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Eco-Technologies for Immobilizing Redox Enzymes on Conductive Textiles, for Sustainable Development
University of Borås, Faculty of Textiles, Engineering and Business. (SMDTex)ORCID iD: 0000-0002-0507-9606
2019 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Sustainable development
According to the author(s), the content of this publication falls within the area of sustainable development.
Abstract [en]

Enzyme immobilization on electrically conductive supports is necessary to improve their bioactivity and stability, for use and re-use in applications depending on bio-electrochemical response, such as in bioelectrodes, biosensors, or biofuel cells. However, the immobilization methods used are still facing many challenges in terms of health hazards and high environmental impact. Thus, it is important to find balanced and eco-friendly approaches to achieve efficient immobilization with minimum harmful consequences.

Hence, within the frame of this thesis, the use of eco-technologies such as cold remote plasma, a bio-compatible conductive (PEDOT:PSS) polymer coating, and a bio-based crosslinker “genipin” which has low toxicity, to immobilize glucose oxidase (GOx) enzyme on conductive carbon fiber-based nonwoven textiles was investigated. These carbon-based textiles, regardless of their hydrophobicity, are robust materials to be used as alternative for expensive rigid metals, since they possess good electrical conductivity and good resistance to corrosion in different media.

The results obtained showed that cold remote plasma treatment with nitrogen and oxygen gas mixture was efficient in functionalizing the surface of carbon felts and PEDOT:PSS coated felts. This increased carbon fiber surface energies, and facilitated the immobilization of GOx by physical adsorption with maintained bioactivity and improved reusability. Furthermore, immobilization of GOx using genipin as a crosslinking agent improved remarkably the stability of performance of bio-functionalized carbon felts. This crosslinker showed to be able to directly crosslink the enzymes without a matrix or hydrogel. Finally, the obtained bio-functionalized carbon textiles were primarily evaluated for use in sustainable applications for wastewater treatment such as Bio-Fenton (BF) and enzymatic Bio-Electro-Fenton (BEF). The results showed that bioactivity and bio-electro-activity of immobilized GOx was promising in color removal of Remazol Blue RR reactive dye and its partial degradation from solution in both treatments, which proved the success of the chosen immobilization methods in producing bioactive textiles that can be used as electrodes for power generation and pollution control.

Abstract [fr]

L'immobilisation d'enzymes sur des supports conducteurs d’électricité est nécessaire afin d’améliorer leur bioactivité et leur stabilité, pour une utilisation et une réutilisation dans des applications dépendant de la réponse bio-électrochimique, telles que des bioélectrodes, des biocapteurs ou des piles à biocarburant. Cependant, les méthodes d'immobilisation utilisées rencontrent encore de nombreux défis en termes de risques pour la santé et d'impact environnemental. Il est donc important de trouver des approches équilibrées et respectueuses de l’environnement pour parvenir à une immobilisation efficace avec un minimum de conséquences néfastes.

Ainsi, dans le cadre de cette thèse, l’utilisation d’écotechnologies telles que le plasma froid, le dépôt de polymère conducteur biocompatible (PEDOT: PSS) et d’un agent de réticulation biologiquement basé sur la génipine, peu toxique, permettant l'immobilisation de glucose oxydase (GOx) sur des textiles nontissés à base de fibres de carbone a été étudiée. Ces textiles à base de carbone, quelle que soit leur hydrophobicité, sont des matériaux robustes à utiliser comme alternative aux métaux rigides onéreux, car ils possèdent une bonne conductivité électrique et une bonne résistance à la corrosion dans différents milieux.

Les résultats obtenus ont montré que le traitement plasma froid avec un mélange gazeux d'azote et d'oxygène était efficace pour fonctionnaliser la surface des nontissés de carbone vierge et ceuxrevêtus de PEDOT: PSS. Une augmentation des énergies de surface des fibres de carbone facilite l’immobilisation de GOx par adsorption physique avec une bioactivité maintenue et une meilleure capacité de réutilisation. En outre, l’immobilisation de GOx au moyen de génipine en tant qu’agent de réticulation améliore de façon remarquable la stabilité des performances des feutres de carbone bio-fonctionnalisés. Cet agent de réticulation s'est révélé capable de réticuler directement les enzymes sans matrice ni hydrogel. Enfin, les textiles de carbone bio-fonctionnalisés obtenus ont été principalement évalués pour une utilisation dans des applications durables pour le traitement des eaux usées telles que la Bio-Fenton (BF) et la Bio-Electro-Fenton enzymatique (BEF). Les résultats ont montré que la bioactivité et la bio-activité électrique du GOx immobilisé étaient prometteuses pour l’élimination de la couleur du colorant réactif Remazol Blue RR et sa dégradation partielle à partir de la solution dans les deux traitements, ce qui a prouvé l’efficacité des méthodes d’immobilisation choisies pour la production de textiles bioactifs. Ces textiles peuvent être utilisés comme électrodes pour la production d'énergie et la dépollution.

Abstract [sv]

Enzym immobilisering på elektriskt ledande stöd är nödvändig för att förbättra sina bioaktivitet och stabilitet, till användning och återanvändning i applikationer som är beroende på bioelektrokemiskt respons t.ex. bioelektroder, biosensorer. Däremot den använt immobiliseringsmetoderna fortfarande står inför många utmaningar gäller hälsorisker och miljöpåverk. Det är således viktigt att hitta balanserad och miljövänlig metoder för att uppnå effektiv immobilisering med minimala skadliga konsekvenser.

Därmed den här doktorsavhandling undersöker miljövänlig kall fjärrplasma teknik, en biokompatibel polymerbeläggning (PEDOT: PSS) och ett bio-baserat låg toxicitet tvärbindningsmedel "genipin" för att immobilisera glukosoxidas (GOx) enzym på ledande kolfiberbaserade nonwoven textiler undersöktes. Dessa kolbaserade textilier, oavsett hydrofobicitet, är robusta material och kan användas som alternativ till dyra styva metaller, eftersom de har bra elektrisk ledningsförmåga och bra korrosionsbeständighet i olika medier.

Resultaten visade att kyla avlägsen plasmabehandling med kväve och syreblandning var effektiv vid funktionaliseringen av ytan av kolfilte och PEDOT: PSS-belagd filten. Detta ökade kolfiber ytanergierna och underlättade immobiliseringen av GOx genom fysisk adsorption med förbättrad bioaktivitet och återanvändning. Vidare immobilisering av GOx med genipin tvärbindare förbättrade stabiliteten i prestandan hos biofunktionella kolfilt på ett märkbart sätt. Denna tvärbindare befanns vara i stånd att direkt tvärbinda enzymerna utan en matris eller hydrogel.Äntligen de biofunktionaliserade koltextilierna var primärt använt i hållbara tillämpningar för avloppsrening som Bio-Fenton (BF) och enzymatisk Bio-Electro-Fenton (BEF). Resultaten visade att bioaktivitet och bioelektroaktivitet hos immobiliserad GOx lovade färgavlägsnande av Remazol Blue RR-reaktivt färgämne och dess partiella nedbrytning från lösning i båda behandlingarna, vilket visade framgången hos de valda immobiliseringsmetoderna vid framställning av bioaktiva textiler vilka kan användas som elektroder för elproduktion och föroreningsbekämpning.

Abstract [zh]

生物酶可改善导电材料的生物活性及稳定性,根据其生物电化学反应,经生物酶改性后的导电材料可用于生物电极、生物传感器或生物燃料电池等领域,因此将生物酶固定在导电材料上意义重大。但目前所采用的固定方法对人类生命健康和环境均产生不良影响,仍面临着众多挑战。寻找生态友好的生物酶固定技术以提 高固定效率、降低改性所带来的危害极为重要。因此,本课题主要采用生态友好型技术如低温等离子体远程处理技术(CRP)、生物相容性聚合物聚 (3,4-亚乙基二氧噻吩 ):聚 (苯乙烯磺酸 )(PEDOT:PSS)涂层技术以及利用毒性较低的 “京尼平 ”作为生物基交联剂将葡萄糖氧化酶 (GOx)固定在导电碳纤维基非织造布上 。 如果不考虑碳基纺织品的疏水性的话,该类材料较为坚固,具有良好的导电性,且对各种介质具有较好的耐腐蚀性,因此可用于替代昂贵的刚性金属材料。结果表明,通过氮气和氧气混合气氛下的低温等离子体远程处理技术可有效地将碳毡和PEDOT:PSS涂层毡的表面进行功能化改性。该表面改性可提高碳纤维的表面能,促进葡萄糖氧化酶 (GOx)在碳纤维上的物理吸附性能,并保持葡萄糖氧化酶 (GOx)的生物活性和重复使用性能 。 此外 利用 “京尼平 ”作为葡萄糖氧化酶 (GOx)和碳纤维间的交联剂可明显提高碳毡生物功能性的稳定性。该交联剂可直接用于酶交联,无需使用基质或水凝胶。最后,将制备的生物功能性碳纺织品用于废水处理如 Bio-Fenton (BF)、酶催化 Bio-Electro-Fenton (BEF)等可持续应用中。葡萄糖氧化酶的生物活性和 电生物活性有助于活性染料雷马素蓝 RR溶液的脱色和部分染料的降解,表明通过上述方法制备的具有生物活性的纺织品可用于发电和污染控制等领域。

Place, publisher, year, edition, pages
Borås: Högskolan i Borås, 2019.
Series
Skrifter från Högskolan i Borås, ISSN 0280-381X ; 96
Keywords [en]
Eco-technology, Carbon felts, PEDOT:PSS, Glucose oxidase immobilization, Cold remote plasma, Genipin.
Keywords [zh]
生态技术;碳毡; PEDOT:PSS;葡萄糖氧化酶固定化;低温等离子远程处理技 术;京尼平
Keywords [fr]
Eco-technologie, nontissés de carbone, PEDOT: PSS, immobilisation de glucose oxydase, plasma froid, génipine
Keywords [sv]
Ekoteknik, karbonfilt, PEDOT: PSS, immobilisering av glukosoxidas, kall fjärrplasma, genipin.
National Category
Environmental Biotechnology
Research subject
Textiles and Fashion (General)
Identifiers
URN: urn:nbn:se:hb:diva-21165ISBN: 978-91-88838-34-6 (print)ISBN: 978-91-88838-35-3 (electronic)OAI: oai:DiVA.org:hb-21165DiVA, id: diva2:1320586
Available from: 2019-09-10 Created: 2019-06-05 Last updated: 2019-09-10Bibliographically approved

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