Toxicity of water treated with Fenton-like ferrite catalyst

Н. Данилюк; І. Лапчук; В. Гусак

doi:10.15330/pcss.25.1.170-177

Автор(и)

Н. Данилюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
І. Лапчук Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
В. Гусак Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.170-177

Ключові слова:

кобальтовий ферит, пероксид водню, каталізатор, Chlorella vulgaris

Анотація

Останнім часом використання наночастинок у процесах очищення води стрімко зростає. Проте важливим завданням є вивчення токсичності використаних матеріалів та утворених продуктів реакції. Тому в цій роботі перевірено вплив запропонованого методу очищення води на екосистему. Водорості є ідеальними модельними організмами для вивчення токсичності води. Це дослідження присвячено вивченню токсичності наночастинок кобальтового фериту (CoFe₂O₄) і пероксиду водню (Н₂О₂) щодо мікроводоростей Chlorella vulgaris Beij. (C. vulgaris). В залежності від концентрації Н₂О₂, спостерігається уповільнення росту C. vulgaris, що може вказувати на стресовий фізіологічний стан мікроводоростей. Вплив спечених гранул кобальтового фериту не викликає негативних змін в рості прісноводних водоростей. Морфологія клітин водоростей, цілісність і життєздатність мембран були серйозно порушені при залишковій концентрації Н₂О₂ (11.9 мМ). Зменшення швидкості росту хлорели, а також збільшення кількості загиблих клітин вказують на розвиток оксидативного стресу в присутності пероксиду водню. Це дослідження показало, що саме висока залишкова концентрація Н₂О₂, є основною проблемою під час скиду очищеної води до природньої екосистеми.

Посилання

K.A.D. Guzmán, M.R. Taylor, J.F. Banfield, Environmental risks of nanotechnology: National nanotechnology initiative funding, 2000-2004, Environ. Sci. Technol. 40, 1401 (2006; https://doi.org/10.1021/es0515708.

C. Adochite, L. Andronic, Aquatic toxicity of photocatalyst nanoparticles to green microalgae chlorella vulgaris, Water (Switzerland), 13, 77 (2021); https://doi.org/10.3390/w13010077.

T. Tatarchuk, N. Danyliuk, I. Lapchuk, W. Macyk, A. Shyichuk, R. Kutsyk, V. Kotsyubynsky, V. Boichuk, Oxytetracycline removal and E . Coli inactivation by decomposition of hydrogen peroxide in a continuous fixed bed reactor using heterogeneous catalyst, J. Mol. Liq. 366, 120267 (2022); https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.120267.

T. Tatarchuk, N. Danyliuk, I. Lapchuk, A. Shyichuk, V. Kotsyubynsky, Catalytic activity of magnetite and its magnetic heating properties, Mater. Today Proc. 62, 5805 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.494.

S. Rasheed, R.A. Khan, F. Shah, B. Ismail, J. Nisar, S.M. Shah, A. Rahim, A.R. Khan, Enhancement of electrical and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles by co-substitution of Li-Cd ions, J. Magn. Magn. Mater. 471, 236 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.09.073.

S. Fayazzadeh, M. Khodaei, M. Arani, S.R. Mahdavi, T. Nizamov, A. Majouga, Magnetic Properties and Magnetic Hyperthermia of Cobalt Ferrite Nanoparticles Synthesized by Hydrothermal Method, J. Supercond. Nov. Magn. 33, 2227 (2020); https://doi.org/10.1007/s10948-020-05490-6.

A. Samavati, A. F. Ismail, Antibacterial properties of copper-substituted cobalt ferrite nanoparticles synthesized by co-precipitation method, Particuology, 30, 158 (2017); https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.06.003.

N. Danyliuk, I. Lapchuk, T. Tatarchuk, R. Kutsyk, V. Mandzyuk, Bacteria inactivation using spinel cobalt ferrite catalyst, Phys. Chem. Solid State., 24, 256 (2023); https://doi.org/10.15330/PCSS.24.2.256-261.

F. Ahmad, H. Yao, Y. Zhou, X. Liu, Toxicity of cobalt ferrite (CoFe2O4) nanobeads in Chlorella vulgaris: Interaction, adaptation and oxidative stress, Chemosphere. 139, 479 (2015); https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2015.08.008.

S. Novak, D. Drobne, M. Golobič, J. Zupanc, T. Romih, A. Gianoncelli, M. Kiskinova, B. Kaulich, P. Pelicon, P. Vavpetič, L. Jeromel, N. Ogrinc, D. Makovec, Cellular internalization of dissolved cobalt ions from ingested CoFe2O4 nanoparticles: In vivo experimental evidence, Environ. Sci. Technol., 47, 5400 (2013); https://doi.org/10.1021/es305132g.

S.A. Beker, I. Cole, A.S. Ball, A Review on the Catalytic Remediation of Dyes by Tailored Carbon Dots, Water (Switzerland), 14, 1 (2022); https://doi.org/10.3390/w14091456.

D.B. Miklos, C. Remy, M. Jekel, K.G. Linden, J.E. Drewes, U. Hübner, Evaluation of advanced oxidation processes for water and wastewater treatment – A critical review, Water Res., 139, 118 (2018); https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.03.042.

M. Faheem, X. Jiang, L. Wang, J. Shen, Synthesis of Cu2O-CuFe2O4 microparticles from Fenton sludge and its application in the Fenton process: The key role of Cu2O in the catalytic degradation of phenol, RSC Adv. 8, 5740 (2018). https://doi.org/10.1039/c7ra13608k.

P. Roonasi, A.Y. Nezhad, A comparative study of a series of ferrite nanoparticles as heterogeneous catalysts for phenol removal at neutral pH, Mater. Chem. Phys. 172, 143 (2016); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.01.054.

M. Alice, P. Cechinel, P. Monteiro, E. Andr, C. Miranda, S. Eller, T.F. De Oliveira, F. Raupp-pereira, O. Rubem, K. Montedo, T.B. Wermuth, S. Arcaro, Cobalt Ferrite ( CoFe2O4) Spinel as a New Efficient Magnetic Heterogeneous Fenton-like Catalyst for Wastewater Treatment, Sustainability, 15(20), 15183 (2023); https://doi.org/10.3390/su152015183.

C. Safi, B. Zebib, O. Merah, P.Y. Pontalier, C. Vaca-Garcia, Morphology, composition, production, processing and applications of Chlorella vulgaris: A review, Renew. Sustain. Energy Rev., 35, 265 (2014); https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.04.007.

P. Saxena, V. Saharan, P.K. Baroliya, V.S. Gour, M.K. Rai, Harish, Mechanism of nanotoxicity in Chlorella vulgaris exposed to zinc and iron oxide, Toxicol. Reports., 8, 724 (2021); https://doi.org/10.1016/j.toxrep.2021.03.023.

I. Khan, K. Saeed, I. Khan, Nanoparticles: Properties, applications and toxicities, Arab. J. Chem., 12, 908 (2019); https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.05.011.

R.M. Sebastian, K.C. Vijayalakshmy, S. Lakshmi, A. V. Sarammab, E.M. Mohammed, Effect of zinc ferrite nanoparticles on the growth of Chlorella pyrenoidosa, Res. J. Pharm. Biol. Chem. Sci., 5, 1261 (2014).

X. Yu, A. Somoza-Tornos, M. Graells, M. Pérez-Moya, An experimental approach to the optimization of the dosage of hydrogen peroxide for Fenton and photo-Fenton processes, Sci. Total Environ., 743, 140402 (2020); https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140402.

P. Wu, L. Zhang, H. Chang, G. Xu, M. Liu, Investigation of hydrogen peroxide-driven transcriptional stress on the biomass growth of Chlorella pyrenoidosa, Algal Res., 68, 102897 (2022); https://doi.org/10.1016/j.algal.2022.102897.

M. Battah, Y. El-Ayoty, A.E.F. Abomohra, S.A. El-Ghany, A. Esmael, Effect of Mn2+, Co2+ and H2O2 on biomass and lipids of the green microalga Chlorella vulgaris as a potential candidate for biodiesel production, Ann. Microbiol., 65, 155 (2015); https://doi.org/10.1007/s13213-014-0846-7.

S. Karimi, M. Troeung, R. Wang, R. Draper, P. Pantano, Acute and chronic toxicity of metal oxide nanoparticles in chemical mechanical planarization slurries with Daphnia magna, Environ. Sci. Nano, 5, 1670 (2018); https://doi.org/10.1039/c7en01079f.

H. Tamiya, T. Iwamura, K. Shibata, E. Hase, T. Nihei, Correlation between photosynthesis and light-independent metabolism in the growth of Chlorella, Biochim Biophys Acta., 12, 23 (1953); https://doi.org/10.1016/0006-3002(53)90120-6.

C.C. Kuan, S.Y. Chang, S.L.M. Schroeder, Fenton-like oxidation of 4-chlorophenol: Homogeneous or heterogeneous?, Ind. Eng. Chem. Res., 54, 8122 (2015; https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b02378.

S. Ma, K. Kim, S. Chun, S.Y. Moon, Y. Hong, Plasma-assisted advanced oxidation process by a multi-hole dielectric barrier discharge in water and its application to wastewater treatment, Chemosphere., 243, 125377 (2020); https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.125377.

K.K. Wang, S. Song, S.J. Jung, J.W. Hwang, M.G. Kim, J.H. Kim, J. Sung, J.K. Lee, Y.R. Kim, Lifetime and diffusion distance of singlet oxygen in air under everyday atmospheric conditions, Phys. Chem. Chem. Phys., 22, 21664 (2020); https://doi.org/10.1039/d0cp00739k.

N. Fazelian, M. Yousefzadi, A. Movafeghi, Algal Response to Metal Oxide Nanoparticles: Analysis of Growth, Protein Content, and Fatty Acid Composition, Bioenergy Res., 13, 944 (2020); https://doi.org/10.1007/s12155-020-10099-7.