Brug af bakterier til at skabe et vandfilter, der dræber bakterier

Mere end én ud af 10 mennesker i verden mangler grundlæggende adgang til drikkevand, og i 2025, halvdelen af ​​verdens befolkning vil bo i vandstressede områder, Derfor er adgang til rent vand en af ​​National Academy of Engineerings store udfordringer. Ingeniører ved Washington University i St. Louis har designet en ny membranteknologi, der renser vand og samtidig forhindrer biobegroning, eller opbygning af bakterier og andre skadelige mikroorganismer, der reducerer vandgennemstrømningen.

Og de brugte bakterier til at bygge sådanne filtreringsmembraner.

Srikanth Singamaneni, professor i maskinteknik og materialevidenskab, og Young-Shin Jun, professor i energi, miljø- og kemiteknik, og deres teams blandede deres ekspertise for at udvikle en ultrafiltreringsmembran ved hjælp af grafenoxid og bakteriel nanocellulose, som de fandt at være yderst effektiv, langtidsholdbar og miljøvenlig. Hvis deres teknik skulle skaleres op til en stor størrelse, det kan gavne mange udviklingslande, hvor der er knaphed på rent vand.

Resultaterne af deres arbejde blev offentliggjort som forsidehistorie i 2. januar-udgaven af Miljøvidenskab og -teknologi .

Biobegroning tegner sig for næsten halvdelen af ​​al membranbegroning og er meget udfordrende at udrydde fuldstændigt. Singamaneni og Jun har tacklet denne udfordring sammen i næsten fem år. De har tidligere udviklet andre membraner ved hjælp af guld nanostjerner, men ønskede at designe en, der brugte billigere materialer.

Deres nye membran begynder med at fodre Gluconacetobacter hansenii bakterier med et sukkerholdigt stof, så de danner cellulose nanofibre, når de er i vand. Holdet inkorporerede derefter grafenoxid (GO) flager i den bakterielle nanocellulose, mens den voksede, i det væsentlige fanger GO i membranen for at gøre den stabil og holdbar.

Efter GO er inkorporeret, membranen behandles med baseopløsning for at dræbe Gluconacetobacter. Under denne proces, iltgrupperne i GO elimineres, gør det reduceret GO. Da holdet skinnede sollys på membranen, de reducerede GO-flager genererede straks varme, som spredes ud i det omgivende vand og bakterier nanocellulose.

Ironisk, membranen skabt af bakterier kan også dræbe bakterier.

"Hvis du vil rense vand med mikroorganismer i, det reducerede grafenoxid i membranen kan absorbere sollys, opvarme membranen og dræbe bakterierne, " sagde Singamaneni.

Singamaneni og Jun og deres team udsatte membranen for E. coli-bakterier, derefter skinnede lys på membranens overflade. Efter at være blevet bestrålet med lys i kun 3 minutter, E. coli-bakterien døde. Holdet fastslog, at membranen hurtigt blev opvarmet til over de 70 grader Celsius, der kræves for at forringe cellevæggene af E. coli-bakterier.

Mens bakterierne dræbes, forskerne havde en uberørt membran med en høj kvalitet af nanocellulosefibre, der var i stand til at filtrere vand dobbelt så hurtigt som kommercielt tilgængelige ultrafiltreringsmembraner under et højt driftstryk.

Da de lavede det samme eksperiment på en membran lavet af bakteriel nanocellulose uden den reducerede GO, E. coli-bakterien holdt sig i live.

"Dette er ligesom 3D-print med mikroorganismer, " sagde Jun. "Vi kan tilføje, hvad vi vil, til bakterien nanocellulose under dens vækst. Vi så på det under forskellige pH-forhold svarende til det, vi møder i miljøet, og disse membraner er meget mere stabile sammenlignet med membraner fremstillet ved vakuumfiltrering eller spin-coating af grafenoxid."

Mens Singamaneni og Jun erkender, at implementering af denne proces i konventionelle omvendt osmose-systemer er belastende, de foreslår et spiralviklet modulsystem, ligner en rulle håndklæder. Det kunne være udstyret med lysdioder eller en type nanogenerator, der udnytter mekanisk energi fra væskestrømmen til at producere lys og varme, hvilket ville reducere de samlede omkostninger.