Actividades biológicas y potencial de biosorción de algas rojas (Corallina officinalis) para eliminar el tinte verde malaquita tóxico

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13836 (2023) Citar este artículo

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Esta investigación tiene como objetivo utilizar Corallina officinalis ecológica como adsorbente para eliminar corrientes dañinas de tinte verde malaquita de efluentes industriales, promoviendo una vida sostenible y una inhibición eficaz del crecimiento microbiano. Se analizó la biomasa de Corallina officinalis para determinar la biosorción de tintes textiles, así como sus propiedades antibacterianas, antioxidantes y citotóxicas. Se investigaron los efectos de ciertos parámetros, que incluyen el pH de la solución, la concentración inicial de tinte, la dosis de algas y el tiempo de contacto, sobre la sorción del tinte. También se utilizó espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y microscopía electrónica de barrido y los resultados mostraron que los grupos funcionales en la superficie de las algas desempeñaban un papel importante en el proceso de biosorción. Se observó que los datos cinéticos fueron significativamente prominentes mediante el modelo de pseudosegundo orden con valores de coeficiente de correlación de regresión \({r}_{2}^{2}\) con un promedio de 0,95232. La biosorción fue compatible con las isotermas de Freundlich (R2 = 0,9843) y Langmuir (R2 = 0,9653), y la eficiencia máxima de eliminación del tinte alcanzó hasta el 99,9 % en 2 h, 27 °C, velocidad de agitación 120 rpm, pH 6. , concentración inicial de colorante 20 mg L-1 y dosis de biomasa 0,03 g L-1. Corallina officinalis tuvo mayor actividad antimicrobiana, con valores de concentraciones mínimas inhibitorias que oscilaron entre 0,156 y 5 mg mL-1. Corallina officinalis ejerció una importante actividad eliminadora de radicales contra los radicales libres probados. Se examinó la actividad citotóxica del extracto utilizando nueve líneas celulares cancerosas, que mostraron una alta citotoxicidad para el adenocarcinoma de colon con un valor de CI50 de 25,895 µg ml-1.

Los aspectos económicos de la calidad del agua y los recursos naturales de los cursos de agua reutilizables también se ven afectados por la contaminación del agua. El control de la calidad del agua, la reducción de la contaminación del agua y la protección del medio ambiente son las principales preocupaciones que deben abordarse para asegurar nuestro futuro. La propagación de enfermedades infecciosas reduce las posibilidades de un país de lograr un crecimiento sostenible y amenaza la salud pública1. Numerosas industrias utilizan ampliamente tintes sintéticos para colorear productos como textiles, papel, curtido de cuero, plástico, alimentos, polímeros e imprenta. La descarga de aguas residuales sin tratar es la principal causa de contaminación generalizada de los recursos de aguas superficiales y subterráneas debido al aumento de la toxicidad y la demanda química de oxígeno del efluente, así como a la reducción de la penetración de la luz2. El objetivo principal del tratamiento de aguas residuales industriales es salvaguardar la salud humana y el medio ambiente.

Un tinte orgánico, conocido como Verde Malaquita (MG), se utiliza en la industria textil para colorear cuero, seda, lana, yute, cerámica, algodón, fibras acrílicas y papel. MG es una sustancia cancerígena, mutagénica y teratogénica; ha sido identificado como un promotor de tumores hepáticos3. Los efluentes industriales mutagénicos, venenosos, alérgicos, cancerígenos y no degradables, como el tinte MG, causan grandes preocupaciones. Para disminuir los impactos perjudiciales de las aguas residuales contaminadas orgánicamente en las personas y el medio ambiente, las aguas residuales deben limpiarse a fondo antes de descargarse en los principales cursos de agua4.

Actualmente, la eliminación de colores de los efluentes industriales está despertando mucho interés. Se han utilizado varias técnicas fisicoquímicas, incluidas la coagulación-floculación, la oxidación, la filtración por membrana y la adsorción, para eliminar estos contaminantes industriales de los desechos líquidos. El tratamiento convencional de aguas residuales y la eliminación de contaminantes de soluciones acuosas no tienen éxito y las técnicas complejas son demasiado caras. Como resultado, existe la necesidad de investigar métodos novedosos cuya eficiencia y costo sean fascinantes5.

Se requieren políticas basadas en la ciencia para apoyar el desarrollo global sostenible a medida que crece la población mundial. Es crucial proteger el medio ambiente, restaurarlo y ayudar a la sociedad humana a superar los peligros de la industrialización y la expansión exponencial insostenible6. En este contexto, muchos estudios han demostrado que las macroalgas son un recurso marino importante para una vida ecológica y sostenible, ayudando en la resolución de los problemas globales actuales, como la contaminación del agua, la acidificación de los océanos y el calentamiento global.

Las macroalgas son uno de los organismos fotosintéticos más comunes del planeta y pueden crecer y sobrevivir en una variedad de ambientes bajo circunstancias difíciles, según Azam et al.7 las algas se consideran una fuente prometedora de biosorbentes debido a su alta capacidad de biosorción y Fácil disponibilidad. Existe un interés considerable en emplear algas como posibles agentes de adsorción para el tratamiento de aguas residuales.

La presencia de polisacáridos sulfatados en las paredes celulares de las macroalgas, particularmente en la matriz de fibrillas y los espacios intercelulares, es la principal explicación de su gran capacidad para unir contaminantes. Los grupos hidroxilo, sulfato y carboxilo de los polisacáridos son potentes intercambiadores de iones8. Las macroalgas contienen características especiales como antioxidantes, antibacterianas y antitumorales debido a su abundancia en varias sustancias bioactivas y antifúngicas. Entre estas sustancias bioactivas se encuentran algunos metabolitos primarios y secundarios como los fitocromos (luteína y carotenoides), DHA, taninos, péptidos, lípidos, enzimas, vitaminas, terpenoides y otras sustancias9. Las macroalgas ofrecen fuentes de alimentos nutritivos y ecológicos y componentes naturales para diversas industrias.

Motivados por estos hallazgos, examinamos la eliminación de MG utilizando Corallina officinalis seca como adsorbente de bajo costo recolectado a lo largo de la costa del Mar Rojo en la investigación actual. En este sentido, se han investigado la cinética de adsorción y las isotermas. El extracto de acetona de Corallina officinalis fue investigado por sus actividades antioxidantes, antibacterianas y citotóxicas y, según los hallazgos del estudio, intentamos conectar y explorar cómo las macroalgas pueden ayudarnos a alcanzar tres de los diecisiete Objetivos de Desarrollo Sostenible, así como también cómo pueden promover una forma de vida más sostenible en el futuro.

Las macroalgas marinas son difíciles de identificar debido a su morfología simple, convergencia, plasticidad fenotípica y generaciones heteromórficas. Por lo tanto, no sorprende que los sistemáticos de las algas hayan llegado a depender en gran medida de herramientas genéticas10. Se secuenciaron muestras coralinas para la subunidad 1 de la citocromo oxidasa (gen COI). Se secuenciaron muestras coralinas de Egipto para detectar el gen COI. La longitud de las secuencias determinadas osciló entre 624 y 664 pb. En el árbol filogenético (Fig. 1), GWS002371 se identificó como Corallina officinalis, que formó un clado bien soportado (99,84 % de soporte de arranque) (acceso a Genbank: KU501319.1) (gen de vale de Corallina officinalis GWS002371 (COI), cds parciales ; mitocondrial).

Árbol filogenético para muestra de algas basado en secuencias COI.

Como se muestra en (Fig. 2), los resultados del análisis de los espectros IR notados antes (Fig. 2a) y después (Fig. 2b) de la biosorción de MG. Según sus números de onda, los picos en el espectro FTIR se atribuyeron a distintos grupos funcionales en 3444–3239 cm−1 (O–H y N–H), 2960–2920 cm−1 (C–H), 2200–2552 cm-1 (grupo carboxílico), 1800-1417 cm-1 (grupos amida, carboxilatos, sulfatos y cetona), 1155-1051 cm-1 (C-O, C-C y C-OH) y 876-1 414 cm–1 están asociados con los grupos aromáticos (–C–H). Las Figuras 2a, b ilustran que algunos picos cambian o desaparecen debido al proceso de unión que ocurre en la superficie de la biomasa.

Picos FTIR de transmitancia de MG (a) antes de la biosorción y (b) MG después de la biosorción.

El análisis del espectro IR muestra que las posiciones de los grupos funcionales en las biomasas de algas se alteran después del tratamiento con tinte, lo que indica que estos grupos están involucrados en la eliminación de MG. El proceso de unión que tiene lugar en la superficie de la biomasa es lo que hace que algunos picos se desplacen o desaparezcan, además de que surjan otros nuevos tras la biosorción de moléculas de MG. Hay muchos polisacáridos en las paredes celulares de las algas, algunos de los cuales están unidos a proteínas y otros elementos11. En estas moléculas de la superficie de las células de las algas están presentes muchos grupos funcionales diferentes, incluidos los grupos carboxilo, amino y fosfato. De los resultados se supone que el tinte interactuó con los grupos funcionales activos para convertirse en parte del adsorbente como lo sugieren Jayaraj et al.12.

Se utilizó SEM para examinar los cambios morfológicos provocados por la adsorción de tinte en las células de la biomasa de Corallina officinalis. Como se muestra en la Fig. 3, hay una clara diferencia en la superficie de Corallina officinalis antes (Fig. 3a) y después (Fig. 3b) de la adsorción de MG. Las células de las algas aparecieron con cavidades profundas muy porosas (Fig. 3a). Después de la adsorción de MG, la superficie fluyó debido a la precipitación de iones de tinte (Fig. 3b). Una característica única de las algas que se ve en las imágenes SEM son los poros profundos y las cavidades adyacentes entre sí. Según la relación entre el área de superficie y el volumen, esta amplia superficie vacía crea un área grande para los iones MG y aumenta la capacidad de biosorción. La estructura de la superficie y los grupos funcionales de la pared celular de las algas marinas desempeñan un papel vital en la capacidad de bioadsorción de los colorantes de las algas13. Deokar (2016)14 y Fakhry (2013)15 observaron alteraciones en la porosidad superficial de las algas como resultado de la adsorción de tintes.

Imágenes SEM de Corallina officinalis (a) antes de la biosorción de MG y (b) después de la biosorción de MG.

Uno de los parámetros más críticos que afectan la absorción de tintes de aguas residuales y soluciones acuosas es el pH. El efecto del pH sobre la adsorción de tinte en C. officinalis se investigó a 27 °C alterando el pH de la solución de tinte de 2 a 8. Como se muestra en la (Fig. 4), cuando se elevó el pH de la solución, aumentó la eficacia de la biosorción de MG. . La eficiencia de eliminación % de MG alcanza un máximo (99,98%) a pH 6.

Efecto del pH sobre la eficiencia de eliminación de MG, V: 30 mL; Ci: 50 mg L-1; M: 0,03g; Temperatura: 27 °C.

El pH es un elemento crítico en los estudios de biosorción de tintes porque afecta los grupos funcionales en la superficie de la biomasa y regula la solubilidad del tinte en soluciones acuosas. Debido a que la concentración de OH- aumenta a medida que aumenta el pH de la solución, la interacción electrostática entre la superficie adsorbente cargada negativamente y las moléculas de MG de naturaleza catiónica hace que aumente la capacidad de adsorción. Investigaciones anteriores encontraron que la adsorción de colorantes catiónicos aumenta al aumentar el pH16. La adsorción se reduce cuando la superficie del alga está cargada positivamente a un pH más bajo debido a la repulsión electrostática entre las moléculas catiónicas de MG y la superficie adsorbente cargada positivamente17.

Otro factor clave que determina el rendimiento de la biosorción es la dosis de biosorbente. Evalúa la accesibilidad de los sitios de unión para eliminar moléculas de tinte a una concentración de tinte determinada. Se investigó el efecto de las dosis de algas C. officinalis oscilaron entre 0,02 y 0,08 g en una concentración inicial de tinte de 100 mg L-1 a un pH óptimo de 6, durante 10 h y a una temperatura constante de 27 °C. La Figura 5 muestra que a medida que la masa adsorbente aumenta de 0,02 a 0,08 g L-1, la capacidad de adsorción (qe) disminuye de 99,86 a 37,48 mg g-1 y el porcentaje de adsorción aumenta. Como resultado, hay un aumento en la cantidad de adsorción. Como es bien sabido, existen sitios de adsorción más accesibles a medida que aumenta la masa adsorbente. Además, la disminución de la capacidad de adsorción con el aumento de la masa de C. officinalis se explica por la presencia de sitios de adsorción insaturados17. Esto se debe a que los sitios activos podrían utilizarse eficazmente cuando la dosis era baja (es decir, cuando la relación adsorbente/adsorbato era baja). Cuando se aumenta la dosis de adsorbente (alta relación adsorbente/adsorbato), es más probable que se consuma una cantidad considerable del adsorbente disponible. Aún quedan áreas activas por descubrir, lo que se traduce en una disminución de la captación específica18. Las observaciones actuales son consistentes con hallazgos anteriores. Deokar et al.14 descubrieron patrones qe similares al estudiar varios sistemas adsorbente-adsorbato.

Efecto de la biomasa en la remoción de MG V: 30 mL; Ci: 100 mg L-1; Temperatura: 27 °C; pH: 6.

El efecto de las concentraciones iniciales de colorante (20–100 mg L-1) sobre la eliminación de MG por C. officinalis se representó en (Fig. 6) al pH óptimo 6, temperatura 27 °C, peso de biomasa 0,03 g L-1, durante 10 h, y a una velocidad de 120 rpm. El porcentaje de tinte eliminado por el alga Corallina disminuyó ligeramente a medida que aumentó la concentración de tinte. Cualquier concentración inicial tuvo el mismo patrón en la tasa de biosorción de MG. Este descubrimiento (disminución en el porcentaje de eliminación de tinte) se debe al hecho de que todos los adsorbentes tienen un número finito de sitios activos, que se saturan a una concentración particular19. La tasa máxima de eliminación de tinte probada fue del 99,93 % del tinte MG a una concentración de 20 mg L-1. La concentración inicial de MG actúa como el principal factor impulsor para superar cualquier resistencia a la transferencia de masa entre las fases acuosa y sólida20. El elemento limitante de la velocidad que afecta la concentración de equilibrio del tinte es la disponibilidad de sitios de adsorción21, lo que muestra que el tinte MG tiene una fuerte afinidad por C. officinalis. Los resultados actuales son consistentes con los de Tsai et al.19 al estudiar la eliminación de MG de soluciones acuosas mediante el uso de biomasa a base de chlorella.

Eliminación de diferentes concentraciones de MG por Corallina officinalis V: 30 mL; M: 0,03g; Temperatura: 27 °C; pH: 6.

La Figura 7 muestra el impacto del tiempo de contacto (0,0 a 10 h) entre la biomasa de algas y el tinte MG en la eficacia de la eliminación. La eliminación del tinte MG por C. officinalis aumentó rápidamente durante la primera hora a 98,51%, y luego aumentó gradualmente a las 2h a 99,25%, hasta el equilibrio. El proceso de biosorción de MG consta de tres fases: rápida, lenta y estacionaria, con la fase rápida inicial debido a una amplia superficie y macroporos vacíos, la posterior desaceleración debido a la saturación y el equilibrio en la tercera fase como C. officinalis estaban saturadas22. Los hallazgos indican que los grupos funcionales en la pared superficial de las algas y el tinte MG tienen una alta afinidad y una fuerte fuerza de atracción electrostática11.

Efecto del tiempo de contacto sobre MG por Corallina officinalis V: 30 mL; M: 0,03g; Ci: 20 mg L-1; pH: 6; Temperatura: 27°C.

La cinética de adsorción explica la rapidez con la que tiene lugar el proceso de sorción. Los dos modelos cinéticos más simples, los modelos de pseudoprimer y pseudosegundo orden, se utilizaron para evaluar los datos de sorción en este estudio y se explican a continuación:

Este modelo sugiere que la variación en la concentración de tinte con respecto al tiempo es proporcional a la potencia. También se basa en el supuesto de que la siguiente velocidad de reacción r puede expresarse como:

Separando e integrando la ecuación. (1) con respecto a los límites C = C0 en t = 0 y C = C en cualquier t se obtiene

Por tanto, la constante de velocidad K puede calcularse a partir de la pendiente de la gráfica de ln(C/C0) frente a t. La Figura 8a representa un gráfico de ln(C/C0) frente a t en cinco concentraciones de tinte diferentes. La Tabla 1 muestra los valores de K1 calculados y sus correspondientes valores del coeficiente de correlación de regresión lineal \({r}_{1}^{2}\). El modelo cinético de primer orden no logró representar adecuadamente los datos de sorción, con un coeficiente de correlación promedio de 0,52548.

La cinética de sorción se investigó más a fondo con un modelo de segundo orden. Este modelo se basa en el supuesto de que ocurrirá la siguiente reacción:

donde A es el componente colorante que se acumula en el adsorbente sólido, la velocidad de reacción r se puede escribir como:

Cuando la ecuación. (5) se integra con respecto al límite C \(=\) C0 en el momento t \(=\) 0 y C \(=\) C en cualquier momento t, la ecuación se simplifica a

La constante de velocidad de segundo orden K2 se puede calcular utilizando la pendiente de 1/C versus t (Fig. 8b). La Tabla 1 muestra las constantes de velocidad de segundo orden calculadas K2 y sus correspondientes valores de coeficiente de correlación de regresión lineal más altos \({r}_{2}^{2}\) con un promedio de 0,95232. En todas las concentraciones de tinte, se encontró que los valores \({r}_{2}^{2}\) más grandes eran mayores que el valor \({r}_{1}^{2}\), lo que confirmó que el MG La cinética de biosorción sigue el modelo de pseudosegundo orden. Para elegir las condiciones operativas ideales para la operación por lotes a gran escala, se debe comprender la cinética de absorción del soluto. También es fundamental determinar la dependencia temporal de los sistemas de adsorción en diversas condiciones del proceso13. El modelo cinético de primer orden no pudo reflejar con precisión los datos de sorción en ninguna de las concentraciones iniciales de tinte, con un coeficiente de correlación promedio de 0,52548. La Tabla 1 muestra las constantes de velocidad de segundo orden determinadas K2 y su correspondencia con valores de coeficiente de correlación de regresión lineal más altos \({r}_{2}^{2}\) con un promedio de 0,95232. En todas las concentraciones de tinte, se encontró que los valores mayores de \({r}_{2}^{2}\) eran mayores que los valores \({r}_{1}^{2}\) que confirmaron que la cinética de biosorción de MG sigue el modelo de pseudosegundo orden. Entonces, los datos cinéticos estuvieron representados significativamente por el pseudo segundo orden. Según la Tabla 1, la biosorción de MG puede ocurrir en una monocapa sobre la superficie del adsorbente. Se cree que la sorción química es el paso limitante de la velocidad según el modelo cinético de segundo orden23.

(a) Gráfico de pseudoprimer orden; (b) gráfico de pseudosegundo orden para la biosorción de tinte MG en biosorbente de Corallina officinalis.

Corallina officinalis es un biosorbente eficiente y rentable para eliminar el peligroso tinte verde malaquita de soluciones acuosas, y ofrece una alternativa viable para el tratamiento del agua. C. officinalis es un biosorbente ecológico para el tratamiento del agua que ofrece una alternativa sostenible a los productos químicos sintéticos. Elimina eficazmente colorante verde malaquita con una capacidad máxima de adsorción de 101,30 mg g-1, demostrando su capacidad para capturar y eliminar colorante. La biosorción de tinte MG de C. officinalis es compatible con las isotermas de Freundlich y Langmuir, lo que indica una adsorción eficiente en diversas situaciones.

Las isotermas de adsorción describen la relación entre el adsorbente y la concentración del analito en la solución24. En condiciones óptimas, se utilizaron los modelos de isotermas para la biosorción de MG en biosorbente seco de Corallina officinalis. La Figura 9. muestra las correlaciones de las isotermas de Freundlich (Fig. 9a) y Langmuir (Fig. 9b) de biosorción, que se calcularon en 0,9843 y 0,9653, respectivamente, y sus constantes se enumeran en la Tabla 2. La biosorción fue compatible tanto con Freundlich como con Modelos de isotermas de Langmuir, que demuestran que el tinte MG se adsorbe eficazmente en la biomasa de C. officinalis, y que la biomasa puede tener la mayor afinidad de unión y la capacidad máxima para el tinte MG y puede mostrar condiciones de superficie heterogéneas (adsorción multicapa) y adsorción homogénea (adsorción monocapa). 25. Según Siew Ling (2011)26, para definir la sorción de colorante por el alga roja, se prefieren valores de coeficiente de correlación fuertes para los modelos de Langmuir y Freundlich (R2 > 0,95), lo cual es compatible con nuestros hallazgos.

Modelos isotérmicos de Freundlich (a) y Langmuir (b) para la biosorción de MG pH: 6, biomasa de algas: 30 mg/L, tiempo: 10 h.

El objetivo principal de la recuperación de agua era reutilizar y conservar el agua. Sin embargo, se presta relativamente poca atención a las consecuencias de los componentes de las aguas residuales en las plantas, los animales, el medio ambiente y la salud humana. Se requieren reglas y directrices adecuadas para limitar la reutilización de diversos tipos de agua tratada en la industria. El uso de biosorbentes de Corallina officinalis puede tener impactos ecológicos, alterando el equilibrio del ecosistema marino y la biodiversidad. Las prácticas de recolección no gestionadas pueden causar consecuencias ambientales imprevistas, incluidas interacciones con organismos, liberación de subproductos y efectos a largo plazo sobre la calidad del agua y la dinámica de los ecosistemas.

La eliminación de la actividad eliminadora de radicales libres de las muestras se midió mediante 1,1-difenil-2-picril-hidrazilo (DPPH), radical anión superóxido y ácido 2,2-Azino-bis (3-etilbenzotiazolina-6-sulfónico). Los radicales de sal de diamonio (ABTS) del extracto de alga Corallina officinalis estudiado se representan en la Tabla 3. El extracto de alga C. officinalis ejerció una importante actividad eliminadora de radicales contra los radicales libres (DPPH, anión superóxido y ABTS) que muestra un porcentaje de inhibición dependiente de la dosis. La capacidad del extracto de macroalgas para eliminar DPPH, anión superóxido y ABTS aumentó con el aumento de la concentración del extracto de algas. Los valores se expresan como media + DE de tres mediciones.

Las algas son reconocidas como antioxidantes importantes debido a su capacidad para eliminar radicales libres como el oxígeno singlete, el superóxido y los radicales hidroxilo27. Utilizando diferentes bioensayos de antioxidantes, los extractos de algas que se probaron mostraron una actividad antioxidante moderada. La prueba DPPH se utilizó como método de evaluación principal, considerándose un método colorimétrico confiable, simple y ampliamente utilizado para la preselección de nuevos antioxidantes de fuentes naturales28. Los otros dos métodos utilizados ayudaron a comprender mejor el mecanismo de la actividad antioxidante.

Investigaciones anteriores han informado de una fuerte actividad antioxidante en el alga Portieria hornemannii mediante el uso de diferentes disolventes de extracción como acetato de etilo, metanol y cloroformo29. A diferencia de hallazgos anteriores, este estudio descubrió que los extractos de acetona de C. officinalis mostraban una actividad antioxidante comparativamente fuerte, probablemente porque los extractos incluían más componentes antioxidantes27. Esto plantea la posibilidad de que el alga Corallina se utilice como fuente natural de antioxidantes, posiblemente en lugar de antioxidantes sintéticos como el hidroxianisol butilado y el hidroxitoluidrotolueno, que se sabe que causan cáncer cuando están presentes en grandes cantidades30.

La eficacia antibacteriana de los extractos de Corallina officinalis contra cepas de bacterias grampositivas y gramnegativas se muestra en la Tabla 4. El extracto inhibió todos los microorganismos probados en concentraciones relativamente bajas, con valores significativos de concentración inhibidora mínima (CMI) de 0,156 mg ml-. 1 para Bacilo. mycoides y 1,25 mg mL-1 para Candida albicans. Los valores de CMI para los hongos oscilaron entre 1,25 y 5 mg ml-1. Aunque el extracto probado tuvo una actividad más débil que los antibióticos estándar, demostró propiedades antibacterianas más potentes que antifúngicas, lo que coincide con estudios previos que atribuyeron diferencias en la permeabilidad y estructura de la pared celular a la sensibilidad de las bacterias y hongos grampositivos y gramnegativos31. En comparación con las bacterias gramnegativas, las bacterias grampositivas eran ligeramente más sensibles, tal vez como resultado de la estructura hidrófila de la pared celular de estas últimas32. La quitina y el glucano son dos ejemplos de los polisacáridos que forman la pared celular del hongo, que la hacen menos permeable33.

La importante actividad citotóxica de Corallina officinalis contra las líneas celulares cancerosas examinadas in vitro se muestra en la Tabla 5. Una mayor actividad citotóxica corresponde a una CI50 más baja. Se encontró que C. officinalis era significativamente citotóxica para la línea celular HCT-15, mientras que la CI50 era de 25,895 µg mL-1. Estudios anteriores han indicado que los efectos anticancerígenos se deben a componentes que se encuentran en las algas. Sin embargo, determinar cómo contribuye cada componente a las propiedades anticancerígenas generales es un desafío. Las actividades del extracto son frecuentemente el resultado de interacciones sinérgicas de muchas sustancias. Sólo unos pocos informes hasta la fecha han indicado en la literatura que Corallina officinalis tiene propiedades anticancerígenas34. Kwon et al.35 informaron que Corallina pilulifera inhibía el crecimiento de la línea celular HeLa con una correlación entre nuestros resultados. Nuestros hallazgos indicaron que el alga probada tenía una actividad anticancerígena significativamente moderada en comparación con sus hallazgos.

El estudio destaca las posibles ventajas para la salud de Corallina officinalis. El extracto de acetona de C. officinalis tiene propiedades antioxidantes, citotóxicas, antibacterianas y antifúngicas. Estos descubrimientos allanaron el camino para futuras investigaciones y desarrollo de medicamentos y sustancias químicas bioactivas.

Para garantizar que el mundo tenga un futuro brillante, las Naciones Unidas (ONU) agregaron los ODS a la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible. A primera vista, estos objetivos pueden parecer difíciles de entender, pero explican una serie de problemas sociales y ofrecen una lista detallada de pasos para mejorar la forma en que las personas interactúan con su entorno. En 2015, la comunidad mundial publicó la Agenda 2030, que enumera los 17 ODS que deben cumplirse para 2030. Si no tienes acceso a agua potable y servicios básicos de saneamiento, tu salud está en riesgo. Además, es una barrera al crecimiento para una parte considerable de la población mundial, en particular los más vulnerables6.

Debido a las múltiples funciones que desempeñan las macroalgas en los ecosistemas acuáticos y la sociedad, se puede considerar que son un arma eficaz en la lucha por alcanzar los ODS. Las macroalgas desempeñan un papel importante en la ecología de los hábitats costeros y oceánicos porque crean áreas de cría únicas que son importantes para el medio ambiente y eliminan contaminantes inorgánicos, lo que ayuda a limpiar el agua.

En este estudio, analizamos y hablamos sobre cómo las macroalgas podrían ayudar a los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas. Nos centramos en el ODS 3, que trata sobre la buena salud; el ODS 6, que trata sobre la mejora de la calidad del agua; y el ODS 13, que trata sobre la lucha contra el cambio climático36.

Según lo que encontramos, los extractos de Corallina officinalis se pueden utilizar como complementos alimenticios y como fuente natural de fármacos antioxidantes, antibacterianos y anticancerígenos. Estos beneficios para la salud contribuyen al logro del ODS 3. C. officinalis se puede utilizar para eliminar colorantes tóxicos en las aguas residuales industriales que son perjudiciales para la salud de las personas y el medio ambiente, lo que ayudará a alcanzar el ODS 6. Corallina officinalis puede tomar verde malaquita teñirlo y encerrarlo en las paredes de su celda. Con esta tecnología, la contaminación por tintes de las aguas residuales de las empresas industriales se puede reducir de una manera que sea barata, utilice menos energía y sea buena para el medio ambiente. Corallina officinalis puede reducir la contaminación y actuar como estructuras vivas de protección, lo que aumenta el valor del medio ambiente y ayuda a alcanzar el ODS 13.

La investigación se centra en la eliminación del tinte verde malaquita y las bioactividades de Corallina officinalis, pero su relevancia ante diferentes tintes, contaminantes o toxinas puede variar. Se necesita más investigación para determinar su eficacia para diferentes sustancias químicas. Las consideraciones ambientales y las consideraciones regulatorias y comerciales son cruciales para una comercialización exitosa.

El hallazgo del estudio actual mostró que Corallina officinalis es un biosorbente eficiente, asequible y ecológico para eliminar el tinte verde malaquita tóxico de soluciones acuosas. La eficacia de eliminación del tinte alcanzó hasta el 99,9% y una capacidad máxima de adsorción de 101,30 mg g-1 en condiciones específicas: pH 6, 27 °C, agitación de 120 rpm a una concentración inicial de tinte de 20 mg L-1 y 0,03 g L-1 de biomasa en el tiempo de contacto 2 h. Además, la biosorción de MG se ajustó bien al modelo de pseudosegundo orden con valores de coeficiente de correlación de regresión lineal \({r}_{2}^{2}\) con un promedio de 0,95232. Fue compatible con los modelos de isotermas de Freundlich y Langmuir, lo que demuestra que el tinte MG se adsorbe eficazmente en la biomasa de C. officinalis, y que la biomasa puede tener la mayor afinidad de unión y la capacidad máxima para el tinte MG y puede mostrar condiciones de superficie heterogéneas y adsorción homogénea. Esto serviría como ejemplo de la utilización de recursos marinos en la tecnología de tratamiento de agua para reducir la contaminación ambiental con numerosas ventajas prometedoras para el uso comercial futuro, reducir la contaminación y se puede considerar como un arma eficaz en la lucha por lograr los ODS. .

Según nuestros hallazgos, el extracto de acetona de C. officinalis exhibe un importante antioxidante para la eliminación de radicales ABTS con un 78,26%, una importante actividad citotóxica contra el adenocarcinoma de colon (HCT-15) con IC50 25,895 µg mL-1, una notable actividad antibacteriana contra B. mycoides. , B. subtilis con CIM de 0,156 mg mL-1 y actividad antifúngica significativa contra Candida albicans con CIM de 1,25 mg mL-1. Actualmente, los sistemas de salud humanos están preocupados por el hecho de que los gérmenes peligrosos se vuelvan resistentes a los antibióticos sintéticos, por lo que es fundamental pensar en remedios creativos. Corallina officinalis es una fuente abundante de productos farmacéuticos y sustancias bioactivas que pueden satisfacer las crecientes necesidades de la población.

El estudio actual es el primer examen científico de Corallina officinalis por su capacidad para eliminar el tinte verde malaquita. El estudio actual demostró la eficacia de adsorción de C. officinalis y se han descubierto sus actividades biológicas. Estos hallazgos podrían proporcionar información valiosa para esfuerzos futuros para eliminar colorantes y metales pesados adicionales. Se necesita más investigación para evaluar las características y mecanismos nutricionales que subyacen a los beneficios para la salud de diversos productos de macroalgas.

Durante la marea baja, se recogieron muestras de lugares a lo largo de las costas del Mar Rojo de Egipto. Para eliminar la sal, la arena y las epífitas, las muestras se lavaron en agua destilada antes de secarlas al aire a temperatura ambiente. y posteriormente se secó durante 24 h en estufa a 60 °C. Se tamizó una forma de polvo de muestras secas y se mantuvo a temperatura ambiente en viales oscuros y herméticos hasta el momento de la prueba37.

En este estudio se empleó el marcador molecular del espaciador transcrito interno (ITS) para distinguir las muestras de algas. Se empleó el sistema de aislamiento de ADN de plantas y algas NanoMag (Attogene, EE. UU.). Para aislar el ADN completo de plantas y algas, se creó específicamente el kit de aislamiento de ADN de plantas y algas NanoMag NA2012-01. Es fundamental asegurarse de que el procedimiento de pretratamiento de la muestra se realice a baja temperatura porque afectará directamente la creación de ADN y la integridad de los fragmentos. Las perlas magnéticas patentadas y el tampón cuidadosamente formulado se incluyen en el kit de aislamiento de ADN de plantas y algas NanoMag. El ADN purificado eluido con éxito puede almacenarse a una temperatura de -20 °C o utilizarse en PCR u otras reacciones enzimáticas. En el instrumento procesador de partículas magnéticas, los procedimientos son sencillos de utilizar y pueden automatizarse por completo. Se utilizó un termociclador CreaCon para realizar Amplicon (Holand). La longitud del producto amplificado terminado se calculó utilizando el marcador de ADN de escalera de ADN de 1 kpb (PeqGold 1 Kb, Peqlab y GMH). El gen COI se amplificó mediante PCR utilizando el ADN recuperado. La Tabla 6 enumera los cebadores utilizados para PCR y secuenciación. La secuenciación y la PCR se realizaron utilizando las técnicas descritas por Kogame et al.38.

Se utilizó la mezcla maestra Green taq (DreamTaq) (Thermo Scientific) para la amplificación de genes de acuerdo con el protocolo de fabricación. Según Kogame et al. (2015) 38, las condiciones del termociclador se aplicaron de la siguiente manera: 10 min a 96 °C para la desnaturalización, seguidos de 40 a 50 ciclos de 30 s a 94 °C, 30 s a 50 °C y 30 s a 72 °C, con una extensión final de 5 min a 72 °C. El producto final para un amplicón específico fue la fotografía y la detección utilizando Dig-doc, UVP, INC, Inglaterra.

Los productos de la PCR se cargaron en gel de agarosa al 1,5 % (p/v), se tiñeron con bromuro de etidio, se separaron mediante electroforesis (75 V, 150 mA) y se observaron en una placa UV. Se utilizó el kit de purificación Gene JET PCR (Thermo Scientific) para la purificación del ADN. El analizador genético ABI PRISM® 3100 se aplicó para productos de PCR y fue realizado por Macrogen In. Sello, Corea.

Se aplicó el sistema de documentación de gel (Geldoc-it, UVP, Inglaterra) para el análisis de datos utilizando el software de análisis Totallab, ww.totallab.com, (Ver.1.0.1). Los amplicones positivos se eluyeron del gel de agarosa mediante el kit de extracción en gel EZNA® (V-spin) (Omega BIO-TEK). El análisis de secuencia se empleó utilizando el analizador genético ABI PRISM® 3100 (Micron-Corp. Corea).

Se realizó FTIR para investigar los grupos funcionales de la superficie adsorbente que están a cargo del proceso de adsorción dentro del rango de 4000 a 400 cm-139.

Se utilizó SEM para investigar la morfología del polvo seco de C. officinalis antes y después del proceso de biosorción de MG39.

MG es un tinte catiónico con peso molecular MW: 972,02 g mol-1 suministrado por Research-Lab Fine Chem Industries, India. Se disolvieron cantidades ponderadas de MG en 1 litro de agua destilada para preparar las concentraciones requeridas de solución madre fresca C, con lotes de 20, 40, 50, 60, 80 y 100 mg L-140. Todos los reactivos químicos son de grado de investigación analítica (AR).

En un vaso Erlenmeyer de 50 ml, todas las pruebas de biosorción se realizaron durante 10 h con agitación constante a 120 rpm y una temperatura ambiente de 27 °C. Se usó una centrífuga Hettich, EBA 200 para centrifugar la solución después de haber alcanzado el equilibrio durante 10 minutos a 3000 rpm. Luego fue examinado. Al medir la absorbancia a una longitud de onda de 618 nm, se utilizó un espectrofotómetro visible ultravioleta (espectrofotómetro UV-VIS T80+) para cuantificar el colorante de absorción41.

El efecto del pH se evaluó utilizando 0,03 g L-1 de Corallina officinalis y 30 ml de concentración inicial de MG de 50 mg L-1 a un pH de solución diferente de 2 a 8. El pH de la solución se cambió añadiendo NaOH o HCL 0,1 N. solución utilizando un medidor de pH para examinar la influencia del pH en la capacidad de sorción42.

Se utilizaron varias dosis de biosorbente: 0,02, 0,03, 0,05, 0,06 y 0,08 g de algas con 30 ml de MG de una concentración inicial de tinte de 100 mg L-1 para examinar cómo el biosorbente afecta la eliminación del tinte en el pH ideal de la solución.

Se utilizaron diferentes concentraciones de tinte, de 20 a 100 mg L-1, para examinar el efecto de la concentración inicial de tinte en la eliminación del tinte utilizando 0,03 g L-1 de algas y 30 ml de MG en una serie de vasos de precipitados a temperatura ambiente. 27ºC durante 10 h. La solución se centrifugó después de alcanzar el equilibrio durante 10 minutos a 3000 rpm usando una centrífuga Hettich, EBA 200. Luego, fue analizado. El colorante de absorción se midió mediante un espectrofotómetro UV-VIS (T80+) examinando la absorbancia a una longitud de onda de 618 nm41. Los resultados representan los valores promedio de las dos réplicas.

El equilibrio es un requisito esencial para el uso de una técnica de adsorción en el tratamiento de aguas residuales. Para investigar el efecto del tiempo de contacto en la sorción del tinte MG, se pusieron en contacto 0,03 g L-1 de biomasa de Corallina officinalis con 30 ml de cada concentración de tinte (20, 40, 60, 80 y 100 mg L-1) a pH 6 durante 10 h a 120 rpm y temperatura ambiente 27 °C.

Se realizó un estudio cinético a pH óptimo. Una serie de vasos de precipitados de 50 ml que contenían 0,03 g L-1 de algas y 30 ml de MG en concentraciones iniciales de 20, 40, 60, 80 y 100 mg L-1 se agitaron a velocidad constante mientras se realizaban los estudios cinéticos. Las muestras se obtuvieron a intervalos regulares43. La cinética de biosorción del tinte por biosorbente se explicó utilizando los modelos de pseudoprimer y pseudosegundo orden. La cantidad de MG adsorbida en Corallina officinalis y la eficiencia de eliminación (R%) de MG se calcularon utilizando las Ecs. (7) y (8), respectivamente44. En estas ecuaciones, qe (mg g−1) representa la capacidad de adsorción, Ci es la concentración inicial de MG en el tiempo 0 y Cf es la concentración final de MG mg L−1. En el momento t, V es el volumen de solución de tinte en L y M es la masa de adsorbente en g:

Los modelos de isotermas de biosorción más utilizados son los modelos de Langmuir y Freundlich. Fueron determinados en este estudio utilizando datos experimentales. Las ecuaciones (9) y (10) para los cálculos del modelo isotérmico fueron las siguientes45:

Ecuación de la isoterma de Langmuir

Ecuación de la isoterma de Freundlich

Ce es la concentración de ion colorante en equilibrio (mg L-1), qm es la capacidad máxima de adsorción (mg g-1), KL es la constante de isoterma de Langmuir (L mg-1), KF es la constante de isoterma de Freundlich ( Lmg-1).

Las algas examinadas que habían sido finamente molidas y desecadas (100 g) se extrajeron con acetona (500 ml). Antes de ser condensados en un rotavapor a baja presión, los extractos fueron filtrados. Antes de ser utilizados en los experimentos, los extractos secos se almacenaron a -18 °C. Luego, las muestras se disolvieron en dimetilsulfóxido (DMSO) al 5%, que se utilizó como prueba de control de disolvente para analizar el impacto del DMSO en el desarrollo de microorganismos27.

Los diversos mecanismos por los cuales funcionan los antioxidantes, el potencial antioxidante de Corallina officinalis se evaluó mediante tres ensayos: la actividad eliminadora de radicales DPPH, el radical ABTS y la actividad eliminadora de aniones superóxido. Se utilizó DPPH para evaluar la capacidad de las muestras para eliminar los radicales libres. El experimento se realizó por triplicado. La capacidad del extracto de algas C. officinalis para eliminar los radicales libres se evaluó utilizando los métodos (DPPH), anión superóxido (ABTS), como lo describen Kosanić et al.27.

En nuestra investigación, se utilizaron los siguientes microbios como organismos de prueba: Bacillus mycoides (ATCC 6462), Bacilus subtilis (ATCC 6633), Staphylococcus aureus (ATCC 25923), Escherichia coli (ATCC 25922), Klebsiella pneumoniae (ATCC 33495) y Enterobacter. cloáceas (ATCC 13047). Además, los hongos utilizados fueron Aspergillus flavus (ATCC 9170), Aspergillus fumigatus (ATCC 1022), Candida albicans (ATCC 10231), Mucor mucedo (ATCC 52568), Botrytis cinerea (ATCC 36634) y Trichoderma harzianum (ATCC 20476).

Los patógenos bacterianos y fúngicos humanos y de peces se obtuvieron de la Unidad 3 de Investigación Médica Naval, El Cairo, Egipto. Los cultivos bacterianos se cultivaron en placas de agar. Se utilizaron agar patata dextrosa (PD) y agar Sabourad dextrosa (SD) para mantener los cultivos de hongos, y cultivos maduros frescos cultivados en agar PD a 30 °C se utilizaron para preparar suspensiones de esporas de hongos. Según el enfoque de Espinel-Ingroff46, para medir la turbidez espectrofotométricamente a 530 nm, las esporas se enjuagaron con agua destilada limpia. Luego se atenuaron hasta una concentración de aproximadamente 106 UFC ml-1.

Los inóculos bacterianos se crearon cultivando colonias bacterianas en sustrato de agar Mueller-Hinton durante 24 h a 37 °C. Luego, estos inóculos se diluyeron al estándar de McFarland 0,5, o aproximadamente 108 UFC ml-147.

Todos los cultivos se subcultivaron durante 15 días a 4 °C. Utilizando el método de microdilución en caldo y placas de microtitulación de 96 pocillos, se determinó la CIM. Contra cada uno de los microorganismos probados en el experimento se utilizaron dosis de extracto que variaron de 50 a 0,195 mg mL-1. Las soluciones de extracto originales se prepararon midiendo una cantidad específica de extracto y mezclándola con DMSO. Para colonias bacterianas, utilice el caldo Muller-Hinton; para hongos, use el caldo SD, los extractos se produjeron en diluciones dobles.

El ketoconazol y la estreptomicina fueron los estándares para hongos y bacterias, respectivamente. Para descubrir cómo el DMSO al 5% afectó el desarrollo de una bacteria, se realizó la prueba de control de solventes. Mediante la determinación de la CMI se evaluó la susceptibilidad de los microorganismos a extractos acetónicos de las algas estudiadas, donde la CIM se determinó mediante Resazurin31.

Las líneas celulares de cáncer en esta investigación fueron carcinoma de pulmón humano (A549), melanoma humano (Fem-x), adenocarcinoma de colon (HCT-15), osteosarcoma humano (MG-63), carcinoma de próstata (PC-3), adenocarcinoma de mama humano ( MCF-7), HeLa, riñón de mono verde africano (Vero) y líneas celulares de mioblasto de músculo esquelético de rata (L6). Las líneas celulares se obtuvieron de la Unidad 3 de Investigación Médica Naval, El Cairo, Egipto. Las células se cultivaron en una monocapa a 37 °C en un ambiente de aire humidificado de 95% y 5% de CO2 en el medio nutritivo RPMI 1640 con 10% (inactivado a 56 °C) de suero bovino fetal (FBS), 3 mM de l- glutamina y antibióticos31.

El extracto probado fue probado in vitro para determinar su acción citotóxica. Las cantidades de trabajo requeridas de la solución madre del extracto (50 mg ml-1) se disolvieron en el medio apropiado. Células A549 (5000 células/pocillo), células Fem-x (5000 células/pocillo), células L6 (2000 células/pocillo), células HCT-15 (4000 células/pocillo), células MG-63 (3000 células/pocillo) , Se inocularon células PC-3 (5000 células/pocillo), MCF-7, Vero y HeLa (aproximadamente 2104 células/pocillo) en placas de microtitulación de 96 pocillos48,49. A excepción de las células de control, que simplemente recibieron una adición de medio nutritivo, los pocillos recibieron cinco concentraciones variables de los extractos examinados 24 h después de la adhesión celular. Las concentraciones finales fueron 200, 100, 50, 25 y 12,5 g mL-1 en los pocillos de tratamiento. Posteriormente las colonias se incubaron durante 72 h.

El impacto en la supervivencia de las células cancerosas se evaluó mediante el ensayo de bromuro de 3- (4,5-dimetiltiazol-2-il) -2,5-difeniltetrazolio (MTT) 72 h después de la adición del extracto. Brevemente, se agregaron 20 µL de solución de MTT (5 mg mL-1 de solución salina tamponada con fosfato (PBS) a cada pocillo y luego se mantuvieron durante 4 h adicionales a 37 °C en CO2 al 5 % y aire humidificado. Los cristales de formazán a partir de MTT se solubilizaron luego con 100 litros de dodecilsulfato de sodio (SDS) al 10% luego de su conversión por las deshidrogenasas mitocondriales de células vivas. Se usó un lector de microplacas (Multiskan EX, Thermo Scientific, Finlandia) para medir las absorbencias a 570 nm. , que eran proporcionales al número de células vivas. Las células no eran dañinas ya que la concentración final del disolvente DMSO nunca fue superior al 0,5%. El término "concentración IC50" se refiere a la cantidad de una sustancia necesaria para evitar que el 50% de las células se sobreviviendo Los resultados representan los valores promedio de las tres réplicas (Información complementaria).

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Facultad de Farmacia, Academia Árabe de Ciencia, Tecnología y Transporte Marítimo, Abu-Qir, Alejandría, Egipto

Elen Emad Youssef & Botros Y. Beshay

Facultad de Tecnología y Transporte Marítimo, Academia Árabe de Ciencia, Tecnología y Transporte Marítimo, Abu-Qir, Alejandría, Egipto

Kareem Tobol

Departamento de Oceanografía, Facultad de Ciencias, Universidad de Alejandría, Alejandría, Egipto

Sara O. Makled

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Todos los autores contribuyeron a la concepción y diseño del estudio. La preparación del material, la recopilación de datos y el análisis fueron realizados por EEY, BYB, KT y SOM. El primer borrador del manuscrito fue escrito por EEY y todos los autores comentaron las versiones anteriores del manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Elen Emad Youssef.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Youssef, EE, Beshay, BY, Tonbol, K. et al. Actividades biológicas y potencial de biosorción de algas rojas (Corallina officinalis) para eliminar el tinte verde malaquita tóxico. Informe científico 13, 13836 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40667-8

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Recibido: 21 de mayo de 2023

Aceptado: 16 de agosto de 2023

Publicado: 24 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40667-8

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