Nanoforskere udvikler sig sikrere, hurtigere måde at fjerne forurenende stoffer fra vandet

Et team af forskere fra California NanoSystems Institute ved UCLA har fundet en ny måde at bruge enzymer til at fjerne forurenende stoffer fra vand, som er omkostnings- og energieffektiv, i stand til at fjerne flere forurenende stoffer på én gang, og minimerer risici for folkesundheden og miljøet.

Forskuddet kan være et vigtigt nyt skridt i bestræbelserne på at tilfredsstille verdens behov for rent vand til drikke, kunstvanding og fritidsbrug.

Nuværende metoder kræver flere trin og involverer kemikalier, der reagerer på varme, sollys eller elektricitet. Forskere havde tidligere vist, at forurenet vand kunne renses ved hjælp af enzymatiske aktiviteter af naturligt forekommende bakterier og svampe, som nedbryder forurenende stoffer til deres harmløse kemiske komponenter. Men den metode indebærer en risiko for at frigive farlige organismer i vandet.

Den nye UCLA teknik, udviklet af et team ledet af Shaily Mahendra, en UCLA lektor i civil- og miljøteknik, og Leonard Rome, en professor i biologisk kemi og associeret direktør for CNSI, er en variation af den metode. Forskerne putter enzymer i nanoskala partikler kaldet "hvælvinger, Deponer derefter de små partikler i forurenet vand.

Deres metode er beskrevet i en artikel publiceret i ACS Nano .

Mahendra sagde, at mikrobielle processer i vand, der er en del af det naturlige biologiske nedbrydningssystem, i sidste ende ville nedbryde forurening i vores vand, men kun over en meget lang periode.

"Naturlige mikrober er grunden til, at verden ikke stadig er dækket af dinosaurekskrementer, " sagde Mahendra. "Men vi har ikke tid eller plads på vores planet til at ignorere forurenede søer og floder i et par millioner år, mens naturen gør arbejdet."

Nanoskala hvælvinger er små partikler - bare milliarddeler af en meter på tværs - der er formet som øltønder. Mahendra sagde, at den nye metode er effektiv, fordi hvælvingerne beskytter enzymerne, holde dem intakte og potente, når de placeres i det forurenede vand.

Forskerne testede metoden ved hjælp af et enzym kaldet manganperoxidase. De fandt ud af, at hvælvingerne over en 24-timers periode fjernede tre gange så meget phenol fra vandet, som enzymet gjorde, da det blev tabt i vandet uden brug af hvælvinger.

De opdagede også, at fordi manganperoxidasen forblev stabil inde i hvælvingerne, det var stadig i stand til at fjerne phenol fra vandet efter 48 timer. Frit manganperoxid var fuldstændig inaktivt efter 7 1/2 time.

Vault nanopartikler, som er konstrueret af proteiner og er til stede i cellerne i næsten alle levende ting, blev opdaget af Rom og Nancy Kedersha, hans daværende postdoc-studerende, i 1980'erne. Hver menneskelig celle indeholder tusindvis af hvælvinger, som i sig selv indeholder andre proteiner. Men Rom og hans kolleger udtænkte til sidst en metode til at bygge tomme hvælvinger, der kunne bruges til at levere medicin til specifikke celler i kroppen for at bekæmpe kræft, HIV og andre sygdomme.

Forskningen bidrager til målene for UCLA's Sustainable L.A. Grand Challenge, et campusdækkende initiativ til at omstille Los Angeles-regionen til 100 procent vedvarende energi, lokalt vand og forbedret økosystemsundhed inden 2050. Mahendra hjælper også med at udvikle arbejdsplanen for Sustainable L.A.

Mahendra sagde, at den nye teknik kunne skaleres op inden for et par år til kommerciel brug i forurenede søer og floder, og hvælvinger kunne føjes til membranfiltreringsenheder og nemt inkorporeres i eksisterende vandbehandlingssystemer. Hvælvinger indeholdende flere forskellige bionedbrydende enzymer kan potentielt fjerne flere forurenende stoffer på én gang fra den samme vandkilde.

De ville sandsynligvis ikke udgøre en risiko for mennesker eller miljøet, Rom sagde, fordi hvælvinger vokser i cellerne hos så mange arter.

Hvælvingerne indeholdende manganperoxidase brugt til den nye undersøgelse blev bygget af et team ledet af Valerie Kickhoefer, en associeret forsker, der arbejder med Rom. Også førsteforfatter Meng Wang bidrog til undersøgelsen, en kandidatstuderende i Mahendras laboratorium, og UCLA -medarbejdernes forskningsassistent Danny Abad.

Elektronmikroskopi til undersøgelsen blev udført i CNSI's Electron Imaging Center for Nanomachines. Forskningen blev understøttet af Strategic Environmental Research and Development Program (pris ER-2422) og UCLA-afdeling for civil- og miljøteknik.