斬新で効果的なバイオ | 青島ルミノソ・トレイルブレイザーグループ株式会社

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9168 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

本論文では、「Nanofrustulum spp.」の3種類の海洋珪藻株に由来する多孔質バイオシリカの能力を初めて明らかにした。つまり。 N. wachnickianum (SZCZCH193)、N. shiloi (SZCZM1342)、N. cf. 水溶液から MB を除去するシロイ (SZCZP1809) が研究されました。最高のバイオマスは、N. wachnickianum および N. shiloi (それぞれ 0.98 g L-1 DW および 0.93 g L-1 DW) についてはケイ酸塩濃縮下で、N. については 15 °C 未満で達成されました。シロイ（2.2 g L−1 DW）。菌株のケイ質骨格を過酸化水素で精製し、SEM、EDS、N2 吸着/脱着、XRD、TGA、および ATR-FTIR によって特性評価しました。 SZCZCH193、SZCZM1342、SZCZP1809 の菌株から得られた多孔質バイオシリカ (20 mg DW) は、pH 7 で 180 分間、14 mg L-1 MB 除去の 77.6%、96.8%、および 98.1% の効率と最大吸着を示しました。容量はそれぞれ8.39、19.02、および15.17 mg g-1と計算されました。さらに、SZCZP1809 では、アルカリ (pH = 11) 条件での MB 除去効率を 120 分後に 99.08% まで高めることができました。モデリングにより、MB の吸着は擬一次モデル、Bangham の細孔拡散モデル、および Sips 等温線モデルに従うことが明らかになりました。

光合成微生物の主要なグループを代表する珪藻 (Bacillariophyta) は、3D 構造の多孔質バイオシリカ (SiO2) で構成される細胞壁内に生息する単細胞の真核微細藻類です。それらは海洋における地球規模の炭素とケイ素の循環において重要な役割を果たしており、その光合成活動は地球の主要な生産性のほぼ 5 分の 1 を占めています 1,2。珪藻は、工業用途向けのさまざまな生理活性化合物やファインケミカルを生成する可能性があるため、応用科学でますます注目を集めています。フコキサンチンは抗酸化作用で知られており、医薬品や化粧品に使用できます3。不飽和脂肪酸は栄養補助食品として使用されています4。トリアシルグリセロール (TAG) は、バイオ燃料への変換のための炭素原料を提供します5。珪藻片の天然の多孔質構造は、ドラッグデリバリー 6、バイオセンシング 7、および金属回収 8 の分野で注目を集めました。珪藻にはバイオ精製プロセスにおけるバイオテクノロジーの大きな可能性があり9、そのバイオマスは費用対効果の高い方法でさまざまな化合物の生産に使用できる可能性があります。

さまざまな有機汚染物質 (たとえば、薬物 10、抗生物質 11、フェノール 12、染料 13) が産業で広く使用されているため、水質汚染の問題が生じています。これらは産業廃棄物として保管され、その後環境水域にパージされ、無色のきれいな水が汚染された有色の廃棄物に変化します。水溶性塩基性染料は、紙、ポリエステル、シルク、綿、ウールの着色に一般的に使用されます14。この汚染は非常に有毒であり、呼吸障害、目の損傷、メトヘモグロビン血症を引き起こすなど、人体に悪影響を与える可能性があります15、16、17。メチレンブルー (MB) は、さまざまな物質の除去能力を評価するために使用されるモデル色素、および吸着剤のメソ多孔質の性質の指標として知られています 18。

現在、廃水中の染料を回収できるように、効率的な緑色染料除去方法を見つけるために多くの研究が行われている。最も有望な分解方法の 1 つは吸着です。これはより良い結果が得られ、さまざまな種類の染料に使用でき、高度な設備を必要とせず、廃水中の有毒な共汚染物質の影響を受けにくく、有毒物質を生成しません 19。最も一般的に使用される天然吸着剤である活性炭は、多くの研究で使用され、MB の除去において高い吸着能力を示しましたが、コストが高く再生プロセスが難しいため、低コストで非常に効果的な吸着剤を見つけるためのさらなる研究が行われました20。多くの非従来型吸着剤、特に天然物をベースとした吸着剤が吸着剤として提案されている。生体吸着剤 (細菌 21、藻類 22、菌類 23、植物 24、農業廃棄物 25 の死滅および生バイオマス)、ゼオライト 26、および珪藻土 27 で高い吸着容量が示されています。私たちの知る限り、Punnularia sp.28 および Cyclotella sp.29 から抽出された純粋な珪藻土バイオシリカを使用した研究は、金属ドープ珪藻土シリカ 30,31、珪藻土 27,32 および化学合成された珪藻土 27,32 に重点を置いて行われた研究はわずか数件のみです。メソポーラスシリカ33,34。化学合成シリカは高い吸着効率を示しますが、いくつかの研究では、この材料が細胞毒性を示す可能性があることが示唆されています 35,36 が、珪藻由来のバイオシリカは非細胞毒性材料であると報告されている 37 ため、損傷を与えることなく使用できる可能性があります。本研究では、ポーランドのシュチェチン大学海洋環境科学研究所のシュチェチン珪藻培養コレクション (SZCZ) で栽培された、Nanofrustulum Round、Hallsteinsen & Paasche 属の 3 つの異なる海洋珪藻株からの多孔質バイオシリカを使用しました。非常に効果的で安価な MB 吸着剤として初めて特性評価され、同定されました。

Nanofrustulum spp.の 3 つの株。バッチ培養中に明確な遅れ期、指数関数期、定常期を示しました（図1a、b）。 SZCZCh193 N. wachnickianum 株の誘導期は培養 5 日目まで観察され、5 日目から 12 日目までの 7 日間は指数関数的に増殖し、増殖 12 日目から定常期が始まりました。対数期の最大比増殖速度は 0.115 d-1 (R2 = 0.95) と計算されました。 SZCZM1342 N. shiloi 株の増殖は、遅滞期 (4 日目まで)、指数関数的 (6 日間、4 日目から 10 日目まで)、および定常期 (10 日目以降) を示し、指数関数的増殖期の最大比増殖速度を示しました。接種６日後、ＳＺＣＺＰ１８０９Ｎは０．２７０ｄ−１（Ｒ２＝０．９７）と計算された。シロイは 10 日間 (培養 16 日目まで) 指数関数的な増殖を示し、その後増殖の定常期が続きました。指数関数期中の最大比増殖速度は 0.513 d-1 (R2 = 0.99) と計算されました。したがって、SZCZCh193 N. wachnickianum (0.39 ± 0.039 g L-1 DW) および SZCZM1342 N. shiloi (0.47 ± 0.033 g L-1 DW) の最大バイオマス収量は 18 日目に得られたと言えます。 SZCZP1809 Nの場合。参照。培養 16 日目のシロイ (0.63 ± 0.013 g L−1 DW)。

SZCZCH193 N. wachnickianum、SZCZM1342 N. shiloi、SZCZP1809 N. のバッチ培養。シロイ: (a) バイオマス DW の成長ダイナミクス。 (b) 培養フラスコ。

人工海水ギラード f/2 培地のさまざまな塩分濃度を用いた実験 (表 1、補足図 S1a) では、低塩分 (15 および 20 パーセント) の方が高塩分 (35 および 45 パーセント) よりもバイオマスの蓄積が低いことが示されました。最も高い乾燥バイオマス収量は、SZCZCH193 N. wachnickianum (n = 8、一元配置分散分析 p = 0.0319; 35 と 45 との間のトルコ HSD p = 0.0251) および SZCZP1809 N 株の 45 パーセントで観察されました。シロイ (n = 8、一元配置分散分析 p = 0.002; 35 ～ 45% の間でトルコ HSD p = 0.0361)、SZCZM1342 N. シロイではバイオマス収量に有意な増加はありません (n = 8、一元配置分散分析 p = 0.0003 ; トルコ HSD p = 0.6117 (35 ～ 45%)。

以下の一連の実験（表1、補足図S1b）は、Nanofrustulum spp.の傾向を示しました。ギラード f/2 培地中のケイ酸塩濃度を 3 株すべてで 20 倍 (2.12 mM) 増加させると、バイオマス収量が増加します (SZCZCH193: n = 10、一元配置 ANOVA p = 0.0018、Turkey HSD p = 0.0024、0.0028、0.608、 0.2001 (それぞれ 2.12 と 0.11、0.53、1.06、1.59); SZCZM1342: n = 10、一元配置分散分析 p = 0.0008、トルコ HSD p = 0.001 (2.12 mM と 0.11、0.53 または 1.06 mM の間) および p = 0.0731 (2.12 ～ 1.59 mM の間); SZCZP1809: n = 10、一元配置 ANOVA p = 0.0015、トルコ HSD p = 0.0012、0.0046、0.0111、0.1035 (2.12 ～ 0.11、0.53、1.06、1.59それぞれ））。

異なる照明強度での実験（表1、補足図S1e）は、高い光強度（150μmol s−1 m−2）がSZCZCH193 N. wachnickianumとSZCZM1342 N. shiloiで異なるバイオマス収量をもたらさず、バイオマスの増加をもたらさないことを示しました。 SZCZP1809 N の累積。参照。シロイ。 (SZCZCH193: n-8、一元配置分散分析 p = 0.6473; SZCZM1342: n = 8、一元配置分散分析 p = 0.1237; SZCZP1809: n = 8、一元配置分散分析 p = 0.0155、10 間のトルコ HSD p = 0.0119および 150 μmol s−1 m−2）。

バイオマス蓄積に対する温度の影響(表1、補足図S1f)は、株ごとに異なりました。 SZCZCH193 N. wachnickianum の場合、高温の培養（30 °C）によりバイオマス収量が増加しました（n = 6、一元配置分散分析 p = 0.0259、20 と 15、30 °C の間でトルコ HSD p = 0.032、0.0357 それぞれ） ; SZCZM1342 N. shiloi のバイオマス蓄積に差異は観察されませんでした (n = 6、一元配置分散分析 p = 0.1296)。 SZCZP1809 N の場合。低い栽培温度（15℃）ではバイオマス収量が増加しました（n = 6、一元配置分散分析 p = 0.0027、トルコ HSD p = 0.0074、15 と 20、30 ℃の間でそれぞれ 0.0025）。

ギラード f/2 培地の硝酸塩 (表 1、補足図 S1c) およびリン酸塩 (表 1、補足図 S1d) の濃度の変化は、SZCZCH193 N. wachnickianum の乾燥バイオマス収量の違いを示さなかった (硝酸塩: n = 10、1三元配置分散分析 p = 0.4732; リン酸塩: n = 10、一元配置分散分析 p = 0.2371)、SZCZM1342 N. シロイ (硝酸塩: n = 10、一元配置分散分析 p = 0.1749; リン酸塩: n = 10、一元配置分散分析ANOVA p = 0.1219)、および SZCZP1809 N。シロイ（硝酸塩：n = 10、一元配置分散分析 p = 0.0455、4.41 ～ 13.23 mM の間のトルコ HSD p = 0.0355、リン酸塩：n = 10、一元配置分散分析 p = 0.5765）。

走査電子顕微鏡（SEM）により、3つのナノ錐台株の錐台の形態の類似点と相違点が明らかになりました（図2a〜d、g、h）。 3 つの株すべての胞体の弁は楕円形です。小胞体の長さは 2.6 ～ 2.9 μm (SZCZCH193 N. wachnickianum)、3.1 ～ 3.3 μm (SZCZM1342 N. shiloi)、3.9 ～ 4.2 μm (SZCZP1809 N. cf. shiloi) とわずかに異なり、幅は 2.9 ～ 2.9 ～ 3.1 μm (SZCZCH193 N. wachnickianum、SZCZM1342 N. shiloi) ～ 3.6 ～ 4.0 μm (SZCZP1809 N. cf. shiloi)。胸骨は、SZCZCH193 N. wachnickianum では広披針形であり、他の 2 つの株では狭い線形です。乳輪と呼ばれる弁表面の孔は弁外套膜に向かってわずかに伸びており、長さと幅は 120 ～ 615 nm および 120 ～ 330 nm と測定されました (SZCZCH193 N. wachnickianum)。 150〜450 nmおよび120〜400 nm（SZCZM1342 N. shiloi）。 80 ～ 510 nm および 100 ～ 330 nm (SZCZP1809 N. cf. shiloi)。 SZCZCH193 N. wachnickianum のバルブ面には乳輪が 1 列しかありません (図 2a、b)。SZCZM1342 N. shiloi のバルブ面には 2 列あり (図 2c、d)、最大 4 列あります。 SZCZP1809 N のバルブにあります。参照。シロイ（図2g、h）。

(a、b) SZCZCH193 N. wachnickianum、(c、d) SZCZM1342 N. shiloi、(g、h) SZCZP1809 N. の表面形態を示す SEM 画像。シロイ、および EDS スペクトルにより、(e) SZCZCH193 N. wachnickianum、(f) SZCZM1342 N. shiloi、(i) SZCZP1809 N の表面に Si および O が存在することが確認されました。シロイ (スケールバー - 1 μm、赤い丸は Si の存在を示す)。

3つの株のエネルギー分散型X線スペクトル（図2e、f、i）は、シリコン（Si）、酸素（O）、炭素（C）、および銅（Cu）の明確なピークを示しました。 STEM イメージングで使用される銅グリッドの数。主要元素の原子百分率は、SZCZCH193 N. wachickianum、SZCZM1342 N. shiroi、 SZCZP1809 N。参照。シロイとそれぞれ。

Nanofrustulum spp.の比表面積、細孔容積、および細孔直径（補足表S1）。株のフラステルは、図3a〜cに示されている低温N2吸着/脱着等温線から推定され、SZCZCH193 N. wachnickianiumの場合はそれぞれ25.32 m2 g-1、0.267 cm3 g-1、4.22 nm、21.78 m2 g-1でした。 SZCZM1342 N. shiloi ではそれぞれ、0.113 cm3 g-1、2.07 nm、SZCZP1809 N ではそれぞれ 35.23 m2 g-1、0.174 cm3 g-1、1.97 nm。シロイ。

(a) SZCZCH193 N. wachnickianum、(b) SZCZM1342 N. shiloi、(c) SZCZP1809 N. の N2 吸着/脱着等温線。シロイ。（d）SZCZCH193 N. wachnickianum、（e）SZCZM1342 N. shiloi、（f）SZCZP1809 N。バイオマス（色付きの線）とバイオシリカ（灰色の線）の紫外可視分光法。シロイ。

超音波処理したバイオマスの紫外可視分光法では、230 nm に明確なピークと、270、430、495、および 676 nm に小さなピークが示されました（図 3d–f、緑色の線）。純粋な超音波処理バイオシリカは、230 nm で 1 つの明確なピークのみを示しました (図 3d–f、灰色の線)。

バイオシリカの Tauc のプロット (図 4a) は、エネルギーの増加に伴って光吸収が急激に直線的に増加することを示しました。 Tauc プロットの線形フィットの x 軸交点は、SZCZCH193 N. wachnickianum の場合は 4.40 eV、SZCZM1342 N. shiloi の場合は 4.05 eV、および SZCZP1809 N. の場合は 4.10 eV のバンドギャップエネルギーの推定値を示します。シロイ。

(a) Tauc のプロットによる純粋な珪藻土バイオシリカの特性評価 - 提示されたバイオシリカバンドギャップ。 (b) XRD - バイオシリカの非晶質構造と石英または無機塩の存在が示されました。 (c) FTIR スペクトル - SZCZCH193 N. wachnickianum、SZCZM1342 N. shiloi、SZCZP1809 N のバイオシリカの表面を取り囲む官能基の存在が明らかになりました。 shiloi (s-伸縮、b-曲げ。比較しやすいようにスペクトルはオフセットされています)。

図4bのXRDには、X線回折分析の結果が示されています。すべてのサンプルの XRD パターンでは、2θ ≈ 15° ～ 32° にブロードなピークがあります。ただし、サンプル SZCZCH193 N. wachnickianum では、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 で強いシグナルが得られます。 °が区別された一方、サンプル SZCZP1809 N では 2θ ≈ 26.4°、36.4°、46.2°、48.7°、60.7° での低強度シグナルの存在が認められました。シロイ。

ATR-FTIRスペクトルにより、錐体表面にO-H、C-H、C=O、NH、Si-O官能基が存在することを示す明確なピーク（図4c）が明らかになりました。 2981、2922、および2851cm−1。 1748cm−1; 1630、1540、1450、および1395cm-1。それぞれ1150、1050、805、および442cm-1。

PZC は、初期 pH と 24 時間のインキュベーション後の pH 値の変化の間の切片として計算され、SZCZCH193 N. wachnickianum については pHpzc = 6.0、SZCZM1342 N. shiloi および SZCZP1809 N. については pHpzc = 5.3 と推定されました。シロイ（補足図S2aを参照）。

各サンプルの 2.0 ～ 4.0 pH の範囲の低いゼータ電位値がグラフに表示されます (補足図 S2b を参照)。 pH 4.0 ～ 12.0 の範囲では、ゼータ電位の増加が観察されます (ゼータ電位 > –25 mV)。

図 5a ～ c は、3 つのバイオシリカサンプルすべての TGA 分析の結果を示しています。温度に対する質量損失のプロットでは、プロセスの個々の段階に関するより具体的な情報を得ることができませんでした。したがって、示差熱分析 (DTA) が実行され、プロセスの 3 つの主要な段階が示されました (図 5a ～ c)。 SZCZCH193 N. wachnickianum バイオシリカサンプル（図 5a）は、DTA 分析プロット上に 59.5、314.9、および 697 °C で最大値を示す 3 つの顕著なピークを示しました。第 1 段階は 121.2 °C で質量損失 3%、第 2 段階は 571.5 °C で質量損失 34.6%、第 3 段階は 727.72 °C で質量損失 54.17% で終了します。同様に、SZCZM1342 N. shiloi プロット (図 5b) では、プロセス中の 3 つの段階が明らかになりました。最初の段階は 115 °C (約 3% の質量損失) で終了し、2 番目の段階は 340.32 °C で終了し、39.8% の質量損失、そして 3 番目の段階は 340.32 °C で終了し、39.8% の質量損失を示します。 503 °C で 73.32% の質量損失。 DTA 分析により、77.62、296.74、380.27、および 603.03 °C にピークがあることが明らかになりました。サンプル SZCZP1809 N の場合。参照。 DTA 分析の最も複雑なプロットが観察されており (図 5c)、97.78、339.70、469.54、513.93、および 662.64 °C にピークがあります。第 1 段階は 175.46 °C で終了し、質量損失は 7.28%、第 2 段階は 490.6 °C で質量損失 46.89%、第 3 段階は 687.05 °C で質量損失 56.92% で終了します。

純粋な珪藻土バイオシリカの熱安定性と変換 (a) SZCZCH193 N. wachnickianum、(b) SZCZM1342 N. shiloi、(c) SZCZP1809 N。シロイ。

3 つの菌株の純粋な多孔質珪藻土バイオシリカは、水溶液中での MB の変色において陽性反応を示しました。分光法では、露光時間とともに MB ピークの急激な減少が示され (図 S3a ～ c)、色素の除去が確認されました。 SZCZCH193 N. wachnickianum 株からのバイオシリカへの MB の吸着は、90 分の曝露後に急激に増加しながらゆっくりと進行し、120 分後に平衡に達しました。 SZCZCH193 N. wachnickianum の小胞体の場合、180 分後の MB 除去率は 77.6% でした。 SZCZM1342 N. shiloi および SZCZP1809 N. の小胞体への MB の吸着。シロイは時間とともに徐々に増加し、120 分間の曝露後にシステムが平衡に達しました。１８０分後のＭＢ除去率は、ＳＺＣＺＭ１３４２Ｎ．ｓｈｉｌｏｉについては９６．８％、ＳＺＣＺＰ１８０９Ｎ．ｓｈｉｌｏｉについては９８．１％と計算された。シロイ（図6a）。

(a) 時間の影響。 SZCZCH193 N. wachnickianum、SZCZM1342 N. shiloi、SZCZP1809 N の純粋なバイオシリカへの MB 吸着効率に対する (b) 異なる pH および (c) 異なる初期 MB 濃度。シロイ、（MBの初期濃度—(a、b) 14.31 mg L-1; (c) 5〜100 mg L-1; 吸着剤の投与量—21.40 ± 5.0 mg; pH—(a-c) 7、(b) 3、7、10; 温度 - 20 °C; 時間 - (a) 5 ～ 180 分; (b、c) 120 分)。

さらに、図6bに示すように、MB溶液の異なるpHの影響を、MBの酸性（pH = 3）、中性（pH = 7）、およびアルカリ性（pH = 11）の水溶液にバイオシリカを曝露して調査しました。酸性溶液では、MB の除去は中性およびアルカリ性条件よりも低く、SZCZCH193 N. wachnickianum では 71.33%、SZCZM1342 N. shiloi では 91.90%、SZCZP1809 N. shiloi では 97.23%でした。シロイ。 pHの増加により除去効率が向上しました。SZCZCH193 N. wachnickianumでは最大77.27%、SZCZM1342 N. shiloiでは最大96.03%、SZCZP1809 N. shiloiでは最大99.08%です。シロイ。

初期溶液中の異なる MB 濃度の影響も調べました。図6cは、SZCZCH193 N. wachnickianumの場合、MB濃度の増加により除去効率が大幅に低下したことを示しています（5 mg L-1での79.48％から100 mg L-1での10.69％）。 100 mg L-1 の MB 溶液に曝露された SZCZM1342 N. shiloi の小胞体は、低濃度の場合とほぼ同じ効率 (89.82%) で双曲線増加を示しました (5 mg L-1 では 88.35%、81.92%)。 10 mg L-1 で 86.26%、15 mg L-1 で 86.26%、20 mg L-1 で 87.13%、50 mg L-1 で 90.69%、100 mg L-1 で 89.82% の除去率でした。 MB の除去に最も効率的な菌株である SZCZP1809 N. wachnickianum も同様の傾向を示しました。5 mg L-1 で 85.82%、10 mg L-1 で 90.78%、15 mg L-1 で 93.77%、95.59 20 mg L-1 で %、50 mg L-1 で 95.95%、100 mg L-1 で 91.15%。

擬似一次（補足図S4a）モデルは、SZCZM1342 N. shiloiとSZCZP1809 Nのより高い相関係数を示しました。エロビッチ (補足図 S4b) および擬似 2 次 (補足図 S4c) の動力学モデルよりもシロイであり、擬似 1 次の正規化標準偏差値は最も低かった。 SZCZCH193 N. wachnickianum の場合、擬似 2 次モデルと Elovich モデルの相関係数は擬似 1 次モデルよりも高かったが、1 には近くなく、定数値が非常に小さかった。標準偏差値は、3 つのモデルすべてで 50% を超えていました (表 2)。

テストされた3つの株では、ボイドの線形グラフは原点を通る直線であり（補足図S4eを参照）、テストでは高い相関係数が示されました（SZCZCH193 N. wachnickianum、SZCZM1342 N. shiloiの場合はR2 = 0.962、0.966、0.995）。、および SZCZP1809 N. それぞれ shiloi を参照）、SZCZM1342 N. shiloi (14.5%) および SZCZP1809 N の低い標準偏差値。シロイ (35.2%) ですが、SZCZCH193 N. wachnickianum では 50% を超えています。

吸着の速度制御ステップを理解するために、Weber-Morris 粒子内拡散モデルと Bangham の細孔拡散モデルが使用されました (補足図 S4d、f)。 SZCZCH193 N. wachnickianum、SZCZM1342 N. shiloi、および SZCZP1809 N. の最高で統一に最も近い係数。シロイはバンガムの細孔拡散モデルに対して計算されました。 3 つの菌株すべての Bangham の細孔拡散モデルの標準偏差値は 20% 未満でした (表 2)。

等温線モデルの定数と相関係数によると、Sips 等温線モデルは SZCZCH193 N. wachnickianum、SZCZM1342 N. shiloi、および SZCZP1809 N. に最も適しています。シロイ（表2、補足図S5a–c）。

いくつかの研究では、Nanofrustulum shiloi 株の比増殖速度とバイオマス生産性が 0.099 d-138、0.305 d-139、0.457 d-140 と報告されており、これは 12.8 mg L-1 d-138、31.29 mg L-1 d-140、それぞれ。本研究では、SZCZM1342 N. shiloi および SZCZP1809 N. の比増殖速度とバイオマス生産性を調べました。シロイは0.270 d-1、0.513 d-1として観察され、それぞれ26.12 mg L-1 d-1、39.37 mg L-1 d-1に相当します。したがって、SZCZP1809 は N. shiloi の最も生産性の高い菌株と考えられます。私たちの知る限り、Nanofrustulum wachnickianum の成長調査に関する研究は行われていません。 SZCZP1809 Nの低温でのバイオマス収量の大幅な増加。参照。 SZCZCH193 N. wachnickianum のシロイと高温は、菌株の起源によって説明できます。SZCZP1809 は、平均海水温度が 17 °C に達する南アフリカのケープタウン、シーポイントの大西洋から収集されました。 N. wachnickianum — 米国フロリダ州マルケサスキーズのメキシコ湾産（平均海水温 28 °C）。シリカはケイ素ベースの胞子を構築する必要があるため、珪藻の成長を制限する主要な栄養素です。 Nanofrustulum spp.の株。らは、シリコン源をほぼ 1 g L-1 DW まで増加させるとバイオマス収量が大幅に向上できることを示し、これは以前の研究と相関していました 41。

走査型電子顕微鏡の写真により、SZCZP1809 N株のバルブ面が明らかになった。 shiloi および SZCZM1342 N. shiloi には複数列の乳輪が含まれていますが、SZCZCH193 N. wachnickianum の弁には 1 列しか含まれていません。バルブフェイスの離隔距離の違いにより、SZCZM1342 N. shiloi と SZCZP1809 N. の亀裂が生じます。シロイは、SZCZCH193 N. wachnickianum のものよりも多孔質です。 Li ら 42 は、N. wachnickianum の新種を記載し、この種は弁面の乳輪の数によって N. shiloi と区別できることを観察しました。 MB 除去の場合、細孔のサイズと数が重要です。したがって、SZCZCH193 N. wachnickianum は、SZCZM1342 N. shiloi および SZCZP1809 N. とは異なり、乳輪の数が少ないため、MB の吸着剤としての可能性が低くなります。シロイ。 Nanofrustulum spp.の乳輪（幅80 nm以上）。株はマクロ細孔とみなされる可能性があります43。しかし、N2 の吸着/脱着により、平均直径 4.217 nm (SZCZCH193 N. wachnickianum)、2.073 nm (SZCZM1342 N. shiloi)、および 1.971 nm (SZCZP1809 N. cf. shiloi) のミクロおよびメソ細孔の存在が明らかになりました。以前の研究では、珪藻小胞体の平均細孔直径の同様の値が報告されています：Pseudostraurosira trainorii では 3.93 nm 44、Thalassiora punctigera では 3 ～ 10 nm、T. weissflogii では 3.6 ～ 3.7 nm 45、Navicula australoshetlandica では 4.61 nm です。さらに、材料の多孔質の性質は、N2 吸着/脱着等温線の形状によって説明できます。 IUPAC 分類によれば、Nanofrustulum spp.の等温線は次のようになります。バイオシリカは、タイプ I (微小孔の性質) とタイプ II (マクロ多孔質の材料) に従い、タイプ H3 と H4 のヒステリシスループを組み合わせます。タイプ H3 はサンプル中のマクロ細孔ネットワークの存在を示し、タイプ H4 はサンプル中のスリット状の微小孔の存在を示します。

NanofrusItulum spp.のさまざまな株の比表面積若干異なります。以前の報告では、異なる珪藻小胞体は、Skeletonema sp.47 の 2 m2 g-1 および P. trainorii44 の 30 m2 g-1 から、N. australoshetlandica の 401.45 m2 g-1 まで、多様な SBET 値を持つことが示されています。ただし、洗浄方法が表面積に多大な影響を与える可能性があることに注意することが重要です。Gholami et al.29 は、Cyclotella sp. の SBET を増加させる可能性を実証しました。従来の洗浄方法から Sono-Fenton への洗浄方法の変更により、フラステルは 14.71 m2 g-1 から 132.67 m2 g-1 に減少しました。

いくつかの報告書 48,49 の解釈によれば、超音波処理したバイオマスの UV-vis スペクトルにおける 430、495、および 676 nm のピークの出現により、クロロフィルとカロテノイドの存在が確認されました。 Trabelsi et al. 50 によって報告されているように、270 nm のピークは多糖類の存在を示している可能性があります。超音波処理され、精製された切片は、230 nm で 1 つのピークのみを示し、サンプル中にシリカが存在することが明らかになりました 51,52。

熱分析の第 1 段階は水分の脱着に関連しており、第 2 段階は有機化合物 (脂質) の酸化分解に関連している可能性があり、第 3 段階では無機物 (マグネシウム塩やナトリウム塩) の分解が明らかになりました 53,54,55。熱分析 (TGA/DTA) 中のサンプルの最大の質量損失 (ほぼ 75%) は、SZCZM1342 N. shiloi のサンプルで観察されました。サンプル SZCZCH193 N. wachnickianum と SZCZP1809 N. の比較。全体的な質量損失は 45.8% と 43.8% でした。これは、このサンプルが他のサンプルと比較してわずかに茶色だったことを考慮すると、サンプル SZCM1342 N. shiloi に大量の有機物が存在することによって説明できます (補足図 S6 を参照)。

EDS 研究により、フラステル中にシリカと酸素が存在することが確認されました。 O:Si の原子比は、SZCZCH193、SZCZM1342、および SZCZP1809 でそれぞれ 1.69:1、2.39:1、および 2.27:1 と計算され、珪藻小片が主に SiO2・nH2O の形でシリカから作られていることが確認されました。オパール56に似ています。炭素 (C) の明確なピークは、珪藻土シリカ内のフラステルとキチンテンプレートを取り囲む残りの有機化合物の存在によって説明できます 57。銅 (Cu) の発生は、銅の TEM グリッドを使用した結果です。

すべての菌株の X 線回折分析では、シリカの非晶質の存在を示す幅広いピークが示されました。したがって、研究されたサンプルは主に非晶質シリカから構成されていると結論付けることができます。 SZCZCH193 N. wachnickianum の場合、強いシグナルは石英とクリストバライトから発生している可能性が最も高くなります 58。あるいは、これらのシグナルはマグネシウム無機塩の含有を示している可能性があります53。 SZCZP1809 Nの場合。参照。低い強度の信号は、アルファクォーツのインクルージョンから発生している可能性があります。

計算された Tauc プロットのエネルギーバンドギャップ (SZCZCH193 N. wachnickianum の場合は 4.40 eV、SZCZM1342 N. shiloi の場合は 4.05 eV、および SZCZP1809 N. shiloi の場合は 4.10 eV) は、純粋な多孔質バイオシリカがウルトラワイド半導体となる特性を備えていることを示しました。アモルファスシリカ60の分析により、バンドギャップが3.35 eVであることが明らかになりました。以前の研究では、非晶質シリカと結晶質シリカのバンドギャップが多孔質シリカよりも低いことが確認されており 61、ひずみの値の違いは細孔サイズの違いによって説明できる可能性があります。

フラステルの表面上の潜在的な官能基を特定するために、ATR-FTIR 分析を実行しました。いくつかの報告によると 12,62 、1150、1050、805、および 442 cm-1 での強いバンドの出現は、それぞれ Si-O-Si グループの非対称伸縮、対称伸縮、および曲げ振動を示しています。いくつかの研究によって、2981、2922 (CH3)、2851 (CH2)、および 854 cm-1 (Si-(CH3)2) での C-H 伸縮、および1748cm−1。 1630、1540、1450、および 1395 cm-1 の 4 つの強いピークは、以前の研究に対応するアミノ基の屈曲振動を示しました 64。 Otzen65 氏によると、これらのピークはバイオシリカの周囲に有機化合物が存在することを示しています。 3660 cm-1 のバンドは SiOH62 からの O-H の伸縮振動に関連しており、さらに 3500 ～ 3000 cm-1 の広いバンドは分子状の水に関連しています 66。

粒子の表面電荷によって、粒子の凝集能力が決まります。ゼータ電位の値は、特定の粒子の特性だけでなく、溶液の pH やイオン強度にも依存します。ゼータ電位がゼロに近い粒子は凝集します。また、安定した非凝集系は、+/- 25 - + /- 30 mV を超える絶対ゼータ電位値によって特徴付けられます67,68。純粋なバイオシリカサンプルのゼータ電位測定の結果は、pH 4 を超えると凝集が起こらず、懸濁液が安定していることを示しています。それぞれの結果は、異なるpH（2.0、3.0、> 4.0）で珪藻溶液を撮影した写真によって確認できます（補足図S7a〜cを参照）。最も低い pH では、顕著な凝集とサンプルの沈殿が観察されることがあります。 pH 3.0 付近では、凝集はまだ見えますが、範囲は低くなります。 pH 4.0 を超えると目に見える凝集は起こらず、懸濁液は安定です。得られた結果は、Xu et al.69 によって記載された純粋な合成的に調製されたシリカについて得られた結果とは異なることは言及する価値がある。 Peng Zu のものと比較して、検査したサンプルのゼータ電位プロットの形状が異なることは、バイオシリカの表面にカルボキシル (COOH) 基とアミン (NH2) 基が存在することによって説明できます。各官能基の存在はFTIR分析により確認した。さらに、TA/DTA 分析により、バイオシリカの表面に大量の有機物が存在することも明らかになりました。この違いは、バイオシリカのサンプル間でも顕著であり、たとえば、SZCM1342 N. shiloi では、表面の正電荷が観察されました。それぞれの違いは、SZCZM1342 N. shiloi サンプルの表面上の有機物 (つまりタンパク質) の量が多いことに起因する可能性が高くなります。

電荷ゼロ点 (PZC) を使用すると、表面の電荷が中性になる pH を知ることができます。したがって、pHpzc 未満の pH では表面は正に帯電し、pHpzc より高い pH では表面の電荷は負に帯電します70。純粋なバイオシリカは、pHpzc = 6.0 (SZCZCH193 N. wachnickianum)、および pHpzc = 5.3 (SZCZM1342 N. shiloi、SZCZP1809 N. cf. shiloi) の PZC 値を示しました。これは、珪藻土に関するいくつかの研究、残留物 (RDE) および残留物 (RDE) と一致します。純粋 (PDE) ブラジル産 (それぞれ pHpzc = 6.75 および pHpzc = 6.59)70、エルピノ鉱山産 (pHpzc = 5.0)71、東ヨルダン産 (pHpzc = 5.4)72、エジプト産 (pHpzc = 6.21)73。純粋な珪藻土バイオシリカの PZC 研究の結果は、表面に O-H 基が存在することを確認し、これらのヒドロキシル基が pH の変化によってプロトンを獲得したり失ったりする可能性があることを示唆しています。したがって、酸性媒体（pH < pHpzc）では、バイオシリカの Si-OH 基がプロトンを獲得して Si-OH2+ を生成し、塩基性媒体（pH > pHpzc）では、Si-OH 基がプロトンを失い、Si-O- を生成します。 74.

SZCZCH193 N. wachnickianum のすべての実験における水溶液からの MB 除去率は、N. shiloi の残りの 2 株よりも低かった。これらの違いは、SZCZCH193 N. wachnickianum の形態、細孔密度、比表面積、および細孔直径の違いによって説明できる可能性がある。 Nanofrustulum spp. ひずみ。それにも関わらず、珪藻土バイオシリカは他の生体吸着剤と比較して良好な除去効率を示しました。pH = 9.275 で 240 分のインキュベーション後の松葉では 80%、細菌では 53%21、真菌メシマコブでは最大 90%23、サトウキビのバガスでは最大 90%25 。 SZCZP1809 N の洗浄された小胞。 shiloi は、もみ殻から調製された活性炭に近い効率 (1.0 ml min-176 の流速で 98.43%) を実証しました。洗浄済み珪藻バイオシリカ (破片) よりも研究が進んでいる吸着剤である天然珪藻土は、同様の除去効率を示しました。pH = 1073 では 95.2%、pH = 1073 では 90.75%、100 mg L-1 MB 濃度では 90.75%、100 mg L-1 MB 濃度では 77、改質珪藻土では 96.5%、78 では 100% でした。 MB79のmg L−1。

Abdelrahman ら 80 は、SZCZCH193 N. wachnickianum で観察された除去と同様に、金属シリカ非晶質吸着剤の濃度が増加すると MB の除去が減少することに気づきました。しかしながら、SZCZM1342 N. shiloi および SZCZP1809 N. の双曲線は濃度とともに増加します。ソラマメ皮へのMB吸光度としてシロイが注目された81。

Nanofrustulum spp. の胞子はたとえ Nanofrustulum spp. の MB 吸着能力は、天然珪藻土や活性炭などのよく知られている吸着剤の効率に匹敵する、高い MB 除去率を示しました。フラステルは、珪藻土 32、藻類ゲリジウム sp.22 よりもほぼ 10 倍少なく、非晶質シリカ 82、褐藻バイオマス 83 よりわずかに少なく、一部のゼオライト 26 および黒色アスペルギルスの死滅バイオマス 84 とほぼ同じであることが報告されています (補足表 S2 を参照)。前処理された Pinnularia の錐体は、Nanofrustulum spp. の錐体よりも高い吸着能力 28 を示しました。これは、Pinnularia と Nanofrustulum の形態と比表面積、および洗浄方法によって説明できます。

吸着質溶液の pH は、水の吸着プロセスにおいて最も重要なパラメータの 1 つであると考えられています 74。 MB の pKa は 3.8 であると報告されているため、pH 3.8 未満では MB 分子の表面は帯電せず、pH 3.8 を超えると正に帯電します 85。したがって、バイオシリカの pHpzc より低い pH では、MB とフラステル間の主な相互作用は水素結合であり、珪藻土バイオシリカ表面のポジティブ部位とカチオン性色素間の反発力のため、吸着プロセスは遅くなります。バイオシリカの pHpzc よりも高い pH では、正に帯電した MB と負に帯電した小胞体が静電気的に相互作用し、吸着プロセスは酸性媒体よりも強くなります 73。私たちの研究では、pH の増加により、SZCZP1809 N の除去率が最大 99.08% 増加しました。シロイ。中国産の珪藻土79、エジプト80、東ヨルダン72、ブラジル71、パリゴルスカイト74の珪藻土でも同様の結果が報告されている。望ましい pH を達成するために、微量の 1 M HCl および 1 M NaOH 溶液が添加されましたが、無機塩の存在下では吸着剤表面に MB が容易にアクセスできなくなるため、イオン種 (Na+ および Cl-) としての吸着に悪影響を及ぼす可能性があります。。しかし、おそらく色素溶液中のそれらの濃度が低い (0.005 M 未満) ため、観察された色素の取り込みに対するこれらのイオン種の影響はありませんでした 86。

さらに、考えられる MB 収着機構をより深く理解するために、いくつかの速度論、拡散、および平衡モデルが適用されました。反応速度曲線は擬一次モデルによりよく適合していた（相関係数が高く、標準偏差値が低い）ため、バイオシリカ上の MB の吸着挙動は主に擬一次反応速度モデルに従っていたと結論付けることができます。吸着プロセスは物理吸着によって制御されており、これは MB とバイオシリカ間の分子相互作用がファンデルワールス力によって支配されていることを意味します 87。物質移動に対する主な抵抗が吸着剤粒子を取り囲む薄膜 (境界層) にあるのか、それとも粒子内部の拡散に対する抵抗にあるのかを判断するために、ボイドのモデルが適用されました。原点を通る直線は、MB の吸着速度が粒子内部の拡散によって支配されることを示しました 88。 Bangham の細孔拡散モデルの高い相関係数は、バイオシリカ内部の細孔への MB 分子の拡散が、吸着プロセスの物質移動における律速段階であることを示しました 89。 SZCZM1342 および SZCZP1809 の吸着等温線はわずかに LS 型として特徴付けられ、SZCZCH193 の等温線は L 型として特徴づけられました90。これは、研究された珪藻土バイオシリカが MB 色素に対して高い吸着親和性を示すことを示唆しています。 Nanofrustulum spp.の等温線は、高い相関係数と低い標準偏差値により、Sips 方程式に対する高い親和性を示しました。それに基づいて、バイオシリカへの MB の吸着機構は主に Sips モデルに従うと結論付けることができます。このモデルは、フロイントリヒとラングミュアの等温線を組み合わせ、バイオシリカ表面の均質および不均質な部位への単層 MB 形成を説明します90。

本研究では、廃水からの塩基性染料の環境に優しい新しい吸着剤、つまり海洋珪藻であるナノフラストゥルム由来の多孔質バイオシリカを導入しました。珪藻属は、バイオマス生産性が最も高い微細藻類の中で最も生産性が高いと考えられます。このバイオマスはさらに、抗酸化作用で知られるフコキサンチン、抗炎症特性を持つ多価不飽和脂肪酸、バイオディーゼル生産用の中性脂質などの生理活性分子の抽出に使用できるほか、未使用の珪藻土バイオシリカは精製して効率的に適用することができます。多孔質構造、負の表面電荷、および比較的高い比表面積により、廃水処理に使用されます。何人かの研究者が、水溶液から重金属を除去する珪藻土シリカの能力を報告しましたが、本論文では廃水からの塩基性染料の新規で効率的な吸着剤としてバイオシリカを初めて紹介しました。将来的には、より集中的な研究が、経済的に望ましく環境に優しい方法でのフコキサンチン、脂肪酸、バイオシリカの同時生産と、異なる種類を除去する吸着能力に特に焦点を当てて、これら 3 種のバイオリファイナリーの可能性の評価に焦点を当てる必要がある。無機塩の存在下では有機汚染物質が発生し、染料の取り込みが減少する可能性があります。

メチレンブルー (> 99%、分子量 319.89 Da) は、Aqua-Med® (ポーランド、ウッチ) から購入しました。チアミン塩酸塩 (99%、MW 337.27 Da)、ビオチン (> 99%、MW 244.31 Da)、ビタミン B12 (> 98%、MW 1355.37 Da) は、Sigma-Aldrich (セントルイス、ミズーリ州、米国) から供給されました。過酸化水素 (30%、MW 34.01 Da)、硝酸ナトリウム (> 99%、MW 84.99 Da)、リン酸二水素ナトリウム一水和物 (> 99%、MW 137.99 Da)、モリブデン酸ナトリウム二水和物 (> 99%、MW 241.95 Da)、塩化マンガン (II) 四水和物 (> 99%、MW 197.91 Da) および塩化コバルト (II) 六水和物 (> 99%、DW 237.93 Da) は Chempur® (Piekary Śląskie、ポーランド) から入手しました。硫酸亜鉛七水和物 (> 99%、MW 287.54 Da)、塩化鉄(III) 六水和物 (> 99%、MW 270.32 Da)、EDTA 二ナトリウム二水和物 (> 99%、MW 372.24 Da)、および硫酸銅 (II) 五水和物 ( > 99%、MW 249.68 Da) は Scharlab (スペイン、バルセロナ) から購入しました。メタケイ酸ナトリウム九水和物 (総固形分 44 ～ 47.5%、分子量 284.19 Da) は、Acros Organics、ThermoFisher Scientific (米国マサチューセッツ州ウォルサム) から供給されました。水酸化ナトリウム、塩酸、および標準緩衝液 (pH 2.0、7.0、および 10.0) は Sigma-Aldrich から購入しました。脱イオン水は、Milli-Q® 精製システム (Millipore Co.、米国マサチューセッツ州ベッドフォード) を使用して得られました。

Nanofrustulum 属に属する 3 つの珪藻株を次のように選択しました: SZCZCH193 N. wachnickianum Chunlian Li、A.Witkowski & MPAshworth; SZCZM1342 N. シロイ (JJLee、ライマー & マッケンナリー) ラウンド、ハルシュタインセン & パーシェ 42; およびSZCZP1809株は、P. Dąbekによって形態学的にNとして同定された。シロイ (南アフリカ、ケープタウンのシーポイントから採取) は、ポーランドのシュチェチン大学海洋環境科学研究所のシュチェチン珪藻培養コレクション (SZCZ) から入手しました。モノクローナル培養は、標準的な 35 パーセントギラード人工海水 f/2 培地 91 (880 μM L-1 NaNO3、36 μM L-1 NaH2PO4 H2O、106 μM L-1 Na2SiO3 9H2O、微量金属: 0.08 μM L-1 ZnSO4) で維持しました。 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、植物生育チャンバー（FITO1400i、Biogenet、ポーランド）内で、一定温度（20 °C）および照明（100 μmol s−1 m−2 白色光）、12:12 昼夜光サイクル下でビタミン B12、ビオチン、チアミン）を測定）。増殖速度は、3000 rpmの速度での遠心分離および50℃で3日間の加熱乾燥によって収集された乾燥バイオマス重量によって決定されました。各株の回帰曲線を作成し、次の式を使用して比増殖速度 (μ) を計算しました。 (1) 92:

ここで、Bt は任意の時点 (t) でのバイオマス濃度、B0 は初期バイオマス濃度です。珪藻株は、オリンパス CKX41 倒立顕微鏡 (オリンパス、東京、日本) で倍率 400 倍で観察されました。

栄養素富化（5、10、15、20 倍の濃度の NO3-、PO43-、SiO32-）、塩分（15、20、および 45%）、温度（15 および 30 °C）、照度の影響指数関数期後期におけるバイオマス蓄積に関する（10、50、および150μmol光子m-2 s-1）を各株について研究した。

対数期後期に珪藻を採取し、3000 rpm で 15 分間遠心分離し、ddH2O で徹底的に洗浄した後、ペレットを 110 °C で 2 日間 30% H2O2 溶液で精製しました。無色の洗浄されたシリカは 50 °C で 3 日間乾燥され、その後特性評価実験に使用されました。きれいな珪藻小胞体の形態は、Hitachi SU8000 (日立、東京、日本) を使用した走査型電子顕微鏡 (SEM) によって画像化されました。 SEM 研究では、40 μL のフラステルを Nuclepore™ 5.0 μm Track-Etch Membrane (Whatman™、Cytiva、ドイツ) 上で室温で乾燥させ、その後 M4 シリンダー SEM ホルダーに取り付け、厚さ 10 nm の金でスパッタリングしました。層。バイオシリカの元素分析では、一滴のフラステルを炭素被覆銅グリッド (Sigma-Aldrich、米国) 上に置き、EDS 検出器を備えた Hitachi STEM S5500 (日立、東京、日本) によって分析を実行しました。）。測定は 30.0 kV の加速エネルギーで実行され、NSS ThermoScientific ソフトウェアを使用して分析されました。

バイオマスと洗浄された小殻を超音波処理した後（ヒールシャー UP100H 超音波プロセッサー (Teltow、ドイツ) を 60% 振幅で 20 分間使用)、懸濁液を UV-Vis DR 6000 分光光度計 (HACH-Lange) に供し、光学測定を行いました。 ddH2O (ブランク) に対して 10 mm キュベットで 200 ～ 900 nm の波長範囲。吸光度が 2 を超える場合は、溶液を ddH2O で希釈し、表示されたグラフでは希釈係数を考慮しました。

乾燥バイオシリカの FTIR スペクトルは、Alpha FTIR 分光計 (Bruker Daltonics、ブレーメン、ドイツ) の減衰全反射 (ATR) モードを利用して、中赤外範囲 (4000 ～ 400 cm-1) で得られました。

低温窒素吸着/脱着等温線は、Quantachrome Autosorb iQ で 77.35 K で記録されました。

バイオシリカサンプルの熱重量分析 (TA/TGA) は、TA Instruments タイプ SDT 2960 (Artisan Technology、米国イリノイ州シャンペーン) を使用し、0 ～ 1100 °C の温度範囲、100 mL min-1 の空気流量、および 10 °C min で実行されました。 −1の加熱速度。

ゼータ電位測定は、Malvern Zetasizer NanoZS (Malvern) を使用し、DTS1070 キュベット (Malvern) を使用して実行されました。解析は電圧と実行回数の自動選択モードで実行されました。各測定を 3 回繰り返しました。ゼータ電位は 2.0 ～ 12.0 の pH 範囲で測定されました。 pHを維持するために、0.1M NaOHおよび0.1M HCl溶液を使用した。ガラス膜と Ag/AgCl 参照システム (Mettler Toledo) を組み合わせた電極を備えた FiveEasy Plus pH メーター (Mettler Toledo) を、懸濁液の pH 測定に適用しました。測定を行う前に、pH 4.0、7.0、10.0 の標準緩衝液を使用して pH メーターを校正しました。

X 線回折 (XRD) スペクトルは、Cu-Kα 放射線 (λ = 0.1541 nm、40 kV、30 mA) を使用して X'Pert Pro Analytical X 線回折計 (Phillips、ヴュルツブルク、ドイツ) を使用して記録されました。ガラススライド上の乾燥サンプル 1 mL を、5° ～ 120° の 2θ 範囲で 0.0167 のステップサイズでスキャンしました。

塩添加法を使用して、乾燥バイオシリカの PZC を求めました。 0.1 M NaCl のアリコート 20 ml を 6 つの三角フラスコに収集し、pH メーター (Voltcraft PH-100ATC) を使用して 1 M HCl および 1 M NaOH 溶液を加えることによって 2 ～ 10 の pH 範囲を設定しました。次に、各フラスコに乾燥バイオシリカ 20 mg を加え、オービタルシェーカー上、温度 23 °C で 100 rpm の速度で 24 時間振盪しました。平衡化後、内容物を濾過し、濾液のpH値を記録した。 PZC 値は、pH の変化に対する初期 pH のグラフをプロットすることによって決定されました。

洗浄した小胞体 (20 ± 0.5 mg DW) を、15 ml ファルコンチューブ内の 10.0 ml の 14.0 mg L-1 MB に曝露しました。混合物 (pH = 7) を 3000 rpm、23 °C で 3 時間機械的に撹拌しました。色素の除去は、UV-Vis DR 6000 (HACH-Lange) 分光光度計を使用して、500 ～ 800 nm の波長範囲で、次のさまざまな時点で記録されました: 5、15、30、45、60、75、90、105、120 、180分。

同様に、等温線研究は、さまざまな初期濃度（5、10、15、20、50、および100 mg L-1）のMBを含む15 mlファルコンチューブに20±0.5 mgの洗浄された小胞体を測定することによって実行されました。混合物を２３℃下、３０００ｒｐｍで１２０分間撹拌した。これは平衡に達するために必要である。初期 MB 溶液 (14.0 mg L-1) のさまざまな pH の影響を、120 分間の暴露後に pH = 3、7、および 11 について記録しました。溶液の初期ｐＨは、１ＭＨＣｌおよび１ＭＮａＯＨ溶液で調整した。 665 nm での吸光度値をさらなる計算に使用しました。

バイオシリカによる MB 吸着量は次のように計算されました。

ここで、qt は、所定の時間 (t) でバイオシリカに吸着された MB (mg g-1) です。 C0 と Ct は、それぞれ開始時と所定の時点での MB の濃度 (mg L-1) です。 V は溶液の体積 (L) です。 m はバイオシリカの投与量 (g) です。

MB 除去のパーセンテージ (%) は式 (1) によって計算されました。 (3):

ここで、C0 と Ct は、それぞれ開始時と所定の時間 (t) での MB の濃度 (mg L-1) です。

考えられる吸着のメカニズムと速度制御ステップを理解するために、いくつかの速度論、拡散、等温モデルが適用されました (補足表 S3 を参照)。

さらに、速度論モデルと等温線モデルの適用可能性は、正規化された標準偏差、Δq (%)、式 (1) によって検証されました。 (4)

ここで、N はデータ点の数、qexp と qcal (mg g−1) はそれぞれ実験値と計算された吸着容量値です。

バッチ培養実験は二重に実施した。図は平均値と標準誤差を示しています。異なるグループ間の差異の有意性は、Tukey の事後検定 (アルファレベル 0.05) を使用した一元配置分散分析を使用して分析されました。バッチ成長実験の数値、UV-Vis、FTIRスペクトル、バッチ吸着スペクトルは、MS Excelソフトウェアを使用してプロットされました。 EDS スペクトルは、NSS ThermoScientific ソフトウェアを使用して取得しました。ゼータ電位の結果には、スモルコウスキー近似が考慮されています。 TA/DTA の分析データは、TA Universal Analysis ソフトウェア (TA Instruments、ニューキャッスル、デラウェア州、米国) を使用して進められました。Ｘ線回折パターン分析は、ＸＲＤＭａｌｖｅｒｎＰａｎａｌｙｔｉｃａｌソフトウェア（バージョン１．５ａ、アルメロ、オランダ）から得た。吸着のモデリングは、OriginPro 2022 ソフトウェアで実行されました。

著者らは、この研究の結果を裏付けるデータが論文およびその補足資料内で入手可能であることを確認しています。この研究の資金提供を裏付ける生データは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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Kirchman, DL 生産および常備在庫に関するデータから微生物の増殖率を計算します。 3月エコル。プログレ。サー。 233、303–306 (2002)。

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この研究は、インテリジェント開発運用プログラム 2014 ～ 2020 (POIR.04.04.00-00-1792/18-00) 内の欧州地域開発基金のポーランド科学財団によって支援されました。著者らは、この研究作業中に多大なご協力をいただいたパトリック・グローブス博士に感謝したいと思います。

シュチェチン大学海洋環境科学研究所、ミツキェヴィツァ 16a、70-383、シュチェチン、ポーランド

アレクサンドラ・ゴルベワ、ピヤ・ロイチョードリー、プシェミスワフ・ドンベク、アンジェイ・ヴィトコウスキー

ニコラウス・コペルニクス大学化学部無機・錯体化学学科、Gagarina 7, 87-100, Toruń, Poland

ヤゴダ・パウチンスカ & ピョートル・ピシュチェク

現代学際技術センター、ニコラウス・コペルニクス大学、ヴィレンスカ 4、87-100、トルン、ポーランド

オレクサンドラ・プリシチェパ & パヴェル・ポマストウスキー

ワルシャワ工科大学材料科学工学部、Wołoska 141、02-507、ワルシャワ、ポーランド

ミハウ・グロック & レナータ・ドブルッカ

ポズナン経済経営大学品質科学研究所工業製品および包装品質学部、al. Niepodległości 10, 61-875, ポズナン, ポーランド

レナータ・ドブルッカ

アダム・ミツキェヴィチ大学化学部応用化学学科、Uniwersytet Poznańskiego 8, 61-614, Poznań, Poland

アグニエシュカ・フェリチャク・グジク & イザベラ・ノワク

ビアウィストック工科大学機械工学部、ul. Wiejska 45 c、15-351、ビャウィストク、ポーランド

クシシュトフ・J・クルジドウォフスキ

ニコラウス・コペルニクス大学化学部環境化学・生物分析学科、Gagarina 7, 87-100, Toruń, Poland

ボグスワフ・ブシェフスキー

教授 Jan Czochralski クヤヴィ・ポメラニアン研究開発センター、Krasińskiego 4、87-100、トルン、ポーランド

ボグスワフ・ブシェフスキー

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AGとPRは作品をコンセプト化し、デザインしました。 AG、PR、PD、PP、PP、MG、IN が方法論を開発しました。 AG は、成長およびバイオシリカの特性評価実験を実行し、速度論および等温線モデリングを作成し、データを解釈し、図と表を作成し、作業の草稿を作成しました。 AG と PR は MB 除去実験を実施しました。 AG と OP は ATR-FTIR 分析を実行しました。 AG と MG は SEM と EDS 調査を実施しました。 OP はゼータ電位測定を実行しました。 JP と PP は TGA/DTA と XRD 分析を実施し、結果を説明しました。 AFG は N2 の吸着/脱着実験を実施しました。 PR、PD、JP、OP、PP、PP、MG、RD、AFG、IN、KJK、BB、AW が作品をレビューし、編集しました。 AWが監修しています。 BBが資金を獲得した。著者全員がその原稿を承認した。

アレクサンドラ・ゴルベワ氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Golubeva, A.、Roychoudhury, P.、Dąbek, P. 他新規で有効な生物由来のメチレンブルー吸着剤：Nanofrustulum spp.の 3 つの海洋珪藻株からの多孔質バイオシリカ。 (桿菌門)。 Sci Rep 13、9168 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36408-6

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受信日: 2023 年 2 月 7 日

受理日: 2023 年 6 月 2 日

公開日: 2023 年 6 月 6 日

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

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