 26,4°, 36,4°, 46,2°, 48,7°, 60,7° festgestellt wurde. vgl. Shiloi.

ATR-FTIR-Spektren zeigten deutliche Peaks (Abb. 4c), die auf das Vorhandensein von O-H-, C-H-, C=O-, N-H- und Si-O-Funktionsgruppen auf der Oberfläche der Kegelstumpfe hinweisen: 3.660 cm−1; 2981, 2922 und 2851 cm−1; 1748 cm−1; 1630, 1540, 1450 und 1395 cm−1; und 1150, 1050, 805 bzw. 442 cm−1.

Der PZC wurde als Schnittpunkt zwischen dem anfänglichen pH-Wert und der Änderung des pH-Werts nach 24-stündiger Inkubation berechnet und auf pHpzc = 6,0 für SZCZCH193 N. wachnickianum und pHpzc = 5,3 für SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N geschätzt. vgl. shiloi (siehe ergänzende Abbildung S2a).

Die niedrigen Zetapotentialwerte im Bereich von 2,0 – 4,0 pH für jede Probe sind in der Grafik zu sehen (siehe ergänzende Abbildung S2b). Im pH-Bereich von 4,0 bis 12,0 wird ein Anstieg des Zetapotentials beobachtet (Zetapotential > –25 mV).

Abbildung 5a–c zeigt die Ergebnisse der TGA-Analyse für alle drei Biosilica-Proben. Die Auftragung des Massenverlusts über der Temperatur ermöglichte es uns nicht, spezifischere Informationen über die einzelnen Phasen des Prozesses abzuleiten. Daher wurde die Differentialthermoanalyse (DTA) durchgeführt, die drei Hauptstadien des Prozesses zeigte (Abb. 5a – c). Die Probe SZCZCH193 N. wachnickianum biosilica (Abb. 5a) zeigte drei deutliche Peaks im DTA-Analysediagramm mit Maxima bei 59,5, 314,9 und 697 °C. Die erste Stufe endet bei 121,2 °C und einem Massenverlust von 3 %, die zweite bei 571,5 °C mit einem Massenverlust von 34,6 % und die dritte bei 727,72 °C mit einem Massenverlust von 54,17 %. In ähnlicher Weise zeigte die Darstellung von SZCZM1342 N. shiloi (Abb. 5b) drei Prozessstadien, wobei die erste bei 115 °C endete (Massenverlust von etwa 3 %), die zweite bei 340,32 °C mit einem Massenverlust von 39,8 % und die dritte bei 503 °C mit einem Massenverlust von 73,32 %. Die DTA-Analyse ergab Spitzenwerte bei 77,62, 296,74, 380,27 und 603,03 °C. Für Probe SZCZP1809 N. vgl. Shiloi wurde das komplexeste Diagramm der DTA-Analyse beobachtet (Abb. 5c) mit Peaks bei 97,78, 339,70, 469,54, 513,93 und 662,64 °C. Die erste Stufe endet bei 175,46 °C mit einem Massenverlust von 7,28 %, die zweite bei 490,6 °C mit einem Massenverlust von 46,89 % und die dritte bei 687,05 °C mit einem Massenverlust von 56,92 %.

Thermische Stabilität und Umwandlung von reinem Kieselgur-Biosilica (a) SZCZCH193 N. wachnickianum, (b) SZCZM1342 N. shiloi, (c) SZCZP1809 N. vgl. Shiloi.

Das reine poröse Kieselgur-Biosilica der drei Stämme zeigte eine positive Reaktion bei der Verfärbung von MB in wässriger Lösung. Die Spektroskopie zeigte einen starken Abfall des MB-Peaks mit der Belichtungszeit (Abbildung S3a–c), was die Entfernung des Farbstoffs bestätigte. Die Adsorption von MB an das Biosilica des N. wachnickianum-Stamms SZCZCH193 verlief langsam mit einem starken Anstieg nach 90 Minuten Exposition, bis nach 120 Minuten ein Gleichgewicht erreicht wurde. Bei Frusteln von SZCZCH193 N. wachnickianum betrug der Prozentsatz der MB-Entfernung nach 180 Minuten 77,6 %. Die Adsorption von MB an den Kegelstümpfen von SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi nahm mit der Zeit allmählich zu, bis die Systeme nach 120-minütiger Exposition das Gleichgewicht erreichten. Der Prozentsatz der MB-Entfernung nach 180 Minuten wurde mit 96,8 % für SZCZM1342 N. shiloi und 98,1 % für SZCZP1809 N berechnet. vgl. Shiloi (Abb. 6a).

Auswirkung von (a) Zeit; (b) unterschiedliche pH-Werte und (c) unterschiedliche anfängliche MB-Konzentrationen auf die Effizienz der MB-Adsorption auf reinem Biosilica von SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. vgl. Shiloi, (Anfangskonzentration von MB – (a, b) 14,31 mg L−1; (c) 5–100 mg L−1; Adsorptionsmitteldosis – 21,40 ± 5,0 mg; pH – (a–c) 7, (b) 3, 7, 10; Temperatur – 20 °C; Zeit – (a) 5–180 min; (b, c) 120 min).

Darüber hinaus wurde die Auswirkung unterschiedlicher pH-Werte von MB-Lösungen untersucht, indem Biosilica sauren (pH = 3), neutralen (pH = 7) und alkalischen (pH = 11) wässrigen MB-Lösungen ausgesetzt wurde, wie in Abb. 6b dargestellt. In sauren Lösungen war die Entfernung von MB geringer als unter neutralen und alkalischen Bedingungen: 71,33 % für SZCZCH193 N. wachnickianum, 91,90 % für SZCZM1342 N. shiloi und 97,23 % für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi. Eine Erhöhung des pH-Werts führte zu höheren Entfernungseffizienzen: bis zu 77,27 % für SZCZCH193 N. wachnickianum, bis zu 96,03 % für SZCZM1342 N. shiloi und bis zu 99,08 % für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi.

Auch der Einfluss unterschiedlicher MB-Konzentrationen in der Ausgangslösung wurde untersucht. Abbildung 6c zeigt, dass für SZCZCH193 N. wachnickianum eine Erhöhung der MB-Konzentration zu einem signifikanten Rückgang der Entfernungseffizienz führte – von 79,48 % bei 5 mg L−1 auf 10,69 % bei 100 mg L−1. Frusteln von SZCZM1342 N. shiloi, die einer 100 mg L-1-Lösung von MB ausgesetzt waren, zeigten einen hyperbolischen Anstieg bei Konzentrationen, die fast die gleiche Effizienz (89,82 %) wie bei niedrigeren Konzentrationen hatten – 88,35 % bei 5 mg L-1, 81,92 % bei 10 mg L-1, 86,26 % bei 15 mg L-1, 87,13 % bei 20 mg L-1, 90,69 % bei 50 mg L-1 und 89,82 % der Entfernung bei 100 mg L-1. Der effizienteste Stamm bei der Entfernung von MB, SZCZP1809 N. wachnickianum, zeigte eine ähnliche Tendenz: 85,82 % Entfernung bei 5 mg L-1, 90,78 % bei 10 mg L-1, 93,77 % bei 15 mg L-1, 95,59 % bei 20 mg L-1, 95,95 % bei 50 mg L-1 und 91,15 % bei 100 mg L-1.

Ein Modell pseudo-erster Ordnung (Ergänzungsabbildung S4a) zeigte höhere Korrelationskoeffizienten für SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi als Elovich- (Ergänzungsabbildung S4b) und pseudo-zweite Ordnung (Ergänzungsabbildung S4c) kinetische Modelle und der normalisierte Standardabweichungswert für Pseudo-erste Ordnung war der niedrigste. Für SZCZCH193 N. wachnickianum waren die Korrelationskoeffizienten für Pseudo-Sekunden- und Elovich-Modelle höher als für das Pseudo-Modell erster Ordnung, jedoch nicht annähernd eins und mit sehr kleinen konstanten Werten. Der Standardabweichungswert lag bei allen drei Modellen über 50 % (Tabelle 2).

Für die drei getesteten Stämme war das lineare Boyd-Diagramm eine gerade Linie, die durch den Ursprung ging (siehe ergänzende Abbildung S4e), und der Test zeigte hohe Korrelationskoeffizienten (R2 = 0,962, 0,966 und 0,995 für SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi). und SZCZP1809 N. cf. shiloi) und niedrige Standardabweichungswerte für SZCZM1342 N. shiloi (14,5 %) und SZCZP1809 N. cf. shiloi. shiloi (35,2 %), aber mehr als 50 % für SZCZCH193 N. wachnickianum.

Um den geschwindigkeitskontrollierenden Schritt der Adsorption zu verstehen, wurden die Modelle Weber-Morris Intra-Particle Diffusion und Bangham's Pore Diffusion verwendet (Ergänzende Abbildung S4d, f). Der höchste und der Einheit am nächsten kommende Koeffizient für SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi wurden für das Bangham-Porendiffusionsmodell berechnet. Die Standardabweichungswerte für das Porendiffusionsmodell von Bangham lagen für alle drei Stämme unter 20 % (Tabelle 2).

Gemäß den Konstanten und Korrelationskoeffizienten der Isothermenmodelle ist das Sips-Isothermenmodell am besten für SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N geeignet. vgl. shiloi (Tabelle 2, ergänzende Abbildung S5a – c).

Mehrere Studien berichteten über spezifische Wachstumsraten und Biomasseproduktivitäten für Nanofrustulum shiloi-Stämme von 0,099 d-138, 0,305 d-139, 0,457 d-140, was 12,8 mg L-1 d-138, 31,29 mg L-1 d-140 entspricht. jeweils. In der vorliegenden Studie wurden die spezifische Wachstumsrate und Biomasseproduktivität von SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi wurden mit 0,270 d-1 bzw. 0,513 d-1 beobachtet, was 26,12 mg L-1 d-1 bzw. 39,37 mg L-1 d-1 entspricht. Somit könnte SZCZP1809 als der produktivste Stamm von N. shiloi angesehen werden. Nach unserem besten Wissen wurden keine Arbeiten zur Wachstumsuntersuchung von Nanofrustulum wachnickianum durchgeführt. Eine signifikante Steigerung des Biomasseertrags bei niedrigeren Temperaturen für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi und höhere Temperaturen für SZCZCH193 N. wachnickianum könnten durch die Herkunft der Stämme erklärt werden: SZCZP1809 wurde im Atlantischen Ozean, Sea Point, Kapstadt, Südafrika, gesammelt, wo die durchschnittliche Meerwassertemperatur 17 °C beträgt, und SZCZCH193 N. wachnickianum – aus dem Golf von Mexiko, Marquesas Keys, Florida, USA (eine durchschnittliche Meerwassertemperatur von 28 °C). Kieselsäure ist ein wichtiger limitierender Nährstoff für das Wachstum von Kieselalgen, da sie Kieselalgen bilden müssen. Die Stämme von Nanofrustulum spp. zeigten, dass der Biomasseertrag mit einer erhöhten Siliziumquelle bis zu fast 1 g L−1 DW erheblich gesteigert werden kann, was mit früheren Studien korrespondiert41.

Bilder aus der Rasterelektronenmikroskopie zeigten, dass die Klappenflächen der Stämme SZCZP1809 N. vgl. shiloi und SZCZM1342 N. shiloi enthalten mehr als eine Reihe Warzenhöfe, wohingegen die Ventile von SZCZCH193 N. wachnickianum nur eine Reihe enthalten. Die Unterschiede in der Lage der Ventilfläche machen Frusteln von SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi poröser als die von SZCZCH193 N. wachnickianum. Li et al.42 beschrieben eine neue Art von N. wachnickianum und beobachteten, dass sich diese Art von N. shiloi durch die Anzahl der Warzenhöfe auf der Klappenfläche unterscheiden ließ. Bei der MB-Entfernung sind die Porengröße und -anzahl entscheidend. Daher hat SZCZCH193 N. wachnickianum im Gegensatz zu SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N. aufgrund einer geringeren Anzahl von Warzenhöfen ein geringeres Potenzial als Adsorptionsmittel von MB, vgl. Shiloi. Die Warzenhöfe (80 nm breit und größer) von Nanofrustulum spp. Stämme könnten als Makroporen betrachtet werden43. Die N2-Adsorption/Desorption zeigte jedoch das Vorhandensein von Mikro- und Mesoporen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 4,217 nm (SZCZCH193 N. wachnickianum), 2,073 nm (SZCZM1342 N. shiloi) und 1,971 nm (SZCZP1809 N. cf. shiloi). Frühere Studien berichteten über ähnliche Werte des durchschnittlichen Porendurchmessers von Kieselgurfrusteln: 3,93 nm für Pseudostraurosira trainorii44, 3–10 nm für Thalassiosira punctigera und 3,6–3,7 nm für T. weissflogii45 und 4,61 nm für Navicula australoshetlandica46. Darüber hinaus könnte die poröse Natur des Materials durch die Form der N2-Adsorptions-/Desorptionsisotherme beschrieben werden. Gemäß der IUPAC-Klassifikation sind die Isothermen von Nanofrustulum spp. Biosilica folgt dem Typ I (mikroporöse Natur) und Typ II (makroporöses Material) mit einer Kombination aus der Hystereseschleife Typ H3 und H4, wobei Typ H3 das Vorhandensein des Makroporennetzwerks und Typ H4 das Vorhandensein schlitzartiger Mikroporen in der Probe anzeigt43.

Spezifische Oberfläche verschiedener Stämme von NanofrusItulum spp. weicht leicht ab. Frühere Berichte zeigten, dass verschiedene Kieselgurfrusteln unterschiedliche SBET-Werte aufweisen: von 2 m2 g−1 für Skeletonema sp.47 und 30 m2 g−1 für P. trainorii44 bis zu 401,45 m2 g−1 für N. australoshetlandica46. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Reinigungsmethode einen enormen Einfluss auf die Oberfläche haben kann: Gholami et al.29 zeigten die Möglichkeit, den SBET für Cyclotella sp. zu erhöhen. Kegelstümpfe von 14,71 m2 g−1 auf 132,67 m2 g−1 mit Änderung der Reinigungsmethode von traditionell auf Sono-Fenton.

Das Auftreten von Peaks bei 430, 495 und 676 nm in UV-Vis-Spektren beschallter Biomasse bestätigte Interpretationen in mehreren Berichten48,49 zufolge das Vorhandensein von Chlorophyll und Carotinoiden. Ein Peak bei 270 nm könnte auf das Vorhandensein von Polysacchariden hinweisen, wie von Trabelsi et al.50 berichtet. Beschallte, gereinigte Frusteln zeigten nur einen Peak bei 230 nm, was auf das Vorhandensein von Kieselsäure in den Proben schließen lässt51,52.

Die erste Stufe der thermischen Analyse ist mit der Wasserdesorption verbunden, die zweite Stufe könnte mit dem oxidativen Abbau organischer Verbindungen (z. B. Lipide) verbunden sein, während die dritte Stufe den Abbau anorganischer Stoffe (z. B. Magnesium- und Natriumsalze) aufzeigte53,54,55. Der höchste Massenverlust (fast 75 %) der Probe während der thermischen Analyse (TGA/DTA) wurde für die Probe von SZCZM1342 N. shiloi beobachtet. Im Vergleich für die Proben SZCZCH193 N. wachnickianum und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi betrug der Gesamtmasseverlust 45,8 % bzw. 43,8 %. Dies könnte durch das Vorhandensein einer hohen Menge an organischem Material in der Probe SZCM1342 N. shiloi erklärt werden, wenn man bedenkt, dass diese Probe im Vergleich zu anderen Proben eine leicht braune Farbe aufwies (siehe ergänzende Abbildung S6).

Die EDS-Studie bestätigte das Vorhandensein von Kieselsäure und Sauerstoff in den Frusteln. Das Atomverhältnis von O:Si wurde zu 1,69:1, 2,39:1 und 2,27:1 für SZCZCH193, SZCZM1342 und SZCZP1809 berechnet, was bestätigte, dass Kieselalgenfrusteln aus Siliciumdioxid hauptsächlich in der Form von SiO2 nH2O bestehen – sehr ähnlich wie opal56. Der deutliche Kohlenstoffpeak (C) könnte durch das Vorhandensein der verbleibenden organischen Verbindungen rund um die Frusteln und das Chitin-Templat in der Kieselgur erklärt werden57. Das Vorkommen von Kupfer (Cu) ist das Ergebnis der Verwendung von Kupfer-TEM-Gittern.

Die Röntgenbeugungsanalyse für alle Stämme zeigte einen breiten Peak, der auf das Vorhandensein von amorphem Siliciumdioxid hinweist. Daraus kann geschlossen werden, dass die untersuchten Proben größtenteils aus amorphem Siliciumdioxid bestanden. Für SZCZCH193 N. wachnickianum stammen die intensiven Signale höchstwahrscheinlich von Quarz und Cristobalit58. Alternativ könnten diese Signale auf Einschlüsse von anorganischen Magnesiumsalzen hinweisen53. Für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi: Die Signale geringer Intensität können von den Einschlüssen von Alpha-Quarz herrühren.

Die berechneten Tauc-Plot-Energiebandlücken (4,40 eV für SZCZCH193 N. wachnickianum, 4,05 eV für SZCZM1342 N. shiloi und 4,10 eV für SZCZP1809 N. cf. shiloi) zeigten, dass reines poröses Biosilica die Eigenschaften eines ultrabreiten Halbleiters aufweist59. Die Analyse für amorphes Siliciumdioxid60 ergab eine Bandlücke von 3,35 eV. Eine frühere Studie bestätigte, dass amorphes und kristallines Siliciumdioxid eine geringere Bandlücke aufweist als poröses Siliciumdioxid61 und der Unterschied in den Werten für Spannungen könnte durch ihre unterschiedlichen Porengrößen erklärt werden.

Um die potenziellen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der Frusteln zu identifizieren, wurde eine ATR-FTIR-Analyse durchgeführt. Mehreren Berichten zufolge12,62 zeigte das Auftreten starker Banden bei 1150, 1050, 805 und 442 cm−1 asymmetrische Streckung, symmetrische Streckung bzw. Biegeschwingungen von Si-O-Si-Gruppen. Es gibt starke Banden, die in mehreren Studien12,62,63 als C-H-Streckung bei 2981, 2922 (CH3), 2851 (CH2) und 854 cm−1 (Si-(CH3)2) und als C=O-Streckung bei erkannt wurden 1748 cm−1. Vier starke Peaks bei 1630, 1540, 1450 und 1395 cm−1 zeigten die Biegeschwingungen von Aminogruppen, entsprechend einer früheren Studie64. Laut Otzen65 deuten diese Spitzen auf das Vorhandensein organischer Verbindungen rund um das Biosilica hin. Die Bande bei 3660 cm−1 steht im Zusammenhang mit einer Streckschwingung von O-H aus SiOH62, außerdem steht die breite Bande bei 3500 bis 3000 cm−1 im Zusammenhang mit molekularem Wasser66.

Die Oberflächenladung der Partikel bestimmt die Fähigkeit der Partikel zur Aggregation. Der Wert des Zetapotentials hängt von den Eigenschaften der jeweiligen Partikel sowie vom pH-Wert und der Ionenstärke der Lösung ab. Partikel mit einem Zetapotential nahe Null aggregieren. Stabile und nicht aggregierende Systeme wiederum zeichnen sich durch absolute Zetapotentialwerte von mehr als +/− 25 − + /− 30 mV67,68 aus. Die Ergebnisse der Zetapotentialmessungen für reine Biosilica-Proben zeigen, dass bei einem pH-Wert über 4 keine Aggregation stattfindet und die Suspensionen stabil sind. Die jeweiligen Ergebnisse können durch die Fotos von Diatomeenlösungen bei unterschiedlichen pH-Werten (2,0, 3,0, > 4,0) bestätigt werden (siehe ergänzende Abbildung S7a-c). Im niedrigsten pH-Wert kann eine deutliche Aggregation und Probenausfällung beobachtet werden. Bei einem pH-Wert um 3,0 ist die Aggregation immer noch sichtbar, jedoch in geringerem Ausmaß. Bei einem pH-Wert über 4,0 tritt keine sichtbare Aggregation auf, die Suspension ist stabil. Es ist erwähnenswert, dass die erhaltenen Ergebnisse von den Ergebnissen abweichen, die für reines, synthetisch hergestelltes Siliciumdioxid erhalten wurden, beschrieben von Xu et al.69. Die unterschiedliche Form der Zetapotentialkurve der untersuchten Proben im Vergleich zu der von Peng Zu kann durch das Vorhandensein von Carboxyl- (COOH) und Amingruppen (NH2) auf der Oberfläche des Biosilica erklärt werden. Das Vorhandensein der jeweiligen funktionellen Gruppen wurde durch FTIR-Analyse bestätigt. Darüber hinaus ergab die TA/DTA-Analyse auch das Vorhandensein einer großen Menge organischer Stoffe auf der Oberfläche des Biosilica. Der Unterschied ist auch zwischen den Biosilica-Proben bemerkenswert, beispielsweise wurde bei SZCM1342 N. shiloi eine positive Ladung der Oberfläche beobachtet. Der jeweilige Unterschied ist wahrscheinlich auf die höhere Menge an organischem Material auf der Oberfläche der SZCZM1342 N. shiloi-Probe (z. B. Proteine) zurückzuführen.

Mit der Nullpunktladung (PZC) können wir den pH-Wert ermitteln, bei dem die Ladung an der Oberfläche neutral ist. Daher ist die Oberfläche bei einem pH-Wert unter pHpzc positiv geladen, und bei einem pH-Wert über pHpzc ist die Ladung der Oberfläche negativ70. Reines Biosilica zeigte einen PZC-Wert von pHpzc = 6,0 (SZCZCH193 N. wachnickianum) und pHpzc = 5,3 (SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. cf. shiloi), was mit mehreren Studien an Kieselgur übereinstimmt: dem Rest (RDE) und rein (PDE) aus Brasilien (pHpzc = 6,75 bzw. pHpzc = 6,59)70, aus der Mine El Pino (pHpzc = 5,0)71, aus Ostjordanien (pHpzc = 5,4)72, aus Ägypten (pHpzc = 6,21)73. Die Ergebnisse der PZC-Studie an reinem Kieselgur-Biosilica bestätigen das Vorhandensein von O-H-Gruppen auf der Oberfläche und legen nahe, dass diese Hydroxylgruppen durch Änderung des pH-Werts ein Proton gewinnen oder verlieren können. Daher gewinnt die Si-OH-Gruppe von Biosilica in sauren Medien (pH < pHpzc) ein Proton und erzeugt Si-OH2+, und in basischen Medien (pH > pHpzc) verliert die Si-OH-Gruppe ein Proton und erzeugt Si-O− 74.

Der Prozentsatz der MB-Entfernung aus wässriger Lösung war in allen Experimenten für SZCZCH193 N. wachnickianum geringer als für die beiden verbleibenden Stämme von N. shiloi. Diese Unterschiede könnten durch Unterschiede in der Morphologie, Porendichte, spezifischen Oberfläche und dem Porendurchmesser zwischen ihnen erklärt werden die Nanofrustulum spp. Stämme. Dennoch zeigte Kieselgur im Vergleich zu anderen Bioadsorbentien eine gute Entfernungseffizienz: 80 % bei Kiefernnadeln nach 240-minütiger Inkubation und bei pH = 9,275, 53 % bei Bakterien21, bis zu 90 % bei Pilzen Phellinus adamantinus23, bis zu 90 % bei Zuckerrohrbagasse25 . Gereinigte Frusteln von SZCZP1809 N. vgl. Shiloi zeigte eine Effizienz, die der aus Reisschalen hergestellten Aktivkohle nahe kommt – 98,43 % bei einer Durchflussrate von 1,0 ml min−176. Natürliche Kieselgur, ein besser erforschtes Adsorptionsmittel als gereinigte Kieselgur-Biosilika (Frusteln), zeigte eine ähnliche Entfernungseffizienz – 95,2 % bei pH = 1073, 90,75 % und 100 mg L−1 MB-Konzentration77, 96,5 % für modifizierte Kieselgur78 und 100 % bei 50 mg L−1 MB79.

Abdelrahman et al.80 beobachteten eine Abnahme der MB-Entfernung bei erhöhten Konzentrationen für amorphe Metall-Siliciumdioxid-Adsorbentien, ähnlich der Entfernung, die für SZCZCH193 N. wachnickianum beobachtet wurde. Der hyperbolische Anstieg mit der Konzentration für SZCZM1342 N. shiloi und SZCZP1809 N. vgl. Shiloi wurde hinsichtlich der MB-Absorption auf der Ackerbohnenschale beobachtet81.

Auch wenn die Frustulen von Nanofrustulum spp. zeigten einen hohen Prozentsatz der MB-Entfernung, vergleichbar mit der Effizienz bekannter Adsorbentien wie natürlicher Kieselgur und Aktivkohle, die MB-Adsorptionskapazität von Nanofrustulum spp. Frustules wurde fast zehnmal seltener als Kieselgur32, Alge Gellidium sp.22, etwas weniger als amorphe Kieselsäure82, Braunalgenbiomasse83 und fast genauso viel wie einige Zeolithe26 und tote Biomasse von Aspergillus niger84 gemeldet (siehe Ergänzungstabelle S2). Vorbehandelte Frusteln von Pinnularia zeigten eine höhere Adsorptionskapazität28 als Frusteln von Nanofrustulum spp., was durch die Morphologie und spezifische Oberfläche von Pinnularia und Nanofrustulum sowie durch die Reinigungsmethode erklärt werden konnte.

Der pH-Wert der Adsorbatlösung gilt als einer der wichtigsten Parameter bei Wasseradsorptionsprozessen74. Der pKa-Wert von MB soll 3,8 betragen, d. h. bei einem pH-Wert unter 3,8 ist die Oberfläche des MB-Moleküls nicht geladen, und bei einem pH-Wert über 3,8 ist sie positiv geladen85. Daher besteht bei einem pH-Wert von weniger als pHpzc von Biosilica die Hauptwechselwirkung zwischen MB und Frusteln aus Wasserstoffbrückenbindungen und der Adsorptionsprozess ist aufgrund der Abstoßungskräfte zwischen positiven Stellen auf der Kieselgur-Biosilicaoberfläche und dem kationischen Farbstoff langsamer. Bei einem pH-Wert über pHpzc von Biosilica interagieren die positiv geladenen MB- und negativ geladenen Frusteln elektrostatisch und der Adsorptionsprozess ist stärker als in sauren Medien73. In unserer Studie führte ein Anstieg des pH-Werts zu einer erhöhten Entfernung von bis zu 99,08 % für SZCZP1809 N. vgl. Shiloi. Ähnliche Ergebnisse wurden für Kieselgur aus China79, Kieselgur aus Ägypten80, Ostjordanien72 und Brasilien71 sowie Palygorskit74 gemeldet. Um den gewünschten pH-Wert zu erreichen, wurden Spurenmengen von 1 M HCl- und 1 M NaOH-Lösungen zugesetzt, was die Adsorption als ionische Spezies (Na+ und Cl−) negativ beeinflussen könnte, da in Gegenwart anorganischer Salze die Adsorptionsoberfläche für MB nicht mehr leicht zugänglich wird . Es wurde jedoch kein Einfluss dieser ionischen Spezies auf die Farbstoffaufnahme beobachtet, was vermutlich auf ihre geringen Konzentrationen (weniger als 0,005 M) in der Farbstofflösung zurückzuführen ist86.

Darüber hinaus wurden mehrere Kinetik-, Diffusions- und Gleichgewichtsmodelle angewendet, um den möglichen MB-Sorptionsmechanismus besser zu verstehen. Die kinetische Kurve passte besser zum Modell pseudo-erster Ordnung (mit einem höheren Korrelationskoeffizienten und einem niedrigeren Standardabweichungswert), daher können wir schließen, dass das Adsorptionsverhalten von MB auf Biosilica überwiegend dem kinetischen Modell pseudo-erster Ordnung folgte: der Gesamtrate von Der Adsorptionsprozess wurde durch Physisorption gesteuert, was bedeutet, dass die molekulare Wechselwirkung zwischen MB und Biosilica durch Van-der-Waals-Froces87 gesteuert wird. Um zu bestimmen, ob der Hauptwiderstand für den Stofftransport im dünnen Film (Grenzschicht) liegt, der das Adsorptionspartikel umgibt, oder im Diffusionswiderstand innerhalb der Partikel, wurde das Boyd-Modell angewendet. Die durch den Ursprung verlaufende gerade Linie deutete darauf hin, dass die MB-Adsorptionsrate durch die Diffusion innerhalb der Partikel bestimmt wird88. Die hohen Korrelationskoeffizienten für Banghams Porendiffusionsmodell deuteten darauf hin, dass die Diffusion von MB-Molekülen auf Poren im Inneren von Biosilica ein geschwindigkeitsbestimmender Schritt im Stofftransfer für den Adsorptionsprozess ist89. Die Adsorptionsisothermen von SZCZM1342 und SZCZP1809 wurden als leicht LS-förmig und die Isotherme von SZCZCH193 als L-förmig charakterisiert90, was darauf hindeutet, dass das untersuchte Kieselgur eine hohe Adsorptionsaffinität gegenüber MB-Farbstoff aufweist. Isothermen für Nanofrustulum spp. zeigten aufgrund hoher Korrelationskoeffizienten und niedriger Standardabweichungswerte eine höhere Affinität zur Sips-Gleichung. Daraus können wir schließen, dass der Mechanismus der MB-Sorption auf Biosilica vorwiegend dem Sips-Modell folgt, das die Freundlich- und Langmuir-Isothermen kombiniert und die Bildung von MB-Monoschichten auf homogenen und heterogenen Stellen auf der Biosilica-Oberfläche beschreibt90.

Die vorliegende Forschung stellte ein neuartiges umweltfreundliches Adsorptionsmittel für Grundfarbstoffe aus Abwässern vor – das poröse Biosilica, das aus der Meereskieselalge Nanofrustulum stammt. Die Gattung der Kieselalgen könnte als die produktivste Mikroalge mit der höchsten Biomasseproduktivität angesehen werden. Die Biomasse könnte weiter zur Extraktion bioaktiver Moleküle verwendet werden, z. B. Fucoxanthin, das für seine antioxidative Wirkung bekannt ist, mehrfach ungesättigte Fettsäuren mit entzündungshemmenden Eigenschaften und neutrale Lipide für die Biodieselproduktion, während ungenutztes Kieselgur gereinigt und effizient eingesetzt werden kann in der Abwasseraufbereitung aufgrund seiner porösen Architektur, der negativen Oberflächenladung und der relativ hohen spezifischen Oberfläche. Mehrere Forscher berichteten über die Fähigkeit von Kieselgur, Schwermetalle aus wässrigen Lösungen zu entfernen, obwohl in der vorliegenden Arbeit Biosilica erstmals als neuartiges effizientes Adsorptionsmittel für basische Farbstoffe aus Abwässern vorgestellt wurde. Zukünftig sollte sich eine intensivere Forschung auf die Bewertung des Bioraffineriepotenzials dieser drei Arten konzentrieren, mit besonderem Schwerpunkt auf der gleichzeitigen Produktion von Fucoxanthin, Fettsäure und Biosilica auf wirtschaftlich wünschenswerte und umweltfreundliche Weise sowie auf der Adsorptionskapazität zur Entfernung verschiedener Arten von organischen Schadstoffen in Gegenwart anorganischer Salze, die die Farbstoffaufnahme verringern könnten.

Methylenblau (> 99 %, MW 319,89 Da) wurde von Aqua-Med® (Łódź, Polen) bezogen. Thiaminhydrochlorid (99 %, MW 337,27 Da), Biotin (> 99 %, MW 244,31 Da), Vitamin B12 (> 98 %, MW 1355,37 Da) wurden von Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) geliefert. Wasserstoffperoxid (30 %, MW 34,01 Da), Natriumnitrat (> 99 %, MW 84,99 Da), Natriumdihydrogenphosphat-Monohydrat (> 99 %, MW 137,99 Da), Natriummolybdat-Dihydrat (> 99 %, MW 241,95 Da), Mangan(II)-chlorid-Tetrahydrat (> 99 %, MG 197,91 Da) und Kobalt(II)-chlorid-Hexahydrat (> 99 %, MG 237,93 Da) wurden von Chempur® (Piekary Śląskie, Polen) bezogen. Zinksulfat-Heptahydrat (> 99 %, MG 287,54 Da), Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat (> 99 %, MG 270,32 Da), EDTA-Dinatrium-Dihydrat (> 99 %, MG 372,24 Da) und Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat ( > 99 %, MW 249,68 Da) wurden von Scharlab (Barcelona, Spanien) gekauft. Nonahydrat-Natriummetasilikat (44–47,5 % Gesamtfeststoffe, MW 284,19 Da) wurde von Acros Organics, ThermoFisher Scientific (Waltham, MA, USA) geliefert. Natriumhydroxid, Salzsäure und gepufferte Standardlösungen mit einem pH-Wert von 2,0, 7,0 und 10,0 wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Entionisiertes Wasser wurde unter Verwendung eines Milli-Q®-Reinigungssystems (Millipore Co., Bedford, MA, USA) erhalten.

Drei Diatomeenstämme der Gattung Nanofrustulum wurden wie folgt ausgewählt: SZCZCH193 N. wachnickianum Chunlian Li, A.Witkowski & MPAshworth; SZCZM1342 N. shiloi (JJLee, Reimer & McEnery) Round, Hallsteinsen & Paasche42; und Stamm SZCZP1809, morphologisch von P. Dąbek als N identifiziert. vgl. Shiloi (Probenahme aus Sea Point, Kapstadt, Südafrika) wurden von der Szczecin Diatom Culture Collection (SZCZ), Universität Stettin, Institut für Meeres- und Umweltwissenschaften, Polen, bezogen. Monoklonale Kulturen wurden in standardmäßigem 35‰ Guillard's künstlichem Meerwasser f/2-Medium91 (880 µM L−1 NaNO3, 36 µM L−1 NaH2PO4 H2O, 106 µM L−1 Na2SiO3 9H2O, Spurenmetall: 0,08 µM L−1 ZnSO4) gehalten 7H2O, 0,9 µM L−1 MnSO4 H2O, 0,03 L−1 µM Na2MoO4 2H2O, 0,05 µM L−1 CoCl2 6H2O, 0,04 µM L−1 CuCl2 2H2O, 11,7 µM L−1 FeCl3 6H2O, 11,7 µM L−1 Na2EDTA 2H2O, Vitamin B12, Biotin und Thiamin) bei konstanter Temperatur (20 °C) und Beleuchtung (100 µmol s−1 m−2 weißes Licht) unter einem 12:12 Tag/Nacht-Lichtzyklus in einer Pflanzenwachstumskammer (FITO1400i, Biogenet, Polen). ). Die Wachstumsraten wurden anhand des Trockengewichts der Biomasse bestimmt, das durch Zentrifugation bei 3000 U/min und Hitzetrocknung für 3 Tage bei 50 °C geerntet wurde. Die Regressionskurve für jeden Stamm wurde erstellt und die spezifische Wachstumsrate (µ) wurde unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet. (1) 92:

Dabei ist Bt die Biomassekonzentration zu jedem Zeitpunkt (t) und B0 die anfängliche Biomassekonzentration. Die Diatomeenstämme wurden unter einem inversen Olympus CKX41-Mikroskop (Olympus-Shinjuku, Tokio, Japan) bei 400-facher Vergrößerung beobachtet.

Der Einfluss der Nährstoffanreicherung (5-, 10-, 15-, 20-fach höhere Konzentration von NO3−, PO43−, SiO32−), des Salzgehalts (15, 20 und 45 %), der Temperatur (15 und 30 °C) und der Beleuchtungsintensität (10, 50 und 150 μmol Photonen m−2 s−1) auf die Biomasseakkumulation in der späten exponentiellen Phase wurde für jeden Stamm untersucht.

Kieselalgen wurden in der späten exponentiellen Phase geerntet, 15 Minuten lang bei 3000 U/min zentrifugiert und die Pellets nach einer gründlichen Reinigung mit ddH2O 2 Tage lang mit 30 %iger H2O2-Lösung bei 110 °C gereinigt. Das farblose, gereinigte Silica wurde 3 Tage lang bei 50 °C getrocknet und später für Charakterisierungsexperimente verwendet. Die Morphologie der sauberen Kieselalgenfrusteln wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) unter Verwendung eines Hitachi SU8000 (Hitachi, Tokio, Japan) abgebildet. Für die SEM-Studie wurden 40 µl Frusteln auf einer Nuclepore™ 5,0 µm Track-Etch-Membran (Whatman™, Cytiva, Deutschland) bei Raumtemperatur getrocknet, später auf einem M4-Zylinder-REM-Halter montiert und mit 10 nm dickem Gold besputtert Schicht. Für die Elementaranalyse von Biosilica wurde ein Tropfen Frusteln auf ein kohlenstoffbeschichtetes Kupfergitter (Sigma-Aldrich, USA) gelegt und die Analyse mit einem Hitachi STEM S5500 durchgeführt, der mit einem EDS-Detektor ausgestattet war (Hitachi, Tokio, Japan). ). Die Messungen wurden mit einer Beschleunigungsenergie von 30,0 kV durchgeführt und mit der Software NSS ThermoScientific analysiert.

Nach der Ultraschallbehandlung der Biomasse und der gereinigten Frusteln (mit dem Ultraschallprozessor Hielscher UP100H (Teltow, Deutschland) für 20 Minuten bei 60 % Amplitude) wurden die Suspensionen für optische Messungen dem UV-Vis DR 6000-Spektrophotometer (HACH-Lange) unterzogen im Wellenlängenbereich von 200–900 nm in 10-mm-Küvetten gegen ddH2O (leer). Bei Extinktionen über 2 wurde die Lösung mit ddH2O verdünnt, die Verdünnungsfaktoren wurden in den dargestellten Diagrammen berücksichtigt.

FTIR-Spektren von getrocknetem Biosilica wurden im mittleren Infrarotbereich (4000–400 cm−1) unter Verwendung des abgeschwächten Totalreflexionsmodus (ATR) auf einem Alpha-FTIR-Spektrometer (Bruker Daltonics, Bremen, Deutschland) erhalten.

Die Niedertemperatur-Stickstoffadsorptions-/Desorptionsisothermen wurden auf Quantachrome Autosorb iQ bei 77,35 K aufgezeichnet.

Die thermogravimetrische Analyse (TA/TGA) von Biosilica-Proben wurde mit TA Instruments Typ SDT 2960 (Artisan Technology, Champaign, IL, USA) unter Verwendung eines Temperaturbereichs von 0–1100 °C, einer Luftströmungsrate von 100 ml min-1 und einer Mindesttemperatur von 10 °C durchgeführt −1 Heizrate.

Zetapotentialmessungen wurden mit Malvern Zetasizer NanoZS (Malvern) unter Verwendung einer DTS1070-Küvette (Malvern) durchgeführt. Die Analyse wurde im automatischen Auswahlmodus für Spannung und Anzahl der Läufe durchgeführt. Jede Messung wurde dreimal wiederholt. Das Zetapotential wurde im pH-Bereich von 2,0–12,0 gemessen. Um den pH-Wert aufrechtzuerhalten, wurden 0,1 M NaOH- und 0,1 M HCl-Lösungen verwendet. Zur Messung des pH-Werts von Suspensionen wurde ein FiveEasy Plus pH-Meter (Mettler Toledo) mit einer kombinierten Elektrode mit Glasmembran und Ag/AgCl-Referenzsystem (Mettler Toledo) eingesetzt. Das pH-Meter wurde vor der Durchführung der Messungen mit gepufferten Standardlösungen mit einem pH-Wert von 4,0, 7,0 und 10,0 kalibriert.

Die Röntgenbeugungsspektren (XRD) wurden mit einem X'Pert Pro Analytical Röntgendiffraktiometer (Phillips, Würzburg, Deutschland) mit Cu-Kα-Strahlung (λ = 0,1541 nm, 40 kV, 30 mA) aufgenommen; 1 ml einer auf Glasträgern getrockneten Probe wurde im 2θ-Bereich zwischen 5° und 120° mit Schrittweiten von 0,0167 gescannt.

Die Salzzugabemethode wurde verwendet, um den PZC von getrocknetem Biosilica zu ermitteln. Ein Aliquot von 20 ml 0,1 M NaCl wurde in 6 Erlenmeyerkolben gesammelt und durch Zugabe von 1 M HCl- und 1 M NaOH-Lösungen unter Verwendung eines pH-Meters (Voltcraft PH-100ATC) ein pH-Bereich von 2–10 eingestellt. Dann wurden in jeden Kolben 20 mg des getrockneten Biosilica gegeben und 24 Stunden lang bei einer Geschwindigkeit von 100 U/min auf einem Orbitalschüttler bei einer Temperatur von 23 °C geschüttelt. Nach Erreichen des Gleichgewichts wurde der Inhalt filtriert und die pH-Werte der Filtrate aufgezeichnet. Der PZC-Wert wurde durch Auftragen des Diagramms des anfänglichen pH-Werts gegen die pH-Änderung bestimmt.

Die gereinigten Frusteln (20 ± 0,5 mg DW) wurden 10,0 ml 14,0 mg L−1 MB in einem 15 ml Falcon-Röhrchen ausgesetzt. Die Mischung (pH = 7) wurde 3 Stunden lang mechanisch bei 3000 U/min bei 23 °C gerührt. Die Farbstoffentfernung wurde mit einem UV-Vis-Spektrophotometer DR 6000 (HACH-Lange) im Wellenlängenbereich von 500 bis 800 nm zu verschiedenen Zeitpunkten aufgezeichnet: 5, 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120 und 180 Min.

In ähnlicher Weise wurden Isothermenstudien durchgeführt, indem 20 ± 0,5 mg gereinigte Frusteln in 15-ml-Falcon-Röhrchen mit unterschiedlichen Anfangskonzentrationen (5, 10, 15, 20, 50 und 100 mg L−1) MB gemessen wurden. Die Mischung wurde 120 Minuten lang bei 3000 U/min bei 23 °C gerührt, was zum Erreichen des Gleichgewichts erforderlich ist. Die Wirkung unterschiedlicher pH-Werte der anfänglichen MB-Lösung (14,0 mg L−1) wurde für pH = 3, 7 und 11 nach 120-minütiger Exposition aufgezeichnet. Der anfängliche pH-Wert der Lösung wurde mit 1 M HCl- und 1 M NaOH-Lösungen eingestellt. Der Absorptionswert bei 665 nm wurde für weitere Berechnungen verwendet.

Die Menge an adsorbiertem MB durch Biosilica wurde wie folgt berechnet:

wobei qt der MB ist, der zu einem bestimmten Zeitpunkt (t) auf dem Biosilica adsorbiert ist (mg g−1); C0 und Ct sind die Konzentrationen des MB zu Beginn bzw. zum angegebenen Zeitpunkt (mg L−1); V ist das Lösungsvolumen (L); m ist die Biosilica-Dosierung (g).

Der Prozentsatz der MB-Entfernung (%) wurde nach Gleichung berechnet. (3):

wobei C0 und Ct die Konzentrationen des MB zu Beginn bzw. zum gegebenen Zeitpunkt (t) sind (mg L−1).

Um die möglichen Mechanismen und geschwindigkeitskontrollierenden Schritte der Adsorption zu verstehen, wurden mehrere kinetische, Diffusions- und Isothermenmodelle angewendet (siehe Ergänzungstabelle S3).

Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit der kinetischen und isothermen Modelle durch die normalisierte Standardabweichung Δq (%) validiert, Gl. (4)

Dabei ist N die Anzahl der Datenpunkte, qexp und qcal (mg g−1) der experimentelle bzw. berechnete Wert der Adsorptionskapazität.

Die Batch-Kultivierungsexperimente wurden in zweifacher Ausfertigung durchgeführt. Die Zahlen zeigen Mittelwerte und Standardfehler. Die Signifikanz der Unterschiede zwischen verschiedenen Gruppen wurde mithilfe einer einfaktoriellen ANOVA-Analyse mit Tukeys Post-hoc-Test, dem Alpha-Level 0,05, analysiert. Die Zahlen des Batch-Wachstumsexperiments, UV-Vis-, FTIR-Spektren und Batch-Adsorptionsspektren wurden mit der MS-Excel-Software aufgezeichnet. Die EDS-Spektren wurden mit der NSS ThermoScientific-Software erhalten. Die Ergebnisse des Zetapotentials berücksichtigen die Smoluchowski-Näherung. Die Analysedaten für TA/DTA wurden mit der TA Universal Analysis-Software (TA Instruments, New Castle, DE, USA) verarbeitet. Die Röntgenbeugungsmusteranalyse wurde mit der Software XRD Malvern Panalytical (Version 1.5a, Almelo, Niederlande) durchgeführt. Die Modellierung der Adsorption wurde in der Software OriginPro 2022 durchgeführt.

Die Autoren bestätigen, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel und seinem Zusatzmaterial verfügbar sind. Rohdaten, die die Finanzierung dieser Studie unterstützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der Stiftung für polnische Wissenschaft aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung im Rahmen des Operationellen Programms Intelligente Entwicklung 2014–2020 (POIR.04.04.00-00-1792/18-00) unterstützt. Die Autoren danken Dr. Patrick Groves für seine immense Hilfe bei dieser Forschungsarbeit.

Institut für Meeres- und Umweltwissenschaften, Universität Stettin, Mickiewicza 16a, 70-383, Stettin, Polen

Aleksandra Golubeva, Piya Roychoudhury, Przemysław Dąbek und Andrzej Witkowski

Abteilung für Anorganische Chemie und Koordinationschemie, Fakultät für Chemie, Nikolaus-Kopernikus-Universität, Gagarina 7, 87-100, Toruń, Polen

Jagoda Pałczyńska & Piotr Piszczek

Zentrum für moderne interdisziplinäre Technologien, Nikolaus-Kopernikus-Universität, Wileńska 4, 87-100, Toruń, Polen

Oleksandra Pryshchepa & Pawel Pomastowski

Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Technische Universität Warschau, Wołoska 141, 02-507, Warschau, Polen

Michał Gloc & Renata Dobrucka

Abteilung für Qualität von Industrieprodukten und Verpackungen, Institut für Qualitätswissenschaft, Wirtschaftsuniversität Posen, al. Niepodległości 10, 61-875, Posen, Polen

Renata Dobrucka

Abteilung für Angewandte Chemie, Fakultät für Chemie, Adam-Mickiewicz-Universität, Uniwersytet Poznańskiego 8, 61-614, Posen, Polen

Agnieszka Feliczak-Guzik & Izabela Nowak

Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Bialystok, Ul. Wiejska 45 c, 15-351, Bialystok, Polen

Krzysztof J. Kurzydłowski

Abteilung für Umweltchemie und Bioanalyse, Fakultät für Chemie, Nikolaus-Kopernikus-Universität, Gagarina 7, 87-100, Toruń, Polen

Boguslaw Buszewski

Prof. Jan Czochralski Kujawien-Pommersches Forschungs- und Entwicklungszentrum, Krasińskiego 4, 87-100, Toruń, Polen

Boguslaw Buszewski

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AG und PR konzipierten und gestalteten die Arbeit. AG, PR, PD, PP, PP, MG und IN haben eine Methodik entwickelt. AG führte Wachstums- und Biosilica-Charakterisierungsexperimente durch, erstellte kinetische und isotherme Modellierungen, interpretierte die Daten, erstellte Abbildungen und Tabellen und entwarf die Arbeit. AG und PR führten Experimente zur MB-Entfernung durch. AG und OP führten eine ATR-FTIR-Analyse durch. AG und MG führten SEM- und EDS-Untersuchungen durch. OP führte Zetapotentialmessungen durch. JP und PP führten eine TGA/DTA- und XRD-Analyse durch und beschrieben die Ergebnisse. AFG führte die N2-Adsorptions-/Desorptionsexperimente durch. PR, PD, JP, OP, PP, PP, MG, RD, AFG, IN, KJK, BB und AW haben die Arbeit überprüft und bearbeitet. AW überwacht die Arbeit. BB hat die Finanzierung übernommen. Alle Autoren stimmten dem Manuskript zu.

Korrespondenz mit Aleksandra Golubeva.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Golubeva, A., Roychoudhury, P., Dąbek, P. et al. Ein neuartiges wirksames Methylenblau-Adsorptionsmittel biologischen Ursprungs: das poröse Biosilica aus drei marinen Diatomeenstämmen von Nanofrustulum spp. (Bacillariophyta). Sci Rep 13, 9168 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36408-6

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Eingegangen: 07. Februar 2023

Angenommen: 02. Juni 2023

Veröffentlicht: 06. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36408-6

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