Effiziente Entfernung pharmazeutischer Verunreinigungen aus Wasser und Abwasser durch immobilisierte Laccase auf Aktivkohle aus Granatapfelschalen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 11933 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurden Granatapfelschalen (PPs), die in der Obstverarbeitung häufig anfallen, zur Herstellung kostengünstiger, umweltfreundlicher und hochwertiger Aktivkohle verwendet. Die produzierte Kohle (fossilfreie Aktivkohle) wurde zur Immobilisierung von Laccase verwendet, um eine Reihe neu auftretender Schadstoffe, nämlich Diclofenac, Amoxicillin, Carbamazepin und Ciprofloxacin, aus Wasser und Abwasser zu entfernen. Die mit Laccase beladene Aktivkohle (LMPPs) und die unbeladene Aktivkohle (MPPs) wurden mithilfe fortschrittlicher Techniken zur Analyse der Oberflächenchemie charakterisiert. Es wurde festgestellt, dass MPPs eine poröse Struktur mit einer großen Oberfläche und einer Fülle saurer funktioneller Gruppen aufweisen. Die Immobilisierung von Laccase verringerte die Oberfläche, fügte jedoch aktive Abbaustellen hinzu. Als optimale Immobilisierungsparameter wurden pH 4, 35 °C und eine Laccase-Konzentration von 2,5 mg/ml ermittelt, was zu einer Immobilisierungsausbeute von 69,8 % führte. Die Adsorption des entstehenden Schadstoffs an MPPs lässt sich am besten als spontaner endothermer Prozess charakterisieren, der der Langmuir-Isotherme und der Kinetik erster Ordnung folgt. Durch synergistische Adsorption und enzymatischen Abbau wurden die Zielschadstoffe (50 mg/L) innerhalb von 2 Stunden eliminiert. In beiden Wassertypen übertrafen LMPPs MPPs. Diese Studie zeigt, dass Granatapfelschalen effektiv als Enzymträger und Adsorbens für die Entfernung entstehender Schadstoffe selbst aus einer komplexen Probenmatrix genutzt werden können. Die Entfernung von Schadstoffen aus dem Abwasser dauerte fünf Zyklen, während sie bei Wasser bis zu sechs Zyklen dauerte.

Schätzungen zufolge wird die Weltbevölkerung bis zum Jahr 2050 neun Milliarden Menschen überschreiten1,2. Dies führt zu einem steigenden Bedarf an Trinkwasser und erhöht gleichzeitig die Abwasserproduktion. Dieses anhaltende Problem geht häufig mit einem ineffektiven Abwassermanagement, einer Verschlechterung der Abwasserinfrastruktur und unzureichenden Entsorgungssystemen mit begrenzten oder keinen Behandlungsverfahren einher3. Aufgrund dieser Probleme wird täglich eine Vielzahl von Chemikalien in die Umwelt eingeleitet, die möglicherweise in Oberflächengewässer gelangen2,3. Neu auftretende Kontaminanten (ECs) sind ein Überbegriff für verschiedene Substanzen, die in den letzten zwei Jahrzehnten erhebliche Bedenken hervorgerufen haben. Bei diesen Schadstoffen kann es sich um synthetische Verbindungen oder Substanzen handeln, die in der Natur in minimalen Mengen oder ohne Überwachung vorkommen und möglicherweise negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und andere Organismen haben. Diese widerspenstigen Verbindungen bestehen aus einer Vielzahl von Chemikalien wie Arzneimitteln, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, Körperpflegeprodukten und Pestiziden4,5. Die häufigsten Quellen für ECs sind Industrieabwässer, kommunale Abwässer, Kläranlagen (WWTPs), Haushaltsprodukte, Krankenhäuser, Deponien und pharmazeutische Produktionsunternehmen6. Unter den oben genannten Quellen gelten die Abwässer von Kläranlagen als die Hauptquelle für ECs. Kläranlagen sind nicht dafür ausgelegt, ECs und ihre Metaboliten vollständig zu entfernen, sodass sie mit dem eingeleiteten Abwasser in die aquatischen Ökosysteme gelangen können. Derzeit gibt es keine Richtlinien oder Standards für die Entsorgung und Einleitung von ECs in bestehende Kläranlagen7. In der Praxis weisen herkömmliche physikalische und chemische Verfahren zur Reduzierung organischer Verbindungen aus Abwasser mehrere schwerwiegende Einschränkungen auf, darunter unzureichende Reinigung, geringe Wirksamkeit, hohe Kosten, die Bildung gefährlicher Nebenprodukte und die Anwendung in einem engen Konzentrationsbereich8,9. Daher ist es allgemein anerkannt, dass ein dringender Bedarf besteht, wirksamere, innovativere und umweltfreundlichere Methoden zur Abwassersanierung zu entwickeln. Bioremediation oder biologischer Abbau, ein potenzielles neues Forschungsgebiet, wurde effektiv zur Beseitigung von ECs aus Wasser und Abwasser genutzt10. Biologische Abbaumethoden haben im Vergleich zu physikalisch-chemischen Methoden viele Vorteile, da sie kostengünstiger, sicherer und weniger störend sind11.

Laccasen (EC 1.10.3.2) sind weit verbreitete extrazelluläre Oxidoreduktasen in Bakterien und Pflanzen. Allerdings sind aus Pilzen wie Trametes versicolor, T. vilosa und Cerrena unicolor gewonnene Laccasen aufgrund ihrer hohen katalytischen Effizienz, Kosteneffizienz und Zugänglichkeit von erheblichem Interesse12. Die Gewinnung der Enzyme in freier Form aus flüssigen Proben ist äußerst schwierig13 und kann daher nur einmal für Anwendungen im Zusammenhang mit der Wasseraufbereitung verwendet werden. Dies erhöht die Kosten des Prozesses, da mehr Enzyme hergestellt und gereinigt werden müssen14. Darüber hinaus sind die Stabilität und Aktivität freier Enzyme in komplexen Matrices, wie beispielsweise stark kontaminiertem Abwasser, schlecht15. Die enzymatische Immobilisierung auf einem festen Träger wird angewendet, um die Stabilität und Speicherung von Enzymen zu verbessern16, was einen wirksamen Ansatz zur Beseitigung der oben genannten Einschränkungen darstellt. Mehrere Methoden der Laccase-Immobilisierung auf Nanomaterialien, Membranen und Fasern wurden durch Adsorption, Einkapselung und kovalente Bindung untersucht. Dennoch werden weiterhin kostengünstige und umweltfreundliche Materialien zur effizienten Entfernung von Schadstoffen benötigt17.

Aktivkohle aus agroindustriellen Abfällen, ein Kohlenstoffmaterial, das aus der Pyrolyse von Biomassematerial gewonnen wird, besitzt vorteilhafte Eigenschaften wie eine große spezifische Oberfläche, ausgezeichnete Dispergierbarkeit und Biokompatibilität für eine stabile und hochbelastete Enzymimmobilisierung18. Es wurden mehrere Beispiele für agroindustrielle Rückstände gemeldet, die als Träger dienen, insbesondere für Laccase mit seinem Potenzial zur Schadstoffentfernung. Laut Lonappan und Mitarbeitern42 wurde Diclofenac durch das immobilisierte Laccase-Enzym biologisch abgebaut. Die reife Schweine-Biokohle hatte die höchste Laccase-Bindungskapazität unter den Trägermaterialien, die zur Enzymimmobilisierung verwendet wurden, zu denen Biokohlen aus Kiefernholz und Mandelschalen gehörten. Die Vorbehandlung von Biokohlen mit Zitronensäure verstärkte die Bindung von Laccase. Darüber hinaus konnte mit immobilisierter Laccase aus reifer Schweinebiokohle Diclofenac (500 μg/L) innerhalb von zwei Stunden vollständig entfernt werden. In einer separaten Studie untersuchten Naghdi et al.29 die biologische Sanierung von Carbamazepin (CPZ) durch das Laccase-Enzym, das auf säurebehandelter Nano-Biokohle aus Kiefernholz immobilisiert wurde. Das immobilisierte biokatalytische System behielt nach drei Wiederverwendungszyklen 70 % seiner ursprünglichen Aktivität bei und entfernte 83 % der CPZ aus dem kontaminierten Wasser. Aus Quinoaschalen (QS) gewonnene Nanozellulose (NC) wurde als Träger für Laccase verwendet, um zwei Modellfarbstoffe (Malachitgrün (MG) und Kongorot (CR)) aus dem Wasser zu entfernen. Nach einer Stunde war das System bei der Entfärbung von MG wirksamer als von CR (92 % gegenüber 51 %), wenn die Farbstoffkonzentration 1000 mg/L betrug. Das System war in der Lage, konzentrierte Farbstofflösungen zu entfärben und zeigte eine hervorragende Wiederverwendbarkeit (bis zu 83 % Farbstoffentfernung nach 18 Zyklen für MG) und eine außergewöhnliche Wirksamkeit bei komplexen echten Textilabwässern82. Imam und Kollegen63 untersuchten den biologischen Abbau von Anthracen mithilfe von Laccase, die auf der Oberfläche von mit Säure behandelter Reisschalen-Biokohle immobilisiert war. Die Ergebnisse zeigten, dass mit Säure behandelte, mit Pflanzenkohle immobilisierte Laccase eine hohe Immobilisierungsausbeute von 66 % und eine hohe Betriebsstabilität aufwies. Darüber hinaus baute dieses immobilisierte System 50 mg/L Anthracen im wässrigen Batch-Modus innerhalb von 24 Stunden vollständig ab. García-Delgado und Kollegen83 untersuchten mit Pflanzenkohle (Steineiche (Quercus ilex)) immobilisierte Laccasen, die evaluiert wurden, um 0,1 mmol/L jedes Antibiotikums bei einer Konzentration von drei Tetracyclinen und sechs Sulfonamiden zu entfernen. Durch die Verwendung von Pleurotus eryngii-Laccase auf Pflanzenkohle wurden hohe Aktivitätsausbeuten (70,3 %) und katalytische Kapazitäten (1405 IU/g) erreicht. Nur Chlortetracyclin wurde in Gegenwart von Syringaldehyd vollständig eliminiert, wohingegen immobilisierte Laccase/ABTS-Systeme alle Tetracycline eliminierten. Die Laccase-Immobilisierung auf Fichten-Pflanzenkohle (Sba) und Ahorn-Pflanzenkohle (Mba) zeigte eine optimale Immobilisierung bei einem pH-Wert von 3 und einer Laccase-Konzentration von 16 g/L für 8 Stunden. Die Ahorn-Biokohle mit großer Oberfläche und großem Porenvolumen immobilisierte Laccase wirksamer als Sba, die wiederhergestellte Aktivität war jedoch unabhängig von der verwendeten Holzart. Die Immobilisierung erhöhte die thermische Stabilität der Laccase und verhinderte, dass sie Konformationsänderungen ertragen konnte65. Chen et al.84 bauten neun Pestizide ab, aber um maximale Effizienz zu gewährleisten, wählten sie kombinierte Methoden: biologischen Abbau mit Laccase, immobilisiert auf zwei Biosorbentien. Als Träger wurden Erdnussschalen und Weizenstroh verwendet und dem Reaktionssystem wurde Syringaldehyd zugesetzt, um die katalytischen Eigenschaften der Laccase zu verbessern. Innerhalb von drei Tagen wurden die Pestizide im Wasser Entfernungstests unterzogen. In einem System, in dem Laccase auf Erdnussschalen immobilisiert wurde, konnten 54,5 % der Verunreinigung abgebaut werden, während die Reaktionseffizienz für Weizenstroh 69,1 % betrug. In der folgenden Untersuchungsphase wurde die Kontaminationsquelle verändert. Unter Verwendung sowohl des Erdnussschalensystems als auch des Weizenstrohsystems wurden durch den biologischen Abbau von Pestiziden im Boden über einen Zeitraum von sieben Tagen 20 bis 92 % der Schadstoffe eliminiert. Aufgrund der unterschiedlichen Pestizidresistenz gegenüber enzymatischer Behandlung gibt es erhebliche Unterschiede in den Ergebnissen. Laccase wurde in Biokohle aus Avocadosamen immobilisiert und zur Sorption und Biotransformation von Paracetamol (ACT) eingesetzt. Nach der Behandlung mit Zitronensäure und Glutaraldehyd verbesserte die Pflanzenkohleoberfläche die Bindungsfähigkeit des Enzyms und des Trägers. Nach der Säurebehandlung vergrößerte sich die Oberfläche der Pflanzenkohle um etwa das Zwölffache und es wurden Carbonylgruppen beobachtet. Die immobilisierte Laccase behielt 50,7 % ihrer Aktivität bei der Biotransformation von ACT für bis zu sieben Wiederverwendungszyklen. Darüber hinaus zeigte das immobilisierte Enzym eine Lagerstabilität von 30 Tagen bei 4 °C und 25 °C und behielt über 90 % seiner Aktivität bei der Biotransformation von ACT85. Dos Santos et al.86 nutzten Maiskolben als grünen Träger für die Laccase-Immobilisierung und seine Anwendung beim Abbau des Farbstoffs Remazol Brilliant Blue R (RBBR) mit dem Ziel, agroindustrielle Rückstände aufzuwerten. Die höchsten Ausbeuten an immobilisiertem Protein (75 %) und Restaktivität (40 %) wurden bei pH 7,0 und einer Enzymkonzentration von 0,1 g/ml mit einer Enzymaktivität von 1854 U/kg erzielt. Bei 60 °C waren noch mehr als 90 % der ursprünglichen Aktivität des immobilisierten Biokatalysators vorhanden. In 48 Stunden baute das immobilisierte Enzym den RBBR-Farbstoff mit höherer Effizienz ab (64 %), und der Prozess verbesserte sich in 72 Stunden (75 %).

Zu den agroindustriellen Abfällen, die nicht als Träger für die Laccase-Immobilisierung zur Entfernung pharmazeutischer Verunreinigungen verwendet wurden, gehören Granatapfelschalen (PPs). Im Jahr 2017 wurde eine weltweite Granatapfelproduktion von 3,8 Millionen Tonnen prognostiziert19. Dennoch übersteigt die tatsächliche Menge die geschätzte Menge. Die Schale macht 50 % der Granatapfelfrucht aus20, sodass die Welt im Jahr 2017 etwa 1,9 Millionen Tonnen Schale produzierte. Diese große Menge Bioabfall kann in nützliche Materialien (z. B. Adsorbentien) für verschiedene Anwendungen wie die Wasseraufbereitung umgewandelt werden. Da die Behandlungslandschaft nach umweltfreundlichen Optionen und zur Reduzierung der Kohlenstoffemissionen drängt, wird es daher zwingend erforderlich, fossilfreie Ressourcenmaterialien wie PPs für biologische Sanierungsmethoden zu verwenden.

Nach bestem Wissen der Autoren haben jedoch keine Studien PPs als Träger für die Laccase-Immobilisierung zum Zweck der pharmazeutischen Entfernung untersucht und sie untersuchten die PPs lediglich als Adsorptionsmittel21,22,23,24,25. Ziel dieser Forschung war es daher, die Kapazität chemisch funktionalisierter PPs für zwei Anwendungen als Laccase-Träger und Adsorbens für die gleichzeitige Entfernung und den Abbau einer Reihe neu auftretender Chemikalien, einschließlich Diclofenac, Amoxicillin, Carbamazepin und Ciprofloxacin, in Wasser zu bewerten echte Abwasserproben. Die Auswahl dieser neu auftretenden Schadstoffe basierte auf ihrem häufigen Vorkommen in Gewässern und ihren potenziellen Umwelt- und Gesundheitsproblemen26. Zwei dieser neu auftretenden Schadstoffe, nämlich Amoxicillin und Ciprofloxacin, stehen auf der aktualisierten Beobachtungsliste der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie27. Die vorliegende Studie untersuchte auch den Einfluss betrieblicher Faktoren wie pH-Wert, Temperatur und Laccase-Konzentration auf die Adsorbierbarkeit von Laccase an PPs. Die Studie bewertet auch die Stabilität und Aktivität der adsorbierten Laccase auf PPs über mehrere Betriebszyklen hinweg.

Diclofenac (C14H11Cl2NO2, CAS-Nr.: 15307-86-5), Amoxicillin (C16H19N3O5S, CAS-Nr.: 26787-78-0), Carbamazepin (C15H12N2O, CAS-Nr.: 298-46-4) und Ciprofloxacin (C17H18FN3O3). , CAS-Nr.: 85721-33-1) wurden von Merck KGaA bezogen. Das 2,2′-Azino-bis-(3-ethylbenzothiazolin-6-sulfonsäure)-diammoniumsalz (ABTS) (98 %), Mineralsäuren und T. versicolor-Laccase wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Granatapfelschalen (Punica granatum L., Familie Punicaceae) (PPs) wurden kostenlos in einem örtlichen Geschäft im Irak bezogen. Andere in dieser Arbeit verwendete Chemikalien wurden von Sigma-Aldrich erworben. Die Chemikalien und Reagenzien in Analysequalität wurden ohne zusätzliche Reinigung verwendet.

Als Biosorbens wurden Granatapfelschalen (PP) zur Beseitigung entstehender Schadstoffe eingesetzt. Die Granatapfelschalen als kohlenstoffhaltiges Rohmaterial wurden mit destilliertem Wasser gereinigt, um Staub und Verunreinigungen zu entfernen, eine Woche lang in der Sonne getrocknet und dann einen Tag lang im Ofen bei 105 °C erhitzt. Die Schalen wurden mit der elektrischen Mühle gemahlen und gesiebt, um Partikelgrößen zwischen 0,5 und 1 mm zu erhalten. Anschließend wurden die PPs einen Tag lang in destilliertem Wasser eingeweicht und erneut bei 105 °C getrocknet. Wie in der Literatur28,29 berichtet, wurden zur Herstellung der Aktivkohle mit einigen Modifikationen die folgenden Verfahren angewendet: In einem Ofen wurden PPs 4 Stunden lang bei 105 °C getrocknet und dann in einen Edelstahlofen überführt Der Reaktor wurde mit einer Aufheizrate von 10 °C/min auf 600 °C erhitzt und 0,5 Stunden lang unter einem Stickstoffstrom (150 ml/min) als Spülgas bei dieser Temperatur gehalten. Nach dem Abschalten des Ofens wurde der Stickstoffstrom aufrechterhalten, bis die Temperatur unter 200 °C fiel. Anschließend wurden drei (3) Gramm karbonisiertes Material mit 400 ml Schwefelsäure (5 M H2SO4) und Salpetersäure (5 M HNO3) (1:1 V/V) in einem 800-ml-Siedekolben gemischt; Der Cocktail wurde auf einem Magnetrührer gerührt und 4 Stunden lang bei 80 °C unter Rückfluss erhitzt. Anschließend wurde das Produkt gründlich mit entionisiertem Wasser gewaschen, bis ein pH-Wert von 6–7 erreicht war. Anschließend wurde das Material über Nacht bei 80 °C in einem Ofen mit Luftzufuhr getrocknet, mit einem Achatmörser zu 100–125 µm großen Partikeln pulverisiert und für die anschließende Untersuchung in einem verschlossenen Behälter aufbewahrt. Das Endprodukt wurde als modifizierte Granatapfelschalen (MPPs) gekennzeichnet.

Die Synthese von MPPs wurde mithilfe einer Reihe physikalischer und chemischer Analysen charakterisiert. Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) mit einem Wellenzahlbereich von 400 bis 4000 cm−1 und einer Auflösung von 2 cm−1) mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR) wurde zur Untersuchung der Änderung der Adsorbentienstruktur (Nicolet™ iS™ 5 FTIR) eingesetzt Spektrometer, Thermo Fisher, USA). Zur Quantifizierung funktioneller Gruppen wurde die Boehm-Titration eingesetzt30. Ungefähr 1 g des Materials wurde 72 Stunden lang bei Raumtemperatur mit 50 ml 0,1 M Lösungen von NaOH, 0,1 M NaHCO3, 0,05 M Na2CO3 und 0,1 M NaOC2H5 geschüttelt. Anschließend wurden die Suspensionen dekantiert und filtriert. Anschließend wurden die Lösungen mit 0,1 M HCl-Lösung rücktitriert. Die Basizität des Adsorptionsmittels wurde durch ein analoges Verfahren bestimmt. Die Probe wurde mit 0,1 M HCl kontaktiert und für die Titration wurde 0,1 M NaOH verwendet. Die Konzentration saurer Stellen auf dem Adsorbens wurde unter Berücksichtigung der Tatsache bestimmt, dass NaHCO3 Carboxylgruppen neutralisiert, Na2CO3 Carboxyl- und Lactongruppen neutralisiert und NaOC2H5 Carboxyl-, Lacton-, Phenol- und Carbonylgruppen neutralisiert31. Rasterelektronenmikroskopie (SEM), ausgestattet mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), wurde zur Untersuchung morphologischer Eigenschaften und zur Elementkartierung von Adsorbentien eingesetzt (FEI/Thermo-Fisher Apreo S LoVac SEM und AMETEK, USA). Die Proben wurden mit Gold beschichtet, um die Probenaufladung zu reduzieren und die SEM-Bilder zu verbessern. Die Porengröße und Oberfläche (SBET) wurden mit der Brunauer-Emmett-Teller-Methode (BET) bestimmt. Der Nullpunkt der Ladung (pHPZC) von MPPs wurde nach der Driftmethode32 bestimmt. Um den pH-Wert richtig zu bestimmen, wurde eine Reihe von Lösungen mit anfänglichen pH-Werten (pHi) im Bereich von 2,0 bis 12 mit NaCl als Hintergrundelektrolyt hergestellt. Nach Zugabe der gewünschten Menge an MPPs zu jeder Lösung wurden die Erlenmeyerkolben mit Parafilm verschlossen und die Suspensionen zwei Tage lang bei 150 U/min geschüttelt. Anschließend wurde der endgültige pH-Wert (pHf) jeder Lösung aufgezeichnet und die Änderung (ΔpH) gegen pHi aufgetragen. XRD hat auch die MPPs getestet.

Die Nahanalyse der PPs wurde gemäß den ASTM-Standards durchgeführt. Der Aschegehalt wurde nach 4-stündigem Erhitzen in einem Ofen bei 550 °C bestimmt. Die Kohlenstoff-, Stickstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoff-Elementarzusammensetzungen von PPs wurden unter Anwendung des Standardverfahrens ASTM D3176 und unter Verwendung eines Elementaranalysators Modell EA 1108 (Carl Erba Instruments) gemessen.

Die Oxidation von ABTS als Substrat wurde zur Bestimmung der Enzymaktivität genutzt. ABTS ist ein geeignetes Substrat zur Messung der Aktivität von Laccase, da es durch Laccase oxidiert werden kann, um Kationenradikale (ABTS+) zu erzeugen, die spektrophotometrisch gemessen werden können. Unter typischen Testbedingungen wurde die Enzymmenge, die ein µmol ABTS pro Minute oxidieren kann, zur Definition einer Einheit Enzymaktivität verwendet. Wie in der Literatur33 berichtet, wurden für das freie Enzym 125 μl verdünnte Enzymlösung (2,5 mg/ml) mit 375 μl neu hergestelltem 0,1 mM ABTS in Pufferlösung bei pH 4 für 2 Minuten bei 35 °C kombiniert. Die Aktivität von LMPPs wurde durch Mischen von 0,06 g in 6 ml Mcilvaine-Puffer (0,12 M) pH 4 mit 0,5 mM ABTS und 15-minütiges Schütteln bei 150 U/min bei Raumtemperatur bestimmt. Nach dem Zentrifugieren bei einer Drehzahl von 8000 U/min wurde in regelmäßigen Abständen von drei Minuten eine Extinktionsmessung an einer Probe mit konstantem Volumen durchgeführt. Anschließend wurde eine spektrophotometrische Analyse der Farbentwicklung bei 420 nm unter Verwendung von UV-Vis (Shimadzu UV-2450, Tokio, Japan) und unter Anwendung von ε = 3,6 × 104 M−1 cm−1 durchgeführt. Die Aktivität von LMPPs (Laccase-modifizierte Granatapfelschalen) wird in U/g ausgedrückt. Die Gleichungen (1) und (2) wurden zur Berechnung der immobilisierten bzw. freien Enzymaktivitäten verwendet34.

Dabei ist \(\Delta\)ab die Extinktion, Df der Verdünnungsfaktor, RV das Reaktionsvolumen (ml), \(\upepsilon\) (3,6 × 104 M−1 cm−1) der molare Extinktionskoeffizient, t ist die Reaktionszeit (min), v ist die Laccase-Menge (ml) und Msupport ist die Masse des Trägers, auf dem Laccase immobilisiert wurde (g).

Zwei Gramm MPPs wurden verwendet, um das Laccase-Enzym in 20 ml Pufferlösung (pH 4) mit 2,5 mg/ml Laccase zu immobilisieren. Der Cocktail wurde 6 Stunden lang bei 35 °C und 150 U/min in einem 50-ml-Tarson-Röhrchen (Polypropylen/Spinwin mit konischem Boden) gerührt. Der Cocktail wurde dann 5 Minuten lang bei 8000 U/min zentrifugiert. Die Immobilisierungsausbeute wurde bestimmt, indem die Differenz zwischen der Enzymaktivität im Überstand vor und nach der Immobilisierung durch die Enzymaktivität im Überstand vor der Immobilisierung dividiert wurde35. Die MPPs wurden zweimal mit einer 5-ml-Pufferlösung (pH 4) gewaschen, um überschüssiges Enzym zu entfernen, und die verbleibende Enzymaktivität wurde ebenfalls bewertet. Das als LMPPs gekennzeichnete Endprodukt wurde zur weiteren Untersuchung gekühlt.

Zur pH-Stabilisierung wurden 100 μl freie Laccase (2,5 mg/ml) und 20 mg LMPPs in separate Röhrchen mit 4 ml Pufferlösungen (pH-Bereich: 3 bis 8) gegeben und bei 150 U/min bei 35 °C gemischt 6 Std. Die verbleibende Laccaseaktivität sowohl der ungebundenen als auch der gebundenen Proben wurde getestet. Für die thermische Stabilität wurde ein Protokoll befolgt, das mit dem für die pH-Stabilisierung identisch war, mit der Ausnahme, dass die Proben 6 Stunden lang bei unterschiedlichen Temperaturen (10–60 °C) bei einem festen pH-Wert von 4 gehalten wurden. Die optimale Laccase-Dosierung wurde durch Zugabe bestimmt Verschiedene Laccase-Konzentrationen (im Bereich von 0,5 bis 3 mg/ml) auf 20 mg LMPPs in separaten Röhrchen mit 4 ml Pufferlösung (pH 4) geben und 6 Stunden lang bei 35 °C und 150 U/min inkubieren. Zur Gewährleistung der Lagerstabilität wurden freie und immobilisierte Enzymproben bis zu zwei Monate bei 4 bzw. 25 °C aufbewahrt und die Restaktivität jede Woche bewertet.

LMPPs (100 mg) wurden mit 2 ml Pufferlösung (pH 4) mit 0,5 mM ABTS gemischt und 10 Minuten lang bei 35 °C und 150 U/min gehalten. Die Probe wurde 3 Minuten lang bei 8000 U/min zentrifugiert und die Konzentration des transformierten ABTS im Überstand bestimmt. An LMPPs wurden sechs Waschzyklen mit Milli-Q-Wasser und Dekantieren durchgeführt.

Die Konzentration der Schadstoffe wurde mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) Typ Merck-Hitachi D-700036 bestimmt. Bei der Gradientenelution wurde als HPLC-Säule eine Zorbax SB-Aq mit 150 mm Länge und 4,6 mm Durchmesser und einer Partikelgröße von 5 µm verwendet (Agilent, Santa Clara, CA, USA). Das Volumen der injizierten Probe betrug 10 µL. Die mobile Phase bestand aus 0,1 % Trifluoressigsäure in Milli-Q-Wasser als Eluent A und Methanol als Eluent B. Das Gradientenprogramm umfasst 0–1 Min. 40 % mobile Phase B und 1–5 Min. eines Gradienten bis 100 % Mobil Phase B. Diese dauerte bis zu acht Minuten. Anschließend kehrte der Gradient in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Die Flussrate wurde auf 1 ml/min eingestellt. Unter diesen Bedingungen waren die Kalibrierungen der Verbindungen linear zwischen 5 und 100 g/ml.

In Batch-Experimenten mit Milli-Q-Wasser und Sekundärabwasser aus einer Abwasseraufbereitungsanlage wurde die Wirksamkeit von LMPPs zur Entfernung entstehender Verunreinigungen aus einer wässrigen Lösung untersucht. Vor der Aufbereitung der Abwasserproben wurden diese mit Whatman-Zellulosefilterpapier (47-mm-Kreis) gefiltert und die Schadstoffe in die Proben dotiert. In den Tests wurden 100 mg LMPPs zu 40 ml einer Schadstoffmischung (jeweils 50 mg/L) gegeben und bei Raumtemperatur mit 150 U/min gemischt. Jede halbe Stunde wurden Proben von 2 ml entnommen, anschließend wurde eine 24-Stunden-Probe entnommen. Der Zweck dieses Schritts bestand darin, zu bestimmen, wann das System das Gleichgewicht erreicht. Folglich erreichte das System 120 Minuten nach Auswertung der gesamten Messungen das Gleichgewicht. Basierend auf den anfänglichen und endgültigen Konzentrationen der wässrigen Phase wurde die Entfernungseffizienz berechnet. Die LMPPs wurden mit Milli-Q-Wasser gereinigt und getrocknet, und der Zyklus wird fortgesetzt (alle 120 Minuten). Die Entfernung von Schadstoffen durch MPPs (ohne Laccase) aufgrund der Adsorption wurde ebenfalls untersucht, um den Beitrag der physikalischen Entfernung und des Abbaus zu verstehen. Dies wurde durch Zugabe von 100 mg MPPs zu 40 ml einer Schadstoffmischung (50 mg/L) und Mischen bei 150 U/min bei Raumtemperatur erreicht. Zwei Stunden lang wurden alle 30 Minuten Proben von 2 ml entnommen.

Die kinetischen Michaelis-Menten-Parameter von freier und immobilisierter Laccase wurden mit ABTS bei unterschiedlichen Konzentrationen in Pufferlösungen unter optimalen Bedingungen gemessen und die geschätzten kinetischen Parameter (Km und vm) mithilfe der folgenden Gleichungen bestimmt.

Dabei ist v die Reaktionsgeschwindigkeit (mM/min), vm die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (mM/min), [S] die Substratkonzentration (mM) und Km die Michaelis-Menten-Konstante (mM). Tabelle 1 zeigt die Modelle, die zur Untersuchung der Adsorptionsisothermen, der Kinetik und der Thermodynamik verwendet wurden.

Alle Experimente wurden dreifach durchgeführt und die Ergebnisse werden als Mittelwert und Standardabweichung dargestellt. Die Daten wurden mithilfe des Kolmogorov-Smirnov-Tests ausgewertet und Ergebnisse mit p < 0,05 wurden als statistisch signifikant angesehen. In jedem Experiment wurden auch Blindproben verwendet.

Experimentelle Forschung und Feldstudien an Pflanzen (entweder kultiviert oder wild), einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, entsprechen den einschlägigen institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen. Experimentelle Studien wurden in Übereinstimmung mit relevanten institutionellen, nationalen oder internationalen Richtlinien oder Vorschriften durchgeführt.

Abbildung 1 zeigt SEM-Bilder und EDS-Elementarkarten für MPPs und LMPPs. Nach der Immobilisierung von Laccase waren keine Veränderungen der Oberflächentextur erkennbar. Aufgrund ihrer geringen Größe (60–90 KDa), was einer Partikelgröße von weniger als 5 nm entspricht, sind Laccasen bei diesen Vergrößerungen möglicherweise nicht im REM zu erkennen. Mikroskopische Aufnahmen mit einer Vergrößerung von 1 μm haben Schwierigkeiten, diese Dimension zu erfassen42. Unterdessen erschien die Oberfläche der LMPPs nach der Immobilisierung glatter, was höchstwahrscheinlich auf die Laccase-Beschichtung auf der Aktivkohleoberfläche zurückzuführen ist43. Die Enzymimmobilisierung in magnetischen Biokohle-Nanopartikeln wurde mit der Glätte der Oberfläche korreliert44. Ähnliche Ergebnisse wurden in REM-Bildern beobachtet, die in anderen Untersuchungen beschrieben wurden34,36,45. Mit anorganischen Säuren aktivierte MPPs zeigten eine heterogenere Oberfläche mit tieferen Poren, was auf die Fähigkeit der Säure zurückzuführen sein könnte, Verunreinigungen aus den Poren zu entfernen34. In einer ähnlichen Studie fanden Lonappan und Kollegen46 heraus, dass Pflanzenkohle, die Zitronensäure ausgesetzt wurde, porösere Strukturen aufwies. Die Oberflächen von MPPs und LMPPs enthalten C, O, S, N und Cl, wie in Abb. 1 dargestellt. Das Vorhandensein von sauerstoffhaltigen Gruppen auf der Oberfläche wurde durch das Vorhandensein von Sauerstoff in der EDS-Kartierung von MPPs und LMPPs angezeigt. Element (N) nahm in LMPPs im Vergleich zu MPPs zu (Abb. S1), was auf das Vorhandensein von Laccase auf der Oberfläche des Adsorbens 34, 36 hinweist. Der Rückgang der S-Konzentration lässt jedoch darauf schließen, dass es während der Behandlung zu chemischen Reaktionen gekommen sein könnte. Abbildung S2 zeigt die XRD-Muster von MPPs. Eine breite Bande zwischen 20° und 30° entspricht amorphem Kohlenstoff. Dies deutet auch darauf hin, dass synthetisierte MPPs amorphere Porenwände, eine größere Oberflächenfläche und eine geringe Kristallinität aufweisen, vermutlich als Folge der Hochtemperatur-Kohlenstoffpyrolyse.

SEM und EDS für MPPs und LMPPs. Die EDS-Skala beträgt 1 µm.

Die FTIR-Spektren der Adsorbentien sind in Abb. 2 dargestellt. PPs, MPPs und LMPPs zeigten asymmetrische bzw. symmetrische CH2-Streckbanden bei 2922 und 2846 cm−1. PPs, MPPs und LMPPs enthielten Carbonylphenolgruppen, angezeigt durch den Peak bei 1632 cm–1 bzw. 1118 cm–1. MPPs und LMPPs zeigten eine CO-Streckung bei 1382 cm−1 als Folge der chemischen Behandlung mit anorganischen Säuren47. Das Vorhandensein von Enzym hatte einen sehr subtilen Einfluss auf die FTIR-Spektren modifizierter Adsorbentien, wie durch einen leichten Anstieg und eine Verbreiterung des Peaks bei 3436 cm−1 gezeigt wurde. Dieser Peak entspricht der Überlappung der O-H- und N-H-Bindungen der Laccase. Es wird erwartet, dass der Peak bei 1632 cm-1 mit der N-H-Streckschwingung und der im Laccase-Protein vorhandenen Amidbindung zusammenhängt, was als Indikator für den Laccase-Proteingehalt gilt48.

FTIR-Spektren für PPs, MPPs und LMPPs.

Die Bildung funktioneller Gruppen auf der Oberfläche kohlenstoffhaltiger Substanzen bietet optimale Verankerungsstellen für die physikalische Anbindung und kovalente Bindung von Enzymen an deren Oberfläche49. Da Carboxylgruppen durch Oxidationsbehandlung leicht erzeugt werden, können sie eine Vielzahl chemischer Reaktionen eingehen50. Darüber hinaus wurde berichtet, dass das Vorhandensein von Carboxylgruppen auf der Oberfläche eines Trägers die Immobilisierung von Enzymen verbessern kann51. Gemäß den Ergebnissen der Boehm-Titration (Tabelle 2) haben MPPs einen Gesamtsäuregehalt von 7,02 meq/g und bestehen aus Carbonsäure (1,27 meq/g), Carbonyl (2,31 meq/g) und Phenol (3,44 meq/g). /g) Gruppen. Die funktionellen Oberflächengruppen erhöhten sich bei den sauren Gruppen um etwa das 2,6-fache und verringerten sich bei der Gesamtoberflächenbasizität um 0,08 meq/g. Dieser Anstieg war zu erwarten, da während des Aktivierungsprozesses durch die Wechselwirkung zwischen anorganischen Säuren und dem Kohlenstoffvorläufer mehr saure Materialien gebildet wurden. Die Quantifizierung funktioneller Gruppen mittels Boehm-Titration stimmt gut mit den qualitativen FTIR-Ergebnissen überein. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit Zhang et al.52, die einen ähnlichen Trend nach der Aktivierung mit einer erhöhten sauren Gruppe und einer Abnahme der basischen Gruppe feststellten. In einer anderen Studie wurde Ultraschall in einer Mischung aus H2SO4- und HNO3-Säuren eingesetzt, um einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu modifizieren. Es wurde festgestellt, dass eine 14-stündige Ultraschallbehandlung dazu beitrug, Nanoröhren zu schneiden und die Konzentration der COOH-Gruppen von 0,91 auf 6,4 mmol/g zu erhöhen53.

Die spezifische Oberfläche (SBET) und das Gesamtporenvolumen (Vtotal) von PPs, MPPs und LMPPs betrugen 47,6 m2/g und 0,163 cm3/g, 1249,1 m2/g und 0,831 cm3/g, 232,7 m2/g und 0,271 cm3/g. bzw., wie in Tabelle 3 gezeigt. Beim Vergleich des SBET aus Tabelle 3 kann festgestellt werden, dass der SBET für PPs nach der Änderung um etwa das 26,24-fache angestiegen ist. Allerdings sank der SBET für MPPs nach dem Immobilisierungsschritt um 81,40 % auf 232,7 m2/g für LMPPs. Diese größere Verringerung der Oberfläche lieferte einen quantitativen Beweis für die Immobilisierung von Laccase durch Oberflächenadsorption. Die in dieser Studie erhaltenen Oberflächen und Porenvolumina liegen im gleichen Bereich wie in der Literatur angegeben. Beispielsweise stellten Hadi und Kollegen54 magnetisierte Aktivkohle her, die aus Granatapfelschalen synthetisiert wurde, und berichteten von Vtot und SBET von 0,75 cm3/g bzw. 1363,4 m2/g. In ähnlicher Weise erhielten Taheri und Mitarbeiter55 Vtot und SBET von 0,83 cm3/g bzw. 1576 m2/g für ihre aktivierte Pflanzenkohle, die aus denselben Rohstoffen, aber unterschiedlichen Aktivierungsmethoden unter Verwendung von Zinkchlorid und anschließender Salzsäurebehandlung hergestellt wurde. In einer anderen Studie wurden mikrowelleninduzierte und KOH-Aktivierungsverfahren zur Herstellung von Granatapfelschalen-Aktivkohle verwendet. Die gemessenen SBET- und Vtot-Werte betrugen 941,02 m2/g bzw. 0,470 cm3/g56. Über die SBET-Reduktion nach Enzymimmobilisierung wurde auch in zahlreichen früheren Arbeiten berichtet. Beispielsweise führten He und Mitarbeiter (2006)57 eine Untersuchung zur Immobilisierung von Lipase auf mesoporösem Siliciumdioxid durch, die eine Oberflächenverringerung von bis zu 89,1 % ergab. Badgujar und Kollegen58 testeten immobilisierte Lipase auf einem Polymerkomposit und stellten fest, dass die N-zugängliche Oberfläche um 45 % von 0,804 auf 0,437 m2/g abnahm. In ähnlicher Weise schlossen Pirozzi und Mitarbeiter59 Lipase in einer porösen ZrO2-Struktur ein und berichteten, dass die Oberfläche des Trägers um 31 % von 316 auf 229 m2/g abnahm.

Abbildung 3 zeigt den Einfluss unterschiedlicher MPP-Dosierungen auf den pHpzc. Der pHpzc wurde aufgrund seiner Einfachheit und geringen Kosten mithilfe der Driftmethode bestimmt. Der pHpzc wurde aus dem Schnittpunkt von pH (pHfinal − pHinitial) und pHinitial ermittelt. Gemäß Abb. 3 betrugen die pHpzc-Werte von MPPs bei Dosen von 0,1, 0,2 und 0,4 g/L Adsorbens 5,9, 5,4 bzw. 6,1. Der pHpzc zeigt an, dass die MPPs bei pH-Werten unter 5,8 (dem Durchschnittswert für drei Dosen) eine positive Oberflächenladung aufweisen, was zeigt, dass auf der Oberfläche der MPPs saure Gruppen und bei pH-Werten über 5,8 eine negative Oberflächenladung vorherrschen. Im Allgemeinen führte eine erhöhte Dosierung des Adsorptionsmittels dazu, dass der pH-Wert in Richtung des Ladungsnullpunkts (Point of Zero Charge, PZC) driftete32, und daher hängt der Wert des PZC vom Feststoff-/Flüssigkeitsverhältnis ab. Über die unterschiedlichen pHpzc-Werte wurde auch in der wissenschaftlichen Literatur berichtet. Beispielsweise untersuchten Umpierres und Mitarbeiter60 Mikrowellenanwendungen für kohlenstoffbasierte Adsorbentien aus Astrocaryum aculeatum-Samen und stellten fest, dass der pHpzc-Wert zwischen 4,44 und 6,71 lag. Lima und Kollegen61 beobachteten, dass der pHpzc-Wert für kohlenstoffbasierte Verbindungen, die aus brasilianischen Nussschalen synthetisiert wurden, zwischen 5,86 und 6,31 lag. Diese Schwankung der pHpzc-Werte hängt wahrscheinlich mit der Rohbiomasse, der Aktivierung und den Aufbereitungsmethoden für Aktivkohle zusammen.

pHpzc verschiedener MPP-Dosierungen.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von PPs sind in Tabelle 4 aufgeführt. PPs bestehen aus Kohlenstoff (46,23 %), Sauerstoff (42,83 %), Wasserstoff (5,43 %), Stickstoff (3,47 %) und Schwefel (2,03 %). Diese Zusammensetzungen sind mit anderen PP-Strukturen vergleichbar, über die in der Literatur berichtet wird. Ben-Ali und Mitarbeiter25 fanden beispielsweise heraus, dass die PPs aus Kohlenstoff (43,13 %), Sauerstoff (48,15 %), Wasserstoff (7,17 %), Stickstoff (0,66 %) und Schwefel (0,89 %) bestehen. Siddiqui et al.62 berichteten auch, dass die drei Hauptelemente von PP Kohlenstoff (44,5 %), Sauerstoff (37,8 %) und Wasserstoff (5,28 %) waren.

Um eine optimale Enzymimmobilisierung zu erreichen, wurden die Bedingungen durch Variation von pH-Wert, Temperatur und Enzymkonzentration optimiert. Der pH-Wert der Lösung beeinflusst die Stabilität der Laccase und macht sie somit zu einer wesentlichen Variablen im Immobilisierungsverfahren. Abbildung 4A zeigt den getesteten pH-Bereich (2 bis 8) der LMPPs. Bei pH 2 war die Laccase-Immobilisierung aufgrund eines Verlusts der Enzymaktivität geringer (10,34 U/g), wohingegen bei pH 4 eine optimale Enzymimmobilisierung erreicht wurde (49,54 U/g). Mit zunehmendem pH-Wert über 4 nahm die Laccase-Immobilisierung auf MPPs stark ab. Bei einem pH-Wert unter dem isoelektrischen Punkt von 5,8 (dem Durchschnittswert) ist die Nettoladung der MPPs positiv, was die elektrostatische Anziehung zwischen dem Träger und der negativ geladenen Laccase63 verbessert. Auch die Temperatur ist eine wesentliche Variable bei der Laccase-Immobilisierung, da Enzyme von Natur aus hitzeempfindlich sind und nur innerhalb bestimmter Temperaturintervalle funktionieren. Abbildung 4B zeigt die Temperatur bei der Immobilisierung im Bereich von 10–60 °C. Die Laccase-Immobilisierung stieg von 27,29 auf 59,89 U/g, als die Temperatur von 10 auf 35 °C anstieg, was auf die höhere Geschwindigkeit der Enzymadsorption an MPPs zurückzuführen sein könnte. Nach der optimalen Immobilisierungstemperatur (35 °C) verringerte sich die Laccase-Immobilisierung auf 16,4 U/g bei 60 °C, was auf eine mögliche Abnahme der Lebensfähigkeit des Enzyms bei steigender Temperatur zurückzuführen ist64. Die Laccase-Konzentration ist für die Enzymimmobilisierung auf MPPs von entscheidender Bedeutung. Wie in Abb. 4C gezeigt, steigerte eine Erhöhung der Enzymkonzentration von 0,5 auf 0,5 mg/ml die Enzymimmobilisierung von 21,40 auf 68,76 U/g. Dennoch hatte eine zusätzliche Erhöhung der Laccase-Konzentration keinen erkennbaren Einfluss auf die Immobilisierung der Laccase. Dies könnte auf die Fähigkeit des Enzyms zurückzuführen sein, verfügbare Stellen auf der Oberfläche von MPPs zu besetzen. Die Enzymimmobilisierung auf jedem Material hängt sowohl von den Oberflächeneigenschaften des Trägers als auch von den Immobilisierungseinstellungen ab. Auf der Grundlage einer Ein-Variablen-Technik wurden als optimale Immobilisierungseinstellungen ein pH-Wert von 4, eine Temperatur von 35 °C und eine Enzymkonzentration von 2,5 mg/ml ermittelt, was zu einer Immobilisierungsausbeute von 69,8 % führte (Abb. 4D). Die erhöhte Immobilisierungsausbeute war auf die optimale Einstellung und Modifikation von PPs mit reichlich vorhandenen Carbonylgruppen zurückzuführen42. Es wurde auch über eine Immobilisierungsausbeute von Lignozellulose-Pflanzenkohle von 64,23 % berichtet65.

Der Einfluss variierender pH-Werte (A), Temperaturen (B) und Laccase-Konzentrationen (C) auf die Immobilisierung und Ausbeute (D).

Der pH-Wert der Lösung kann den Ionisierungszustand der Aminosäuren im Enzym verändern und dadurch dessen Struktur und Aktivität beeinflussen und möglicherweise zu seiner Denaturierung führen66. Daher wurden die Aktivitätseigenschaften von freier und immobilisierter Laccase auf MPPs mithilfe von Aktivitätstests bei verschiedenen pH-Werten untersucht, wie in Abb. 5 dargestellt. Sowohl freie als auch immobilisierte Laccase zeigten höchstwahrscheinlich die höchsten Aktivitätsniveaus bei pH 5 und 4 aufgrund der begrenzten Mobilität von Laccase, die durch ionische Wechselwirkungen zwischen dem Enzym und MPPs67,68 verursacht wird. Darüber hinaus wiesen LMPPs einen größeren Bereich an Betriebs-pH-Werten auf als die freie Laccase, was darauf hindeutet, dass die LMPPs bei verschiedenen pH-Einstellungen effizienter waren als die freie Laccase. Der Einfluss der Temperatur auf die Aktivitätsprofile von LMPPs und freier Laccase wurde ebenfalls untersucht. Gemäß Abb. 5 zeigte freie Laccase die höchste Enzymaktivität bei 30 °C, während immobilisierte Laccase die maximale Aktivität bei 35 °C aufwies. Selbst bei höheren Temperaturen von 50 °C, 55 °C und 60 °C waren die LMPPs mit relativen Enzymaktivitäten von 64,7 %, 50,5 % bzw. 30,4 % effizienter als freie Laccase. Die bei diesen hohen Temperaturen gezeigten hohen Aktivitäten von LMPPs könnten auf die Mehrpunktbindung zwischen den Laccasemolekülen und den MPPs sowie auf die verbesserte Substratdiffusionsfähigkeit bei höheren Temperaturen zurückzuführen sein42. Dies zeigte auch, dass MPPs zur Aufrechterhaltung der Aktivität von Laccase beitragen können, höchstwahrscheinlich weil sie die Konformationsstruktur von Laccase unter verschiedenen Umweltbedingungen schützen können69.

Stabilität freier und immobilisierter Enzyme hinsichtlich (A) pH-Wert und (B) Temperatur.

Die Lagerstabilität immobilisierter Laccase ist ein entscheidender Faktor für ihre Anwendungen in der Industrie, beispielsweise bei der Abwasserbehandlung. Die Lagerstabilität von freier und immobilisierter Laccase bei zwei verschiedenen Temperaturen (4 °C und 25 °C) wurde über zwei Monate hinweg verglichen, wie in Abb. 6 dargestellt, wobei die Fehlerbalken als Bänder dargestellt sind. Nach einem Monat behielt die immobilisierte Laccase etwa 92,7 % bzw. 86,3 % ihrer ursprünglichen Aktivität bei 25 °C bzw. 4 °C. Darüber hinaus blieben nach zweimonatiger Lagerung über 85,3 % bzw. 64,8 % der ursprünglichen Aktivität des LMPP bei 25 °C bzw. 4 °C erhalten. Im Vergleich dazu behielt Laccase etwa 75,5 % bzw. 72,7 % seiner katalytischen Eigenschaften nach einmonatiger Lagerung bei 25 °C bzw. 4 °C. Nach Abschluss der zweimonatigen Inkubation bei 25 °C und 4 °C sank die Aktivität der freien Laccase dramatisch auf 51,3 % bzw. 46,9 % ihrer ursprünglichen Aktivitäten. Die immobilisierte Laccase ist bei der Lagerung deutlich stabiler als die freie. Dies könnte auf die stabilisierende Wirkung der dreidimensionalen Struktur der Laccase nach der Immobilisierung und die schützende Rolle des Trägers zurückzuführen sein, der Konformationsänderungen des Biokatalysators einschränkt70.

Stabilität von freier und immobilisierter Laccase (LMPPs) bei zwei verschiedenen Temperaturen 4 °C und 25 °C.

Zu den Vorteilen immobilisierter Enzyme gehört ihre Wiederverwendbarkeit, die auch zu geringeren Kosten führen und ihre Anwendung im kontinuierlichen Bioreaktorbetrieb ermöglichen kann71. Um die Wiederverwendbarkeit zu bestimmen, wurden sieben Reaktionszyklen zwischen immobilisierter Laccase und ABTS auf Betriebsstabilität untersucht (Abb. 7). Nach sieben Zyklen hatte immobilisierte Laccase etwa 48,2 % ihrer ursprünglichen Aktivität verloren. Da nach sieben Katalysezyklen immer noch mehr als die Hälfte der anfänglichen Laccase-Aktivität vorhanden war, scheint die an MPPs gebundene Laccase einigermaßen stabil zu sein. Allerdings führten vermutlich folgende Faktoren zum Rückgang der Aktivität: (1) Ein Teil der immobilisierten Laccase mit schwacher Bindung wurde während des Spülvorgangs von den LMPPs desorbiert. Somit bleibt für nachfolgende Zyklen nur die Laccase erhalten, die fester an den Träger gebunden ist. (2) Die Enzymaktivität kann während der Lagerung verringert sein71. Bei dieser Untersuchung dauerte es eine Woche, bis das Betriebsstabilitätsexperiment abgeschlossen war, da die Reaktion zwischen immobilisierter Laccase und ABTS ein langsamer Prozess war und im Laufe der Messungen stetig abnahm. Dies wurde auch in einer anderen Studie berichtet, in der die Betriebszyklen für immobilisierte Laccase auf verschiedenen Arten von Holz-Biokohle gemessen wurden65. Cristóvão und Kollegen35 immobilisierten Laccase auf grünen Kokosnussfasern und stellten fest, dass ihr Biokatalysator nach fünf Zyklen der ABTS-Oxidation 30 % seiner ursprünglichen Aktivität verlor. Insgesamt ist aus Wiederverwendbarkeitsexperimenten ersichtlich, dass die Immobilisierung von Laccase auf MPPs die Betriebsstabilität des Enzyms erheblich verbessert.

Stabilitätsergebnisse von immobilisierter Laccase über sieben Betriebszyklen.

Die Michaelis-Konstante (Km) ist ein wesentlicher Faktor zur Bestimmung der Affinität der Laccase zu ihrem Substrat, während der Vmax-Wert die maximale Reaktionsgeschwindigkeit angibt. Ein niedrigerer Km-Wert zeigt an, dass das Substrat eine höhere Bindungsaffinität aufweist. Die Auswirkung einer Substratkonzentration (ABTS) zwischen 0,05 und 2,0 mM auf die Laccase-immobilisierte Aktivität bei pH 4 wurde untersucht (Abb. 8). Gemäß dem hyperbolischen Michaelis-Menten-Trend führt ein Anstieg der Substratkonzentration zu einem Anstieg der enzymatischen Reaktionsgeschwindigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass die immobilisierte Laccase einen niedrigeren Km-Wert (0,21 mM) aufwies als die freie Laccase (0,56 mM), was die höchste Affinität zu ABTS zeigte und dass das Immobilisierungsverfahren möglicherweise einen positiven Effekt auf die Substrat-Enzym-Wechselwirkung haben könnte. Dies könnte auf Stofftransportbeschränkungen zwischen dem Substrat und der Oberfläche von LMPPs zurückzuführen sein. Der niedrigere Vmax-Wert der immobilisierten Laccase (3,68 mM/min) im Vergleich zu dem der freien Laccase (8,82 mM/min) könnte auf die verringerte Flexibilität der immobilisierten Laccase und weniger zugängliche aktive Stellen zurückzuführen sein. Andere Untersuchungen erzielten ein ähnliches Ergebnis72 und zeigten eine verringerte Substrataffinität aufgrund von Diffusionsbeschränkungen und eine verringerte Enzymflexibilität nach der Immobilisierung.

Michaelis-Menten-Anpassungsmodell für LMPPs und freies Enzym.

Die Ergebnisse der Anwendung experimenteller Daten auf die Langmuir- und Freundlich-Isothermenmodelle sind in Abb. 9 dargestellt. Das Langmuir-Isothermenmodell passt besser zu den Adsorptionsdaten der Verbindungen als das Freundlich-Modell mit Korrelationskoeffizienten zwischen 0,992 (Amoxicillin und Diclofenac) und 0,996 (Ciprofloxacin). . Dies deutet darauf hin, dass die pharmazeutischen Moleküle möglicherweise eine Monoschicht auf der Oberfläche von MPPs gebildet haben. Die Sorptionskapazität (qm) wurde für Ciprofloxacin und Amoxicillin zwischen 598,80 und 704,22 mg/g berechnet. Wie in Tabelle 5 gezeigt, die die Parameter Langmuir, Freundlich, Modell Pseudo-1. Ordnung und Modell Pseudo-2. Ordnung veranschaulicht, deuten die Werte des Trennfaktors (RL) der Verbindungen zwischen 0 und 1 auf eine günstige Adsorption hin. Die Freundlich-Konstante (n) ist ein weiterer Faktor, der in der Adsorptionsliteratur zur Untersuchung der Günstigkeit des Prozesses verwendet wird. Wenn der Wert von n kleiner als eins ist, gilt die Adsorption als vorzuziehen73. Als Indikator zur Messung des Unterschieds in der Energieverteilung der Adsorptionsstellen wird der Heterogenitätsfaktor (1/n) verwendet. In dieser Studie lagen die 1/n-Werte für die Verbindungen nahe bei 0,8, was auf eine heterogene Adsorption der behandelten Arzneimittel hinweist. Abbildung 10 zeigt die Modelle pseudo-erster und zweiter Ordnung für die Adsorption von Chemikalien. Die experimentellen Korrelationskoeffizienten passen am besten zum kinetischen Modell pseudo-erster Ordnung, das zwischen 0,984 (Carbamazepin) und 0,995 (Amoxicillin und Ciprofloxacin) lag. Dies zeigt, dass die Physisorption die Adsorptionsrate der Verbindungen auf MPPs bestimmt. Abbildung 11 zeigt das Diagramm der thermodynamischen Parameter der Verbindungen auf MPPs bei verschiedenen Temperaturen (283, 293, 303 und 313 K). Tabelle 6 zeigt die thermodynamischen Parameter der Adsorption der Arzneimittel an MPPs. Die Go-Werte verringerten sich mit zunehmender Temperatur, was darauf hindeutet, dass die Temperatur einen positiven Einfluss auf die Wirksamkeit der Adsorption hat. Bei vier Temperaturen ermittelte negative Go-Werte zeigen, dass die Verbindungen spontan an MPPs adsorbieren. Die berechneten H°-Werte waren positiv, was darauf hindeutet, dass die Adsorption endotherm war. Schließlich bedeuten positive S°-Werte, dass der Adsorptionsprozess stabil und zufällig ist74,75,76,77,78.

Isothermenmodellanpassungen von Langmuir (A) und Freundlich (B).

Adsorptionskinetik von Arzneimitteln (A) pseudo-erster Ordnung und (B) pseudo-zweiter Ordnung.

lnKl vs. 1/T für MPPs.

Tabelle S1 zeigt die Restquadratsumme (oder Fehlerquadratsumme, SSE) für die Isothermen- und Kinetikmodelle. Ein niedriger SSE zeigt, dass das Modell zu den Daten passt, die in dieser Arbeit dem Langmuir-Modell und der Pseudo-ersten Ordnung folgten.

In dieser Studie wurde der biologische Abbau von Amoxicillin, Ciprofloxacin, Carbamazepin und Diclofenac in Wasser- und Abwasserproben untersucht. Tabelle S2 zeigt die Eigenschaften des Sekundärabwassers. Die Adsorption der Zielschadstoffe an MPPs wurde durch kontrollierte Experimente untersucht. Die Wirksamkeit der Entfernung von Amoxicillin, Ciprofloxacin, Carbamazepin und Diclofenac aus Wasser und Abwasser mithilfe von LMPPs und MPPs über einen Zeitraum von zwei Stunden ist in Abb. 12 dargestellt. Der Buchstabe A steht für die Entfernung nur durch Adsorption, während der Buchstabe L die Entfernung durch Adsorption bedeutet und enzymatischer Abbau.

Entfernung neu auftretender Schadstoffe (%), wobei LMPPs durch einen Buchstaben (L) und MPPs durch (A) dargestellt werden, SD > 3,54 %.

Sowohl im Wasser- als auch im Abwasserbereich schnitten LMPPs besser ab als MPPs. Innerhalb von 1,5 Stunden lagen die Entfernungseffizienzen für LMPPs und MPPs in Wasser zwischen 86,8 % (Ciprofloxacin) und 90,4 % (Carbamazepin) bzw. zwischen 37,2 % (Ciprofloxacin) und 46,3 % (Amoxicillin). Nach zwei Stunden wurde der entstehende Schadstoff mit LMPPs fast vollständig entfernt, während MPPs etwa 70–75 % von Amoxicillin, Carbamazepin und Diclofenac und 49,6 % von Ciprofloxacin entfernten. In Abwasserproben wurde mit LMPPs in 1,5 Stunden ein Prozentsatz zwischen 67,3 % (Ciprofloxacin) und 86,3 % (Diclofenac) erreicht, und innerhalb von 2 Stunden wurde eine nahezu vollständige Entfernung erreicht. MPPs zeigten jedoch nach 1,5-stündiger Behandlung eine Entfernungsrate zwischen 29,8 % (Ciprofloxacin) und 53,2 % (Diclofenac). Innerhalb von zwei Stunden wurde ein Entfernungsbereich von 69,8–73,5 % für Amoxicillin, Carbamazepin und Diclofenac und 46,3 % für Ciprofloxacin erreicht. Zwei hypothetische Eliminierungsprozesse könnten die Überlegenheit von LMPPs erklären. Es wird erwartet, dass zunächst die Adsorption von Schadstoffen an den freien Stellen erfolgt, gefolgt vom Abbau der Schadstoffe durch Laccasen. Die spezifischen Mechanismen beinhalten wahrscheinlich übliche Adsorptionswechselwirkungen wie kovalente Bindungen (Chemisorption), Wasserstoffbrückenbindungen und π-π (physikalische Adsorption)79. Laccase, das sich in der porösen Struktur von MPPs befindet, baut dann die adsorbierten Schadstoffe ab. Funktionelle Gruppen erfüllen eine wesentliche Funktion im Abbauprozess, da sie in freie Radikale umgewandelt werden, die Dominoreaktionen auslösen können80.

Dieses System beweist seine Brauchbarkeit als erfolgreiche Entfernungstechnik. Seine Stabilität bedarf jedoch weiterer Untersuchungen. Daher wurde die Leistung des Systems über sechs Betriebszyklen gemessen. Abbildung 13 zeigt die Wirksamkeit der Systementfernung für sechs getestete Zyklen. In allen Zyklen zeigten LMPPs sowohl bei Wasser- als auch bei Abwasserproben eine bessere Entfernungsleistung als MPPs. Mit zunehmender Zyklenzahl nimmt die Entfernung sämtlicher Schadstoffe ab. Die Entfernung der Schadstoffe aus dem Abwasser dauerte fünf Zyklen, bei Wasser dauerte es bis zu sechs Zyklen. In Wasserproben können die LMPPs die ausgewählten Schadstoffe auch nach sechs Zyklen noch entfernen, wobei die Entfernungsprozentsätze zwischen 11,6 % (Ciprofloxacin) und 47,9 % (Amoxicillin) liegen. Folglich konnte das System mithilfe des Adsorptionsprozesses (MPPs) im Wassermedium fünf Zyklen mit Entfernungseffizienzen zwischen 13,1 % (Ciprofloxacin) und 47,5 % (Amoxicillin) durchführen. Die durch LMPPs im Abwasser entfernten Schadstoffe waren besser als MPPs mit einer Entfernungseffizienz im 5. Zyklus zwischen 15,4 % (Ciprofloxacin) und 31 % (Diclofenac) für LMPPs und zwischen 1,3 % (Carbamazepin) und 21,3 % (Diclofenac). Abbildung 14 zeigt den vorgeschlagenen pharmazeutischen Abbau und die Entfernung mithilfe von LMPPs. Die Abnahme der katalytischen Wirksamkeit während nachfolgender Zyklen sowohl im Wasser als auch im Abwasser könnte auf die Besetzung von Adsorptionsstellen, das Abfangen von Enzymaktivitäten durch andere Schadstoffe (im Fall von Abwasser) und die Inaktivierung der Laccase zurückzuführen sein. Darüber hinaus könnte die allmähliche Verringerung der Wirksamkeit der Entfernung durch Auswaschung und Denaturierung der Laccase erklärt werden, wie sie bei der ABTS-Oxidation beobachtet wurde29,81.

Die Entfernungseffizienz der entstehenden Schadstoffe durch LMPPs für Wasser (A) und Abwasser (B) über aufeinanderfolgende Zyklen. Die Standardabweichungen lagen zwischen 2,65 und 5,43 % für MPPs- und LMPPs-Zyklen.

Schematische Darstellung des Abbaus und der Entfernung von Arzneimitteln durch LMPPs.

Daraus lässt sich schließen, dass auf Adsorbentien immobilisierte Laccase aktiv abgebaut werden kann und gleichzeitig Pharmazeutika sogar aus behandeltem Abwasser entfernt werden können. Dennoch bedarf die Wirtschaftlichkeit des gesamten Prozesses weiterer Forschung. Es ist auch wichtig, die Fähigkeit dieser Technologie zur Entfernung einer größeren Vielfalt von Schadstoffen zu testen, um ihre Machbarkeit zur Entfernung neu auftretender Schadstoffe nachzuweisen.

Diese Studie untersuchte die Wirksamkeit von aus Granatapfelschalen hergestellter Aktivkohle als Adsorptionsmittel und Laccase-Enzymträger zur Entfernung neu auftretender Schadstoffe wie Amoxicillin, Carbamazepin, Ciprofloxacin und Diclofenac. Eine Temperatur von 35 °C, ein pH-Wert von 4 und eine Laccase-Konzentration von 2,5 mg/ml erwiesen sich als die effektivsten Immobilisierungsparameter zum Erreichen einer Immobilisierungsausbeute von 69,8 %. Die Adsorption von Schadstoffen an MPPs kann als endotherme spontane Reaktion erster Ordnung nach der Langmuir-Isotherme charakterisiert werden. LMPPs erzielten bei der Entfernung von Schadstoffen sowohl in Wasser- als auch in Abwasserproben eine bessere Leistung als MPPs. Langzeittests zeigten, dass LMPPs den MPPs bei der Entfernung der Zielverbindungen aus Wasser- und Abwasserproben überlegen sind. Darüber hinaus zeigte diese Studie, dass aus Granatapfelschalen gewonnene Aktivkohle als Träger für den Aufbau von Adsorptions-Enzymsystemen zur Eliminierung entstehender Schadstoffe bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines angemessenen Maßes an Stabilität und Wiederverwendbarkeit verwendet werden kann. Darüber hinaus könnte das Recycling/Wiederverwendung von PPs als eine kohlenstoffarme Innovationsoption und fossilfreie Aktivkohle angesehen werden. Dennoch müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um die Wirksamkeit der Technik anhand einer komplexeren Probenmatrix zu bestimmen. Zu den Themen von besonderem Interesse zählen die Konkurrenz zwischen neu auftretenden und anderen Schadstoffen um Adsorptionsplätze und deren Wechselwirkung mit Enzymen. Abschließend müssen Systemdesignparameter für einen kontinuierlichen Großprozess untersucht werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Ringler, C. et al. Globale Zusammenhänge zwischen Energie, Nahrung und Wasser: Eine wirtschaftliche Bewertung. J. Umgebung. Zucht. Wissenschaft. 6, 161–171 (2016).

Artikel Google Scholar

UNEP, Umweltprogramm der Vereinten Nationen und Siedlungsprogramm der Vereinten Nationen. Krankes Wasser: Die zentrale Rolle des Abwassermanagements in der nachhaltigen Entwicklung – eine schnelle Reaktionsbewertung. https://wedocs.unep.org/20.500.11822/9156 Zugriff am 13. März 2023 (2010)

Büttner, O., Jawitz, JW, Birk, S. & Borchardt, D. Warum die Abwasserbehandlung die Bachökosysteme in Europa nicht schützt. Wasserres. 217, 118382 (2022).

Artikel PubMed Google Scholar

Grmasha, RA et al. Bewertung des ökologischen und gesundheitlichen Risikos polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) im Fluss Tigris in der Nähe der Ölraffinerien im Irak. Umgebung. Res. 227, 115791 (2023).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sauvé, S. & Desrosiers, M. Ein Überblick über neu auftretende Schadstoffe. Chem. Cent. J. 8, 1–7 (2014).

Artikel Google Scholar

Rathi, BS, Kumar, PS & Show, PL Ein Überblick über die wirksame Entfernung neu auftretender Schadstoffe aus Wassersystemen: Aktuelle Trends und Spielraum für weitere Forschung. J. Hazard. Mater. 409, 124413 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wiest, L. et al. Vorkommen und Entfernung neu auftretender Schadstoffe in städtischen Kläranlagen mittels LC-QToF-MS-Verdachtsscreening und -quantifizierung. Wissenschaft. Gesamtumgebung. 774, 145779 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Saleh, TA, Baig, N., Othman, HA & Al Harith, AM Entfernung von Alkanen durch neuartige Graskohl-Mikroknospen, die durch ein elektrochemisches Verfahren hergestellt wurden. Chem. Ing. J. 407, 126216 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Baig, N., Alghunaimi, FI, Dossary, HS & Saleh, TA Superhydrophobes und superoleophiles, mit Kohlenstoffnanofasern gepfropftes Polyurethan für die Öl-Wasser-Trennung. Prozesssicher. Umgebung. Prot. 123, 327–334 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Al-Sareji, OJ et al. Entfernung von Ketoprofen und Aspirin durch auf Dattelsteinen immobilisierte Laccase. Chemosphere 311, 137133 (2023).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Bilal, M., Adeel, M., Rasheed, T., Zhao, Y. & Iqbal, HM Neu auftretende besonders besorgniserregende Kontaminanten und ihr enzymunterstützter biologischer Abbau – Eine Übersicht. Umgebung. Int. 124, 336–353 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Cha, JY et al. Pilzlaccase-katalysierte Oxidation natürlich vorkommender Phenole für verbesserte Keimung und Salztoleranz von Arabidopsis thaliana: Ein grüner Weg zur Synthese humusähnlicher Düngemittel. J. Agrar. Lebensmittelchem. 65(6), 1167–1177 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ji, C., Hou, J. & Chen, V. Biokatalytische Membranen auf Basis vernetzter Kohlenstoffnanoröhren für den Abbau von Mikroschadstoffen: Leistung, Stabilität und Regeneration. J. Mitglied Wissenschaft. 520, 869–880 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Xenopoulos, A. Eine neue, integrierte, kontinuierliche Reinigungsprozessvorlage für monoklonale Antikörper: Prozessmodellierung und Warenkostenstudien. J. Biotechnologie. 213, 42–53 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Majeau, JA, Brar, SK & Tyagi, RD Laccases zur Entfernung widerspenstiger und neu auftretender Schadstoffe. Biores. Technol. 101(7), 2331–2350 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Ba, S., Arsenault, A., Hassani, T., Jones, JP & Cabana, H. Laccase-Immobilisierung und -Insolubilisierung: von den Grundlagen bis zu Anwendungen zur Beseitigung neu auftretender Schadstoffe in der Abwasserbehandlung. Krit. Rev. Biotechnol. 33(4), 404–418 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Girelli, AM, Astolfi, ML & Scuto, FR Agrarindustrielle Abfälle als potenzielle Träger für die Enzymimmobilisierung: Ein Überblick. Chemosphere 244, 125368 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Bijoy, G., Rajeev, R., Benny, L., Jose, S. & Varghese, A. Enzymimmobilisierung auf aus Biomasse gewonnenen Kohlenstoffmaterialien als nachhaltiger Ansatz für Umweltanwendungen. Chemosphäre 4, 135759 (2022).

Artikel ADS Google Scholar

Kahramanoglu, I. Trends im Granatapfelsektor: Produktion, Handhabung nach der Ernte und Vermarktung. Int. J. Agrar. Für. Lebenswissenschaft. 3(2), 239–246 (2019).

Google Scholar

Jalal, H. et al. Physikalisch-chemische und funktionelle Eigenschaften von Granatapfelschalen- und -kernpulver. J. Pharm. Innov 7, 1127–1131 (2018).

Google Scholar

Akram, M. et al. Hocheffiziente Entfernung von Phosphat aus wässrigen Medien durch Co-Dotierung von Granatapfelschalen mit Eisenchlorid- und Lanthanhydroxid-Nanopartikeln. J. Sauber. Prod. 292, 125311 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Abedi, M., Salmani, MH & Mozaffari, SA Adsorption von Cd-Ionen aus wässrigen Lösungen durch eisenmodifizierte Granatapfelschalenkohlenstoffe: Kinetische und thermodynamische Studien. Int. J. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 13, 2045–2056 (2016).

Artikel Google Scholar

Oymak, T. & Şafak, ES Entfernung von Sulfadiazin aus wässriger Lösung durch magnetische Biokohle, hergestellt aus Granatapfelschalen. Sep. Sci. Technol. 57(16), 2521–2531 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Bouallegue, MC, Trifi, B., Marzouk Trifi, I., Zahraa, O. & Alatrache, A. Entfernung eines neu auftretenden pharmazeutischen Schadstoffs, Sulfasalazin, durch Adsorption an Granatapfelschalen. Chem. Ing. Komm. 209(7), 957–966 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Ben-Ali, S., Jaouali, I., Souissi-Najar, S. & Ouederni, A. Charakterisierung und Adsorptionskapazität des Biosorbens roher Granatapfelschalen zur Kupferentfernung. J. Sauber. Prod. 142, 3809–3821 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y., Geißen, SU & Gal, C. Carbamazepin und Diclofenac: Entfernung in Kläranlagen und Vorkommen in Gewässern. Chemosphere 73(8), 1151–1161 (2008).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Loos, R., Marinov, D., Sanseverino, I., Napierska, D. & Lettieri, T. Überprüfung der 1. Beobachtungsliste gemäß der Wasserrahmenrichtlinie und Empfehlungen für die 2. Beobachtungsliste, EUR 29173 EN (Amt für Veröffentlichungen von der Europäischen Union, 2018) (978-92-79-81838-7 (gedruckt),978-92-79-81839-4 (pdf), doi:10.2760/614367 (online),10.2760/701879 (gedruckt), JRC111198 ).

Google Scholar

Naghdi, M. et al. Kiefernholz-Nanobiokohle: Ein einzigartiger Träger für die Immobilisierung von roher Laccase durch kovalente Bindung. Int. J. Biol. Makromol. 115, 563–571 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Naghdi, M. et al. Immobilisierte Laccase auf sauerstofffunktionalisierten Nanobiokohlen durch Mineralsäurebehandlung zur Entfernung von Carbamazepin. Wissenschaft. Gesamtumgebung. 584, 393–401 (2017).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Boehm, HP Oberflächenoxide auf Kohlenstoff und ihre Analyse: Eine kritische Bewertung. Kohlenstoff 40(2), 145–149 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Goertzen, SL, Thériault, KD, Oickle, AM, Tarasuk, AC & Andreas, HA Standardisierung der Böhm-Titration. Teil I. CO2-Ausstoß und Endpunktbestimmung. Carbon 48(4), 1252–1261 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Kosmulski, M. Oberflächenladung und Nullpunktladungen (CRC Press, 2009).

Buchen Sie Google Scholar

Suman, SK, Patnam, PL, Ghosh, S. & Jain, SL Aus Hühnerfedern gewonnenes neuartiges Trägermaterial zur Immobilisierung von Laccase und seine Anwendung bei der Oxidation von Veratrylalkohol. ACS Sustain. Chem. Ing. 7(3), 3464–3474 (2018).

Artikel Google Scholar

Pandey, D., Daverey, A., Dutta, K. & Arunachalam, K. Biologische Entfernung von giftigem Malachitgrün aus Wasser durch gleichzeitige Entfärbung und Abbau unter Verwendung von Laccase-immobilisierter Biokohle. Chemosphere 297, 134126 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Cristóvão, RO et al. Immobilisierung kommerzieller Laccase auf grünen Kokosfasern durch Adsorption und ihre Anwendung zum Abbau reaktiver Textilfarbstoffe. J. Mol. Katal. B Enzyme 72(1–2), 6–12 (2011).

Artikel Google Scholar

Al-sareji, OJ et al. Entfernung entstehender Schadstoffe aus dem Wasser mithilfe enzymimmobilisierter Aktivkohle aus Kokosnussschalen. J. Umgebung. Chem. Ing. 14, 109803 (2023).

Artikel Google Scholar

Langmuir, I. Die Beschaffenheit und grundlegenden Eigenschaften von Feststoffen und Flüssigkeiten. Teil I. Feststoffe. Marmelade. Chem. Soc. 38(11), 2221–2295 (1916).

Artikel CAS Google Scholar

Freundlich, HMF Über die Adsorption in Lösung. J. Phys. Chem. 57 (385471), 1100–1107 (1906).

Google Scholar

Lagergren, S. Zur Theorie der sogennenten Adsorptionsgelosterstoffe. Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften. Verfahren 24, 1–39 (1898).

Google Scholar

Srivastava, VC, Mall, ID & Mishra, IM Adsorption toxischer Metallionen auf Aktivkohle: Untersuchung des Sorptionsverhaltens durch Charakterisierung und Kinetik. Chem. Ing. Verfahren. 47(8), 1269–1280 (2008).

Artikel Google Scholar

Singh, S. et al. Nachhaltige Entfernung von Cr (VI) mithilfe eines Graphenoxid-Zinkoxid-Nanohybrids: Adsorptionskinetik, Isothermen und Thermodynamik. Umgebung. Res. 203, 111891 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lonappan, L. et al. Kovalente Immobilisierung von Laccase auf mit Zitronensäure funktionalisierten Mikro-Biokohlen aus verschiedenen Rohstoffen und Entfernung von Diclofenac. Chem. Ing. J. 351, 985–994 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y. et al. Immobilisierung von Laccase auf magnetisch abscheidbarer Biokohle zur hocheffizienten Entfernung von Bisphenol A aus Wasser. RSC Adv. 10(8), 4795–4804 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Er, L. et al. Mehrschichtige Enzymbeschichtung auf hochleitfähigen magnetischen Biokohle-Nanopartikeln für die Bisphenol-A-Erkennung in Wasser. Chem. Ing. J. 384, 123276 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Qiu, H. et al. Adsorption von Laccase auf der Oberfläche von nanoporösem Gold und direkter Elektronentransfer zwischen ihnen. J. Phys. Chem. C 112(38), 14781–14785 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Lonappan, L., Liu, Y., Rouissi, T., Brar, SK & Surampalli, RY Entwicklung von grünen Funktionsmaterialien auf Pflanzenkohlebasis unter Verwendung organischer Säuren für Umweltanwendungen. J. Sauber. Prod. 244, 118841 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Baig, N., Chauhan, DS, Saleh, TA & Quraishi, MA Diethylentriamin funktionalisiertes Graphenoxid als neuartiger Korrosionsinhibitor für Weichstahl in Salzsäurelösungen. Neue J. Chem. 43(5), 2328–2337 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Hu, J., Yuan, B., Zhang, Y. & Guo, M. Immobilisierung von Laccase auf magnetischen Silica-Nanopartikeln und ihre Anwendung bei der Oxidation von Guajakol, einer phenolischen Lignin-Modellverbindung. RSC Adv. 5(120), 99439–99447 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Gao, Y. & Kyratzis, I. Kovalente Immobilisierung von Proteinen auf Kohlenstoffnanoröhren unter Verwendung des Vernetzers 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid – Eine kritische Bewertung. Biokonjug. Chem. 19(10), 1945–1950 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jiang, K. et al. Proteinimmobilisierung auf Kohlenstoffnanoröhren durch einen zweistufigen Prozess der Diimid-aktivierten Amidierung. J. Mater. Chem. 14(1), 37–39 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Cho, YK & Bailey, JE Immobilisierung von Enzymen auf Aktivkohle: Auswahl und Vorbereitung des Kohlenstoffträgers. Biotechnologie. Bioeng. 21(3), 461–476 (1979).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhang, G. et al. Aerobe körnige Aktivkohle aus Schlamm: Mineralsäuremodifikation und überlegene Farbstoffadsorptionskapazität. RSC Adv. 5(32), 25279–25286 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Marshall, MW, Popa-Nita, S. & Shapter, JG Messung funktionalisierter Kohlenstoffnanoröhren-Carbonsäuregruppen mithilfe eines einfachen chemischen Prozesses. Carbon 44(7), 1137–1141 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Hadi, S., Taheri, E., Amin, MM, Fatehizadeh, A. & Khayet, M. Magnetisierte Aktivkohle, synthetisiert aus Granatapfelschalen zur Persulfataktivierung und zum Abbau von 4-Chlorphenol aus Abwasser. Appl. Wissenschaft. 12(3), 1611 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Taheri, E., Fatehizadeh, A., Lima, EC & Rezakazemi, M. Säurebehandelte Pflanzenkohle mit großer Oberfläche aus Granatapfelschalen für die Adsorption von 2,4-Dichlorphenol aus wässriger Lösung. Chemosphere 295, 133850 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Ahmad, MA, Puad, NAA & Bello, OS Kinetische, Gleichgewichts- und thermodynamische Studien zur Entfernung synthetischer Farbstoffe mithilfe von Granatapfelschalen-Aktivkohle, hergestellt durch mikrowelleninduzierte KOH-Aktivierung. Wasserressource. Ind. 6, 18–35 (2014).

Artikel Google Scholar

He, J., Song, Z., Ma, H., Yang, L. & Guo, C. Bildung eines mesoporösen Bioreaktors auf Basis von SBA-15 und Schweinepankreaslipase durch chemische Modifikation nach Aufnahme von Enzymen. J. Mater. Chem. 16(44), 4307–4315 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Badgujar, KC, Dhake, KP & Bhanage, BM Immobilisierung von Candida cylindracea-Lipase auf einem ternären Mischungsfilm auf Polymilchsäure-, Polyvinylalkohol- und Chitosan-Basis: Charakterisierung, Aktivität, Stabilität und ihre Anwendung für N-Acylierungsreaktionen. Prozessbiochem. 48(9), 1335–1347 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Pirozzi, D., Fanelli, E., Aronne, A., Pernice, P. & Mingione, A. Lipase-Einschluss in einer Zirkonoxidmatrix: Sol-Gel-Synthese und katalytische Eigenschaften. J. Mol. Katal. B-Enzym. 59(1–3), 116–120 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Umpierres, CS et al. Mikrowellenaktivierte Kohlenstoffe aus Tucumã-Samen (Astrocaryum aculeatum) zur effizienten Entfernung von 2-Nitrophenol aus wässrigen Lösungen. Umgebung. Technol. 39(9), 1173–1187 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lima, DR et al. Effiziente Entfernung von Paracetamol aus Wasser und Krankenhausabwasserbehandlung durch Aktivkohle aus Paranussschalen. Kolloide surfen. A 583, 123966 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Siddiqui, MTH et al. Charakterisierung und Prozessoptimierung von Pflanzenkohle, die aus neuartiger Biomasse und Granatapfelschalenabfällen hergestellt wird: Ein Ansatz der Reaktionsoberflächenmethodik. Abfallbiomasse-Valoriz. 10, 521–532 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Imam, A. et al. Anwendung von Laccase-immobilisierter Reisstroh-Biokohle zum Anthracenabbau. Umgebung. Umweltverschmutzung. 268, 115827 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wang, Z. et al. Die Untersuchung der Optimierung der Laccase-Immobilisierung und der Stabilitätsverbesserung von CTAB-KOH-modifizierter Pflanzenkohle. BMC Biotechnol. 21, 1–13 (2021).

Artikel Google Scholar

Li, N., Wissenschaft. Rep. 8(1), 13947 (2018).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Taheran, M. et al. Abbau von Chlortetracyclin unter Verwendung von immobilisierter Laccase auf einer Nanofasermembran aus Polyacrylnitril-Pflanzenkohle-Komposit. Wissenschaft. Gesamtumgebung. 605, 315–321 (2017).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Alver, E. & Metin, A. Ü. Chitosan-basierte metallchelierte Copolymer-Nanopartikel: Studien zur Laccase-Immobilisierung und zum Phenolabbau. Int. Biologischer Verfall. Biologisch abbaubar. 125, 235–242 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, F., Guo, C., Yang, LR & Liu, CZ Magnetische mesoporöse Silica-Nanopartikel: Herstellung und ihre Laccase-Immobilisierungsleistung. Biores. Technol. 101(23), 8931–8935 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Cea, M., González, ME, Abarzúa, M. & Navia, R. Enzymatische Veresterung von Ölsäure durch Lipase aus Candida rugosa, immobilisiert auf Pflanzenkohle. J. Umgebung. Geschäftsführer 242, 171–177 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, R., Chi, C., Li, F. & Zhang, B. Laccase-Polyacrylnitril-Nanofasermembran: Hoch immobilisiert, stabil, wiederverwendbar und wirksam für die Entfernung von 2, 4, 6-Trichlorphenol. ACS-Appl. Mater. Interfaces 5(23), 12554–12560 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Celikbicak, O. et al. Immobilisierung von Laccase auf haarigen, mit Polymer gepfropften Zeolithpartikeln: Abbau eines Modellfarbstoffs und Produktanalyse mit MALDI-ToF-MS. Mikroporöses mesoporöses Material. 199, 57–65 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Cabana, H., Alexandre, C., Agathos, SN & Jones, JP Immobilisierung von Laccase aus dem Weißfäulepilz Coriolopsis polyzona und Verwendung des immobilisierten Biokatalysators für die kontinuierliche Eliminierung endokrin wirkender Chemikalien. Biores. Technol. 100(14), 3447–3458 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Ghaedi, M., Mortazavi, K., Montazerozohori, M., Shokrollahi, A. & Soylak, M. Flammenatomabsorptionsspektrometrische (FAAS) Bestimmung von Kupfer, Eisen und Zink in Lebensmittelproben nach Festphasenextraktion auf Schiff'scher Base- modifizierter Duolit XAD 761. Mater. Wissenschaft. Eng., C 33(4), 2338–2344 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Yao, X. et al. Aus Wakame gewonnene magnetisch aktivierte Biokohle-Nanokomposite und ihre Anwendung bei der Methylenblau-Adsorption. Biores. Technol. 302, 122842 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Singh, S., Kumar, V., Romero, R., Sharma, K. & Singh, J. Anwendungen von Nanopartikeln in der Abwasserbehandlung. Nanobiotechnologie. Bioformel. 34, 395–418 (2019).

Artikel Google Scholar

Narasimhappa, P., Varshney, R., Singh, S., Naik, TSK & Ramamurthy, PC 3D rhomboedrische Mikrokristalle, metallorganische Gerüste für die elektrochemische und Fluoreszenzerkennung von Tetracyclin. Chemosphere 333, 138977 (2023).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Singh, S. et al. Mechanismus und Kinetik der Cr(VI)-Adsorption an Biokohle aus Citrobacter freundii bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen. J. Water Process Eng. 47, 102723 (2022).

Artikel Google Scholar

Singh, S., Kapoor, D., Khasnabis, S., Singh, J. & Ramamurthy, PC Mechanismus und Kinetik der Adsorption und Entfernung von Schwermetallen aus Abwasser mithilfe von Nanomaterialien. Umgebung. Chem. Lette. 19, 2351–2381 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Singh, S. et al. Adsorption und Entgiftung pharmazeutischer Verbindungen aus Abwasser mithilfe von Nanomaterialien: Ein Überblick über Mechanismus, Kinetik, Verwertung und Kreislaufwirtschaft. J. Umgebung. Geschäftsführer 300, 113569 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Arregui, L. et al. Laccasen: Struktur, Funktion und mögliche Anwendung in der Wasserbioremediation. Mikrob. Zellfakt. 18(1), 1–33 (2019).

Artikel Google Scholar

Lloret, L. et al. Immobilisierung von Laccase durch Einkapselung in einer Sol-Gel-Matrix sowie deren Charakterisierung und Verwendung zur Entfernung von Östrogenen. Biotechnologie. Prog. 27(6), 1570–1579 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ariaeenejad, S., Motamedi, E. & Salekdeh, GH Hocheffiziente Entfernung von Farbstoffen aus Abwasser unter Verwendung von Nanozellulose aus Quinoaschalen als Träger für die Immobilisierung von Laccase. Biores. Technol. 349, 126833 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

García-Delgado, C. et al. Abbau von Tetracyclinen und Sulfonamiden durch mit Stevensit und Pflanzenkohle immobilisierte Laccase-Systeme und Einfluss auf die verbleibende antibiotische Aktivität. J. Chem. Technol. Biotechnologie. 93(12), 3394–3409 (2018).

Artikel Google Scholar

Chen, Chemosphere 233, 49–56 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

da Silva, CKH et al. Kovalent auf Avocadosamen-Biokohle immobilisierte Laccase: Ein Hochleistungs-Biokatalysator für die Sorption und Biotransformation von Paracetamol. J. Umgebung. Chem. Ing. 10(3), 107731 (2022).

Artikel Google Scholar

Dos Santos, PM et al. Maiskolben als grüner Träger für die Laccase-Immobilisierung – Anwendung zur Entfärbung von Remazol Brilliant Blue R. Int. J. Mol. Wissenschaft. 23(16), 9363 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

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Die Autoren danken der herzlichen Arbeit des Herausgebers und der anonymen Gutachter sehr. Die in diesem Manuskript dargelegten Standpunkte oder Meinungen sind die der Autoren. Das neue nationale Exzellenzprogramm ÚNKP-22-3-I-PE-12 (Osamah J. Al-sareji) des Ministeriums für Kultur und Innovation aus Mitteln des Nationalen Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsfonds unterstützte diese Forschung.

Open-Access-Förderung durch die Pannonische Universität. Das neue nationale Exzellenzprogramm ÚNKP-22-3-I-PE-12 (Osamah J. Al-sareji) des Ministeriums für Kultur und Innovation aus Mitteln des Nationalen Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsfonds unterstützte diese Forschung.

Forschungslabor für Nachhaltigkeitslösungen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Pannonien, Universitätsstr. 10, Veszprém, 8200, Ungarn

Osamah J. Al-sareji, Mónika Meiczinger & Viola Somogyi

Umweltforschungs- und Studienzentrum, Universität Babylon, Al-Hillah, Babylon, Irak

Osamah J. Al-Sareji & Ruqayah Ali Grmasha

NYUAD Water Research Center, New York University-Abu Dhabi Campus, Postfach 129188, Abu Dhabi, Vereinigte Arabische Emirate

Raed A. Al-Juboori

Forschungsgruppe Wasser- und Umwelttechnik, Abteilung für gebaute Umwelt, Aalto-Universität, Aalto, Postfach 15200, 00076, Espoo, Finnland

Raed A. Al-Juboori

Forschungsgruppe Limnologie, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Zentrum für Naturwissenschaften, Universität Pannonien, Egyetem u. 10, Veszprém, 8200, Ungarn

Ruqayah Ali Grmasha, Csilla Stenger-Kovács & Edina Lengyel

School of Civil Engineering and Built Environment, Liverpool John Moores University, Liverpool, Großbritannien

Manolia Andredaki, Ibijoke A. Idowu und Khalid S. Hashim

ELKH-PE Limnoecology Research Group, Egyetem utca 10, Veszprém, 8200, Ungarn

Csilla Stenger-Kovács & Edina Lengyel

Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften, Forschungszentrum für Ingenieurwissenschaften, Universität Pannonien, Postfach 158, Veszprém, 8201, Ungarn

Jacob Miklós

Abteilung für Umweltingenieurwesen, College of Engineering, Universität Babylon, Al-Hillah, Babylon, Irak

Khalid S. Hashim

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OJA: Formale Analyse, Datenkuration, Visualisierung, Methodik, Untersuchung, Ressourcen, Konzeptualisierung, Finanzierungsbeschaffung, Software, Validierung, Schreiben-Originalentwurf, Schreiben-Überprüfung und Bearbeitung. MM: Betreuung, Methodik, Ressourcen, Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten. RAA: Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten, Methodik, Untersuchung. RAG: Schreibprüfung und -bearbeitung, Methodik, Visualisierung, Software.MA: Validierung, Schreibprüfung und -bearbeitung.VS: Aufsicht, Ressourcen, Schreibprüfung und -bearbeitung. IAI: Validierung, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung. CS-K.: Methodik. MJ: Methodologie.EL: Methodologie.KSH: Methodologie, Validierung, Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten.

Korrespondenz mit Osamah J. Al-sareji.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Al-sareji, OJ, Meiczinger, M., Al-Juboori, RA et al. Effiziente Entfernung pharmazeutischer Verunreinigungen aus Wasser und Abwasser durch immobilisierte Laccase auf Aktivkohle aus Granatapfelschalen. Sci Rep 13, 11933 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38821-3

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Eingegangen: 01. Mai 2023

Angenommen: 15. Juli 2023

Veröffentlicht: 24. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38821-3

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