Un roman bio efficace

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9168 (2023) Citer cet article

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Dans le présent article, pour la première fois, la capacité de la biosilice poreuse provient de trois souches de diatomées marines de 'Nanofrustulum spp.' à savoir. N. wachnickianum (SZCZCH193), N. shiloi (SZCZM1342), N. cf. shiloi (SZCZP1809), pour éliminer le MB des solutions aqueuses a été étudiée. La biomasse la plus élevée a été obtenue sous enrichissement en silicate pour N. wachnickianum et N. shiloi (0,98 g L−1 DW et 0,93 g L−1 DW respectivement), et sous 15 °C pour N. cf. shiloï (2,2 g L−1 DW). Les squelettes siliceux des souches ont été purifiés avec du peroxyde d'hydrogène et caractérisés par SEM, EDS, l'adsorption/désorption de N2, XRD, TGA et ATR-FTIR. La biosilice poreuse (20 mg DW) obtenue à partir des souches, à savoir SZCZCH193, SZCZM1342, SZCZP1809, a montré une efficacité de 77, 6%, 96, 8% et 98, 1% de l'élimination de 14 mg L-1 MB à pH 7 pendant 180 min, et la capacité d'adsorption maximale a été calculée comme 8, 39, 19, 02 et 15. 17 mg g−1, respectivement. De plus, il a été possible d'augmenter l'efficacité d'élimination du MB dans des conditions alcalines (pH = 11) jusqu'à 99,08 % pour SZCZP1809 après 120 min. La modélisation a révélé que l'adsorption de MB suit les modèles de pseudo-premier ordre, de diffusion des pores de Bangham et d'isotherme de Sips.

Les diatomées (Bacillariophyta), représentant un groupe majeur de micro-organismes photosynthétiques, sont des microalgues eucaryotes unicellulaires qui vivent dans des parois cellulaires composées de biosilice poreuse structurée en 3D (SiO2). Ils jouent un rôle essentiel dans les cycles globaux du carbone et du silicium dans l'océan et leur activité photosynthétique représente près d'un cinquième de la productivité primaire de la Terre1,2. Les diatomées attirent de plus en plus l'attention dans les sciences appliquées en raison de leur potentiel de production d'une variété de composés bioactifs et de produits chimiques fins pour des applications industrielles : la fucoxanthine est connue pour son effet antioxydant et peut être utilisée dans les produits pharmaceutiques et cosmétiques3 ; les acides gras insaturés ont été utilisés comme compléments alimentaires4 ; les triacylglycérols (TAG) fournissent une matière première carbonée pour la conversion en biocarburants5. L'architecture poreuse naturelle des frustules de diatomées a attiré l'attention dans le domaine de l'administration de médicaments6, de la biodétection7 et de la récupération des métaux8. Les diatomées ont un énorme potentiel biotechnologique pour les processus de bioraffinerie9, leur biomasse pourrait donc être utilisée dans la production de divers composés de manière rentable.

L'utilisation généralisée de divers polluants organiques, par exemple des médicaments10, des antibiotiques11, des phénols12 et des colorants13, dans l'industrie a entraîné le problème de la pollution de l'eau. Ils sont stockés en tant que déchets industriels, puis purgés dans les masses d'eau environnementales, transformant l'eau propre incolore en déchets colorés contaminés. Les colorants basiques solubles dans l'eau sont couramment utilisés dans la coloration du papier, du polyester, de la soie, du coton et de la laine14. Cette contamination est hautement toxique et pourrait affecter négativement les humains, provoquant des problèmes respiratoires, des lésions oculaires et une méthémoglobinémie15,16,17. Le bleu de méthylène (MB) est connu comme un colorant modèle utilisé pour évaluer la capacité d'élimination de différents matériaux et un indicateur de la nature mésoporeuse des adsorbants18.

Actuellement, de nombreuses études ont été menées pour trouver une méthode efficace d'élimination du colorant vert, de sorte que le colorant dans les eaux usées puisse être récupéré. L'une des méthodes de dégradation les plus prometteuses est l'adsorption, qui donne de meilleurs résultats, peut être utilisée pour différents types de colorants, ne nécessite pas d'équipements très sophistiqués, est insensible aux co-polluants toxiques dans les eaux usées et ne produit pas de substances toxiques19. Le charbon actif, l'adsorbant naturel le plus couramment appliqué, a été utilisé dans de nombreuses études et a montré une capacité d'adsorption élevée dans l'élimination du BM, bien que le coût élevé et le processus de régénération difficile aient entraîné une recherche supplémentaire pour trouver des adsorbants peu coûteux et très efficaces20. De nombreux adsorbants non conventionnels, notamment ceux à base de produits naturels, ont été proposés comme agents d'adsorption. Des capacités d'adsorption élevées ont été démontrées pour les bioadsorbants (biomasse morte et vivante de bactéries21, algues22, champignons23, végétaux24 et déchets agricoles25), les zéolithes26 et la diatomite27. À notre connaissance, seules quelques études ont été réalisées avec de la biosilice de diatomée pure extraite de Punnularia sp.28 et de Cyclotella sp.29, avec un accent particulier sur la silice de diatomée dopée par un métal30,31, la terre de diatomées27,32 et la silice mésoporeuse synthétisée chimiquement33,34. Bien que la silice synthétisée chimiquement démontre une efficacité d'adsorption élevée, certaines enquêtes ont suggéré que ce matériau peut présenter une cytotoxicité35,36, tandis que la biosilice d'origine diatomée signalée comme étant un matériau non cytotoxique37, pourrait donc être utilisée de manière non dommageable. Dans la présente étude, la biosilice poreuse de trois souches de diatomées marines différentes du genre Nanofrustulum Round, Hallsteinsen & Paasche cultivées dans la collection de cultures de diatomées de Szczecin (SZCZ), Université de Szczecin, Institut des sciences marines et environnementales, Pologne, a été pour la première fois caractérisée et identifiée comme un adsorbant MB très efficace et bon marché.

Trois souches de Nanofrustulum spp. ont montré des phases distinctes de décalage, exponentielle et stationnaire pendant la culture par lots (Fig. 1a, b). La phase de latence de la souche SZCZCh193 N. wachnickianum a été observée jusqu'au 5ème jour de culture, avec une croissance exponentielle pendant 7 jours du 5ème au 12ème jour, et une phase stationnaire à partir du 12ème jour de croissance. Le taux de croissance spécifique maximum de la phase exponentielle a été calculé à 0,115 j−1 (R2 = 0,95). La croissance de la souche SZCZM1342 N. shiloi a montré un décalage (jusqu'au 4e jour), des phases exponentielle (pendant 6 jours, du 4 au 10e jour) et stationnaire (à partir du 10e jour), et le taux de croissance spécifique maximum de la phase exponentielle a été calculé à 0,270 j−1 (R2 = 0,97) 6 jours après l'inoculation, SZCZP1809 N. cf. shiloi a montré une croissance exponentielle pendant 10 jours (jusqu'au 16e jour de culture), suivie d'une phase stationnaire de croissance. Le taux de croissance spécifique maximal pendant la phase exponentielle a été calculé à 0,513 j−1 (R2 = 0,99). Par conséquent, on peut dire que les rendements maximaux de biomasse pour SZCZCh193 N. wachnickianum (0,39 ± 0,039 g L−1 DW) et SZCZM1342 N. shiloi (0,47 ± 0,033 g L−1 DW) ont été obtenus le 18e jour, et pour SZCZP1809 N. cf. shiloi (0,63 ± 0,013 g L−1 DW) au 16ème jour de culture.

Culture discontinue de SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. cf. shiloi : (a) dynamique de croissance de la biomasse DW ; (b) flacons de culture.

Des expériences avec différentes salinités du milieu f / 2 de l'eau de mer artificielle de Guillard (tableau 1, figure supplémentaire S1a) ont montré que les faibles salinités (15 et 20 ‰) entraînaient une accumulation de biomasse plus faible que les fortes salinités (35 et 45 ‰). Le rendement de biomasse sèche le plus élevé a été observé avec 45 ‰ pour SZCZCH193 N. wachnickianum (n = 8, ANOVA à un facteur p = 0,0319 ; Turkey HSD p = 0,0251 entre 35 et 45 ‰) et les souches SZCZP1809 N. cf. shiloi, (n = 8, ANOVA à un facteur p = 0,002 ; Turquie HSD p = 0,0361 entre 35 et 45 %) et aucune augmentation significative du rendement de la biomasse pour SZCZM1342 N. shiloi (n = 8, ANOVA à un facteur p = 0,0003 ; Turquie HSD p = 0,6117 entre 35 et 45 %).

L'ensemble d'expériences suivant (tableau 1, figure supplémentaire S1b) a montré une tendance de Nanofrustulum spp. pour augmenter leur rendement en biomasse avec l'augmentation de la concentration en silicate dans le milieu f/2 de Guillard 20 fois (2,12 mM) pour les trois souches (SZCZCH193 : n = 10, ANOVA à un facteur p = 0,0018, Turkey HSD p = 0,0024, 0,0028, 0,608, 0,2001 (entre 2,12 et 0,11, 0,53 , 1,06, 1,59 respectivement) ; SZCZM1342 : n = 10, ANOVA unidirectionnelle p = 0,0008, Turquie HSD p = 0,001 (entre 2,12 mM et 0,11, 0,53 ou 1,06 mM) et p = 0,0731 (entre 2,12 et 1,59 mM) ; SZCZP1809 : n = 10, ANOVA unidirectionnelle p = 0,0015, Turquie HSD p = 0,0012, 0,0046, 0,0111, 0,1035 (entre 2,12 et 0,11, 0,53, 1,06, 1,59 respectivement)).

Des expériences avec différentes intensités d'éclairage (tableau 1, figure supplémentaire S1e) ont montré que l'intensité lumineuse élevée (150 µmol s-1 m-2) n'entraînait pas de rendements de biomasse différents pour SZCZCH193 N. wachnickianum et SZCZM1342 N. shiloi, et une augmentation de l'accumulation de biomasse pour SZCZP1809 N. cf. shiloï. (SZCZCH193 : n-8, ANOVA à un facteur p = 0,6473 ; SZCZM1342 : n = 8, ANOVA à un facteur p = 0,1237 ; SZCZP1809 : n = 8, ANOVA à un facteur p = 0,0155, Turquie HSD p = 0,0119 entre 10 et 150 µmol s−1 m−2 ).

L'impact de la température (tableau 1, figure supplémentaire S1f) sur l'accumulation de biomasse était différent pour chaque souche. Pour SZCZCH193 N. wachnickianum, la température élevée de culture (30 °C) a augmenté le rendement en biomasse (n = 6, ANOVA à un facteur p = 0,0259, Turquie HSD p = 0,032, 0,0357 entre 20 et 15, 30 °C respectivement) ; aucune différence dans l'accumulation de biomasse pour SZCZM1342 N. shiloi n'a été observée (n = 6, ANOVA unidirectionnelle p = 0,1296) ; et pour SZCZP1809 N. cf. shiloi la basse température de culture (15 °C) a augmenté le rendement en biomasse (n = 6, ANOVA à un facteur p = 0,0027, Turquie HSD p = 0,0074, 0,0025 entre 15 et 20, 30 °C respectivement).

La variation des concentrations de nitrate (tableau 1, figure supplémentaire S1c) et de phosphate (tableau 1, figure supplémentaire S1d) dans le milieu f/2 de Guillard n'a pas montré de différences de rendement en biomasse sèche pour SZCZCH193 N. wachnickianum (nitrate : n = 10, ANOVA unidirectionnelle p = 0,4732 ; phosphate : n = 10, ANOVA unidirectionnelle p = 0,2371), SZCZM1 342 N. shiloi (nitrate : n = 10, ANOVA à un facteur p = 0,1749 ; phosphate : n = 10, ANOVA à un facteur p = 0,1219) et SZCZP1809 N. cf. shiloi (nitrate : n = 10, ANOVA unidirectionnelle p = 0,0455, Turquie HSD p = 0,0355 entre 4,41 et 13,23 mM ; phosphate : n = 10, ANOVA unidirectionnelle p = 0,5765).

La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé les similitudes et les différences dans la morphologie des frustules des trois souches de Nanofrustulum (Fig. 2a – d, g, h). Les valves des frustules des trois souches sont ovales. La longueur des frustules varie légèrement de 2,6–2,9 µm (SZCZCH193 N. wachnickianum) et 3,1–3,3 µm (SZCZM1342 N. shiloi) à 3,9–4,2 µm (SZCZP1809 N. cf. shiloi), et la largeur varie de 2,9–3,1 µm (SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi) à 3,6–4,0 µm (SZCZP1809 N. cf. shiloi). Le sternum est largement lancéolé pour SZCZCH193 N. wachnickianum et étroit-linéaire pour les deux autres souches. Les pores sur une face de valve, appelés aréoles, sont légèrement allongés vers le manteau de valve, la longueur et la largeur ont été mesurées à 120–615 nm et 120–330 nm (SZCZCH193 N. wachnickianum) ; 150–450 nm et 120–400 nm (SZCZM1342 N. shiloi); 80–510 nm et 100–330 nm (SZCZP1809 N. cf. shiloi). Il n'y a qu'une seule rangée d'aréoles sur la face valvulaire de SZCZCH193 N. wachnickianum (Fig. 2a,b), puis il y a deux rangées sur la face valvulaire de SZCZM1342 N. shiloi (Fig. 2c,d) et jusqu'à quatre rangées sur la valve de SZCZP1809 N. cf. shiloï (Fig. 2g,h).

Images MEB montrant la morphologie de surface de (a, b) SZCZCH193 N. wachnickianum, (c, d) SZCZM1342 N. shiloi, (g, h) SZCZP1809 N. cf. shiloi, et les spectres EDS ont confirmé la présence de Si et d'O à la surface de (e) SZCZCH193 N. wachnickianum, (f) SZCZM1342 N. shiloi, (i) SZCZP1809 N. cf. shiloi (barre d'échelle - 1 µm, les cercles rouges indiquent la présence de Si).

Les spectres de rayons X à dispersion d'énergie (Fig. 2e, f, i) des trois souches ont montré des pics distincts pour le silicium (Si), l'oxygène (O), le carbone (C) et le cuivre (Cu), ce qui est un effet des grilles de cuivre utilisées dans l'imagerie STEM. Le pourcentage atomique d'éléments majeurs a été enregistré comme 30,55, 24,03 et 23,00 % de silicium, 51,77, 54,69 et 54,67 % d'oxygène et 9,44, 10,51 et 12,38 % de carbone pour SZCZCH193 N. wachickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1 809 N. cf. shiloi et respectivement.

La surface spécifique, le volume des pores et le diamètre des pores (tableau supplémentaire S1) de Nanofrustulum spp. souches frustules ont été estimées à partir des isothermes d'adsorption/désorption de N2 à basse température, présentées aux Fig. ZCZM1342 N. shiloi, et 35,23 m2 g-1, 0,174 cm3 g-1, 1,97 nm respectivement pour SZCZP1809 N. cf. shiloï.

Les isothermes d'adsorption/désorption de N2 pour (a) SZCZCH193 N. wachnickianum, (b) SZCZM1342 N. shiloi, (c) SZCZP1809 N. cf. shiloï; et la spectroscopie UV-vis de la biomasse (ligne colorée) et de la biosilice (ligne grise) pour (d) SZCZCH193 N. wachnickianum, (e) SZCZM1342 N. shiloi, (f) SZCZP1809 N. cf. shiloï.

La spectroscopie UV-vis de la biomasse soniquée a montré un pic distinct à 230 nm et de petits pics à 270, 430, 495 et 676 nm (Fig. 3d – f, ligne verte). La biosilice pure et soniquée n'a montré qu'un seul pic distinct à 230 nm (Fig. 3d – f, ligne grise).

Le graphique de la biosilice Tauc (Fig. 4a) a montré une forte augmentation linéaire de l'absorption de la lumière avec l'augmentation de l'énergie. Le point d'intersection de l'axe des abscisses de l'ajustement linéaire du tracé Tauc donne une estimation de l'énergie de la bande interdite de 4,40 eV pour SZCZCH193 N. wachnickianum, 4,05 eV pour SZCZM1342 N. shiloi et 4,10 eV pour SZCZP1809 N. cf. shiloï.

Caractérisation de la biosilice diatomée pure avec (a) le graphique de Tauc - a présenté les bandes interdites de biosilice ; (b) XRD - a montré une structure amorphe de biosilice ainsi que la présence de quartz ou de sels inorganiques; ( c ) Les spectres FTIR ont révélé la présence de groupes fonctionnels entourant les surfaces de biosilice de SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. cf. shiloi (s-étirement, b-flexion ; les spectres sont décalés pour faciliter la comparaison).

Sur la Fig. 4b XRD, les résultats de l'analyse par diffraction des rayons X sont présentés. Sur le diagramme XRD de tous les échantillons, le large pic à 2θ ≈ 15°–32°. Cependant, pour l'échantillon SZCZCH193 N. wachnickianum, des signaux intenses à 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° ont été distingués , tandis que la présence de signaux de faible intensité à 2θ ≈ 26,4°, 36,4°, 46,2°, 48,7°, 60,7° a été remarquée pour l'échantillon SZCZP1809 N. cf. shiloï.

Les spectres ATR-FTIR ont révélé des pics distincts (Fig. 4c) indiquant la présence de groupes fonctionnels O – H, C – H, C = O, N – H et Si – O à la surface des frustules : 3 660 cm -1 ; 2981, 2922 et 2851 cm-1 ; 1748 cm-1 ; 1630, 1540, 1450 et 1395 cm-1 ; et 1150, 1050, 805 et 442 cm-1, respectivement.

Le PZC a été calculé comme l'intersection entre le pH initial et le changement de valeur de pH après 24 h d'incubation et a été estimé comme pHpzc = 6,0 pour SZCZCH193 N. wachnickianum et pHpzc = 5,3 pour SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi (voir la figure supplémentaire S2a).

Les faibles valeurs de potentiel zêta comprises entre 2,0 et 4,0 pH pour chaque échantillon sont visibles sur le graphique (voir la figure supplémentaire S2b). Dans la plage de pH de 4,0 à 12,0, une augmentation du potentiel zêta est observée (potentiel zêta > –25 mV).

La figure 5a à c présente les résultats de l'analyse TGA pour les trois échantillons de biosilice. Le tracé de la perte de masse en fonction de la température ne nous a pas permis d'obtenir des informations plus spécifiques sur l'étape individuelle du processus. Ainsi, l'analyse thermique différentielle (DTA) a été réalisée qui a montré trois étapes principales du processus (Fig. 5a – c). L'échantillon de biosilice SZCZCH193 N. wachnickianum (Fig. 5a) a montré trois pics distincts sur le tracé d'analyse DTA avec des maxima à 59, 5, 314, 9 et 697 ° C. La première étape se termine à 121,2 °C et une perte de masse de 3 %, la deuxième à 571,5 °C avec une perte de masse de 34,6 % et la troisième à 727,72 °C avec une perte de masse de 54,17 %. De même, le graphique SZCZM1342 N. shiloi (Fig. 5b) a révélé trois étapes dans le processus, la première se terminant à 115 ° C (perte de masse d'environ 3%), la seconde à 340, 32 ° C avec une perte de masse de 39, 8% et la troisième à 503 ° C avec une perte de masse de 73, 32%. L'analyse DTA a révélé des pics à 77,62, 296,74, 380,27 et 603,03 °C. Pour l'échantillon SZCZP1809 N. cf. shiloi, le tracé le plus complexe de l'analyse DTA a été observé (Fig. 5c) avec des pics à 97,78, 339,70, 469,54, 513,93 et ​​662,64 °C. La première étape se termine à 175,46 °C avec une perte de masse de 7,28 %, la deuxième à 490,6 °C avec une perte de masse de 46,89 % et la troisième à 687,05 °C avec une perte de masse de 56,92 %.

Stabilité thermique et transformation de la biosilice diatomée pure (a) SZCZCH193 N. wachnickianum, (b) SZCZM1342 N. shiloi, (c) SZCZP1809 N. cf. shiloï.

La biosilice diatomée poreuse pure des trois souches a montré une réponse positive dans la décoloration du MB en solution aqueuse. La spectroscopie a montré une forte diminution du pic MB avec le temps d'exposition (Figure S3a-c), ce qui a confirmé l'élimination du colorant. L'adsorption de MB sur la biosilice de la souche SZCZCH193 N. wachnickianum a progressé lentement avec une forte augmentation après 90 min d'exposition jusqu'à ce qu'elle atteigne l'équilibre après 120 min. Pour les frustules de SZCZCH193 N. wachnickianum, le pourcentage d'élimination de MB après 180 min était de 77,6 %. L'adsorption de MB sur les frustules de SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi a progressivement augmenté avec le temps jusqu'à ce que les systèmes atteignent l'équilibre après 120 min d'exposition. Le pourcentage d'élimination de MB après 180 min a été calculé comme 96,8 % pour SZCZM1342 N. shiloi et 98,1 % pour SZCZP1809 N. cf. shiloï (Fig. 6a).

Effet du (a) temps ; (b) différents pH et (c) différentes concentrations initiales de MB sur l'efficacité de l'adsorption de MB sur la biosilice pure de SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. cf. shiloi, (concentration initiale de MB—(a, b) 14,31 mg L−1; (c) 5–100 mg L−1; dose d'adsorbant—21,40 ± 5,0 mg; pH—(a–c) 7, (b) 3, 7, 10; température—20 °C; temps—(a) 5–180 min; (b, c) 120 min).

De plus, l'effet de différents pH des solutions MB a été étudié avec l'exposition de la biosilice à des solutions aqueuses acides (pH = 3), neutres (pH = 7) et alcalines (pH = 11) de MB, comme illustré à la Fig. 6b. Dans les solutions acides, l'élimination de MB était plus faible que dans des conditions neutres et alcalines : 71,33 % pour SZCZCH193 N. wachnickianum, 91,90 % pour SZCZM1342 N. shiloi et 97,23 % pour SZCZP1809 N. cf. shiloï. Une augmentation du pH a entraîné des efficacités d'élimination plus élevées : jusqu'à 77,27 % pour SZCZCH193 N. wachnickianum, jusqu'à 96,03 % pour SZCZM1342 N. shiloi et jusqu'à 99,08 % pour SZCZP1809 N. cf. shiloï.

L'influence de différentes concentrations de MB dans la solution initiale a également été examinée. La figure 6c montre que, pour SZCZCH193 N. wachnickianum, une augmentation de la concentration de MB a entraîné une diminution significative de l'efficacité d'élimination, passant de 79,48 % à 5 mg L-1 à 10,69 % à 100 mg L-1. Les frustules de SZCZM1342 N. shiloi, exposés à une solution de 100 mg L−1 de MB, ont montré une augmentation hyperbolique avec des concentrations presque de la même efficacité (89,82 %) qu'à des concentrations plus faibles - 88,35 % à 5 mg L−1, 81,92 % à 10 mg L−1, 86,26 % à 15 mg L−1, 87,13 % à 20 mg L−1, 90,69 % à 50 mg L−1 et 89,82 % d'élimination à 100 mg L−1. La souche la plus efficace dans l'élimination de MB, SZCZP1809 N. wachnickianum, a montré une tendance similaire : 85,82 % d'élimination à 5 mg L−1, 90,78 % à 10 mg L−1, 93,77 % à 15 mg L−1, 95,59 % à 20 mg L−1, 95,95 % à 50 mg L−1 et 91,15 % à 100 mg L-1.

Un modèle de pseudo-premier ordre (Figure supplémentaire S4a) a montré des coefficients de corrélation plus élevés pour SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi que les modèles cinétiques d'Elovich (Figure supplémentaire S4b) et de pseudo-deuxième ordre (Figure supplémentaire S4c) et la valeur de l'écart type normalisé pour le pseudo-premier ordre était la plus faible. Pour SZCZCH193 N. wachnickianum, les coefficients de corrélation pour les modèles pseudo-seconde et Elovich étaient plus élevés que pour le modèle pseudo-premier ordre, mais pas proches de l'unité et avec de très petites valeurs constantes. La valeur de l'écart type était supérieure à 50 % pour les trois modèles (tableau 2).

Pour les trois souches testées, le graphique linéaire de Boyd était une ligne droite passant par l'origine (voir la figure supplémentaire S4e), et le test a montré des coefficients de corrélation élevés (R2 = 0,962, 0,966 et 0,995 pour SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi respectivement) et de faibles valeurs d'écart type pour SZCZM1342 N. shiloi (14,5 %) et SZCZP1809 N. cf. shiloi (35,2 %), mais supérieur à 50 % pour SZCZCH193 N. wachnickianum.

Pour comprendre l'étape de contrôle de la vitesse de l'adsorption, des modèles de diffusion intra-particules de Weber-Morris et de diffusion des pores de Bangham ont été utilisés (Figure supplémentaire S4d, f). Le coefficient le plus élevé et le plus proche de l'unité pour SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi ont été calculés pour le modèle de diffusion des pores de Bangham. Les valeurs d'écart type pour le modèle de diffusion des pores de Bangham pour les trois souches étaient inférieures à 20 % (tableau 2).

Selon les constantes et les coefficients de corrélation des modèles d'isothermes, le modèle Sips Isotherm est le plus adapté pour SZCZCH193 N. wachnickianum, SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi (Tableau 2, Figure supplémentaire S5a–c).

Plusieurs études ont rapporté des taux de croissance spécifiques et des productivités de la biomasse pour les souches de Nanofrustulum shiloi à 0,099 j−138, 0,305 j−139, 0,457 j−140, ce qui correspond à 12,8 mg L−1 j−138, 31,29 mg L−1 j−140, respectivement. Dans la présente étude, le taux de croissance spécifique et la productivité de la biomasse de SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi ont été observés à 0,270 j−1, 0,513 j−1, ce qui correspond à 26,12 mg L−1 j−1, 39,37 mg L−1 j−1, respectivement. Ainsi, SZCZP1809 pourrait être considérée comme la souche la plus productive de N. shiloi. A notre connaissance, aucun travail n'a été effectué sur l'étude de la croissance de Nanofrustulum wachnickianum. Une augmentation significative du rendement de la biomasse à des températures plus basses pour SZCZP1809 N. cf. shiloi et une température plus élevée pour SZCZCH193 N. wachnickianum pourraient s'expliquer par l'origine des souches : SZCZP1809 a été collecté dans l'océan Atlantique, Sea Point, Cape Town, Afrique du Sud, où la température moyenne de l'eau de mer est de 17 °C, et SZCZCH193 N. wachnickianum, dans le golfe du Mexique, Marquises Keys, Floride, États-Unis (une température moyenne de l'eau de mer de 28 °C). La silice est un nutriment limitant majeur pour la croissance des diatomées en raison de leur besoin de construire des frustules à base de silicium. Les souches de Nanofrustulum spp. ont montré que le rendement de la biomasse peut être considérablement amélioré avec une source de silicium accrue jusqu'à près de 1 g L−1 DW, ce qui est corrélé avec des études précédentes41.

Des images de microscopie électronique à balayage ont révélé que les faces valvulaires des souches SZCZP1809 N. cf. shiloi et SZCZM1342 N. shiloi contiennent plus d'une rangée d'aréoles alors que les valves de SZCZCH193 N. wachnickianum ne contiennent qu'une seule rangée. Les différences d'aréolation de la face valvulaire font des frustules de SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi plus poreux que ceux de SZCZCH193 N. wachnickianum. Li et al.42 ont décrit une nouvelle espèce de N. wachnickianum et ont observé que cette espèce pouvait être différenciée de N. shiloi par le nombre d'aréoles sur la face valvulaire. Dans le cas de l'élimination de MB, la taille et le nombre de pores sont cruciaux. Ainsi, SZCZCH193 N. wachnickianum a moins de potentiel en tant qu'agent adsorbant de MB en raison d'un nombre inférieur d'aréoles, contrairement à SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloï. Les aréoles (largeur de 80 nm et plus) de Nanofrustulum spp. les souches pourraient être considérées comme des macropores43. Cependant, l'adsorption/désorption de N2 a révélé la présence de micro et mésopores, avec un diamètre moyen de 4,217 nm (SZCZCH193 N. wachnickianum), 2,073 nm (SZCZM1342 N. shiloi) et 1,971 nm (SZCZP1809 N. cf. shiloi). Des études antérieures ont rapporté des valeurs similaires du diamètre moyen des pores des frustules de diatomées : 3,93 nm pour Pseudostraurosira trainorii44, 3–10 nm pour Thalassiosira punctigera et 3,6–3,7 nm pour T. weissflogii45, et 4,61 nm pour Navicula australoshetlandica46. De plus, la nature poreuse du matériau pourrait être décrite par la forme de l'isotherme d'adsorption/désorption de N2. Selon la classification IUPAC, les isothermes de Nanofrustulum spp. la biosilice suit le type I (nature microporeuse) et le type II (matériau macroporeux), avec une combinaison de boucles d'hystérésis de type H3 et H4, où le type H3 montre la présence du réseau de macropores et le type H4 indique l'existence de micropores en forme de fente dans l'échantillon43.

Surface spécifique de différentes souches de NanofrusItulum spp. diffère légèrement. Des rapports antérieurs ont montré que différents frustules de diatomées ont des valeurs SBET différentes : de 2 m2 g−1 pour Skeletonema sp.47 et 30 m2 g−1 pour P. trainorii44, à 401,45 m2 g−1 pour N. australoshetlandica46. Cependant, il est important de noter que la méthode de nettoyage pourrait influencer énormément la surface : Gholami et al.29 ont démontré la possibilité d'augmenter la SBET pour Cyclotella sp. frustules de 14,71 m2 g−1 à 132,67 m2 g−1 avec changement de méthode de nettoyage de traditionnel à Sono-Fenton.

L'apparition de pics à 430, 495 et 676 nm dans les spectres UV-vis de la biomasse soniquée, selon les interprétations de plusieurs rapports48,49, a confirmé la présence de chlorophylle et de caroténoïdes. Un pic à 270 nm pourrait indiquer la présence de polysaccharides comme rapporté par Trabelsi et al.50. Les frustules purifiées et soniquées n'ont montré qu'un seul pic à 230 nm, révélant la présence de silice dans les échantillons51,52.

La première étape de l'analyse thermique est liée à la désorption de l'eau, la deuxième étape pourrait être liée à la dégradation oxydative des composés organiques (c'est-à-dire les lipides), tandis que la troisième étape a révélé la dégradation de la matière inorganique (c'est-à-dire les sels de magnésium et de sodium)53,54,55. La perte de masse la plus élevée (près de 75 %) de l'échantillon lors de l'analyse thermique (TGA/DTA) a été observée pour l'échantillon de SZCZM1342 N. shiloi. En comparaison pour les échantillons SZCZCH193 N. wachnickianum et SZCZP1809 N. cf. shiloi la perte de masse globale était de 45,8% et 43,8%. Cela pourrait s'expliquer par la présence d'une grande quantité de matière organique dans l'échantillon SZCM1342 N. shiloi, étant donné que cet échantillon avait une couleur légèrement brune par rapport aux autres échantillons (voir la figure supplémentaire S6).

L'étude EDS a confirmé la présence de silice et d'oxygène dans les frustules. Le rapport atomique de O: Si a été calculé comme 1,69: 1, 2,39: 1 et 2,27: 1 pour SZCZCH193, SZCZM1342 et SZCZP1809, respectivement, ce qui a confirmé que les frustules de diatomées sont fabriquées à partir de silice principalement sous la forme de SiO2 nH2O - très similaire à l'opale56. Le pic distinct de carbone (C) pourrait s'expliquer par la présence des composés organiques restants entourant les frustules et la matrice de chitine dans la silice diatomée57. La présence de cuivre (Cu) est le résultat de l'utilisation de grilles TEM en cuivre.

L'analyse par diffraction des rayons X pour toutes les souches a montré le large pic indiquant la présence de silice amorphe. Ainsi, on peut conclure que les échantillons étudiés étaient principalement constitués de silice amorphe. Pour SZCZCH193, les signaux intenses de N. wachnickianum proviennent très probablement du quartz et de la cristobalite58. Alternativement, ces signaux pourraient indiquer les inclusions de sels inorganiques de magnésium53. Pour SZCZP1809 N. cf. shiloi les signaux de faible intensité peuvent provenir des inclusions d'alpha-quartz.

Les bandes interdites d'énergie du graphique Tauc calculées (4,40 eV pour SZCZCH193 N. wachnickianum, 4,05 eV pour SZCZM1342 N. shiloi et 4,10 eV pour SZCZP1809 N. cf. shiloi) ont montré que la biosilice poreuse pure a les propriétés d'être un semi-conducteur ultra large59. L'analyse de la silice amorphe60 a révélé une bande interdite de 3,35 eV. Une étude précédente a confirmé que la silice amorphe et cristalline a une bande interdite plus faible qu'une silice poreuse61 et la différence de valeurs pour les déformations pourrait s'expliquer par leurs différences de tailles de pores.

Afin d'identifier les groupes fonctionnels potentiels à la surface des frustules, une analyse ATR-FTIR a été réalisée. Selon plusieurs rapports12,62, l'apparition de bandes fortes à 1150, 1050, 805 et 442 cm−1 présentait respectivement un étirement asymétrique, un étirement symétrique et des vibrations de flexion des groupes Si–O–Si. Il existe de fortes bandes reconnues par plusieurs études12,62,63 comme C–H s'étirant à 2981, 2922 (CH3), 2851 (CH2) et 854 cm−1 (Si–(CH3)2), et C=O s'étirant à 1748 cm−1. Quatre pics forts à 1630, 1540, 1450 et 1395 cm−1 ont montré les vibrations de flexion des groupes amino, correspondant à une étude précédente64. Selon Otzen65, ces pics indiquent la présence de composés organiques entourant la biosilice. La bande à 3660 cm−1 est liée à une vibration d'étirement de O–H de SiOH62, de plus, la large bande de 3500 à 3000 cm−1 est liée à l'eau moléculaire66.

La charge de surface des particules détermine la capacité des particules à s'agréger. La valeur du potentiel zêta dépend des propriétés des particules données ainsi que du pH et de la force ionique de la solution. Les particules avec un potentiel zêta proche de zéro vont s'agréger. À leur tour, les systèmes stables et non agrégés sont caractérisés par des valeurs de potentiel zêta absolues supérieures à +/- 25 − + /− 30 mV67,68. Les résultats des mesures du potentiel zêta pour des échantillons de biosilice pure indiquent qu'à un pH supérieur à 4, l'agrégation ne se produit pas et les suspensions sont stables. Les résultats respectifs peuvent être confirmés par les photos prises de solutions de diatomées à différents pH (2,0, 3,0, > 4,0) (voir Figure supplémentaire S7a-c). Au pH le plus bas, une agrégation significative et une précipitation de l'échantillon peuvent être observées. À un pH d'environ 3,0, l'agrégation est toujours visible mais dans une moindre mesure. A un pH supérieur à 4,0, aucune agrégation visible ne se produit, la suspension est stable. Il convient de mentionner que les résultats obtenus diffèrent des résultats obtenus pour la silice pure préparée par synthèse décrite par Xu et al.69. La forme différente du tracé du potentiel zêta des échantillons examinés par rapport à celui de Peng Zu peut s'expliquer par la présence de groupes carboxyle (COOH) et amine (NH2) à la surface de la biosilice. La présence de groupes fonctionnels respectifs a été confirmée par analyse FTIR. De plus, l'analyse TA/DTA a également révélé la présence d'une grande quantité de matière organique à la surface de la biosilice. La différence est également notable entre les échantillons de biosilice, par exemple, pour SZCM1342 N. shiloi, la charge positive de la surface a été observée. La différence respective est plus probablement due à une plus grande quantité de matière organique à la surface de l'échantillon de SZCZM1342 N. shiloi (c'est-à-dire des protéines).

La charge du point zéro (PZC) nous permet de trouver le pH auquel la charge à la surface est neutre, donc à pH inférieur à pHpzc la surface est chargée positivement, et à pH supérieur à pHpzc la charge de la surface est négative70. La biosilice pure a montré une valeur PZC de pHpzc = 6,0 (SZCZCH193 N. wachnickianum), et pHpzc = 5,3 (SZCZM1342 N. shiloi, SZCZP1809 N. cf. shiloi), ce qui correspond à plusieurs études de terre de diatomées : la résiduelle (RDE) et pure (PDE) du Brésil (pHpzc = 6,75 et pH pzc = 6,59 respectivement)70, de la mine El Pino (pHpzc = 5,0)71, de l'est de la Jordanie (pHpzc = 5,4)72, d'Égypte (pHpzc = 6,21)73. Les résultats de l'étude PZC de la biosilice diatomée pure confirment la présence de groupes O – H à la surface et suggèrent que ces groupes hydroxyle peuvent gagner ou perdre un proton en modifiant le pH. Par conséquent, dans les milieux acides (pH < pHpzc), le groupe Si–OH de la biosilice gagne un proton et produit Si–OH2+, et dans les milieux basiques (pH > pHpzc), le groupe Si–OH perd un proton et produit Si–O−74.

Le pourcentage d'élimination de MB de la solution aqueuse dans toutes les expériences pour SZCZCH193 N. wachnickianum était inférieur à celui des deux souches restantes de N. shiloi, ces différences pourraient s'expliquer par des différences de morphologie, de densité de pores, de surface spécifique et de diamètre de pore entre les Nanofrustulum spp. souches. Néanmoins, la biosilice de diatomée a montré une bonne efficacité d'élimination par rapport aux autres bioadsorbants : 80 % pour les aiguilles de pin après 240 min d'incubation et à pH = 9,275, 53 % pour les bactéries21, jusqu'à 90 % pour les champignons Phellinus adamantinus23, jusqu'à 90 % pour la bagasse de canne à sucre25. Frustules nettoyées de SZCZP1809 N. cf. shiloi a démontré une efficacité proche du charbon actif préparé à partir de balle de riz - 98,43% à un débit de 1,0 ml min-176. La diatomite naturelle, un adsorbant plus exploré que la biosilice de diatomée nettoyée (frustules), a montré une efficacité d'élimination similaire : 95,2 % à pH = 1073, 90,75 % et 100 mg L−1 de MB77, 96,5 % pour la diatomite modifiée78 et 100 % à 50 mg L−1 de MB79.

Abdelrahman et al.80 ont remarqué une diminution de l'élimination du MB sous des concentrations accrues pour les adsorbants amorphes métal-silice, similaire à l'élimination observée pour SZCZCH193 N. wachnickianum. Cependant, l'augmentation hyperbolique avec la concentration pour SZCZM1342 N. shiloi et SZCZP1809 N. cf. shiloi a été remarqué en ce qui concerne l'absorbance MB sur la peau de fève81.

Même si les frustules de Nanofrustulum spp. ont montré un pourcentage élevé d'élimination de MB, comparable à l'efficacité d'adsorbants bien connus tels que la diatomite naturelle et le charbon actif, la capacité d'adsorption de MB de Nanofrustulum spp. les frustules ont été rapportés presque 10 fois moins que la diatomite32, les algues Gellidium sp.22, un peu moins que la silice amorphe82, la biomasse des algues brunes83 et presque la même que certaines zéolites26 et la biomasse morte d'Aspergillus niger84 (voir tableau supplémentaire S2). Les frustules de Pinnularia prétraités ont montré une capacité d'adsorption supérieure28 à celle des frustules de Nanofrustulum spp., ce qui pourrait s'expliquer par la morphologie et la surface spécifique de Pinnularia et Nanofrustulum, ainsi que par la méthode de nettoyage.

Le pH de la solution d'adsorbat est considéré comme l'un des paramètres les plus importants dans les procédés d'adsorption d'eau74. Le pKa du MB serait de 3,8, donc à un pH inférieur à 3,8, la surface de la molécule de MB n'est pas chargée, et à un pH supérieur à 3,8, elle est chargée positivement85. Par conséquent, à un pH inférieur à pHpzc de la biosilice, la principale interaction entre MB et les frustules sont des liaisons hydrogène et le processus d'adsorption est plus lent en raison des forces répulsives entre les sites positifs sur la surface de la biosilice diatomée et le colorant cationique. À un pH supérieur à pHpzc de la biosilice, les MB chargés positivement et les frustules chargés négativement interagissent électrostatiquement, et le processus d'adsorption est plus fort que dans les milieux acides73. Dans notre étude, une augmentation du pH a entraîné une élimination accrue jusqu'à 99,08 % pour SZCZP1809 N. cf. shiloï. Des résultats similaires ont été rapportés pour la diatomite de Chine79, la terre de diatomées d'Égypte80, de la Jordanie orientale72 et du Brésil71, la palygorskite74. Pour atteindre le pH souhaité, des traces de solutions de HCl 1 M et de NaOH 1 M ont été ajoutées et pourraient affecter négativement l'adsorption en tant qu'espèce ionique (Na + et Cl-), car en présence de sels inorganiques, la surface de l'adsorbant devient difficilement accessible pour MB. Cependant, il n'y a eu aucune influence de ces espèces ioniques sur l'absorption de colorant observée, probablement en raison de leurs faibles concentrations (moins de 0,005 M) dans la solution de colorant86.

De plus, plusieurs modèles cinétiques, de diffusion et d'équilibre ont été appliqués pour une meilleure compréhension du mécanisme de sorption possible du MB. La courbe cinétique correspondait mieux au modèle de pseudo-premier ordre (avec un coefficient de corrélation plus élevé et une valeur d'écart-type plus faible), nous pouvons donc conclure que le comportement d'adsorption de MB sur la biosilice suivait principalement le modèle cinétique de pseudo-premier ordre : la vitesse globale du processus d'adsorption était contrôlée par la physisorption, ce qui signifie que l'interaction moléculaire entre MB et la biosilice est régie par les froces de van der Waals87. Afin de déterminer si la résistance principale au transfert de masse était dans le film mince (couche limite) entourant la particule d'adsorbant, ou dans la résistance à la diffusion à l'intérieur des particules, le modèle de Boyd a été appliqué. La droite passant par l'origine indique que le taux d'adsorption de MB est gouverné par la diffusion à l'intérieur des particules88. Les coefficients de corrélation élevés pour le modèle de diffusion des pores de Bangham ont indiqué que la diffusion des molécules MB sur les pores à l'intérieur de la biosilice est une étape de contrôle de la vitesse dans le transfert de masse pour le processus d'adsorption89. Les isothermes d'adsorption de SZCZM1342 et SZCZP1809 ont été caractérisées comme légèrement en forme de LS et l'isotherme de SZCZCH193 comme en forme de L90, ce qui suggère que la biosilice diatomée étudiée présente une forte affinité d'adsorption envers le colorant MB. Isothermes pour Nanofrustulum spp. ont montré une plus grande affinité avec l'équation Sips en raison de coefficients de corrélation élevés et de faibles valeurs d'écart type. Sur cette base, nous pouvons conclure que le mécanisme de sorption de MB sur la biosilice suit principalement le modèle Sips, qui combine les isothermes de Freundlich et Langmuir et décrit la formation de monocouche de MB sur des sites homogènes et hétérogènes à la surface de la biosilice90.

La présente recherche a introduit un nouvel adsorbant respectueux de l'environnement des colorants basiques des eaux usées - la biosilice poreuse provenant de la diatomée marine Nanofrustulum. Le genre diatomée pourrait être considéré comme la microalgue la plus productive avec la productivité de biomasse la plus élevée. La biomasse pourrait en outre être utilisée pour l'extraction de molécules bioactives, par exemple la fucoxanthine, connue pour son activité antioxydante, les acides gras polyinsaturés, aux propriétés anti-inflammatoires, et les lipides neutres pour la production de biodiesel, tandis que la biosilice diatomée non utilisée peut être purifiée et efficacement appliquée dans le traitement des eaux usées, en raison de son architecture poreuse, de sa charge superficielle négative et de sa surface spécifique relativement élevée. Plusieurs chercheurs ont rapporté la capacité de la silice diatomée à éliminer les métaux lourds des solutions aqueuses, bien que le présent article présente pour la première fois la biosilice comme un nouvel adsorbant efficace des colorants basiques des eaux usées. À l'avenir, des recherches plus intensives devraient se concentrer sur l'évaluation du potentiel de bioraffinerie de ces trois espèces, avec un accent particulier sur la coproduction de fucoxanthine, d'acide gras et de biosilice de manière économiquement souhaitable et respectueuse de l'environnement, et sur la capacité d'adsorption pour éliminer différents types de polluants organiques en présence de sels inorganiques, ce qui pourrait réduire l'absorption de colorant.

Le bleu de méthylène (> 99 %, MW 319,89 Da) a été acheté chez Aqua-Med® (Łódź, Pologne). Le chlorhydrate de thiamine (99 %, MW 337,27 Da), la biotine (> 99 %, MW 244,31 Da), la vitamine B12 (> 98 %, MW 1355,37 Da) ont été fournis par Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Peroxyde d'hydrogène (30 %, MW 34,01 Da), nitrate de sodium (> 99 %, MW 84,99 Da), phosphate monosodique monohydraté (> 99 %, MW 137,99 Da), molybdate de sodium dihydraté (> 99 %, MW 241,95 Da), chlorure de manganèse (II) tétrahydraté (> 99 %, MW 197,91 Da) et chlorure de cobalt (II) hexahydraté (> 99 %, DW 237,93 Da) ont été obtenus auprès de Chempur® (Piekary Śląskie, Pologne). Le sulfate de zinc heptahydraté (> 99 %, MW 287,54 Da), le chlorure de fer (III) hexahydraté (> 99 %, MW 270,32 Da), l'EDTA disodique dihydraté (> 99 %, MW 372,24 Da) et le sulfate de cuivre (II) pentahydraté (> 99 %, MW 249,68 Da) ont été achetés chez Scharlab (Barcelone, Espagne). Le métasilicate de sodium nonahydraté (44 à 47,5 % de solides totaux, MW 284,19 Da) a été fourni par Acros Organics, ThermoFisher Scientific (Waltham, MA, États-Unis). L'hydroxyde de sodium, l'acide chlorhydrique et des solutions tamponnées standard pH 2,0, 7,0 et 10,0 ont été achetés chez Sigma-Aldrich. L'eau désionisée a été obtenue en utilisant un système de purification Milli-Q® (Millipore Co., Bedford, MA, USA).

Trois souches de diatomées appartenant au genre Nanofrustulum ont été sélectionnées comme suit : SZCZCH193 N. wachnickianum Chunlian Li, A.Witkowski & MPAshworth ; SZCZM1342 N. shiloi (JJLee, Reimer & McEnery) Round, Hallsteinsen & Paasche42; et la souche SZCZP1809 identifiée morphologiquement par P. Dąbek comme N. cf. shiloi (échantillonné à Sea Point, Cape Town, Afrique du Sud) ont été obtenus auprès de la Szczecin Diatom Culture Collection (SZCZ), Université de Szczecin, Institut des sciences marines et environnementales, Pologne. Les cultures monoclonales ont été maintenues dans du milieu f/2 d'eau de mer artificielle standard 35‰ Guillard91 (880 µM L−1 NaNO3, 36 µM L−1 NaH2PO4 H2O, 106 µM L−1 Na2SiO3 9H2O, métaux traces : 0,08 µM L−1 ZnSO4 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, vitamine B12, biotine et thiamine) à température constante (20 °C) et illumination (10 0 µmol s−1 m−2 lumière blanche) sous un cycle de lumière jour/nuit 12:12 dans une chambre de croissance végétale (FITO1400i, Biogenet, Pologne). Les taux de croissance ont été déterminés par le poids de la biomasse sèche récoltée par centrifugation à une vitesse de 3 000 tr/min et séchage à la chaleur pendant 3 jours à 50 °C. La courbe de régression pour chaque souche a été construite et le taux de croissance spécifique (µ) a été calculé à l'aide de l'équation suivante. (1) 92 :

où Bt est la concentration de la biomasse à tout moment (t) et B0 est la concentration initiale de la biomasse. Les souches de diatomées ont été observées au microscope inversé Olympus CKX41 (Olympus-Shinjuku, Tokyo, Japon) à un grossissement de 400 ×.

L'influence de l'enrichissement en nutriments (concentration 5, 10, 15, 20 fois plus élevée de NO3−, PO43−, SiO32−), de la salinité (15, 20 et 45%), de la température (15 et 30 °C) et de l'intensité d'éclairage (10, 50 et 150 μmol photons m−2 s−1) sur l'accumulation de biomasse en phase exponentielle tardive a été étudiée pour chaque souche.

Les diatomées ont été récoltées en phase exponentielle tardive, centrifugées à 3000 tr/min pendant 15 min, et les granulés ont été purifiés par une solution de H2O2 à 30 % à 110 °C pendant 2 jours après un nettoyage en profondeur avec ddH2O. La silice incolore et nettoyée a été séchée à 50 ° C pendant 3 jours et utilisée plus tard pour des expériences de caractérisation. La morphologie des frustules de diatomées propres a été imagée par microscopie électronique à balayage (SEM) à l'aide d'un Hitachi SU8000 (Hitachi, Tokyo, Japon). Pour l'étude SEM, 40 µL de frustules ont été séchés sur une membrane Nuclepore™ 5,0 µm Track-Etch (Whatman™, Cytiva, Allemagne) à température ambiante, puis montés sur un support SEM cylindrique M4 et pulvérisés avec une couche d'or de 10 nm d'épaisseur. Pour l'analyse élémentaire de la biosilice, une goutte de frustules a été placée sur une grille en cuivre revêtue de carbone (Sigma-Aldrich, USA), et l'analyse a été réalisée par un Hitachi STEM S5500 équipé d'un détecteur EDS (Hitachi, Tokyo, Japon). Les mesures ont été effectuées avec une énergie d'accélération de 30,0 kV et analysées à l'aide du logiciel NSS ThermoScientific.

Après sonication de la biomasse et des frustules nettoyées (à l'aide du processeur à ultrasons Hielscher UP100H (Teltow, Allemagne) pendant 20 min à 60% d'amplitude), les suspensions ont été soumises au spectrophotomètre UV-Vis DR 6000 (HACH-Lange) pour des mesures optiques dans la gamme de longueurs d'onde de 200 à 900 nm dans des cuvettes de 10 mm contre ddH2O (blanc). Pour les absorbances supérieures à 2, la solution a été diluée avec ddH2O, les facteurs de dilution ont été pris en compte dans les graphiques présentés.

Les spectres FTIR de la biosilice séchée ont été obtenus dans la gamme infrarouge moyen (4000–400 cm−1) avec l'utilisation du mode de réflexion totale atténuée (ATR) sur un spectromètre Alpha FTIR (Bruker Daltonics, Brême, Allemagne).

Les isothermes d'adsorption/désorption d'azote à basse température ont été enregistrées sur Quantachrome Autosorb iQ à 77,35 K.

L'analyse thermogravimétrique (TA/TGA) d'échantillons de biosilice a été réalisée avec TA Instruments type SDT 2960 (Artisan Technology, Champaign, IL, USA) en utilisant une plage de température de 0 à 1100 °C, un débit d'air de 100 mL min−1 et une vitesse de chauffage de 10 °C min−1.

Les mesures de potentiel zêta ont été effectuées avec Malvern Zetasizer NanoZS (Malvern) en utilisant une cuvette DTS1070 (Malvern). L'analyse a été effectuée dans le mode de sélection automatique de la tension et du nombre d'exécutions. Chaque mesure a été répétée trois fois. Le potentiel zêta a été mesuré dans une plage de pH de 2,0 à 12,0. Pour maintenir le pH, des solutions de NaOH 0,1 M et de HCl 0,1 M ont été utilisées. Un pH-mètre FiveEasy Plus (Mettler Toledo) avec une électrode combinée à membrane de verre et un système de référence Ag/AgCl (Mettler Toledo) a été appliqué pour mesurer le pH des suspensions. Le pH-mètre a été calibré à l'aide de solutions tampons standard avec un pH de 4,0, 7,0, 10,0 avant d'effectuer les mesures.

Les spectres de diffraction des rayons X (XRD) ont été enregistrés avec un diffractiomètre X'Pert Pro Analytical (Phillips, Würzburg, Allemagne) avec un rayonnement Cu-Kα (λ = 0,1541 nm, 40 kV, 30 mA); 1 ml d'échantillon séché sur lame de verre a été scanné dans la plage 2θ entre 5° et 120° avec des pas de 0,0167.

La méthode d'addition de sel a été utilisée pour trouver le PZC de la biosilice séchée. Une aliquote de 20 ml de NaCl 0, 1 M a été collectée dans 6 flacons Erlenmeyer et une plage de pH de 2 à 10 a été définie en ajoutant des solutions de HCl 1 M et de NaOH 1 M à l'aide d'un pH-mètre (Voltcraft PH-100ATC). Ensuite, dans chaque flacon, 20 mg de biosilice séchée ont été ajoutés et secoués à une vitesse de 100 tr/min sur un agitateur orbital à une température de 23 ° C pendant 24 h. Après équilibre, le contenu a été filtré et les valeurs de pH des filtrats ont été enregistrées. La valeur PZC a été déterminée en traçant le graphique du pH initial en fonction du changement de pH.

Les frustules nettoyées (20 ± 0,5 mg DW) ont été exposées à 10,0 ml de 14,0 mg L-1 MB dans un tube Falcon de 15 ml. Le mélange (pH = 7) a été agité mécaniquement à 3 000 tr/min à 23 °C pendant 3 h. L'élimination du colorant a été enregistrée par un spectrophotomètre UV-Vis DR 6000 (HACH-Lange) dans la gamme de longueurs d'onde de 500 à 800 nm à différents moments : 5, 15, 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120 et 180 min.

De même, des études isothermes ont été réalisées en mesurant 20 ± 0,5 mg de frustules nettoyées dans des tubes Falcon de 15 ml contenant différentes concentrations initiales (5, 10, 15, 20, 50 et 100 mg L-1) de MB. Le mélange a été agité à 3000 tr/min sous 23°C pendant 120 min, ce qui est nécessaire pour atteindre l'équilibre. L'effet de différents pH de la solution initiale de MB (14,0 mg L−1) a été enregistré pour pH = 3, 7 et 11 après 120 min d'exposition. Le pH initial de la solution a été ajusté avec des solutions de HCl 1 M et de NaOH 1 M. La valeur d'absorbance à 665 nm a été utilisée pour d'autres calculs.

La quantité de MB adsorbée par la biosilice a été calculée comme suit :

où qt est le MB adsorbé sur la biosilice (mg g-1) à un instant donné (t) ; C0 et Ct sont les concentrations de MB au départ et à l'instant donné (mg L−1), respectivement ; V est le volume de solution (L); m est la dose de biosilice (g).

Le pourcentage d'élimination de MB (%) a été calculé par Eq. (3):

où C0 et Ct sont les concentrations de MB au départ et à l'instant donné (t), respectivement (mg L−1).

Pour comprendre les mécanismes possibles et les étapes de contrôle de la vitesse d'adsorption, plusieurs modèles cinétiques, de diffusion et d'isothermes ont été appliqués (voir le tableau supplémentaire S3).

De plus, l'applicabilité des modèles cinétiques et isothermes a été validée par l'écart type normalisé, Δq (%), Eq. (4)

où N est le nombre de points de données, qexp et qcal (mg g−1) sont respectivement la valeur expérimentale et calculée de la capacité d'adsorption.

Les expériences de culture discontinue ont été menées en double. Les chiffres montrent les valeurs moyennes et les erreurs standard. La signification des différences entre les différents groupes a été analysée à l'aide d'une analyse ANOVA à un facteur avec le test post-hoc de Tukey, le niveau alpha 0,05. Les chiffres de l'expérience de croissance par lots, les spectres UV-Vis, FTIR, les spectres d'adsorption par lots ont été tracés à l'aide du logiciel MS Excel. Les spectres EDS ont été obtenus à l'aide du logiciel NSS ThermoScientific. Les résultats du potentiel zêta tiennent compte de l'approximation de Smoluchowski. Les données d'analyse pour TA/DTA ont été réalisées à l'aide du logiciel TA Universal Analysis (TA Instruments, New Castle, DE, USA). L'analyse du motif de diffraction des rayons X a été obtenue à partir du logiciel XRD Malvern Panalytical (version 1.5a, Almelo, Pays-Bas). La modélisation de l'adsorption a été réalisée dans le logiciel OriginPro 2022.

Les auteurs confirment que les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans l'article et son matériel supplémentaire. Les données brutes qui appuient le financement de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant, sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la Fondation pour la science polonaise du Fonds européen de développement régional dans le cadre du programme opérationnel de développement intelligent 2014-2020 (POIR.04.04.00-00-1792/18-00). Les auteurs tiennent à remercier le Dr Patrick Groves pour son immense aide au cours de ce travail de recherche.

Institut des sciences marines et environnementales, Université de Szczecin, Mickiewicza 16a, 70-383, Szczecin, Pologne

Aleksandra Golubeva, Piya Roychoudhury, Przemysław Dąbek & Andrzej Witkowski

Département de chimie inorganique et de coordination, Faculté de chimie, Université Nicolaus Copernicus, Gagarina 7, 87-100, Toruń, Pologne

Jagoda Pałczyńska & Piotr Piszczek

Centre des technologies interdisciplinaires modernes, Université Nicolaus Copernicus, Wileńska 4, 87-100, Toruń, Pologne

Oleksandra Pryshchepa & Pawel Pomastowski

Faculté des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Université de technologie de Varsovie, Wołoska 141, 02-507, Varsovie, Pologne

Michal Gloc & Renata Dobrucka

Département des produits industriels et de la qualité des emballages, Institut des sciences de la qualité, Université d'économie et de commerce de Poznań, al. Niepodległości 10, 61-875, Poznan, Pologne

Renata Dobrucka

Département de chimie appliquée, Faculté de chimie, Université Adam Mickiewicz, Uniwersytet Poznańskiego 8, 61-614, Poznań, Pologne

Agnieszka Feliczak-Guzik & Izabela Nowak

Faculté de génie mécanique, Université de technologie de Bialystok, ul. Wiejska 45 c, 15-351, Bialystok, Pologne

Krzysztof J. Kurzydłowski

Département de chimie environnementale et de bioanalyse, Faculté de chimie, Université Nicolaus Copernicus, Gagarina 7, 87-100, Toruń, Pologne

Bogusław Buszewski

Prof. Centre de recherche et de développement Jan Czochralski Kuyavian-Pomeranian, Krasińskiego 4, 87-100, Toruń, Pologne

Bogusław Buszewski

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AG et PR ont conceptualisé et conçu le travail. AG, PR, PD, PP, PP, MG et IN ont développé une méthodologie. AG a réalisé des expériences de croissance et de caractérisation de la biosilice, effectué une modélisation cinétique et isotherme, interprété les données, préparé des figures et des tableaux et rédigé le travail. AG et PR ont effectué des expériences d'élimination de MB. AG et OP ont effectué une analyse ATR-FTIR. AG et MG ont effectué une enquête SEM et EDS. OP a effectué des mesures de potentiel zêta. JP et PP ont effectué une analyse TGA/DTA et XRD et ont décrit les résultats. AFG a réalisé les expériences d'adsorption/désorption de N2. PR, PD, JP, OP, PP, PP, MG, RD, AFG, IN, KJK, BB et AW ont révisé et édité le travail. AW supervise les travaux. BB a acquis le financement. Tous les auteurs ont approuvé le manuscrit.

Correspondance à Aleksandra Golubeva.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Golubeva, A., Roychoudhury, P., Dąbek, P. et al. Un nouvel adsorbant efficace au bleu de méthylène d'origine biologique : la biosilice poreuse de trois souches de diatomées marines de Nanofrustulum spp. (Bacillariophyta). Sci Rep 13, 9168 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36408-6

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Reçu : 07 février 2023

Accepté : 02 juin 2023

Publié: 06 juin 2023

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

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