Optimization of diatom culture conditions for the growth of 3D structured biosilica applied in wastewater treatment and nanoparticle synthesis

Streszczenie

W ostatnich latach okrzemki przyciągają uwagę naukowców ze względu na ich zdolność do akumulacji trójglicerydów, wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, fukoksantyny i chryzolaminaryny oraz poprzez trójwymiarowe perforowane pancerzyki krzemionkowe, które mogą mieć różne zastosowania przemysłowe i farmaceutyczne. Obecność pancerzyka umożliwia okrzemkom skuteczną obronę komórki przed toksycznymi związkami występującymi w środowisku morskim. W rezultacie okrzemki stały się jedną z najlepiej przebadanych grup mikroglonów pod względem oceny toksykologicznej wody. Zanieczyszczenie wody pochodzące z procesów przemysłowych jest poważnym problemem, ponieważ związki chemiczne stosowane w przemyśle mogą mieć negatywny wpływ na ekosystemy, organizmy wodne i zdrowie ludzi. Niniejsza praca koncentruje się na wykorzystaniu porowatej biokrzemionki pochodzącej z okrzemek Nanofrustulum wachnickianum (SZCZCH193), N. shiloi (SZCZM1342), N. cf. shiloi (SZCZP1809), Halamphora cf. salinicola (SZCZM1454) i Pseudostaurosira trainorii (BA170), do usuwania z zanieczyszczonych wód barwników i fenoli.
Niniejsze badania dotyczą wzrostu wybranych szczepów w różnych warunkach hodowli oraz opracowania protokołu hodowli, który zapewni najwyższy uzysk biomasy. Porowaty charakter biokrzemionki scharakteryzowano w mikroskopie elektronowym oraz przy pomocy izoterm adsorpcji/desorpcji azotu w niskiej temperaturze. Przetestowano zdolność okrzemek do redukcji Fe3+, opracowując tym samym nową metodę ‘zielonej’ biosyntezy nanocząstek żelaza. Aby lepiej poznać strukturę biokrzemionki, przeprowadzono ocenę struktury molekularnej i krystalicznej, ładunku powierzchniowego, stabilności termicznej i czystości. Porównano zdolność adsorpcyjną badanej biokrzemionki barwników kationowych i anionowych z węglem aktywnym. Efektywność adsorpcji biokrzemionki okrzemkowej była wyższa dla barwników kationowych ze względu na tworzenie silnego wiązania elektrostatycznego, natomiast barwnik anionowy był odpychany przez ładunek ujemny na powierzchni pancerzyków. Aktywność fotokatalityczna biokrzemionki została zwiększona poprzez wzbogacenie jej powierzchni nanocząsteczkami tlenku żelaza. Niemodyfikowana biokrzemionka może być stosowana jako nowy, przyjazny dla środowiska adsorbent barwników kationowych i anionowych pochodzenia biologicznego, podczas gdy ‘zielona’ modyfikacja pancerzyków stwarza potencjał do fotokatalitycznej degradacji związków fenolowych. Poprzez wzbogacanie biokrzemionki okrzemkowej różnymi metalami w kontrolowany sposób, istnieje możliwość uzyskania innowacyjnych biomateriałów o nieznanych dotąd właściwościach.

Summary

In recent years diatoms have gained the attention of scientists for their ability to accumulate triglyceride (TAG), polyunsaturated fatty acids (PUFA), fucoxanthin, chrysolaminarin, and their three-dimensional perforated siliceous shells called frustulse, with various industrial and pharmaceutical applications. The frustules provide protection against toxins in the marine environment, making diatoms the most studied microalgae group for water toxicological assessment. Industrial water pollution poses a significant concern, as synthetic compounds can harm the ecosystems, aquatic organisms, and human health. This study investigates the potential of the diatom biosilica from strains Nanofrustulum wachnickianum (SZCZCH193), N. shiloi (SZCZM1342), N. cf. shiloi (SZCZP1809), Halamphora cf. salinicola (SZCZM1454), and Pseudostaurosira trainorii (BA170) for their dye and phenol removal potential.
The research investigates the growth of different diatom strains under various culturing conditions and develops a protocol yielding the highest biomass. The biosilica’s porous nature was evaluated through SEM and the low temperature nitrogen adsorption/desorption. The molecular and crystalline structure analysis, surface charge measurement, thermal stability assessment, and purity evaluation further enhance understanding of the biosilica's nature. Diatom Fe3+ reduction capacity has been examined, establishing a novel method for green biosynthesis of iron nanoparticles. The adsorption capacity of the biosilica was comparable to activated carbon, a commercial adsorbent, suggesting its potential as an eco-friendly adsorbent for wastewater treatment. The biosilica exhibited higher adsorption efficiency for the cationic dyes due to strong electrostatic bonds, while repelling the anionic dye with the frustules’ negative charge. The photocatalytic activity was significantly enhanced by the decoration of the surface with iron nanoparticles. Therefore, the intact biosilica can serve as a novel bio-originated adsorbent for dyes, while controlled modification of the frustule presents a potential for photocatalytic degradation of phenolic compounds. Controlled modification of the biosilica with metals enables the creation of innovative biomaterial with new properties.