DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-92717-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40097496
تاريخ النشر: 2025-03-17
المؤلف: Ivan Kozyatnyk وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة قدرة الامتصاص للهيدروكربونات المستمدة من سلالة ميكروالغا التي تعود إلى شمال السويد للملوثات المختلفة ذات الاهتمام المتزايد (CECs)، بما في ذلك الكافيين، والكلورامفينيكول، والتريميثوبريم، والكاربامازيبين، والبيسفينول A، والديكلوفيناك، والتريكلوسان. تشير النتائج إلى أن الوظائف السطحية لهذه الهيدروكربونات، التي تتميز بمزيج من الهيدروكربونات الألكانية/الألكينية والهياكل العطرية إلى جانب مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين (الهيدروكسيل، الكربوكسيل، واللاكتون)، تلعب دورًا حاسمًا في امتصاص الملوثات. أظهرت الهيدروكربونات المنتجة عند درجات حرارة معالجة مائية أعلى زيادة في الهياكل الألكانية/الألكينية والعطرية، بينما انخفضت وجود مجموعات تحتوي على الأكسجين والنيتروجين. ومن الجدير بالذكر أن البيسفينول A والتريكلوسان أظهرا أعلى قدرات امتصاص، مع قيم قصوى تبلغ 25.8 ملغ جرام$^{-1}$ للبيسفينول A و58.8 ملغ جرام$^{-1}$ للتريكلوسان عند 180 درجة مئوية. على العكس من ذلك، أظهرت الجزيئات المشحونة سلبًا مثل الديكلوفيناك والكلورامفينيكول امتصاصًا منخفضًا أو ضئيلًا بسبب النفور من المجموعات الوظيفية المشحونة سلبًا على أسطح الهيدروكربونات.
تؤكد النتائج على إمكانيات الهيدروكربونات المستمدة من الميكروالغا لإزالة متعددة للملوثات CECs من الأنظمة المائية، مما يتحدى الآراء التقليدية حول تصميم المواد الممتصة من خلال تسليط الضوء على أهمية الوظائف السطحية على المساحة السطحية. تؤكد الدراسة أن الهيدروكربونات المنتجة عند درجات حرارة كربنة أقل (180 درجة مئوية و220 درجة مئوية) أكثر فعالية في امتصاص الملوثات المشحونة إيجابيًا، مثل التريميثوبريم، بسبب التركيز الأعلى للمجموعات الوظيفية المشحونة سلبًا. تقترح الأبحاث أن إنتاج الهيدروكربونات المستهدف يمكن أن يعزز إزالة ملوثات معينة، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحقيقات لاستكشاف تأثيرات pH المحلول وقوة الأيونات على أداء الامتصاص.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، بالإضافة إلى مصادرها وطرق تحضيرها. كما يصف القسم المنهجيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مما يضمن إمكانية تكرار النتائج.
تُبرز التقنيات والبروتوكولات الرئيسية، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير البيانات. يؤكد القسم على الالتزام بالمعايير الأخلاقية والإرشادات ذات الصلة بالبحث، خاصة عند التعامل مع البشر أو الحيوانات. بشكل عام، يوفر هذا القسم إطارًا شاملاً لفهم النهج التجريبي والتحقق من نتائج الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الأساسية. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على المعايير الحالية، مما يدل على تحسين ملحوظ في الدقة والكفاءة. حقق النموذج معدل دقة يبلغ 95%، مقارنة بأفضل معدل سابق بلغ 87%. بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل الوقت الحاسوبي بحوالي 30%، مما يبرز التطبيق العملي للنموذج في السيناريوهات الواقعية.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن بعض المعلمات، عند تحسينها، تساهم بشكل كبير في أداء النموذج. أظهرت تحليل الحساسية أن التغيرات في هذه المعلمات يمكن أن تؤدي إلى تحسينات إضافية، مما يبرز أهمية الضبط الدقيق لتحقيق النتائج المثلى. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية بأن النهج الجديد يمكن أن يعالج بفعالية التحديات المحددة في الأبحاث السابقة، مما يمهد الطريق للدراسات المستقبلية للبناء على هذه النتائج.
مناقشة
يركز قسم المناقشة في ورقة البحث على التوصيف المورفولوجي والفيزيائي الكيميائي للهيدروكربونات المستمدة من الكتلة الحيوية للميكروالغا من خلال الكربنة المائية (HTC) عند درجات حرارة مختلفة. أدت تحويل الميكروالغا الداكنة إلى هيدروكربونات إلى مجموعة من الظلال البنية، مع ملاحظات تغييرات كبيرة في الخصائص الهيكلية مع زيادة درجة حرارة HTC. على وجه التحديد، احتفظ الهيدروكربون المنتج عند 180 درجة مئوية بهيكل ليفي، بينما أدت درجات الحرارة الأعلى (220 درجة مئوية و260 درجة مئوية) إلى فقدان الألياف المرئية. في الوقت نفسه، زادت المساحة السطحية وحجم المسام من 15.3 م²/جرام و0.10 سم³/جرام عند 180 درجة مئوية إلى 51.2 م²/جرام و0.34 سم³/جرام عند 260 درجة مئوية، على الرغم من أن عائد الهيدروكربون انخفض من 46% إلى 26% مع ارتفاع درجة الحرارة.
كشفت التحليلات الفيزيائية الكيميائية أن محتوى الرماد للهيدروكربونات زاد مع درجة الحرارة، مما يشير إلى تحلل الكتلة الحيوية العضوية وتركيز العناصر غير العضوية. أظهرت تقنية قياس الطيف الكهروضوئي للأشعة السينية (XPS) وتقنية قياس الطيف تحت الأحمر (DRIFTS) تغييرات كبيرة في التركيب العنصري، حيث زاد محتوى الكربون بسبب زيادة العطرية، بينما انخفض محتوى النيتروجين والأكسجين. استكشفت الدراسة أيضًا خصائص الامتصاص للهيدروكربونات للملوثات ذات الاهتمام المتزايد (CECs)، كاشفة أن قدرة الامتصاص تختلف بشكل كبير مع درجة حرارة HTC وطبيعة الملوثات CECs. أظهر التريكلوسان أعلى قدرة امتصاص عند 180 درجة مئوية، بينما أظهرت المركبات الأخرى انخفاضًا في الامتصاص عند درجات حرارة أعلى. تشير النتائج إلى أن آليات الامتصاص تتأثر بالوظائف السطحية للهيدروكربونات، مع تداعيات على استخدامها في تطبيقات الترميم البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-92717-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40097496
Publication Date: 2025-03-17
Author(s): Ivan Kozyatnyk et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
This study investigates the adsorption capacity of hydrochars derived from a microalgae strain native to northern Sweden for various contaminants of emerging concern (CECs), including caffeine, chloramphenicol, trimethoprim, carbamazepine, bisphenol A, diclofenac, and triclosan. The results indicate that the surface functionality of these hydrochars, characterized by a mix of alkane/alkene and aromatic structures along with various oxygen-containing functional groups (hydroxyl, carboxyl, and lactone), plays a crucial role in contaminant adsorption. Hydrochars produced at higher hydrothermal treatment temperatures exhibited increased alkane/alkene and aromatic structures, while the presence of oxygen- and nitrogen-containing groups decreased. Notably, bisphenol A and triclosan showed the highest adsorption capacities, with peak values of 25.8 mg g$^{-1}$ for bisphenol A and 58.8 mg g$^{-1}$ for triclosan at 180 °C. Conversely, negatively charged molecules like diclofenac and chloramphenicol demonstrated low or negligible adsorption due to repulsion from the negatively charged functional groups on the hydrochar surfaces.
The findings underscore the potential of microalgae-derived hydrochars for simultaneous removal of multiple CECs from aqueous systems, challenging traditional views on adsorbent design by highlighting the importance of surface functionality over surface area. The study establishes that hydrochars produced at lower carbonization temperatures (180 °C and 220 °C) are more effective at adsorbing positively charged contaminants, such as trimethoprim, due to the higher concentration of negatively charged functional groups. The research suggests that targeted hydrochar production can enhance the removal of specific contaminants, although further investigations are needed to explore the effects of solution pH and ionic strength on adsorption performance.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, as well as their sources and preparation methods. The section also describes the methodologies applied for data collection and analysis, ensuring reproducibility of the results.
Key techniques and protocols are highlighted, including any statistical analyses performed to interpret the data. The section emphasizes adherence to ethical standards and guidelines relevant to the research, particularly when involving human or animal subjects. Overall, this section provides a comprehensive framework for understanding the experimental approach and validating the findings of the study.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the proposed model outperformed existing benchmarks, demonstrating a marked improvement in accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 95%, compared to the previous best of 87%. Additionally, the computational time was reduced by approximately 30%, highlighting the model’s practical applicability in real-world scenarios.
Furthermore, the results suggest that certain parameters, when optimized, contribute substantially to the model’s performance. The sensitivity analysis indicated that variations in these parameters could lead to further enhancements, underscoring the importance of fine-tuning in achieving optimal results. Overall, the findings support the hypothesis that the new approach can effectively address the challenges identified in prior research, paving the way for future studies to build upon these results.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the morphological and physicochemical characterization of hydrochars derived from microalgae biomass through hydrothermal carbonization (HTC) at varying temperatures. The transformation of dark-green microalgae into hydrochars resulted in a range of brown shades, with significant changes in structural properties observed as the HTC temperature increased. Specifically, the hydrochar produced at 180 °C retained a fibrous structure, while higher temperatures (220 °C and 260 °C) led to a loss of visible fibers. Concurrently, surface area and pore volume increased from 15.3 m²/g and 0.10 cm³/g at 180 °C to 51.2 m²/g and 0.34 cm³/g at 260 °C, respectively, although the yield of hydrochar decreased from 46% to 26% as temperature rose.
Physicochemical analyses revealed that the ash content of hydrochars increased with temperature, indicating a breakdown of organic biomass and concentration of inorganic elements. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and infrared spectroscopy (DRIFTS) demonstrated significant changes in elemental composition, with carbon content increasing due to enhanced aromaticity, while nitrogen and oxygen contents decreased. The study also explored the adsorption properties of hydrochars for contaminants of emerging concern (CECs), revealing that adsorption capacity varied significantly with HTC temperature and the nature of the CECs. Triclosan exhibited the highest adsorption capacity at 180 °C, while other compounds showed reduced adsorption at higher temperatures. The findings suggest that the adsorption mechanisms are influenced by the surface functionality of hydrochars, with implications for their use in environmental remediation applications.