الماصّ الحيوي المركّب من الكيتوسان المطعَّم بالبنزالدهيد/بكتيريا Lactobacillus casei لإزالة صبغة الأحمر الحمضي 88: تحسين تصميم Box–Behnken ونهج دراسة الآلية Biocomposite Adsorbent of Grafted Chitosan-benzaldehyde/<i>Lactobacillus Casei</i> Bacteria for Removal of Acid Red 88 Dye: Box-Benken Design Optimization and Mechanism Approach

المجلة: AUIQ complementary biological system.، المجلد: 2، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973x.1020
تاريخ النشر: 2025-03-05

نظام بيولوجي تكميلي AUIQ

المجلد 2 | العدد 1

الماصّ الحيوي المركّب من الكيتوسان المطعَّم بالبنزالدهيد/بكتيريا Lactobacillus casei لإزالة صبغة الأحمر الحمضي 88: تحسين تصميم Box–Behnken ونهج دراسة الآلية

حسن م. آغاكلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا ومجموعة أبحاث المواد الحيوية المتقدمة وتطوير الكربون (ABCD)، كلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزياسالس أ. موسىكلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا ومجموعة أبحاث المواد الحيوية المتقدمة وتطوير الكربون (ABCD)، كلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزياأحمد حبيزكلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا ومجموعة أبحاث المواد الحيوية المتقدمة وتطوير الكربون (ABCD)، كلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزياروي هونغ ووكلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا؛ مجموعة أبحاث المواد الحيوية المتقدمة وتطوير الكربون (ABCD)، كلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا؛ وقسم الكيمياء، جامعة هينغشوي، 053500 مقاطعة خبي، هينغشوي، الصينخنساء العيسىقسم الكيمياء، جامعة جرش، 26150 جرش، الأردنعلي محمد صالحكلية الهندسة الكيميائية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا ووحدة أبحاث الطاقة المتجددة، المعهد الفني الحويجة، الجامعة التقنية الشمالية، العراقعبد الله رغيعةكلية التكنولوجيا، جامعة الوادي، 39000 الوادي، الجزائرتابع هذا العمل وأعمال إضافية على: https://acbs.alayen.edu.iq/journal

جزء من علوم الأحياء، علوم التكنولوجيا الحيوية، وعلوم الطب والصحة

مواد ماصة حيوية مركبة من الكيتوزان-بنزالدهيد/بكتيريا لاكتوباسيلس كاسي لإزالة صبغة الأحمر الحمضي 88: تحسين تصميم بوكس-بينكن ونهج الآلية

حسن م. آغا , سالس أ. موسى , أحمد حبيز , روي هونغ وو , خنساء العيسى , علي محمد صالح , عبد الله رغيعة كلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا مجموعة أبحاث المواد الحيوية المتقدمة وتطوير الكربون (ABCD)، كلية العلوم التطبيقية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا قسم الكيمياء، جامعة هينغشوي، 053500 مقاطعة خبي، هينغشوي، الصين قسم الكيمياء، جامعة جرش، 26150 جرش، الأردن كلية الهندسة الكيميائية، جامعة تكنولوجيا مارا، 40450 شاه علم، سيلانغور، ماليزيا وحدة أبحاث الطاقة المتجددة، المعهد الفني الحويجة، الجامعة التقنية الشمالية، العراق كلية التكنولوجيا، جامعة الوادي، 39000 الوادي، الجزائر

الملخص

هنا، تم إنتاج مادة ماصة حيوية هجينة من زراعة الكيتوزان بنزالدهيد/لاكتوباسيلس كاسي (CHSBZ/LAC) لإزالة صبغة الأحمر الحمضي 88 (AR88). تم تصنيع CHS-BZ/LAC باستخدام عملية هيدروحرارية تحت ظروف في فرن لمدة 6 ساعات. تم إجراء تحسين امتصاص صبغة AR88 بواسطة CHS-BZ/LAC من خلال استخدام تصميم بوكس باهنكن (BBD). كانت الرموز والقيم للمعلمات المستخدمة في هذه الدراسة هي جرعة CHS-BZ/LAC (A: )، محلول الصبغة , ووقت الاتصال ( ). يظهر تصميم BBD أن أعلى إزالة لـ AR88 (94.5%) تم تحقيقه مع إعداد جرعة CHS-BZ/LAC , ووقت الاتصال . تم تأكيد ملاءمة ودقة تصميم BBD من خلال تحليل ANOVA مع قيمة F , وقيمة p . تظهر التفاعلات المزدوجة من المعلمات تفاعلات هامة لـ AB (جرعة CHS-BZ/LAC مقابل pH)، AC (جرعة CHS-BZ/LAC مقابل وقت الاتصال)، وBC (pH مقابل وقت الاتصال) مع قيم p أقل من 0.05. حدثت آليات متعددة من التفاعلات في عملية الامتصاص الحيوي لـ AR88 بواسطة CHS-BZ/LAC مثل التفاعلات، الجذب، الجذب الكهروستاتيكي، ورابطة الهيدروجين. توضح هذه الدراسة نجاح تطوير نوع جديد من المواد الماصة الحيوية (CHS-BZ/LAC) واستخدامها بشكل فعال لإزالة صبغة الأزوال الأنيونية من مياه الصرف الصناعي.

الكلمات المفتاحية: صبغة الأحمر الحمضي 88، بنزالدهيد، بوليمر الكيتوزان، لاكتوباسيلس كاسي، التجفيف بالتجميد، التحسين الإحصائي

1. المقدمة

تستخدم قطاعات التصنيع المختلفة، مثل الطباعة، الأدوية، الجلود، مستحضرات التجميل، المنسوجات، والغذاء
المعالجة، أصباغ عضوية (مثل الأحمر الحمضي 88؛ AR88) [1]. تؤدي غسيل المنتجات المنسوجة المطبوعة إلى كميات كبيرة من مياه الصرف تحتوي على أصباغ متنوعة، مما يؤدي إلى توليد نفايات
تقدر بحوالي 280,000 طن من الأصباغ سنويًا [2]. تعتبر مياه الصرف المنسوجة مصدرًا رئيسيًا للأصباغ الأنيونية مثل AR88، حيث تتفاوت التركيزات عمومًا من 10 إلى , اعتمادًا على العمليات الصناعية وفعالية المعالجة. تشمل هذه النفايات تركيزات مرتفعة من الملونات والملوثات العضوية، مما يسبب مشاكل بيئية كبيرة [3]. تتميز صبغة AR88 بخصائصها المسرطنة ومقاومتها للتحلل. وهذا يخلق تحديات كبيرة لكل من البشر والميكروبات في مصادر المياه الطبيعية. ترتبط صبغة AR-88 بمخاطر صحية، بما في ذلك تهيج الجهاز التنفسي، عدم الراحة المعوية، وتهيج العين [4]. لذلك، فإن تحلل صبغة AR-88 أمر ضروري.
تستخدم تقنيات متنوعة، مثل الأكسدة [5]، تبادل الأيونات [6]، التجلط/التخثر [7]، التحلل الضوئي [8]، ترشيح الأغشية [9]، والامتصاص [10]، على نطاق واسع لإزالة الأصباغ الاصطناعية من مياه الصرف. يُعترف بالامتصاص الحيوي كطريقة فعالة من حيث التكلفة، حيث يوفر فوائد ملحوظة بما في ذلك الحد الأدنى من توليد النفايات، الاستدامة البيئية، وإزالة الملوثات بطريقة سهلة الاستخدام [11]. علاوة على ذلك، يوفر الامتصاص الحيوي ارتباطًا عكسيًا وقويًا للأيون في الوسط المائي، مما يسهل بواسطة المجموعة الوظيفية في المصفوفة البيولوجية للماص [12]. تعتبر المواد الحيوية، بما في ذلك النفايات الصناعية والزراعية [13]، البوليمرات الحيوية [14]، البكتيريا [15]، والطحالب [16]، مواد ماصة نظرًا لمجموعاتها الوظيفية المتنوعة، التي تمكن من ربط الملوثات الأيونية وغير الأيونية المختلفة.
البوليمر الحيوي للكيتوزان (CHS) مشتق من الكيتين ويتكون أساسًا من سلاسل خطية من وحدات D-غلوكوزامين [17]. CHS هو -(1,4)-2-أسيتاميدو-2-deoxy- -d-غلوكوز و -(1,4)-2-أمينو-2-deoxy- -d-غلوكوز. CHS مرن وقابل للتغيير بسهولة عن طريق إضافة مجموعة وظيفية لأنه يحتوي على عدة مجموعات أمينية وهيدروكسيلية [18]. CHS وفير، قابل للتحلل، تفاعلي كيميائيًا، ماص، غير سام، مضاد للبكتيريا، ومتوافق مع الكائنات الحية [19]. بسبب مجموعاته المتعددة من الهيدروكسيل (-OH) والأمين (- )، يمتص CHS الأصباغ القابلة للذوبان في الماء بشكل جيد. تعزز هذه المجموعات الوظيفية امتصاص الصبغة عبر الروابط الكهروستاتيكية ورابطة الهيدروجين [20]. يمتلك CHS مساحة سطح محدودة، قابلية ذوبان عالية في الظروف الحمضية، خصائص ميكانيكية ضعيفة، ومقاومة كيميائية، مما يقيّد استخدامه العملي [21]. يجب تحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ CHS، خاصةً وظيفة سطح الماص، مساحة السطح، ومقاومة الذوبان الحمضي. تم استخدام طرق متعددة لتحسين الكيتوزان (CHS)، بما في ذلك إنشاء مركبات مع إضافات المواد الحيوية [22].
الزراعة هي تقنية تعديل كيميائي للكيتوزان (CHS) التي توفر مزايا متنوعة، بما في ذلك إدخال مجموعات وظيفية إضافية لتسهيل ربط الملوثات وتحسين الاستقرار الميكانيكي [23]. تم دراسة زراعة الكيتوزان لإزالة ملوثات المياه في المحاليل المائية، بما في ذلك الأيونات المعدنية، الأصباغ، والأدوية [24]. تنتج الزراعة حلقات عطرية تتفاعل مع مركبات الصبغة عبر التفاعلات، مما يعزز إزالة الصبغة مع أنظمة حلقات الأرين [25]. تقيّم الدراسة مواد الكيتوزان المعدلة بالأرين (CHS)، خاصة تلك التي تحتوي على وحدات بنزالدهيد (BZ) في إطار CHS بسبب هيكل حلقتها العطرية. يسمح التفعيل للكيتوزان (CHS) بالتفاعل مع الأصباغ عبر التفاعلات [26]. علاوة على ذلك، تشير الطريقة الهيدروحرارية المقدمة في هذه الدراسة إلى بديل قابل للتطبيق لإنتاج مادة ماصة قائمة على CHS، حيث تعزز الاستقرار الكيميائي وتزيد من عدد المجموعات الوظيفية على السطح [27].
تظهر نتائج التحقيقات الأخيرة أن أداء البكتيريا الهوائية الاختيارية في تحلل المركبات الأزو، مع تسليط الضوء على الميكروأيروفيلات Lactobacillus casei TISTR 1500 وL. casei LA 1133 وLactobacillus paracasei LA 0471 وLactobacillus sp لامتصاص صبغة البرتقال 16 [28،29]. علاوة على ذلك، تعتبر بكتيريا حمض اللاكتيك كائنات دقيقة هامة تُستخدم في الإنتاج الصناعي للمنتجات النباتية المخمرة، والنبيذ، ومنتجات الألبان. يمكن تصنيف هذه البكتيريا إيجابية الغرام على أنها كروية (كوكسي) أو على شكل قضيب (باكلي) وتتميز بخصائص مميزة. سلبية الكاتالاز، غير متحركة، غير مكونة للأبواغ، ولا هوائية [30]. حمض اللاكتيك، سائل عضوي عديم اللون، له عدة استخدامات غذائية وكيميائية وطبية. يُستخدم في تصنيع حمض البولي لاكتيك، وهو بوليمر بلاستيكي قابل للتحلل، وهو معتمد من إدارة الغذاء والدواء للاستخدام الغذائي. أدت الزيادة في الطلب إلى تحسين طرق التخمير التي تولد الكتلة الحيوية كمنتج ثانوي، مما قد يحسن من متانة العملية عند استخدامها كمواد ماصة حيوية [31،32].
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام المركبات المعتمدة على الكيتوزان على نطاق واسع لزيادة القوة الميكانيكية، والتورم، وسعة امتصاص الماء، وسعة الامتصاص، والمساحة السطحية. يمكن إضافة مواد حيوية بديلة إلى الكيتوزان لتحسين فعالية الامتصاص، وتقليل مدى الكيتوزان النقي، وزيادة جرعة الممتص [33، 34]. علاوة على ذلك، تم إجراء دراسة شاملة على مدى فترة طويلة لفحص فعالية الكتلة الحيوية للبكتيريا في إزالة تلوث المياه [35]. تدعم المجموعة الوظيفية على أسطح الكتلة الحيوية للبكتيريا امتصاص الأصباغ الاصطناعية [36].
لذا، تقترح هذه الدراسة تعزيز خصائص الامتزاز لـ CHS من خلال دمجه مع Lactobacillus.
مسحوق casei (LAC)، وهو مادة حيوية محتملة تتميز بعدة مجموعات وظيفية. تؤدي هذه التركيبة إلى إنشاء مادة مركبة حيوية. تم تحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ CHS/LAC بشكل أكبر من خلال تكوين نظام قاعدة شيف مع عامل التعديل بنزالدهيد (BZ) من خلال عملية هيدروحرارية. يسعى التجربة إلى تعزيز قدرة مادة CHS-BZ/LAC الحيوية على امتصاص صبغة AR88 من المحاليل المائية، مع تحسين توافقها البيئي في الوقت نفسه. تم استخدام تصميم Box-Behnken الإحصائي (BBD) لتحسين المتغيرات الرئيسية لعملية الامتصاص، بما في ذلك مدة الاتصال، وجرعة CHS-BZ/LAC، ودرجة الحموضة. يسهل تصميم Box-Behnken تحسين العديد من المعلمات في إزالة صبغة AR88 من مياه الصرف الصحي عبر CHS-BZ/LAC. تم توصيف الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمادة CHS-BZ/LAC الحيوية بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD)، وطيف تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX). علاوة على ذلك، تبحث الدراسة في آلية الامتصاص الحيوي لصبغة AR88 على سطح مادة CHS-BZ/LAC الحيوية.

2. المواد والأساليب

2.1. المواد

تم زراعة Lactobacillus casei في المختبر، ورقائق CHS (درجة إزالة الأسيتيل 75) و BZ ( ; MW: ) تم الحصول عليها من سيغما-ألدريش. الصبغة حمض أحمر 88 (AR88)، مع الصيغة الكيميائية طول موج الامتصاص الأقصى 505 نانومتر، ووزن جزيئي قدره تم الحصول عليها من R&M Chemicals. تم الحصول على حمض الأسيتيك من الدرجة التحليلية، وهيدروكسيد الصوديوم، وحمض الهيدروكلوريك من R&M Chemicals.

2.2. زراعة وتجفيف Lactobacillus casei

تم عزل L. casei لأول مرة من حليب يوكولت® المخمر باستخدام أجار دي مان روجوزا شارب (MRS) (ديفكو، الولايات المتحدة الأمريكية) وتم حفظه في ثقافة مخزون الجليسرول. قبل التطبيق التجريبي، تم حضانة 1% من تحت الثقافة L. casei عند لمدة 18 ساعة، مع تكرار الإجراء ثلاث مرات. في الزراعة الفرعية الأولى، من تم تلقيح . casei من مخزون الجلسرين بنسبة 15% في 3 مل من مرق MRS. بعد ذلك، تم إنشاء الثقافة الفرعية الثانية عن طريق تلقيح من L. casei من أول زراعة فرعية إلى 3 مل من مرق MRS. تم إنشاء الزراعة الفرعية الثالثة عن طريق تلقيح من L. casei من الثقافة الفرعية الثانية إلى 50 مل من مرق MRS والت incubation
عند لمدة 18 ساعة [32]. تم استخراج L. casei من وسط MRS الفرعي الثالث باستخدام الطرد المركزي في لمدة 10 دقائق عند الكرات تم شطف . casei ثلاث مرات بمحلول ملحي عادي وتم تخزينه في بين عشية وضحاها، تليها لمدة يومين. بعد ذلك، خضعت سلالة L. casei للتجفيف بالتجميد لمدة ثلاثة أيام باستخدام جهاز تجفيف بالتجميد (AAPPTec Sharp Freeze، لويزفيل، كنتاكي، الولايات المتحدة الأمريكية) يعمل عند ضغط 0.080 با. ، بعد ذلك تم حفظ مسحوق LAC الناتج في .

2.3. إجراء تخليق CHS-BZ/LAC

تم استخدام العمليات التالية لتصنيع مادة الامتزاز CHS-BZ/LAC. في البداية، تم استخدام 100 مل من تم إدخال محلول حمض الأسيتيك في وعاء زجاجي، مصحوبًا بـ 1 جرام من رقائق CHS و LAC. تم تحريك الخليط بقوة في درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة لذوبان رقائق CHS وتفعيل LAC داخل مصفوفة CHS. تم تحويل محلول CHS/LAC اللزج إلى هياكل شبيهة بالخرز عن طريق عكس الطور من خلال إدخال قطرات تدريجياً في محلول NaOH بتركيز 0.5 مولي (1000 مل). لضمان الإزالة الكاملة لآثار NaOH المتبقية، تم غسل حبات CHS/LAC بعناية باستخدام الماء منزوع الأيونات. تم إجراء عملية الطعوم من خلال دمج حبات CHS/LAC مع 2 مل من “ benzaldehyde (BZ) وتم وضعه في مفاعل هيدروحراري. تم تعريض المفاعل بعد ذلك لدرجة حرارة لمدة 6 ساعات. تم السماح للمفاعل الهيدروحراري بالدخول في مرحلة التبريد بعد عملية التسخين. خضعت كريات CHS-BZ/LAC المغروسة لغسل مكثف ثم تم تجفيفها تحت ظروف محيطية. تم طحن الكريات إلى مسحوق ناعم ثم تم تصفيته لضمان حجم جزيئي موحد يتراوح بين 150 إلى تم تخزين مسحوق CHSBZ/LAC في حاوية محكمة الإغلاق للاستخدام المستقبلي. توضح الشكل 1 التصميم التخطيطي الذي يوضح الطرق والظروف المطلوبة لتحضير CHS-BZ/LAC.

2.4. إجراء توصيف CHS-BZ/LAC

تم استخدام XRD لتقييم الطور البلوري لـ CHS-BZ/LAC، مع إجراء المسحات من إلى . بالإضافة إلى ذلك، تم تحليل المجموعة الوظيفية لـ CHS-BZ/LAC باستخدام مطياف FTIR (PerkinElmer، Spectrum RX I) ضمن نطاق الطول الموجي، قبل وبعد امتصاص AR88. تم تقييم الهيكل المورفولوجي والشحنة السطحية لـ CHS-BZ/LAC باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل الأشعة السينية المشتتة بالطاقة (EDX).
الشكل 1. إجراء تخليق CHS-BZ/LAC.
الجدول 1. الرموز والمتغيرات الفعلية ومستوياتها في BBD لإزالة AR88 بواسطة CHS-BZ/LAC.
رموز المتغيرات المستوى 1 (-1) المستوى 2 (0) المستوى 3 (+1)
CHS-BZ/LAC 0.02 0.06 0.1
درجة الحموضة ٤ ٧ 10
الوقت (دقيقة) 10 ٢٥ 40

2.5. تصميم التجربة

تعمل منهجية RSM-BBD على تعزيز عملية الامتزاز الحيوي AR88 بشكل فعال في نظام CHS-BZ/LAC مع تقليل عدد الاختبارات اللازمة. قام نموذج BBD بدراسة تأثير ثلاثة متغيرات مستقلة على إزالة AR88: جرعة الامتزاز الحيوي (CHS-BZ/LAC)، الرقم الهيدروجيني، ومدة الاتصال. تم تحسين معلمات التجربة باستخدام برنامج Design Expert 13.0 الذي أنشأته Stat-Ease. يوضح الجدول 1 العوامل التي تم تقييمها لإزالة AR88 باستخدام CHS-BZ/LAC، جنبًا إلى جنب مع نطاقاتها وقيودها المعنية. يتكون مصفوفة BBD من ثلاثة مكونات، مع التفاعل المرتبط (إزالة AR88) الموضح في الجدول 2. تم استخدام نموذج متعدد الحدود التربيعي لتقييم تأثير متغيرات الامتزاز الحيوي على إزالة AR88، كما هو موضح في المعادلة (1):
توضح المعادلة نسبة إزالة صبغة AR88، مع تشير إلى المتغير التابع. و تمثل العوامل، تشير إلى المعامل الثابت، و ، و تشير إلى
الجدول 2. مصفوفة BBD ذات الثلاث متغيرات والبيانات التجريبية لإزالة AR88 بواسطة CHS-BZ/LAC.
ركض أ: الجرعة (غ) ب: الرقم الهيدروجيني ج: الوقت (دقيقة) نسبة إزالة AR88 (%)
1 0.02 ٤ ٢٥ 61.0
٢ 0.1 ٤ ٢٥ 94.5
٣ 0.02 10 25 ٢٣.٦
٤ 0.1 10 ٢٥ ٣٥.٥
٥ 0.02 ٧ 10 ٤٦.٨
٦ 0.1 ٧ 10 ٥٥.٤
٧ 0.02 ٧ 40 ٥٥.٠
٨ 0.1 ٧ 40 81.8
٩ 0.06 ٤ 10 79.8
10 0.06 10 10 21.4
11 0.06 ٤ 40 86.3
12 0.06 10 40 53.7
١٣ 0.06 ٧ 25 ٥٢.١
14 0.06 ٧ ٢٥ 54.7
15 0.06 ٧ 25 53.7
16 0.06 ٧ ٢٥ ٥٦.٠
17 0.06 ٧ ٢٥ ٤٩.٤
معاملات التفاعل، والمكونات التربيعية، والخطية، على التوالي. يمكن تقييم العلاقة بين معلمات الامتصاص الحيوي والنتيجة المستهدفة (إزالة AR88) من خلال تحليل المعاملات التي تم الحصول عليها من ملاءمة البيانات التجريبية لنموذج الانحدار. تتيح منهجية BBD-RSM تحديد المعلمات التشغيلية المثلى لتعظيم إزالة AR88 وتقليل عدد التجارب المطلوبة. تم إجراء سبعة عشر تجربة من BBD لإزالة AR88 باستخدام دورق إيرلنماير سعة 250 مل يحتوي على 100 مل من محلول AR88 مع كمية محددة من CHS-BZ/LAC (انظر الجدول 2). تم وضع الدورق بعد ذلك في حمام مائي حراري وتم تحريكه بمعدل 100 دورة في الدقيقة لفترة محددة.
الشكل 2. نمط حيود الأشعة السينية لـ CHS-BZ/LAC.
المدة. بعد عملية الامتصاص الحيوي، تم عزل الممتز من CHSBZ/LAC من المحلول باستخدام فلتر حقنة. تم قياس التركيز المتبقي من AR88 في السائل المصفى باستخدام مقياس الطيف الضوئي (HACH DR 3900) عند طول موجي 505 نانومتر. تم تقييم كفاءة إزالة AR88 (%) باستخدام المعادلة (2):
يمثل التركيز الأولي لـ AR88 عند بينما تشير إلى التركيز المتبقي من AR88 بعد عملية الامتصاص الحيوي.

3. النتائج والمناقشة

3.1. توصيف CHS-BZ/LAC

يظهر نمط حيود الأشعة السينية (XRD) لمركب CHSBZ/LAC في الشكل 2، ويظهر قمة بارزة حول ، characteristic of chitosan’s semi-crystalline nature [37]. Additional peaks at higher ، و تشير القيم إلى تكوين روابط قاعدة شيف بين الكيتوزان والبنزالدهايد، مما يعزز من خصائص المادة
قد يؤدي تدخل LAC في التخليق إلى إدخال مراحل معدنية، مثل مركبات الكالسيوم، مما يساهم في القمم الانكسارية الملحوظة، مما يتماشى مع الدراسات حول التمعدن الحيوي في المركبات الميكروبية.
لقد قامت دراسة FTIR بتوصيف نطاقات امتصاص الأشعة تحت الحمراء لمادة الامتصاص البيولوجي CHS-BZ/LAC و CHS-BZ/LAC-AR88، كما هو موضح في الشكل 3. يشير الشكل 3a إلى أن الرقم الموجي عند مرتبط بترددات اهتزاز الشد N-H و -OH في CHS و LAC [41، 42]. الفرقة عند يُنسب إلى امتداد C-H [43]، في حين أن الشريط الثانوي عند مرتبط بـ اهتزازات الشد [44]. تتوافق اهتزازات الشد الأساسية لـ N-H و C-N لمجموعات الهيدروكسيل مع الحزم الملحوظة بشكل كبير عند و [45، 46]، على التوالي. القمم الملحوظة عند 1055 يتوافق مع رابطة C-O-C [47]. الشكل 3ب يعرض طيف CHS-BZ/LAC-AR88، الذي يظهر قمم متعددة تشبه تلك الخاصة بـ CHS-BZ/LAC الموضحة في الشكل 3أ. لوحظت تغييرات ملحوظة في جميع النطاقات المكتشفة. تشير هذه النتيجة إلى أن المجموعة الوظيفية في CHS-BZ/LAC تسهل عملية الامتصاص الحيوي لـ AR88.
تم فحص الخصائص الشكلية للمركب الهجين CHS-BZ/LAC المُركب باستخدام SEM-EDX. الشكل 4 يعرض نتائج SEM-EDX.
الشكل 3. طيف FTIR لـ (أ) CHS-BZ/LAC، و (ب) CHS-BZ/LAC + AR88.
الشكل 4. SEM-EDX لـ (أ-ب) CHS-BZ/LAC، (ج-د) CHS-BZ/LAC+AR88 عند (3.0 kx و 5.0 kx)، (L1، رسم خرائط EDX لـ CHS-BZ/LAC (C، O، N، P، S)، و (L2، رسم خرائط EDX لـ CHS-BZ/LAC+AR88 (C، O، N، P، S)، تحليل EDX (هـ) CHS-BZ/LAC، و (و) CHS-BZ/LAC+AR88.
الجدول 3. تحليل التباين (ANOVA) لإزالة صبغة AR88 على CHS-BZ/LAC.
مصدر مجموع المربعات df المتوسط التربيعي قيمة F قيمة p ملاحظة
نموذج 6432.84 9 714.76 ١١٢.٨٤ <0.0001 مهم
جرعة 816.08 1 816.08 128.84 <0.0001 مهم
ب-درجة الحموضة ٤٣٨٩.٨٤ 1 ٤٣٨٩.٨٤ 693.06 <0.0001 مهم
وقت-سي ٦٧٣.٤٥ 1 ٦٧٣.٤٥ ١٠٦.٣٢ <0.0001 مهم
أب ١١٦.٦٤ 1 ١١٦.٦٤ 18.41 0.0036 مهم
مكيف الهواء 82.81 1 82.81 13.07 0.0086 مهم
قبل الميلاد ١٦٦.٤١ 1 ١٦٦.٤١ ٢٦.٢٧ 0.0014 مهم
أ 0.0067 1 0.0067 0.0011 0.9749 غير مهم
1.10 1 1.10 0.1729 0.6900 غير مهم
183.97 1 183.97 ٢٩.٠٤ 0.0010 مهم
متبقي 44.34 ٧ 6.33
نقص التوافق ١٨.٣٥ ٣ 6.12 0.9415 0.4997 غير مهم
خطأ نقي 25.99 ٤ ٦.٥٠
كور توتال ٦٤٧٧.١٨ 16
0.9932 معدل 0.9844 متوقع 0.9484
لـ CHS-BZ/LAC و CS-CHS-BZ/LAC-AR88 عند مستويين من التكبير (3.0 ك و 5.0 ك). توضح الأشكال 4a و 4b أن سطح CHS-BZ/LAC يظهر بنية وعرة ومشققة، مع وجود العديد من الشقوق الموزعة عشوائيًا والفجوات الصغيرة المرئية. تشير هذه الملاحظة إلى النجاح في تطوير هيكل مثالي للبيوسوربنت مناسب لارتباط AR88 [48]. بالإضافة إلى ذلك، توضح الأشكال 4c و 4d أن CHS-BZ/LAC قد التقط بشكل فعال صبغة AR88. تم تحليل التركيب الكيميائي لـ CHS-BZ/LAC قبل وبعد امتصاص AR88 باستخدام EDX ورسم خرائط EDX، مما يكشف عن وجود مكونات C و N و P و S و O في كل من CHS-BZ/LAC ونظام صبغة البيوسوربنت (انظر الشكل 4، L1 و L2). تشير بيانات تحليل EDX (الأشكال 4e و 4f) إلى زيادة في عناصر الكربون والنيتروجين بعد امتصاص AR88، مما يشير إلى احتمال تعزيز الارتباط مع AR88.

3.2. التحسين الإحصائي

تم إجراء تحليل ANOVA لتقييم قابلية تطبيق نموذج إزالة AR88، مع تقديم النتائج في الجدول 3. إن نموذج F البالغ 112.84، المصحوب بقيمة p أقل من 0.0001، يظهر الأهمية الكبيرة للنموذج المستخدم [49]. إن الارتباط القوي بين القيم المرصودة والقيم المتوقعة يتضح من قيمة 0.99. تمتلك المتغيرات قيم p تعتبر مهمة في إزالة AR88 [50]. وبالتالي، و BC مهمان لإزالة AR88. تم الحصول على معادلة الانحدار النهائية Eq. (3) لإزالة AR88 من خلال استبعاد المكونات غير المهمة.
يتطلب تقييم قابلية تطبيق نموذج ما تحليل المتبقيات الخاصة به. تُظهر المتبقيات للنموذج المُعتمد توزيعًا متجانسًا حول الخط الملائم، كما هو موضح في الشكل 5أ. يقيم التحقق دقة توقعات النموذج مقارنةً بالبيانات الفعلية، مما يشير إلى موثوقيته [51]. يقدم الشكل 5ب مقارنة بين البيانات التجريبية والقيم المتوقعة لكفاءة إزالة الصبغة من النموذج. يشير التوافق الوثيق بين القيم المتوقعة والفعلية لإزالة AR88 (انظر الشكل 5ب) إلى مستوى كبير من الاتساق. تُظهر المطابقة بين النتائج التجريبية والمُتوقعة قوة التحليل الإحصائي وتعزز استنتاجات التجربة [52]. علاوة على ذلك، يوضح الشكل 5ج المتبقيات المرسومة مقابل رقم التشغيل لإزالة صبغة AR88. تُظهر النقاط البيانية في الشكل 5ج توزيعًا غير متجانس حول النقطة الأولية، مما يشير إلى موثوقية ودقة النموذج [53]. يُظهر الشكل 5د تحويل لامبدا للمتبقيات ضمن رسم بياني Box-Cox. تم تحديد قيمة لامبدا المثلى لإزالة AR88 عند 1.28، والتي تقع ضمن النطاق من 0.45 إلى 2.24. يُظهر الشكل 5د أن النموذج الحالي، بعد إزالة AR88، يُظهر قيمة لامبدا تبلغ 1. تشير النتائج إلى أنه لا حاجة لتغيير قوة البيانات [54، 55].

3.3. اضطراب إزالة صبغة AR88

تم استخدام مخطط الاضطراب لفحص التأثير المتزامن لأربعة متغيرات مدخلة على كفاءة إزالة AR88، كما هو موضح في الشكل 6. تم تحديد أربعة متغيرات مدخلة كعوامل رئيسية لتحقيق أقصى كفاءة لإزالة AR88. الانحناء الملحوظ الذي لوحظ لـ CHS-BZ/LAC
الشكل 5. (أ) مخطط الاحتمالية العادية للبقايا (ب) مخطط العلاقة بين القيم المتوقعة والقيم الفعلية (ج) البقايا مقابل رقم التشغيل (د) مخطط بوكس-كوك لإزالة AR88 بواسطة CHS-BZ/LAC.
تشير الجرعة (المتغير A) إلى حساسية عالية لكفاءة إزالة AR88 تجاه هذا المتغير. مع زيادة جرعة الممتز (المتغير A)، تزداد كفاءة إزالة AR88 أيضًا. تشير الانحناءة الملحوظة في pH المحلول (المتغير B) إلى أن كفاءة إزالة AR88 كانت تستجيب لهذا المتغير. تعكس منحنى درجة الحرارة (المتغير C) حساسية الاستجابة عند مستويات زمن الاتصال المتغيرة [56].

3.4. التأثير المزدوج ثلاثي الأبعاد وثنائي الأبعاد للمعلمات في إزالة AR88

تم إنشاء مخططات سطح الاستجابة ثنائية وثلاثية الأبعاد لتحليل تأثيرات المعلمات المدروسة وتحديد العلاقات المهمة بين المتغيرات التي تم تقييمها في عمليات إزالة AR88. توضح الأشكال 7a و7b تأثير جرعة CHS-BZ/LAC ودرجة الحموضة على معدل الإزالة.
الشكل 6. مخطط الاضطراب لإزالة صبغة AR88 (المتغير A: جرعة الممتص، B: درجة الحموضة، وC: وقت الاتصال).
من AR88، مع الحفاظ على الوقت ثابتًا عند 10 دقائق. تشير النتائج إلى تحسين كبير في كفاءة الامتزاز لصبغة AR88 عند درجة حموضة 4. توضح الأشكال 7a و7b أن الجرعات الأعلى من CHS-BZ/LAC وانخفاض قيم درجة الحموضة تعزز كفاءة إزالة AR88 [57]. تؤثر الحالة الحمضية على امتزاز AR88، مما يحدد تفضيل الممتز للولايات الأنيونية أو الكاتيونية على سطح CHS-BZ/LAC عند درجة حموضة حمضية عالية تبلغ 4، حيث يحصل سطح الكومبوزيت الحيوي CHS-BZ/LAC على شحنة موجبة. بينما تكتسب جزيئات صبغة AR88 في الوقت نفسه شحنة سالبة. يزيد انخفاض مستوى درجة الحموضة لصبغة AR88 من الألفة لجزيئات الصبغة الأنيونية تجاه الكومبوزيت الحيوي CHS-BZ/LAC [58]، كما هو موضح في المعادلة (4).
علاوة على ذلك، توضح الأشكال 7c و7d تأثير الجرعة ووقت الاتصال لـ CHS-BZ/LAC على معدلات إزالة AR88. تم الحفاظ على درجة الحموضة عند قيمة ثابتة تبلغ 4. توضح البيانات المقدمة في الأشكال 7c و7d أن زيادة كمية CHS-BZ/LAC من 0.06 جرام إلى 0.1 جرام حسنت كفاءة إزالة AR88. يعود التحسن في إزالة AR88 إلى المساحة السطحية الواسعة ومواقع الامتزاز الفعالة لـ CHS-BZ/LAC عند الجرعات المتزايدة [59]. بالإضافة إلى ذلك، توضح الأشكال 7e و7f التأثيرات المشتركة لدرجة الحموضة والوقت على معدل إزالة AR88، مع جرعة ثابتة من CHS-BZ/LAC تبلغ 0.1 جرام. توضح الأشكال 7e و7f أن كفاءة الامتزاز لصبغة AR88 تحسنت مع زيادة وقت الاتصال من 10 إلى 25 دقيقة. تتطلب صبغة AR88 مدة مثالية للاختراق الفعال في الهيكل الداخلي لـ CHS-BZ/LAC [60]. يتم تحقيق إزالة مثالية لصبغة AR88 عند درجة حموضة 4. تشير هذه الاكتشافات إلى أن الظروف المثلى لامتزاز AR88 توجد في بيئة حمضية.
3.5. آلية الامتزاز الحيوي

تدعم نتائج دراسة توصيف CHS-BZ/LAC مثل FTIR تعزيز الآلية المحتملة للامتزاز التي تؤثر على امتزاز صبغة AR88 بواسطة CHS-BZ/LAC. يتم تقديم التفاعل المحتمل لـ AR88 مع CHS-BZ/LAC في الشكل 8. تظهر نتائج FTIR أن الممتز الحيوي CHS-BZ/LAC يحتوي على مجموعات وظيفية متنوعة تؤثر على عملية ارتباط AR88. تتكون المجموعة الوظيفية من الكربوكسيل (-COOH) والأمين (

) والهيدروكسيل ( ) من تركيب (LAC) و(CHS)، والتي تظهر بشكل طبيعي تركيزًا عاليًا من المجموعات النشطة. يتفاعل المجموعات الوظيفية ( و ) من (CHS-BZ/LAC). الشكل 7. مخططات سطح الاستجابة ثلاثية الأبعاد وثنائية الأبعاد للتفاعلات المهمة لـ (a-b) AB (جرعة CHS-BZ/LAC × درجة الحموضة)، (c-d) AC (جرعة CHS-BZ/LAC × الوقت)، و(e-f) BC (درجة الحموضة مقابل الوقت) في إزالة AR88.
الرابطة الهيدروجينية
قوة الكهروستاتيكية
التفاعل و
التفاعل الشكل 8. توضيح التفاعل المحتمل بين سطح CHS-BZ/LAC وAR88 بما في ذلك الجذب الكهروستاتيكي، تفاعلات الروابط الهيدروجينية، و
التفاعل و التفاعل. الممتز الحيوي مع مجموعة (
) من صبغة AR88 أنتجت الجذب الكهروستاتيكي. تلعب تفاعلات الهيدروجين دورًا حاسمًا في آلية الامتزاز لصبغة AR88. تحدث التفاعلات بين ذرات الهيدروجين على الهيكل السطحي لـ CHS-BZ/LAC وذرات الأكسجين والنيتروجين في هيكل صبغة AR88 [61، 62]. التفاعلات
التي تشمل الإلكترونات تلعب دورًا حاسمًا في امتزاز صبغة AR88. تنشأ هذه الظاهرة من التفاعل بين نظام مانح الإلكترون، المكون من مجموعات الأكسجين والنيتروجين في الممتز CHS-BZ/LAC، ونظام مستقبل الإلكترون الذي تشكله الحلقات العطرية لصبغة AR88 [63].

4. الاستنتاج

توضح هذه الدراسة إنشاء ممتز حيوي مبتكر وصديق للبيئة، CHS-BZ/LAC، تم تشكيله من خلال دمج الكيتوزان (CHS) وكتلة لاكتوباسيلس كاسي (LAC) باستخدام بنزالدهيد كعامل تطعيم وطرق التخليق الهيدروحراري. يظهر الممتز الحيوي CHS-BZ/LAC كفاءة كبيرة في إزالة صبغة AR88 من المحاليل المائية. يظهر CHS-BZ/LAC خصائص فريدة بناءً على نتائج التوصيف مثل تحليل XRD الذي يظهر الهيكل البلوري لـ CHS-BZ/LAC. علاوة على ذلك، يظهر تحليل FTIR المجموعات الوظيفية المتنوعة في هيكل CHS-BZ/LAC (OH، C-H، و )، التي تنتج عن دمج LAC في هيكل CHS وأيضًا من عملية التطعيم. يظهر الممتز الحيوي CHS-BZ/LAC فعالية الامتزاز لصبغة AR88 في وسط حمضي. تم تسهيل عملية امتزاز AR88 بواسطة الممتز الحيوي CHS-BZ/LAC من خلال آليات متعددة تشمل الروابط الهيدروجينية، القوى الكهروستاتيكية، التفاعل، و الجذب. تؤكد نتائج هذا البحث على إمكانية الابتكار في إنشاء الممتزات الحيوية باستخدام مزيج من الكيتوزان وL. كاسي، والتطعيم باستخدام بنزالدهيد عبر عملية هيدروحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يظهر CHS-BZ/LAC فعالية كممتز حيوي موثوق وفعال لإزالة الأصباغ السامة.

بيان أخلاقي

لم يكن هناك حاجة لموافقة أخلاقية لهذه الدراسة.

بيان تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أنهم ليس لديهم مصالح متنافسة.

بيان توفر البيانات

جميع البيانات التي تم إنشاؤها أو تحليلها خلال هذه الدراسة مدرجة في هذه المقالة المنشورة.

التمويل

غير متوفر

مساهمات المؤلفين

ساهم جميع المؤلفين بالتساوي في تصور وتصميم الدراسة.

References

  1. Jorge N, Teixeira AR, Gomes A, Lucas MS, Peres JA. Removal of azo dye acid red 88 by Fenton-based processes optimized by response surface methodology box-Behnken design. The 4th International Electronic Conference on Applied Sciences. 2023;56:164. Basel Switzerland: MDPI. doi: 10. 3390/ASEC2023-15501.
  2. Berradi M, Hsissou R, Khudhair M, Assouag M, Cherkaoui O , El harfi A . Textile finishing dyes and their impact on aquatic environs. Heliyon 2019;5:e02711. doi: 10.1016/j. heliyon.2019.e02711.
  3. Yaseen DA, Scholz M. Textile dye wastewater characteristics and constituents of synthetic effluents: A critical review. Int. J. Environ. Sci. Technol. 2019;16:1193-1226. doi: 10.1007/ s13762-018-2130-z.
  4. Tejashwini DM, Harini HV, Nagaswarupa HP, Naik R, Chidananda B. A comparative study of green and chemical approaches for photocatalytic activity of novel hybrid bismuth magnesium ferrites ( ) nanoparticles for Acid Red-88 dye degradation. Results Chem. 2024;7:101267. doi: 10.1016/j.rechem.2023.101267.
  5. Dong G, Chen B, Liu B, Hounjet LJ, Cao Y, Stoyanov SR, Yang M, Zhang B. Advanced oxidation processes in microreactors for water and wastewater treatment: Development, challenges, and opportunities. Water Res. 2022;211:118047. doi: 10.1016/j.watres.2022.118047.
  6. Swanckaert B, Geltmeyer J, Rabaey K, De Buysser K, Bonin L, De Clerck K. A review on ion-exchange nanofiber membranes: Properties, structure and application in electrochemical (waste) water treatment. Sep. Purif. Technol. 2022;287:120529. doi: 10.1016/j.seppur.2022.120529.
  7. Hu P, Ren J, Hu X, Yang H. Comparison of two starchbased flocculants with polyacrylamide for the simultaneous removal of phosphorus and turbidity from simulated and actual wastewater samples in combination with . Int. J. Biol. Macromol. 2021;167:223-232. doi: 10.1016/j.ijbiomac. 2020.11.176.
  8. Santoso SP, Angkawijaya AE, Bundjaja V, Hsieh CW, Go AW, Yuliana M, Hsu HY, Tran-Nguyen PL, Soetaredjo FE, Ismadji S. /guar gum hydrogel composite for adsorption and photodegradation of methylene blue. Int. J. Biol. Macromol. 2021;193:721-733. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2021.10.044.
  9. Li Z, Xie W, Zhang Z, Wei S, Chen J, Li Z. Multifunctional sodium alginate/chitosan-modified graphene oxide reinforced membrane for simultaneous removal of nanoplastics, emulsified oil, and dyes in water. Int. J. Biol. Macromol. 2023;245:125524.
  10. Mushahary N, Sarkar A, Das B, Rokhum SL, Basumatary S. A facile and green synthesis of corn cob-based graphene oxide and its modification with corn cob- for efficient removal of methylene blue dye: Adsorption mechanism, isotherm, and kinetic studies. J. Indian Chem. Soc. 2024;101(11):01409.
  11. Agha HM, Abdulhameed AS, Jawad AH, ALOthman ZA, Wilson LD, Algburi S. Fabrication of glutaraldehyde crosslinked chitosan/algae biomaterial via hydrothermal process: Statistical optimization and adsorption mechanism for MV 2B dye removal. Biomass Conv. Bioref. 2025;15:1105-1119. doi: 10. 1007/s13399-023-05143-3.
  12. Brazesh B, Mousavi SM, Zarei M, Ghaedi M, Bahrani S, Hashemi SA. Biosorption. In M. N. V. Prasad & A. Vithanage (Eds.), Handbook of Metal-Microbe Interactions and Bioremediation 2021;33:587-628. Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-12-818805-7.00003-5.
  13. Ravindran B, Karmegam N, Yuvaraj A, Thangaraj R, Chang SW, Zhang Z, Awasthi MK. Cleaner production of agriculturally valuable benignant materials from industry generated bio-wastes: A review. Bioresour. Technol. 2021;320:124281. doi: 10.1016/j.biortech.2020.124281
  14. Nawaz S, Tabassum A, Muslim S, Nasreen T, Baradoke A, Kim TH, Boczkaj G, Jesionowski T, Bilal M. Effective assessment of biopolymer-based multifunctional sorbents for the remediation of environmentally hazardous contaminants from aqueous solutions. Chemosphere, 2023;329:138552.
  15. Pham VHT, Kim J, Chang S, Chung W. Bacterial biosorbents, an efficient heavy metals green clean-up strategy: Prospects, challenges, and opportunities. Microorganisms 2022;10(3):610.
  16. Radzun KA, Agha HM, Abdullah NFF, Ahmad MI, Ivanovski I, Mohammed AA, Alkamil A A. Media optimization techniques for microalgae through technological advancements: A mini review AUIQ. Complem. Biol. Syst. 2024;1(1):60-69.
  17. Taketa TB, Mahl CR, Calais GB, Beppu MM. Amino acidfunctionalized chitosan beads for in vitro copper ions uptake in the presence of histidine. Int. J. Boil. Macromol. 2021;188:421-431.
  18. Bekheit MM, Nawar N, Addison AW, Abdel-Latif DA, and Monier M. Preparation and characterization of chitosan-grafted-poly(2-amino-4,5-pentamethylene-thiophene-3 carboxylic acid N’-acryloyl-hydrazide) chelating resin for removal of Cu (II), Co (II) and Ni (II) metal ions from aqueous solutions. Int. J. Boil. Macromol. 2011;48(4):558-565.
  19. Sahib SAA, Awad SH. Synthesis, Characterization of chitosan para- hydroxyl benzaldehyde schiff base linked maleic anhydride and the evaluation of its antimicrobial activities. Baghdad Sci. J. 2022;19(6):1265.
  20. Khan A, Alamry KA. Recent advances of emerging green chitosan-based biomaterials with potential biomedical applications: A review. Carbohydr. Res. 2021;506:108368.
  21. Jawad AH, Hameed BH, Abdulhameed AS. Synthesis of biohybrid magnetic chitosan-polyvinyl alcohol/ MgO nanocomposite blend for remazol brilliant blue R dye adsorption: Solo and collective parametric optimization. Polym. Bull. 2023;80(5):4927-4947.
  22. Agha HM, Jawad AH, ALOthman Z A, Wilson LD. Design of chitosan and watermelon (Citrullus lanatus) seed shell composite adsorbent for reactive orange 16 dye removal: Multivariable optimization and dye adsorption mechanism study. Biomass Conv. Bioref. 2024. doi: 10.1007/s13399-024-06362y.
  23. Tahira I, Aslam Z, Abbas A, Monim-ul-Mehboob M, Ali S, Asghar A. Adsorptive removal of acidic dye onto grafted chitosan: A plausible grafting and adsorption mechanism. Int. J. Boil. Macromol. 2019;136:1209-1218.
  24. Hermosillo-Ochoa E, Picos-Corrales LA, Licea-Claverie A. Ecofriendly flocculants from chitosan grafted with PNVCL and PAAc: Hybrid materials with enhanced removal properties for water remediation. Sep. Purif. Technol. 2021;258:118052.
  25. Huang C, Liao H, Ma X, Xiao M, Liu X, Gong S, Zhou X. Adsorption performance of chitosan Schiff base towards anionic dyes: Electrostatic interaction effects. Chem. Phys. Lett. 2021;780:138958.
  26. Arni LA, Hapiz A, Abdulhameed AS, Khadiran T, ALOthman ZA, Wilson LD, Jawad AH. Design of separable magnetic chitosan grafted-benzaldehyde for azo dye removal via a response surface methodology: Characterization and adsorption mechanism. Int. J. Biol. Macromol. 2023;242:125086. doi: 10.1016/j.jjbiomac.2023.125086.
  27. Sun Y, Kang Y, Zhong W, Liu Y, Dai Y. A simple phosphorylation modification of hydrothermally cross-linked chitosan for selective and efficient removal of U (VI). J. Solid State Chem. 2020;292:121731.
  28. Sayilgan E, Cakmakci O. Treatment of textile dyeing wastewater by biomass of Lactobacillus: Lactobacillus 12 and Lactobacillus rhamnosus. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2012;20(3):1556-1564. doi: 10.1007/s11356-012-1009-7.
  29. Seesuriyachan P, Kuntiya A, Sasaki K, Techapun C. Comparative study on methyl orange removal by growing cells and washed cell suspensions of Lactobacillus casei TISTR 1500. World J. Microbiol. Biotechnol. 2009;25:973-979.
  30. Capozzi V, Tufariello M, De Simone N, Fragasso M, Grieco F. Biodiversity of oenological lactic acid bacteria: Species- and strain-dependent plus/minus effects on wine quality and safety. Fermentation 2021;7:24. doi: 10.3390/ fermentation7010024.
  31. Mora-Villalobos JA, Montero-Zamora J, Barboza N, RojasGarbanzo C, Usaga J, Redondo-Solano M, Schroedter L, Olszewska-Widdrat A, López-Gómez JP. Multi-product lactic acid bacteria fermentations: A review. Fermentation 2020;6:23. doi: 10.3390/fermentation6010023.
  32. Aazmi S, Teh LK, Ramasamy K, Rahman T, Salleh MZ. Comparison of the anti-obesity and hypocholesterolaemic effects of single Lactobacillus casei strain Shirota and probiotic cocktail. Int. J. Food Sci. Technol. 2015;50(7):1589-1597.
  33. Şuteu D, Zaharia C, Blaga AC, Peptu AC. Biosorbents based on residual biomass of Lactobacillus sp. bacteria consortium immobilized in sodium alginate for Orange 16 dye retention from aqueous solutions. Desalination Water Treat. 2022;246:315324. doi: 10.5004/dwt.2022.28018.
  34. Begum S, Yuhana NY, Saleh NM, Kamarudin NN, Sulong AB. Review of chitosan composite as a heavy metal adsorbent: Material preparation and properties. Carbohydr. Poly. 2021;259:117613.
  35. Mehrotra T, Dev S, Banerjee A, Chatterjee A, Singh R, Aggarwal S. Use of immobilized bacteria for environmental bioremediation: A review. J. Environ. Chem. Eng. 2021;9(5):105920.
  36. Agha HM, Jawad AH, Wilson LD, ALOthman ZA. Preparation and characterisation of chitosan/bacterial Escherichia coli biocomposite for malachite green dye removal: Modeling and optimisation of the adsorption process. Int. J. Environ. Anal. Chem. 2024;1-23. doi: 10.1080/03067319.2024.2426730.
  37. Tertsegha S, Akubor PI, Iordekighir AA, Christopher K, Okike OO. Extraction and characterization of chitosan from snail shells (Achatina fulica). J. Food Qual. Hazards Control. 2024;11(3):186-196.
  38. Jayakumar R, Prabaharan M, Nair SV, Tamura H. Novel chitin and chitosan nanofibers in biomedical applications. Biotechnol. Adv. 2010;28(1):142-150.
  39. Okunzuwa GI, Enaroseha OO, Okunzuwa SI. Synthesis and characterization of Fe (III) chitosan nanoparticles n-benzaldehyde Schiff base for biomedical application. Chem. Pap. 2024;78(5):3253-3260. doi: 10.1007/s11696-024-03309-5.
  40. Singh S, Singh G, Kang TS. Biomineralization and its application in bioinspired green composites: Emerging research and opportunities. In handbook of research on green engineering techniques for modern manufacturing. IGI Global. 2020;1-25.
  41. Wang W, Hu J, Zhang R, Yan C, Cui L, Zhu J. A pHresponsive carboxymethyl cellulose/chitosan hydrogel for adsorption and desorption of anionic and cationic dyes. Cellulose 2021;28:897-909. doi: 10.1007/s10570-020-03561-4.
  42. Abdulqader MA, Suliman MA, Ahmed TA, Wu R, Bobaker A, Tiyasha T, Al-Areeq N. Conversion of chicken rice waste into char via hydrothermal, pyrolysis, and microwave carbonization processes: A comparative study. AUIQ Complem. Biol. Syst. 2024;1(1):1-9.
  43. Kekes T, Tzia C. Adsorption of indigo carmine on functional chitosan and -cyclodextrin/chitosan beads: Equilibrium, kinetics and mechanism studies. J. Environ. Manage. 2024;262:110372. doi: 10.1016/j.jenvman.2020.110372.
  44. Pérez-Calderón J, Santos MV, Zaritzky N. Synthesis, characterization and application of cross-linked chitosan/oxalic acid hydrogels to improve azo dye (Reactive Red 195) adsorption. React. Funct. Polym. 2020;155:104699. doi: 10.1016/j. reactfunctpolym.2020.104699.
  45. Fatoni A, Hariani PL, Hermansyah H, Lesbani A. Synthesis and characterization of chitosan linked by methylene bridge and schiff base of 4, 4-diaminodiphenyl ether-vanillin. Indones. J. Chem. 2018;18(1):92-101. doi: 10.22146/ijc. 25866.
  46. El-Sakhawy M, Kamel S, Salama A, Tohamy HAS. Preparation and infrared study of cellulose based amphiphilic materials. Cellul. Chem. Technol. 2018;52(3-4):193-200.
  47. Zhao W, Liu S, Yin M, He Z, Bi D. Co-pyrolysis of cellulose with urea and chitosan to produce nitrogen-containing compounds and nitrogen-doped biochar: Product distribution characteristics and reaction path analysis. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2023;169:105795. doi: 10.1016/j.jaap.2022.105795.
  48. Amrutha SR, Suja NR, Menon S. Morphological analysis of Biomass. In Thomas, S., Hosur, M., Pasquini, D., Jose Chirayil, C. (Eds.). Handbook of Biomass. Springer, Singapore. 2023. doi: 10.1007/978-981-19-6772-6_15-1.
  49. Kutluay S, Temel T. Silica gel based new adsorbent having enhanced VOC dynamic adsorption/desorption performance. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2022;609:125848.
  50. Es-Haghi A, Taghavizadeh Yazdi ME, Sharifalhoseini M, Baghani M, Yousefi E, Rahdar A, Baino F. Application of response surface methodology for optimizing the therapeutic activity of ZnO nanoparticles biosynthesized from Aspergillus niger. Biomimetics 2021;6(2):34. doi: 10.3390/ biomimetics6020034.
  51. Onu CE, Nwabanne JT, Ohale PE, Asadu CO. Comparative analysis of RSM, ANN and ANFIS and the mechanistic modeling in eriochrome black-T dye adsorption using modified clay. S. Afr. J. Chem. Eng. 2021;36:24-42. doi: 10.1016/j. sajce.2020.12.003.
  52. Gonbadi M, Sabbaghi S, Rasouli J, Rasouli K, Saboori R, Narimani M. Green synthesis of ZnO nanoparticles for spent caustic recovery: Adsorbent characterization and process optimization using I-optimal method. Inorg. Chem. Commun. 2023;158:111460. doi: 10.1016/j.inoche.2023.111460.
  53. Nayak AK, Pal A. Statistical modeling and performance evaluation of biosorptive removal of Nile blue A by lignocellulosic
    agricultural waste under the application of high-strength dye concentrations. J. Environ. Chem. Eng. 2020;8(2):103677. doi: 10.1016/j.jece.2020.103677.
  54. Foroutan R, Peighambardoust SJ, Mohammadi R, Peighambardoust SH, Ramavandi B. Development of new magnetic adsorbent of walnut shell ash/starch/ for effective copper ions removal: Treatment of groundwater samples. Chemosphere 2022;296:133978.
  55. Al-dhawi BNS, Kutty SRM, Alawag AM, Almahbashi NMY, Al-Towayti FAH, Algamili A, Jagaba AH. Optimal parameters for boron recovery in a batch adsorption study: Synthesis, characterization, regeneration, kinetics, and isotherm studies. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering 2023;8:100508. doi: 10.1016/j.cscee.2023.100508.
  56. Abdulhameed AS, Mohammad A-T, Jawad AH. Modeling and mechanism of reactive orange 16 dye adsorption by chitosanglyoxal/ nanocomposite: Application of response surface methodology. Desalination Water Treat. 2019;164:346-360.
  57. Aragaw TA, Alene AN. A comparative study of acidic, basic, and reactive dyes adsorption from aqueous solution onto kaolin adsorbent: Effect of operating parameters, isotherms, kinetics, and thermodynamics. Emerg. Contam. 2022;8:59-74. doi: 10.1016/j.emcon.2022.01.002.
  58. Agha HM, Allaq A, Jawad AH, Aazmi S, ALOthman ZA, Wilson LD. Immobilization of Bacillus subtilis bacteria into biohybrid crosslinked chitosan-glutaraldehyde for acid red 88 dye removal: Box-Behnken design optimization and mechanism study. J Inorg Organomet Polym. 2024. doi: 10.1007/s10904-024-03264-4.
  59. Al-Hazmi GA, Alayyafi AA, El-Desouky MG, El-Bindary AA. Chitosan-nano CuO composite for removal of mercury (II): Box-Behnken design optimization and adsorption mechanism. Int. J. Biol. Macromol. 2024;261:129769.
  60. Mary Ealias A, Saravanakumar MP. A critical review on ultrasonic-assisted dye adsorption: Mass transfer, half-life and half-capacity concentration approach with future industrial perspectives. Crit. Rev. Env. Sci. Tec. 2019;49(21):1959-2015. doi: 10.1080/10643389.2019.1601488.
  61. Reghioua A, Barkat D, Jawad AH, Abdulhameed AS, Rangabhashiyam S, Khan MR, ALOthman ZA. Magnetic chitosanglutaraldehyde/zinc oxide/ nanocomposite: Optimization and adsorptive mechanism of Remazol Brilliant Blue R dye removal. J. Polym. Environ. 2021;29:3932-3947. doi: 10.1007/s10924-021-02133-8.
  62. Blachnio M, Zienkiewicz-Strzalka M, Derylo-Marczewska A. Synthesis of composite sorbents with chitosan and varied silica phases for the adsorption of Anionic Dyes. Molecules 2024;29(9):2087. doi: 10.3390/molecules29092087.
  63. Singh SK, Das A. The interaction: A rapidly emerging non-covalent interaction. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015;17(15):9596-9612. doi: 10.1039/C4CP05665A.
  1. Recommended Citation
    Aghaa, Hasan M.; Musa, Salis A.; Hapiz, Ahmad; Wu, Ruihong; Al-Essa, Khansaa; Saleh, Ali Mohammed; and Reghioua, Abdallah (2025), Biocomposite Adsorbent of Grafted Chitosan-benzaldehyde/Lactobacillus Casei Bacteria for Removal of Acid Red 88 Dye: Box-Benken Design Optimization and Mechanism Approach, AUIQ Complementary Biological System: Vol. 2: Iss. 1, 1-14.
    DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973X. 1020
    Available at: https://acbs.alayen.edu.iq/journal/vol2/iss1/1
  2. Received 10 January 2025; revised 13 January 2025; accepted 19 January 2025.
    Available online 5 March 2025
    • Corresponding authors.
    E-mail addresses: hasanagha586@gmail.com (H. M. Agha), ahmad.hapiz01@gmail.com (A. Hapiz).

Journal: AUIQ complementary biological system., Volume: 2, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973x.1020
Publication Date: 2025-03-05

AUIQ Complementary Biological System

Volume 2 | Issue 1

Biocomposite Adsorbent of Grafted Chitosan-benzaldehyde/Lactobacillus Casei Bacteria for Removal of Acid Red 88 Dye: Box-Benken Design Optimization and Mechanism Approach

Hasan M. AghaaFaculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia AND Advanced Biomaterials and Carbon Development (ABCD) Research Group, Faculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, MalaysiaSalis A. MusaFaculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia AND Advanced Biomaterials and Carbon Development (ABCD) Research Group, Faculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, MalaysiaAhmad HapizFaculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia AND Advanced Biomaterials and Carbon Development (ABCD) Research Group, Faculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, MalaysiaRuihong WuFaculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia; Advanced Biomaterials and Carbon Development (ABCD) Research Group, Faculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia; AND Deparment of Chemistry, Hengshui University, 053500 Hebei Province, Hengshui, ChinaKhansaa Al-EssaDepartment of Chemistry, Jerash University, 26150 Jerash, JordanAli Mohammed SalehSchool of Chemical Engineering, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia AND Renewable Energy Reserach Unit, Alhawija Technical Institute Northern Technical University IraqAbdallah ReghiouaFac. Technology, University of El Oued, 39000 El Oued, AlgeriaFollow this and additional works at: https://acbs.alayen.edu.iq/journal

Part of the Biology Commons, Biotechnology Commons, and the Medicine and Health Sciences Commons

Biocomposite Adsorbent of Grafted Chitosan-benzaldehyde/Lactobacillus Casei Bacteria for Removal of Acid Red 88 Dye: Box-Benken Design Optimization and Mechanism Approach

Hasan M. Agha , Salis A. Musa , Ahmad Hapiz , Ruihong Wu , Khansaa Al-Essa , Ali Mohammed Saleh , Abdallah Reghioua Faculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia Advanced Biomaterials and Carbon Development (ABCD) Research Group, Faculty of Applied Sciences, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia Deparment of Chemistry, Hengshui University, 053500 Hebei Province, Hengshui, China Department of Chemistry, Jerash University, 26150 Jerash, Jordan School of Chemical Engineering, Universiti Teknologi MARA, 40450 Shah Alam, Selangor, Malaysia Renewable Energy Reserach Unit, Alhawija Technical Institute, Northern Technical University, Iraq Fac. Technology, University of El Oued, 39000 El Oued, Algeria

Abstract

Herein, biohybrid biosorbent material was produced from grafting chitosan benzaldehyde/Lactobacillus casei (CHSBZ/LAC) for the removal of anionic dye acid red 88 (AR88). CHS-BZ/LAC was fabricated using a hydrothermal process under the condition of in an oven for 6 h . The optimization of AR88 dye adsorption by CHS-BZ/LAC was conducted by employing Box Bahnken design (BBD). The code and value of parameters used in this study were CHS-BZ/LAC dosage (A: ), dye solution , and contact time ( ). The BBD design shows that the highest removal of AR88 (94.5%) was achieved with the setting of CHS-BZ/LAC dose , and contact time . The suitability and the accuracy of the BBD design were confirmed by ANOVA analysis with the F -value , and p -value . Dual interaction from parameters shows significant interactions of AB (CHS-BZ/LAC dosage vs pH ), AC (CHS-BZ/LAC dosage vs contact time), and BC ( pH vs contact time) with p -values less than 0.05. Multiple mechanisms of interactions took place in the biosorption process of AR88 by CHS-BZ/LAC such as interactions, attraction, electrostatic attraction, and hydrogen bonding. This study demonstrates the success of developing a new type of biosorbent (CHS-BZ/LAC) and effectively used for anionic azo dye removal from synthetic wastewater.

Keywords: Acid red 88 dye, Benzaldehyde, Chitosan biopolymer, Lactobacillus casei, Lyophilization, Statistical optimization

1. Introduction

Various fabrication sectors, such as printing, pharmaceuticals, leather, cosmetics, textiles, and food
treatment, utilized organic dyes (e.g. Acid Red 88; AR88) [1]. The washing of printed textile products results in significant volumes of wastewater containing various dyes, leading to waste generation
of approximately 280,000 tonnes of dyes annually [2]. Textile wastewater is a major source of anionic dyes such as AR88, with concentrations generally varying from 10 to , dependent upon industrial processes and treatment efficacy. These effluents include elevated concentrations of colorants and organic contaminants, posing significant environmental issues [3]. AR88 dye characterized by its carcinogenic properties and resistance to degradation. This creates significant challenges for both humans and microorganisms in natural water sources. AR-88 dye is associated with health hazards, including respiratory irritation, gastrointestinal discomfort, and ocular irritation [4]. Therefore, the degradation of AR-88 dye is essential.
Various techniques, such as oxidation [5], ion exchange [6], coagulation/flocculation [7], photodegradation [8], membrane filtration [9], and adsorption [10], are widely used for synthetic dyes removal from wastewater. Biosorption is recognized as an efficient and cost-effective method, providing notable benefits including minimal waste generation, environmental sustainability, and user-friendly pollutant removal [11]. Moreover, biosorption offer reversible and far binding to the ion in aqueous media facilitating by the functional group in the biological matrix of the sorbent [12]. Biomaterials, including industrial and agricultural wastes [13], biopolymers [14], bacteria [15], and algae [16], serve as biosorbents owing to their diverse functional groups, which enable the binding of various ionic and non-ionic contaminants.
The biopolymer of chitosan (CHS) is derived from chitin and primarily comprises linear chains of Dglucosamine units [17]. CHS is -(1,4).-2-acetamido-2-deoxy- -d-glucose and -(1,4)-2-amino-2-deoxy- -dglucose units. CHS is flexible and readily changeable by adding a functional group since it has several amino and hydroxyl groups [18]. CHS is abundant, biodegradable, chemically reactive, adsorbent, nontoxic, antibacterial, and compatible with living things [19]. Due to its numerous hydroxyl (-OH) and amino (- ) functional groups, CHS adsorbs water-soluble dyes well. These functional groups enhance dye adsorption via electrostatic and hydrogen bonding [20]. CHS has limited surface area, high solubility in acidic conditions, poor mechanical qualities, and chemical resistance, which restrict its practical use [21]. The physicochemical features of CHS must be improved, especially its adsorbent surface functioning, surface area, and acid dissolution resistance. Multiple methods have been used to improve chitosan (CHS), including creating composites with biomaterial additions [22].
Grafting is a chemical modification technique for chitosan (CHS) that provides various advantages, including the introduction of additional functional groups to facilitate contaminant binding and improved mechanical stability [23]. Chitosan grafting has been studied for removing water pollutants in aqueous solutions, including metal ions, pigments, and medicines [24]. Grafting generates aromatic rings that engage with dye compounds via interactions, enhancing dye removal with arene ring systems [25]. The study evaluates arene-modified chitosan (CHS) materials, especially those having benzaldehyde (BZ) units in the CHS framework because to its aromatic ring structure. Functionalization allows chitosan (CHS) to interact with dyes via interactions [26]. Moreover, the hydrothermal method presented in this study indicates a feasible alternative for the production of a CHS-based adsorbent, as it enhances chemical stability and increases the number of surface functional groups [27].
Recent investigation finding show that the performance of bacteria facultative anaerobic to decompose azo compounds, with recent findings highlighting the microaerophiles Lactobacillus casei TISTR 1500, L. casei LA 1133, and Lactobacillus paracasei LA 0471, Lactobacillus sp for orange 16 dye adsorption [28,29]. Moreover, Lactic acid bacteria are significant microorganisms utilized in the industrial production of fermented vegetable products, wine, and dairy. These gram-positive bacteria can be categorized as spherical (cocci) or rod-shaped (bacilli) and possess distinct characteristics. Catalase-negative, immobile, nonsporulating, and anaerobic [30]. Lactic acid, a colourless organic liquid, has several dietary, chemical, and medicinal uses. It is used to synthesize polylactic acid, a biodegradable plastic polymer, and is FDA-GRAS for food usage. The increased demand has led to improved fermentation methods that generate biomass as a byproduct, which may improve process durability when used as a biosorbent [31,32].
In addition, CHS-based composites have been widely used to increase mechanical strength, swelling and water adsorption capacity, adsorption capacity, and surface area. Alternative biomaterials may be added to CHS to improve its biosorbent effectiveness, reduce the extent of pure chitosan, and raise the adsorbent dose [33, 34]. Furthermore, a comprehensive study has been conducted over an extended duration to examine the effectiveness of bacteria biomass for water contamination removal [35]. The functional group in bacterial biomass surfaces supports the adsorption of synthetic dyes [36].
Thus, this study proposes to enhance the adsorption properties of CHS by integrating it with Lactobacillus
casei (LAC) powder, a potential biosorbent characterized by several functional groups. This amalgamation results in the creation of a biocomposite substance. The physicochemical property of CHS/LAC was further improved by the formation of Schiff base system with grafting agent benzaldehyde (BZ) through a hydrothermal process. The experiment seeks to enhance the capacity of a CHS-BZ/LAC biosorbent to adsorb AR88 dye from aqueous solutions, while simultaneously improving its environmental compatibility. The statistical Box-Behnken design (BBD) were employed to optimize key adsorption variables, including contact duration, CHS-BZ/LAC dose, and pH . The Box-Behnken design facilitates the simultaneous optimization of many parameters in the removal of AR88 dye from wastewater via CHS-BZ/LAC. The physicochemical properties of the CHS-BZ/LAC biosorbent were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectra and scanning electron microscopy (SEM) and energydispersive X-ray (EDX) analysis. Furthermore, the study investigates the biosorption mechanism of AR88 onto the CHS-BZ/LAC biosorbent surface.

2. Materials and methods

2.1. Materials

Lactobacillus casei was cultivated in the laboratory, CHS flakes (degree of deacetylation 75) and BZ ( ; MW: ) were sourced from Sigma-Aldrich. The dye acid red 88 (AR88), with the chemical formula , a maximum absorbance wavelength of 505 nm , and a molecular weight of , is acquired from R&M Chemicals. Analytical grade acetic acid, sodium hydroxide, and hydrochloric acid reagents were sourced from R&M Chemicals.

2.2. Cultivation and lyophilization of Lactobacillus casei

L. casei was first isolated from Yakult®fermented milk using deMan Rogosa Sharpe (MRS) agar (Difco, USA) and preserved in a glycerol stock culture. Prior to experimental application, 1% of the L. casei subculture was incubated at for 18 h , with the procedure replicated in triplicate. In the first subculture, of . casei from the 15% glycerol stock was inoculated into 3 mL of MRS broth. Subsequently, the second sub-culture was established by inoculating of L. casei from the first sub-culture into 3 mL of MRS broth. The third sub-culture was established by inoculating of L. casei from the second sub-culture into 50 mL of MRS broth and incubation
at for 18 hours [32]. L. casei was extracted from the third sub-cultured MRS broth using centrifugation at for 10 min at . The pelleted . casei was rinsed thrice with normal saline and stored at overnight, followed by for two days. Subsequently, L. casei underwent lyophilization for three days using a freeze dryer (AAPPTec Sharp Freeze, Louisville, KY, USA) functioning at 0.080 Pa and , after which the resultant LAC powder was preserved at .

2.3. Synthesis procedure of CHS-BZ/LAC

The following processes were used to fabricate the CHS-BZ/LAC adsorbent. Initially, 100 mL of a acetic acid solution was introduced into a glass beaker, accompanied with 1 g each of CHS flakes and LAC. The mixture was agitated vigorously at ambient temperature for 24 hours to dissolve the CHS flakes and functionalize the LAC inside the CHS matrix. The viscous CHS/LAC solution was converted into bead-like structures by phase inversion by the gradual introduction of droplets into a 1000 mL NaOH solution ( 0.5 M ). To guarantee the total elimination of residual NaOH , the CHS/LAC beads were meticulously washed by deionized water. The grafting process was done by combining the CHS/LAC beads with 2 mL of a benzaldehyde (BZ) and placed in a hydrothermal reactor. The reactor was subsequently subjected to a temperature of for a duration of 6 hours. The hydrothermal reactor was allowed to enter a cooling phase following the heating process. The grafted CHS-BZ/LAC beads underwent extensive washing and were subsequently dried under ambient conditions. The beads were pulverized into a fine powder and subsequently filtered to ensure a uniform particle size ranging from 150 to . The CHSBZ/LAC powder was then stored in a sealed container for future application. Fig. 1 illustrates the schematic design detailing the methods and conditions required for the preparation of CHS-BZ/LAC.

2.4. Characterization procedure of CHS-BZ/LAC

XRD was employed to assess the crystal phase of CHS-BZ/LAC, with scans conducted from to . Additionally, the functional group of CHS-BZ/LAC was analysed using an FTIR spectrometer (PerkinElmer, Spectrum RX I) within the wavelength range, both before and following AR88 biosorption. The morphological structure and surface charge of CHS-BZ/LAC were evaluated using scanning electron microscopy (SEM) and energydispersive X-ray (EDX) analysis.
Fig. 1. Synthesis procedure of CHS-BZ/LAC.
Table 1. Codes and actual variables and their levels in BBD for AR88 removal by CHS-BZ/LAC.
Codes Variables Level 1 (-1) Level 2 (0) Level 3 (+1)
CHS-BZ/LAC 0.02 0.06 0.1
pH 4 7 10
Time (min) 10 25 40

2.5. Experimental design

The RSM-BBD methodology effectively enhances the AR88 biosorption process in the CHS-BZ/LAC system while reducing the number of necessary tests. The BBD model examined the effects of three independent variables on the removal of AR88: biosorbent dosage (CHS-BZ/LAC), pH, and contact time. The trial parameters were optimized using the Design Expert 13.0 software created by Stat-Ease. Table 1 outlines the factors assessed for the removal of AR88 using CHS-BZ/LAC, along with their respective ranges and limitations. The BBD matrix consists of three components, with the associated reaction (AR88 removal) outlined in Table 2. A quadratic polynomial model was utilized to evaluate the influence of biosorption variables on the removal of AR88, as represented by Eq. (1):
The equation demonstrates the percentage of AR88 dye removal, with denoting the dependent variable. and represent the factors, indicates the constant coefficient, and , and refer to
Table 2. The 3 -variables BBD matrix and experimental data for AR88 removal by CHS-BZ/LAC.
Run A: Dose (g) B: pH C: Time (min) AR88 removal (%)
1 0.02 4 25 61.0
2 0.1 4 25 94.5
3 0.02 10 25 23.6
4 0.1 10 25 35.5
5 0.02 7 10 46.8
6 0.1 7 10 55.4
7 0.02 7 40 55.0
8 0.1 7 40 81.8
9 0.06 4 10 79.8
10 0.06 10 10 21.4
11 0.06 4 40 86.3
12 0.06 10 40 53.7
13 0.06 7 25 52.1
14 0.06 7 25 54.7
15 0.06 7 25 53.7
16 0.06 7 25 56.0
17 0.06 7 25 49.4
the coefficients for the interaction, quadratic, and linear components, respectively. The relationship between biosorption parameters and the target outcome (AR88 removal) can be assessed by analyzing the coefficients obtained from fitting the experimental data to the regression model. The BBD-RSM methodology enables the identification of optimal operational parameters for maximizing AR88 elimination and minimizing the number of required experimental runs. Seventeen runs of BBD for the removal of AR88 were performed using a 250 mL Erlenmeyer flask containing 100 mL of AR88 solution with a designated quantity of CHS-BZ/LAC (refer to Table 2). The flask was subsequently placed in a thermostatic water bath and agitated at a rate of 100 rpm for a specified
Fig. 2. XRD pattern of CHS-BZ/LAC.
duration. Following the biosorption process, the CHSBZ/LAC biosorbent was isolated from the solution using a syringe filter. The residual concentration of AR88 in the filtrate was measured using a spectrophotometer (HACH DR 3900) at a wavelength of 505 nm . The efficiency of AR88 removal (%) was evaluated using Eq. (2):
represents the initial concentration of AR88 at , while indicates the residual equilibrium concentration of AR88 following the biosorption process.

3. Results and discussion

3.1. Characterization of CHS-BZ/LAC

The X-ray diffraction (XRD) pattern of the CHSBZ/LAC composite is shown in Fig. 2, and it exhibits a prominent peak around , characteristic of chitosan’s semi-crystalline nature [37]. Additional peaks at higher , and values suggest the formation of Schiff base linkages between chitosan and benzaldehyde, enhancing the material’s
crystallinity [38, 39]. The involvement of LAC in the synthesis may introduce mineral phases, such as calcium compounds, contributing to the observed diffraction peaks, aligning with studies on biomineralization in microbial composites [40].
The FTIR investigation characterized the IR absorption bands of the CHS-BZ/LAC biosorbent and CHS-BZ/LAC-AR88, as shown in Fig. 3. Fig. 3a indicates that the wavenumber at is associated with the N-H and -OH stretching vibrations in CHS and LAC [41, 42]. The band at is attributed to the C-H stretch [43], whereas the minor band at is linked to stretching vibrations [44]. The primary N-H and C-N stretching of the hydroxyl groups corresponds to the significant bands observed at and [45, 46], respectively. The peaks observed at 1055 correspond to the C-O-C bond [47]. Fig. 3b presents the CHS-BZ/LAC-AR88 spectra, which display multiple peaks resembling those of CHS-BZ/LAC shown in Fig. 3a. Notable changes are observed in all detected bands. This finding indicates that the functional group in CHS-BZ/LAC facilitates the biosorption process of AR88.
The morphological characteristics of the synthesized CHS-BZ/LAC hybrid composite were examined using SEM-EDX. Fig. 4 presents the SEM-EDX results
Fig. 3. FTIR spectra of (a) CHS-BZ/LAC, and (b) CHS-BZ/LAC + AR88.
Fig. 4. SEM-EDX of (a-b) CHS-BZ/LAC, (c-d) CHS-BZ/LAC+AR88 at ( 3.0 kx and 5.0 kx ), (L1, EDX mapping of CHS-BZ/LAC (C, O, N, P, S), and (L2, EDX mapping of CHS-BZ/LAC+AR88 (C, O, N, P, S), EDX analysis (e) CHS-BZ/LAC, and (f) CHS-BZ/LAC+AR88.
Table 3. Analysis of variance (ANOVA) for AR88 dye removal onto CHS-BZ/LAC.
Source Sum of Squares df Mean Square F-value p-value Remark
Model 6432.84 9 714.76 112.84 <0.0001 significant
A-Dose 816.08 1 816.08 128.84 <0.0001 significant
B-pH 4389.84 1 4389.84 693.06 <0.0001 significant
C-Time 673.45 1 673.45 106.32 <0.0001 significant
AB 116.64 1 116.64 18.41 0.0036 significant
AC 82.81 1 82.81 13.07 0.0086 significant
BC 166.41 1 166.41 26.27 0.0014 significant
A 0.0067 1 0.0067 0.0011 0.9749 not significant
1.10 1 1.10 0.1729 0.6900 not significant
183.97 1 183.97 29.04 0.0010 significant
Residual 44.34 7 6.33
Lack of Fit 18.35 3 6.12 0.9415 0.4997 not significant
Pure Error 25.99 4 6.50
Cor Total 6477.18 16
0.9932 Adjusted 0.9844 Predicted 0.9484
for CHS-BZ/LAC and CS-CHS-BZ/LAC-AR88 at two magnification levels ( 3.0 k and 5.0k). Fig. 4a and 4b demonstrate that the surface of CHS-BZ/LAC displays a rugged and fissured texture, marked by numerous randomly dispersed cracks and small visible voids. This observation suggests the successful development of an optimal biosorbent structure conducive to the binding of AR88 [48]. Additionally, Fig. 4c and 4d illustrate that the CHS-BZ/LAC effectively captured the AR88 dye. The chemical composition of CHS-BZ/LAC before and after AR88 biosorption was analyzed using EDX and EDX mapping, revealing the presence of C, N, P, S, and O constituents in both the CHS-BZ/LAC and the biosorbent dye system (see Fig. 4, L1 and L2). The EDX analysis (Fig. 4e and 4f) data indicate an increase in carbon and nitrogen elements following the biosorption of AR88, suggesting a potential enhancement in binding with AR88.

3.2. Statistical optimization

An ANOVA analysis was conducted to evaluate the applicability of the AR88 removal model, with the results presented in Table 3. The F-model of 112.84, accompanied by a p-value below 0.0001 , demonstrates the significant relevance of the utilized model [49]. The strong correlation between observed values and predicted values is evidenced by an value of 0.99 . Variables possess p-values are considered significant in the removal of AR88 [50]. Consequently, , and BC are important for the removal of AR88. The final regression equation Eq. (3) for AR88 removal was obtained by excluding insignificant components.
Assessing a model’s applicability necessitates the analysis of its residuals. The residuals of the validated model demonstrate a uniform distribution around the fitted line, as shown in Fig. 5a. The validation evaluates the model’s predictive accuracy in comparison to actual data, thereby indicating its reliability [51]. Fig. 5b presents a comparison between the experimental data and the model-predicted removal efficiency values for dye. The close alignment between anticipated and actual values for AR88 removal (see Fig. 5b) indicates a significant level of consistency. The correspondence between the experimental and projected results demonstrates the robustness of the statistical analysis and reinforces the conclusions of the experiment [52]. Furthermore, Fig. 5c illustrates the residuals plotted against the run number to eliminate the presence of AR88 dye. The data points in Fig. 5c exhibit a heterogeneous distribution around the initial point, indicating the reliability and precision of the model [53]. Fig. 5d depicts the Lambda transformation of the residuals within the Box-Cox graph. The optimal lambda value for the elimination of AR88 was established at 1.28, which is within the range of 0.45 to 2.24 . Fig. 5d demonstrates that the current model, following AR88 removal, exhibits a lambda value of 1 . The results suggest that altering data power is not required [54, 55].

3.3. Perturbation of AR88 dye removal

The perturbation plot was utilized to examine the simultaneous impact of four input variables on the AR88 removal efficiency, as illustrated in Fig. 6. Four input variables are identified as key factors for achieving maximum AR88 removal efficiency. The pronounced curvature observed for the CHS-BZ/LAC
Fig. 5. (a) Normal probability plot of residuals (b) the plot of the relationship between the predicted and actual values (c) residual vs run number (d) Box-Cox plot for AR88 removal by CHS-BZ/LAC.
dosage (variable A) suggests a high sensitivity of AR88 removal efficiency to this variable. As the adsorbent dose (variable A) increases, the removal efficiency of AR88 also increases. A pronounced curvature in solution pH (variable B) indicates that the AR88 removal efficiency was responsive to this variable. The temperature curve (variable C) reflects the sensitivity of the response at varying contact time levels [56].

3.4. 3D and 2D dual impact of parameters in AR88 removal

Three and two-dimensional response surface diagrams were generated to analyze the effects of the studied parameters and identify significant correlations among the variables evaluated in the AR88 removal processes. Fig. 7a and 7b demonstrate the effect of CHS-BZ/LAC dose and pH on the removal rate
Fig. 6. Perturbation plot for AR88 dye removal (variable A: absorbent dose, B: pH, and C: contact time).
of AR88, with the time held constant at 10 min . The findings indicate a significant improvement in the adsorption efficiency of AR88 at a pH of 4. Fig. 7a and 7b demonstrate that higher dosages of CHS-BZ/LAC and decreased pH values enhance the efficiency of AR88 removal [57]. The acidic condition influences the adsorption of AR88, determining the preference of the adsorbate for anionic or cationic states on the surface of CHS-BZ/LAC at a highly acidic pH of 4, the surface of the CHS-BZ/LAC biocomposite attains a positive charge. The AR88 dye molecules simultaneously acquire a negative charge. The decreased pH level of AR88 dye increases the affinity of anionic dye molecules for the CHS-BZ/LAC biocomposite [58], as demonstrated in Eq. (4).
Moreover, Fig. 7c and 7d demonstrate the influence of dosage and contact time of CHS-BZ/LAC on the rates of AR88 removal. The pH was maintained at a constant value of 4. The data presented in Fig. 7c and 7d demonstrate that increasing the amount of CHS-BZ/LAC from 0.06 g to 0.1 g improved the efficiency of AR88 removal. The improved removal of AR88 is due to the extensive surface area and effective adsorption sites of CHS-BZ/LAC at increased
doses [59]. Additionally, Fig. 7e and 7f illustrate the combined effects of pH and time on the rate of AR88 removal, with a constant CHS-BZ/LAC dose of 0.1 g . Fig. 7e and 7f demonstrate that the adsorption efficiency of the AR88 dye improved with an increase in contact time from 10 to 25 min . The AR88 dye necessitates an optimal duration for effective penetration into the internal structure of CHS-BZ/LAC [60]. The optimal removal of AR88 dye is achieved at pH 4 . This discovery indicates that optimal conditions for AR88 adsorption are found in an acidic environment.

3.5. Biosorption mechanism

The finding of the CHS-BZ/LAC characterization study such as FTIR, supports the fostering of the possible adsorption mechanism that influences the AR88 dye adsorption by CHS-BZ/LAC. The possible interaction of AR88 with CHS-BZ/LAC is presented in Fig. 8. The FTIR finding shows that CHS-BZ/LAC biosorbent has various functional groups that influence the AR88 binding process. The functional group of carboxyl ( -COOH ), amino ( ), and hydroxyl was generated from the composition of (LAC) and (CHS), which inherently exhibit a high concentration of active groups. The interaction of functional groups ( and ) of from (CHS-BZ/LAC)
Fig. 7. 3D and 2D response surface plots of significant interactions of (a-b) AB (CHS-BZ/LAC dose × pH), (c-d) AC (CHS-BZ/LAC dose × Time), and (e-f) BC (pH vs Time) in the AR88 removal.
Hydrogen bonding
Electrostatic force
interaction and interaction
Fig. 8. Illustration of the possible interaction between CHS-BZ/LAC surface and AR88 including electrostatic attraction, hydrogen bonding interactions, and interaction and interaction.
biosorbent with a group ( ) of the AR88 dye produced the electrostatic attraction. The interactions of hydrogen play a crucial role in the adsorption mechanism of AR88 dye. The interactions take place between the hydrogen atoms on the surface structure of CHS-BZ/LAC and the oxygen and nitrogen atoms in the AR88 dye structure [61, 62]. The interactions
involving electrons play a crucial role in the adsorption of AR88 dye. This phenomenon arises from the interaction between the electron-donating system, consisting of oxygen and nitrogen groups in the CHS-BZ/LAC adsorbent, and the electron-accepting system formed by the aromatic rings of the AR88 dye [63].

4. Conclusion

This study details the generation of an innovative eco-friendly biosorbent, CHS-BZ/LAC, formed through the integration of chitosan (CHS) and Lactobacillus casei biomass (LAC) using benzaldehyde as grafting agent and hydrothermal synthesis methods. CHS-BZ/LAC biosorbent shows significant efficacy in the removal of AR88 dye from aqueous solutions. The CHS-BZ/LAC shows unique characteristics based on the characterization findings such as XRD analysis showing the crystallinity structure of CHS-BZ/LAC. Moreover, the FTIR analysis shows the diverse functional groups in the CHS-BZ/LAC structure (OH, C-H, , and ), that result from the integration of LAC in the structure of CHS and also from the grafting process. The CHS-BZ/LAC biosorbent exhibits the effectiveness of AR88 biosorption in an acidic medium. The process of AR88 biosorption by CHS-BZ/LAC biosorbent was facilitated by multiple mechanisms including hydrogen bonding, electrostatic forces, interaction, and attraction. The findings of this research validate possible innovation of biosorbent generation using a combination of chitosan and L. casei, and grafting using benzaldehyde via hydrothermal process. In addition, the CHS-BZ/LAC shows effectiveness as be reliable and efficient biosorbent for the removal of hazardous azo dyes.

Ethical statement

No ethical approval was required for this study.

Conflict of interest statement

The authors declare that they have no competing interests.

Data availability statement

All data generated or analyzed during this study are included in this published article.

Funding

Not available

Author contributions

All authors contributed equally to the conception and design of the study.

References

  1. Jorge N, Teixeira AR, Gomes A, Lucas MS, Peres JA. Removal of azo dye acid red 88 by Fenton-based processes optimized by response surface methodology box-Behnken design. The 4th International Electronic Conference on Applied Sciences. 2023;56:164. Basel Switzerland: MDPI. doi: 10. 3390/ASEC2023-15501.
  2. Berradi M, Hsissou R, Khudhair M, Assouag M, Cherkaoui O , El harfi A . Textile finishing dyes and their impact on aquatic environs. Heliyon 2019;5:e02711. doi: 10.1016/j. heliyon.2019.e02711.
  3. Yaseen DA, Scholz M. Textile dye wastewater characteristics and constituents of synthetic effluents: A critical review. Int. J. Environ. Sci. Technol. 2019;16:1193-1226. doi: 10.1007/ s13762-018-2130-z.
  4. Tejashwini DM, Harini HV, Nagaswarupa HP, Naik R, Chidananda B. A comparative study of green and chemical approaches for photocatalytic activity of novel hybrid bismuth magnesium ferrites ( ) nanoparticles for Acid Red-88 dye degradation. Results Chem. 2024;7:101267. doi: 10.1016/j.rechem.2023.101267.
  5. Dong G, Chen B, Liu B, Hounjet LJ, Cao Y, Stoyanov SR, Yang M, Zhang B. Advanced oxidation processes in microreactors for water and wastewater treatment: Development, challenges, and opportunities. Water Res. 2022;211:118047. doi: 10.1016/j.watres.2022.118047.
  6. Swanckaert B, Geltmeyer J, Rabaey K, De Buysser K, Bonin L, De Clerck K. A review on ion-exchange nanofiber membranes: Properties, structure and application in electrochemical (waste) water treatment. Sep. Purif. Technol. 2022;287:120529. doi: 10.1016/j.seppur.2022.120529.
  7. Hu P, Ren J, Hu X, Yang H. Comparison of two starchbased flocculants with polyacrylamide for the simultaneous removal of phosphorus and turbidity from simulated and actual wastewater samples in combination with . Int. J. Biol. Macromol. 2021;167:223-232. doi: 10.1016/j.ijbiomac. 2020.11.176.
  8. Santoso SP, Angkawijaya AE, Bundjaja V, Hsieh CW, Go AW, Yuliana M, Hsu HY, Tran-Nguyen PL, Soetaredjo FE, Ismadji S. /guar gum hydrogel composite for adsorption and photodegradation of methylene blue. Int. J. Biol. Macromol. 2021;193:721-733. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2021.10.044.
  9. Li Z, Xie W, Zhang Z, Wei S, Chen J, Li Z. Multifunctional sodium alginate/chitosan-modified graphene oxide reinforced membrane for simultaneous removal of nanoplastics, emulsified oil, and dyes in water. Int. J. Biol. Macromol. 2023;245:125524.
  10. Mushahary N, Sarkar A, Das B, Rokhum SL, Basumatary S. A facile and green synthesis of corn cob-based graphene oxide and its modification with corn cob- for efficient removal of methylene blue dye: Adsorption mechanism, isotherm, and kinetic studies. J. Indian Chem. Soc. 2024;101(11):01409.
  11. Agha HM, Abdulhameed AS, Jawad AH, ALOthman ZA, Wilson LD, Algburi S. Fabrication of glutaraldehyde crosslinked chitosan/algae biomaterial via hydrothermal process: Statistical optimization and adsorption mechanism for MV 2B dye removal. Biomass Conv. Bioref. 2025;15:1105-1119. doi: 10. 1007/s13399-023-05143-3.
  12. Brazesh B, Mousavi SM, Zarei M, Ghaedi M, Bahrani S, Hashemi SA. Biosorption. In M. N. V. Prasad & A. Vithanage (Eds.), Handbook of Metal-Microbe Interactions and Bioremediation 2021;33:587-628. Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-12-818805-7.00003-5.
  13. Ravindran B, Karmegam N, Yuvaraj A, Thangaraj R, Chang SW, Zhang Z, Awasthi MK. Cleaner production of agriculturally valuable benignant materials from industry generated bio-wastes: A review. Bioresour. Technol. 2021;320:124281. doi: 10.1016/j.biortech.2020.124281
  14. Nawaz S, Tabassum A, Muslim S, Nasreen T, Baradoke A, Kim TH, Boczkaj G, Jesionowski T, Bilal M. Effective assessment of biopolymer-based multifunctional sorbents for the remediation of environmentally hazardous contaminants from aqueous solutions. Chemosphere, 2023;329:138552.
  15. Pham VHT, Kim J, Chang S, Chung W. Bacterial biosorbents, an efficient heavy metals green clean-up strategy: Prospects, challenges, and opportunities. Microorganisms 2022;10(3):610.
  16. Radzun KA, Agha HM, Abdullah NFF, Ahmad MI, Ivanovski I, Mohammed AA, Alkamil A A. Media optimization techniques for microalgae through technological advancements: A mini review AUIQ. Complem. Biol. Syst. 2024;1(1):60-69.
  17. Taketa TB, Mahl CR, Calais GB, Beppu MM. Amino acidfunctionalized chitosan beads for in vitro copper ions uptake in the presence of histidine. Int. J. Boil. Macromol. 2021;188:421-431.
  18. Bekheit MM, Nawar N, Addison AW, Abdel-Latif DA, and Monier M. Preparation and characterization of chitosan-grafted-poly(2-amino-4,5-pentamethylene-thiophene-3 carboxylic acid N’-acryloyl-hydrazide) chelating resin for removal of Cu (II), Co (II) and Ni (II) metal ions from aqueous solutions. Int. J. Boil. Macromol. 2011;48(4):558-565.
  19. Sahib SAA, Awad SH. Synthesis, Characterization of chitosan para- hydroxyl benzaldehyde schiff base linked maleic anhydride and the evaluation of its antimicrobial activities. Baghdad Sci. J. 2022;19(6):1265.
  20. Khan A, Alamry KA. Recent advances of emerging green chitosan-based biomaterials with potential biomedical applications: A review. Carbohydr. Res. 2021;506:108368.
  21. Jawad AH, Hameed BH, Abdulhameed AS. Synthesis of biohybrid magnetic chitosan-polyvinyl alcohol/ MgO nanocomposite blend for remazol brilliant blue R dye adsorption: Solo and collective parametric optimization. Polym. Bull. 2023;80(5):4927-4947.
  22. Agha HM, Jawad AH, ALOthman Z A, Wilson LD. Design of chitosan and watermelon (Citrullus lanatus) seed shell composite adsorbent for reactive orange 16 dye removal: Multivariable optimization and dye adsorption mechanism study. Biomass Conv. Bioref. 2024. doi: 10.1007/s13399-024-06362y.
  23. Tahira I, Aslam Z, Abbas A, Monim-ul-Mehboob M, Ali S, Asghar A. Adsorptive removal of acidic dye onto grafted chitosan: A plausible grafting and adsorption mechanism. Int. J. Boil. Macromol. 2019;136:1209-1218.
  24. Hermosillo-Ochoa E, Picos-Corrales LA, Licea-Claverie A. Ecofriendly flocculants from chitosan grafted with PNVCL and PAAc: Hybrid materials with enhanced removal properties for water remediation. Sep. Purif. Technol. 2021;258:118052.
  25. Huang C, Liao H, Ma X, Xiao M, Liu X, Gong S, Zhou X. Adsorption performance of chitosan Schiff base towards anionic dyes: Electrostatic interaction effects. Chem. Phys. Lett. 2021;780:138958.
  26. Arni LA, Hapiz A, Abdulhameed AS, Khadiran T, ALOthman ZA, Wilson LD, Jawad AH. Design of separable magnetic chitosan grafted-benzaldehyde for azo dye removal via a response surface methodology: Characterization and adsorption mechanism. Int. J. Biol. Macromol. 2023;242:125086. doi: 10.1016/j.jjbiomac.2023.125086.
  27. Sun Y, Kang Y, Zhong W, Liu Y, Dai Y. A simple phosphorylation modification of hydrothermally cross-linked chitosan for selective and efficient removal of U (VI). J. Solid State Chem. 2020;292:121731.
  28. Sayilgan E, Cakmakci O. Treatment of textile dyeing wastewater by biomass of Lactobacillus: Lactobacillus 12 and Lactobacillus rhamnosus. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2012;20(3):1556-1564. doi: 10.1007/s11356-012-1009-7.
  29. Seesuriyachan P, Kuntiya A, Sasaki K, Techapun C. Comparative study on methyl orange removal by growing cells and washed cell suspensions of Lactobacillus casei TISTR 1500. World J. Microbiol. Biotechnol. 2009;25:973-979.
  30. Capozzi V, Tufariello M, De Simone N, Fragasso M, Grieco F. Biodiversity of oenological lactic acid bacteria: Species- and strain-dependent plus/minus effects on wine quality and safety. Fermentation 2021;7:24. doi: 10.3390/ fermentation7010024.
  31. Mora-Villalobos JA, Montero-Zamora J, Barboza N, RojasGarbanzo C, Usaga J, Redondo-Solano M, Schroedter L, Olszewska-Widdrat A, López-Gómez JP. Multi-product lactic acid bacteria fermentations: A review. Fermentation 2020;6:23. doi: 10.3390/fermentation6010023.
  32. Aazmi S, Teh LK, Ramasamy K, Rahman T, Salleh MZ. Comparison of the anti-obesity and hypocholesterolaemic effects of single Lactobacillus casei strain Shirota and probiotic cocktail. Int. J. Food Sci. Technol. 2015;50(7):1589-1597.
  33. Şuteu D, Zaharia C, Blaga AC, Peptu AC. Biosorbents based on residual biomass of Lactobacillus sp. bacteria consortium immobilized in sodium alginate for Orange 16 dye retention from aqueous solutions. Desalination Water Treat. 2022;246:315324. doi: 10.5004/dwt.2022.28018.
  34. Begum S, Yuhana NY, Saleh NM, Kamarudin NN, Sulong AB. Review of chitosan composite as a heavy metal adsorbent: Material preparation and properties. Carbohydr. Poly. 2021;259:117613.
  35. Mehrotra T, Dev S, Banerjee A, Chatterjee A, Singh R, Aggarwal S. Use of immobilized bacteria for environmental bioremediation: A review. J. Environ. Chem. Eng. 2021;9(5):105920.
  36. Agha HM, Jawad AH, Wilson LD, ALOthman ZA. Preparation and characterisation of chitosan/bacterial Escherichia coli biocomposite for malachite green dye removal: Modeling and optimisation of the adsorption process. Int. J. Environ. Anal. Chem. 2024;1-23. doi: 10.1080/03067319.2024.2426730.
  37. Tertsegha S, Akubor PI, Iordekighir AA, Christopher K, Okike OO. Extraction and characterization of chitosan from snail shells (Achatina fulica). J. Food Qual. Hazards Control. 2024;11(3):186-196.
  38. Jayakumar R, Prabaharan M, Nair SV, Tamura H. Novel chitin and chitosan nanofibers in biomedical applications. Biotechnol. Adv. 2010;28(1):142-150.
  39. Okunzuwa GI, Enaroseha OO, Okunzuwa SI. Synthesis and characterization of Fe (III) chitosan nanoparticles n-benzaldehyde Schiff base for biomedical application. Chem. Pap. 2024;78(5):3253-3260. doi: 10.1007/s11696-024-03309-5.
  40. Singh S, Singh G, Kang TS. Biomineralization and its application in bioinspired green composites: Emerging research and opportunities. In handbook of research on green engineering techniques for modern manufacturing. IGI Global. 2020;1-25.
  41. Wang W, Hu J, Zhang R, Yan C, Cui L, Zhu J. A pHresponsive carboxymethyl cellulose/chitosan hydrogel for adsorption and desorption of anionic and cationic dyes. Cellulose 2021;28:897-909. doi: 10.1007/s10570-020-03561-4.
  42. Abdulqader MA, Suliman MA, Ahmed TA, Wu R, Bobaker A, Tiyasha T, Al-Areeq N. Conversion of chicken rice waste into char via hydrothermal, pyrolysis, and microwave carbonization processes: A comparative study. AUIQ Complem. Biol. Syst. 2024;1(1):1-9.
  43. Kekes T, Tzia C. Adsorption of indigo carmine on functional chitosan and -cyclodextrin/chitosan beads: Equilibrium, kinetics and mechanism studies. J. Environ. Manage. 2024;262:110372. doi: 10.1016/j.jenvman.2020.110372.
  44. Pérez-Calderón J, Santos MV, Zaritzky N. Synthesis, characterization and application of cross-linked chitosan/oxalic acid hydrogels to improve azo dye (Reactive Red 195) adsorption. React. Funct. Polym. 2020;155:104699. doi: 10.1016/j. reactfunctpolym.2020.104699.
  45. Fatoni A, Hariani PL, Hermansyah H, Lesbani A. Synthesis and characterization of chitosan linked by methylene bridge and schiff base of 4, 4-diaminodiphenyl ether-vanillin. Indones. J. Chem. 2018;18(1):92-101. doi: 10.22146/ijc. 25866.
  46. El-Sakhawy M, Kamel S, Salama A, Tohamy HAS. Preparation and infrared study of cellulose based amphiphilic materials. Cellul. Chem. Technol. 2018;52(3-4):193-200.
  47. Zhao W, Liu S, Yin M, He Z, Bi D. Co-pyrolysis of cellulose with urea and chitosan to produce nitrogen-containing compounds and nitrogen-doped biochar: Product distribution characteristics and reaction path analysis. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2023;169:105795. doi: 10.1016/j.jaap.2022.105795.
  48. Amrutha SR, Suja NR, Menon S. Morphological analysis of Biomass. In Thomas, S., Hosur, M., Pasquini, D., Jose Chirayil, C. (Eds.). Handbook of Biomass. Springer, Singapore. 2023. doi: 10.1007/978-981-19-6772-6_15-1.
  49. Kutluay S, Temel T. Silica gel based new adsorbent having enhanced VOC dynamic adsorption/desorption performance. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2022;609:125848.
  50. Es-Haghi A, Taghavizadeh Yazdi ME, Sharifalhoseini M, Baghani M, Yousefi E, Rahdar A, Baino F. Application of response surface methodology for optimizing the therapeutic activity of ZnO nanoparticles biosynthesized from Aspergillus niger. Biomimetics 2021;6(2):34. doi: 10.3390/ biomimetics6020034.
  51. Onu CE, Nwabanne JT, Ohale PE, Asadu CO. Comparative analysis of RSM, ANN and ANFIS and the mechanistic modeling in eriochrome black-T dye adsorption using modified clay. S. Afr. J. Chem. Eng. 2021;36:24-42. doi: 10.1016/j. sajce.2020.12.003.
  52. Gonbadi M, Sabbaghi S, Rasouli J, Rasouli K, Saboori R, Narimani M. Green synthesis of ZnO nanoparticles for spent caustic recovery: Adsorbent characterization and process optimization using I-optimal method. Inorg. Chem. Commun. 2023;158:111460. doi: 10.1016/j.inoche.2023.111460.
  53. Nayak AK, Pal A. Statistical modeling and performance evaluation of biosorptive removal of Nile blue A by lignocellulosic
    agricultural waste under the application of high-strength dye concentrations. J. Environ. Chem. Eng. 2020;8(2):103677. doi: 10.1016/j.jece.2020.103677.
  54. Foroutan R, Peighambardoust SJ, Mohammadi R, Peighambardoust SH, Ramavandi B. Development of new magnetic adsorbent of walnut shell ash/starch/ for effective copper ions removal: Treatment of groundwater samples. Chemosphere 2022;296:133978.
  55. Al-dhawi BNS, Kutty SRM, Alawag AM, Almahbashi NMY, Al-Towayti FAH, Algamili A, Jagaba AH. Optimal parameters for boron recovery in a batch adsorption study: Synthesis, characterization, regeneration, kinetics, and isotherm studies. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering 2023;8:100508. doi: 10.1016/j.cscee.2023.100508.
  56. Abdulhameed AS, Mohammad A-T, Jawad AH. Modeling and mechanism of reactive orange 16 dye adsorption by chitosanglyoxal/ nanocomposite: Application of response surface methodology. Desalination Water Treat. 2019;164:346-360.
  57. Aragaw TA, Alene AN. A comparative study of acidic, basic, and reactive dyes adsorption from aqueous solution onto kaolin adsorbent: Effect of operating parameters, isotherms, kinetics, and thermodynamics. Emerg. Contam. 2022;8:59-74. doi: 10.1016/j.emcon.2022.01.002.
  58. Agha HM, Allaq A, Jawad AH, Aazmi S, ALOthman ZA, Wilson LD. Immobilization of Bacillus subtilis bacteria into biohybrid crosslinked chitosan-glutaraldehyde for acid red 88 dye removal: Box-Behnken design optimization and mechanism study. J Inorg Organomet Polym. 2024. doi: 10.1007/s10904-024-03264-4.
  59. Al-Hazmi GA, Alayyafi AA, El-Desouky MG, El-Bindary AA. Chitosan-nano CuO composite for removal of mercury (II): Box-Behnken design optimization and adsorption mechanism. Int. J. Biol. Macromol. 2024;261:129769.
  60. Mary Ealias A, Saravanakumar MP. A critical review on ultrasonic-assisted dye adsorption: Mass transfer, half-life and half-capacity concentration approach with future industrial perspectives. Crit. Rev. Env. Sci. Tec. 2019;49(21):1959-2015. doi: 10.1080/10643389.2019.1601488.
  61. Reghioua A, Barkat D, Jawad AH, Abdulhameed AS, Rangabhashiyam S, Khan MR, ALOthman ZA. Magnetic chitosanglutaraldehyde/zinc oxide/ nanocomposite: Optimization and adsorptive mechanism of Remazol Brilliant Blue R dye removal. J. Polym. Environ. 2021;29:3932-3947. doi: 10.1007/s10924-021-02133-8.
  62. Blachnio M, Zienkiewicz-Strzalka M, Derylo-Marczewska A. Synthesis of composite sorbents with chitosan and varied silica phases for the adsorption of Anionic Dyes. Molecules 2024;29(9):2087. doi: 10.3390/molecules29092087.
  63. Singh SK, Das A. The interaction: A rapidly emerging non-covalent interaction. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015;17(15):9596-9612. doi: 10.1039/C4CP05665A.
  1. Recommended Citation
    Aghaa, Hasan M.; Musa, Salis A.; Hapiz, Ahmad; Wu, Ruihong; Al-Essa, Khansaa; Saleh, Ali Mohammed; and Reghioua, Abdallah (2025), Biocomposite Adsorbent of Grafted Chitosan-benzaldehyde/Lactobacillus Casei Bacteria for Removal of Acid Red 88 Dye: Box-Benken Design Optimization and Mechanism Approach, AUIQ Complementary Biological System: Vol. 2: Iss. 1, 1-14.
    DOI: https://doi.org/10.70176/3007-973X. 1020
    Available at: https://acbs.alayen.edu.iq/journal/vol2/iss1/1
  2. Received 10 January 2025; revised 13 January 2025; accepted 19 January 2025.
    Available online 5 March 2025
    • Corresponding authors.
    E-mail addresses: hasanagha586@gmail.com (H. M. Agha), ahmad.hapiz01@gmail.com (A. Hapiz).