Hidrogéis baseados em goma arábica e farelo da casca de pinhão como suporte para ZnO e para o crescimento de bactérias visando sistemas de remoção do corante azul de metileno

Abstract

A crescente contaminação dos recursos hídricos por corantes sintéticos tem impulsionado o desenvolvimento de materiais sustentáveis capazes de promover a adsorção e a degradação desses contaminantes. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo desenvolver compósitos e nanocompósitos de hidrogéis (HGs) à base de goma arábica modificada (GAm) e de farelo de casca de pinhão (CP), avaliando seu potencial como materiais adsorventes frente ao corante azul de metileno (AM), como suportes para nanopartículas de óxido de zinco (NpsZnO) e como matrizes para a imobilização de bactérias do gênero Bacillus. Os compósitos de HGs foram sintetizados por polimerização radicalar utilizando GAm, N,Ndimetilacrilamida, acrilato de sódio e CP, sendo HG0P sem CP e HG100P com CP. Os nanocompósitos de HGs foram sintetizados pelo mesmo método, com a adição de NpsZnO previamente sintetizadas utilizando GAm como agente redutor e estabilizante. Os materiais produzidos foram caracterizados quanto ao grau e ao mecanismo de intumescimento, por microscopia eletrônica de varredura (MEV), ensaios reológicos, ensaios de compressão mecânica e espectrometria de absorção atômica. A incorporação do CP reduziu o grau de intumescimento dos compósitos de hidrogéis de 176,26 ± 10,93 (sem CP) para 141,88 ± 10,90 g g⁻¹ (com 100 mg de CP), promovendo alterações na estrutura da rede polimérica e em suas propriedades mecânicas e reológicas, tornando o material mais resistente a deformações. Apesar dessa redução, ambos os materiais apresentaram elevada capacidade de remoção do AM, mantendo altos percentuais de remoção em concentrações de até 200 mg L-1 , após seis ciclos consecutivos de reutilização. O modelo de Langmuir apresentou o melhor ajuste aos dados experimentais, indicando que o processo de adsorção ocorre em monocamada, com capacidades máximas estimadas de 1268,8 mg g-1 para o hidrogel HG0P e de 3693,9 mg g-1 para o hidrogel HG100P. Os nanocompósitos contendo NpsZnO foram obtidos com sucesso até a concentração limite de 5% (v/v) de nanopartículas, sendo que formulações com concentrações superiores não apresentaram polimerização adequada. A incorporação das nanopartículas resultou em uma mudança no mecanismo de intumescimento do HG0P, apesar de não ter interferido no grau de intumescimento dos materiais. Além disso, não foi observado processo significativo de lixiviação de Zn²⁺ a partir da matriz do HG para o meio aquoso após ensaios de intumescimento, indicando a estabilidade estrutural dos nanocompósitos de HG. Os ensaios microbiológicos demonstraram a ausência de toxicidade dos compósitos de HGs frente às bactérias do gênero Bacillus sp., permitindo a adesão, a colonização e a manutenção da viabilidade bacteriana no material, conforme indicado pelos ensaios de MEV e de crescimento. As bactérias inoculadas nos HGs permaneceram viáveis por pelo menos cinco meses, promovendo a descoloração do AM, com remoções superiores a 60% no hidrogel HG100P após esse período de armazenamento. Os resultados demonstram que os materiais desenvolvidos apresentam elevada estabilidade estrutural, alta capacidade de adsorção e compatibilidade biológica, constituindo plataformas multifuncionais promissoras para aplicações em processos integrados de adsorção e biodegradação de contaminantes no tratamento de efluentes. Além disso, este trabalho agrega valor à goma arábica e ao farelo de casca de pinhão, contribuindo para o desenvolvimento de biomateriais sustentáveis a partir de recursos renováveis e resíduos agroindustriais.

Increasing contamination of water resources by synthetic dyes has driven the development of sustainable materials that promote the adsorption and degradation of these contaminants. In this context, this study aimed to develop hydrogel (HG) composites and nanocomposites based on modified gum arabic (mGA) and pinhão husk bran (PB), evaluating their potential as adsorbent materials for methylene blue (MB), as supports for zinc oxide nanoparticles (ZnONps), and as matrices for the immobilization of bacteria of the genus Bacillus. The HG composites were synthesized by free-radical polymerization using mGA, N,N-dimethylacrylamide, sodium acrylate, and PB, with HG0P containing no PB and HG100P containing PB. The HG nanocomposites were synthesized using the same method, with the addition of ZnO NPs previously synthesized using mGA as a reducing and stabilizing agent. The materials produced were characterized in terms of swelling degree and swelling mechanism by scanning electron microscopy (SEM), rheological tests, mechanical compression tests, and atomic absorption spectrometry. The incorporation of PB reduced the swelling degree of the hydrogel composites from 176.26 ± 10.93 (without PB) to 141.88 ± 10.90 g g-1 (with 100 mg of PB), promoting changes in the polymer network structure and in its mechanical and rheological properties, making the material more resistant to deformation. Despite this reduction, both materials exhibited a high MB removal capacity, maintaining high removal percentages at concentrations of up to 200 mg L-1 after six consecutive reuse cycles. The Langmuir model provided the best fit to the experimental data, indicating that the adsorption process occurs as a monolayer, with estimated maximum adsorption capacities of 1268.8 mg g-1 for HG0P and 3693.9 mg g-1 for HG100P. The nanocomposites containing ZnONps were successfully obtained up to a nanoparticle concentration limit of 5% (v/v), whereas formulations with higher concentrations did not exhibit adequate polymerization. The incorporation of the nanoparticles resulted in a change in the swelling mechanism of HG0P, although it did not affect the swelling degree of the materials. In addition, no significant leaching of Zn2+ from the HG matrix into the aqueous medium was observed after the swelling tests, indicating the structural stability of the HG nanocomposites. The microbiological assays demonstrated the absence of toxicity of the HG composites toward bacteria of the genus Bacillus sp., allowing bacterial adhesion, colonization, and maintenance of viability within the material, as indicated by SEM and growth assays. The bacteria inoculated into the HGs remained viable for at least five months, promoting MB decolorization, with removal percentages above 60% in the HG100P hydrogel after this storage period. The results demonstrate that the developed materials exhibit high structural stability, high adsorption capacity, and biological compatibility, constituting promising multifunctional platforms for applications in integrated adsorption and biodegradation processes for contaminant removal in wastewater treatment. Furthermore, this study adds value to gum arabic and pinhão husk bran, contributing to the development of sustainable biomaterials from renewable resources and agro-industrial residues.