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Publication
Seaweed exploration by sustainable technologies - Evaluation of their antifouling and bioremediation potential
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Authors
Abstract(s)
Biofouling is the accumulation and growth of micro- and macroorganisms on submerged artificial structures or living surfaces. This process leads to increased fuel consumption and maintenance costs, reduced efficiency of equipment, and contributes to the spread of invasive species, while increasing greenhouse gas emissions.
This study explores the antifouling potential of the invasive seaweed Undaria pinnatifida crude extracts obtained with water, ethanol, n-hexane and ethyl acetate, through evaluation of inhibition of bacteria growth, biofilm formation, quorum sensing, and acetylcholinesterase and tyrosinase activities, two enzymes involved in macroinvertebrates settlement process. The results were compared with the ones obtained with methanol and dichloromethane extracts. A field assay was also carried out. Aiming a circular economy approach, the study also investigates biochar produced from the intact and post-extracted seaweed biomass, by pyrolysis process (800 °C and 400 °C), hydrothermal carbonization (170 °C) and activation by a steam process (700 °C), assessing its properties and potential for water bioremediation through adsorption of ibuprofen, diclofenac and paracetamol.
While the ethanol: water (50:50) afforded the highest extraction yield (10.3%), the extracts obtained with n-hexane and ethyl acetate, showed the broadest antimicrobial spectrum, exhibiting the highest potency against Citricoccus sp., (IC50 of 203.1 μg/mL and 435.2 μg/mL, respectively). The n-hexane extract also showed the highest capacity to inhibit the diatoms Chaetoceros calcitrans and Amphora sp. growth (10 mm and 8 mm inhibition halo, respectively). Concerning the anti-enzymatic activity, the ethyl acetate extract exhibited significant tyrosinase inhibition with an IC50 of 643 μg/mL. In the field test, in the assayed conditions, U. pinnatifida extracts did not reduce the biofouling process.
Pyrolysis at lower temperatures (400 °C) yielded a higher biochar amount of 30-40%, whereas hydrochar synthesis yielded 27-31%. Biochars showed a range of ash content, with values between 53-80% at high pyrolysis temperatures. Surface areas increased with temperature and post-synthesis washing, yielding a maximum of 138 m²/g in pyrochar of post-extracted biomass. Undaria-derived biochar may be suited as a fertilizer, for adsorption of heavy metals or oxidation processes. This study aligns with the principles of a circular economy by exploring the valorization of U. pinnatifida, an invasive species, to create high-value, sustainable antifouling agents and biochars.
A bioincrustação é a acumulação e crescimento de micro e macrorganismos em estruturas artificiais submersas ou superfícies vivas. Este processo leva ao aumento do consumo de combustível e dos custos de manutenção, à redução da eficiência dos equipamentos e contribui para a propagação de espécies invasoras, ao mesmo tempo que aumenta as emissões de gases com efeito de estufa. Este estudo explora o potencial anti-incrustante dos extratos brutos da alga invasora Undaria pinnatifida obtidos com água, etanol, n-hexano e acetato de etilo, avaliando a inibição do crescimento de bactérias, formação de biofilme, quorum sensing e atividades da acetilcolinesterase e tirosinase, duas enzimas envolvidas. no processo de adesão de macroinvertebrados. Os resultados foram comparados com os extratos em metanol e diclorometano. Foi igualmente realizado um ensaio de campo. Visando uma abordagem de economia circular, o presente estudo também estudou os biocarbonizados produzidos a partir da biomassa algal intacta e pós-extraída, por processos de pirólise (800 °C e 400 °C), carbonização hidrotérmica (170 °C) e ativação por vapor (700 °C), avaliando as suas propriedades e potencial de biorremediação da água através da adsorção de ibuprofeno, diclofenac e paracetamol. Enquanto o sistema etanol: água (50:50) proporcionou o maior rendimento de extração (10.3%), os extratos obtidos com n-hexano e acetato de etilo apresentaram o maior espectro antimicrobiano, exibindo a maior potência contra Citricoccus sp., (IC50 de 203.1 μg/mL e 435.2 μg/mL, respetivamente). O extrato de n-hexano também apresentou maior capacidade de inibir o crescimento das diatomáceas Chaetoceros calcitrans e Amphora sp. (halo de inibição de 10 mm e 8 mm, respetivamente). Quanto à atividade anti-enzimática, o extrato de acetato de etilo inibiu significativamente a tirosinase (IC50 de 643 μg/mL). No ensaio de campo, nas condições testadas, os extratos de U. pinnatifida não reduziram o processo de bioincrustação. A pirólise a temperaturas mais baixas (400 °C) resultou num maior rendimento (30-40%), enquanto a síntese de hidrocarbonizado produziu 27-31%. Os biocarbonizados apresentaram teores de cinzas entre 53-80% a altas temperaturas de pirólise. As áreas superficiais aumentaram com a temperatura e lavagem pós-síntese, tendo atingido um máximo de 138 m²/g no pirocarbonizado de biomassa pós-extraída (800 ºC). Os biocarbonizados derivados de U. pinnatifida podem ter potencial como fertilizante, para adsorção de metais pesados ou processos de oxidação. Este estudo está alinhado com os princípios da economia circular, valorizando U. pinnatifida, de modo a criar agentes antifouling e biocarbonizados sustentáveis de alto valor acrescentado.
A bioincrustação é a acumulação e crescimento de micro e macrorganismos em estruturas artificiais submersas ou superfícies vivas. Este processo leva ao aumento do consumo de combustível e dos custos de manutenção, à redução da eficiência dos equipamentos e contribui para a propagação de espécies invasoras, ao mesmo tempo que aumenta as emissões de gases com efeito de estufa. Este estudo explora o potencial anti-incrustante dos extratos brutos da alga invasora Undaria pinnatifida obtidos com água, etanol, n-hexano e acetato de etilo, avaliando a inibição do crescimento de bactérias, formação de biofilme, quorum sensing e atividades da acetilcolinesterase e tirosinase, duas enzimas envolvidas. no processo de adesão de macroinvertebrados. Os resultados foram comparados com os extratos em metanol e diclorometano. Foi igualmente realizado um ensaio de campo. Visando uma abordagem de economia circular, o presente estudo também estudou os biocarbonizados produzidos a partir da biomassa algal intacta e pós-extraída, por processos de pirólise (800 °C e 400 °C), carbonização hidrotérmica (170 °C) e ativação por vapor (700 °C), avaliando as suas propriedades e potencial de biorremediação da água através da adsorção de ibuprofeno, diclofenac e paracetamol. Enquanto o sistema etanol: água (50:50) proporcionou o maior rendimento de extração (10.3%), os extratos obtidos com n-hexano e acetato de etilo apresentaram o maior espectro antimicrobiano, exibindo a maior potência contra Citricoccus sp., (IC50 de 203.1 μg/mL e 435.2 μg/mL, respetivamente). O extrato de n-hexano também apresentou maior capacidade de inibir o crescimento das diatomáceas Chaetoceros calcitrans e Amphora sp. (halo de inibição de 10 mm e 8 mm, respetivamente). Quanto à atividade anti-enzimática, o extrato de acetato de etilo inibiu significativamente a tirosinase (IC50 de 643 μg/mL). No ensaio de campo, nas condições testadas, os extratos de U. pinnatifida não reduziram o processo de bioincrustação. A pirólise a temperaturas mais baixas (400 °C) resultou num maior rendimento (30-40%), enquanto a síntese de hidrocarbonizado produziu 27-31%. Os biocarbonizados apresentaram teores de cinzas entre 53-80% a altas temperaturas de pirólise. As áreas superficiais aumentaram com a temperatura e lavagem pós-síntese, tendo atingido um máximo de 138 m²/g no pirocarbonizado de biomassa pós-extraída (800 ºC). Os biocarbonizados derivados de U. pinnatifida podem ter potencial como fertilizante, para adsorção de metais pesados ou processos de oxidação. Este estudo está alinhado com os princípios da economia circular, valorizando U. pinnatifida, de modo a criar agentes antifouling e biocarbonizados sustentáveis de alto valor acrescentado.
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Antimicrobial potential Biochar Biofouling Marine biotechnology Marine invasive species Undaria pinnatifida biorefinary
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