Главная / Новый способ предохранить мембрану для очистки воды от загрязнения, и не только
12.05.2016 |
|
 Команда американских инженерах-химиков из Университета штата Пенсильвания создала новую биопленку, которая обладает способностью предотвращать обрастание мембран для обратного осмоса. Во время процесса обратного осмоса растворитель (как правило, вода) проходит через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор при помощи давления. В результате, мембрана пропускает растворитель, но не некоторые растворенные в нем вещества.
Такая биопленка позволяет мембране ограничивать свою собственную толщину при помощи цепи, обладающей чувством кворума. Чувством кворума обладают некоторые бактерии и другие микроорганизмы. При помощи этого механизма живые вещества общаются и координируют свое поведение на счет секреции молекулярных сигналов. В конечном итоге, обрастание мембран в водных системах ограничивается, если в эти системы выпустит химические вещества, отпугивающие нежелательные бактерии.
«Мы поняли, что засорения на микробных пленках, используемых в системах очистки воды, избежать просто невозможно», рассказывает Маниш Кумар, профессор химической инженерии, старший исследователь настоящего проекта. «Однако, мы вспомнили о том, что в кишечнике человека живут полезные бактерии, которые помогают защищать нас от болезней. Точно так же в процессе обратного осмосиса полезные бактерии смогут предотвратить бесконтрольное появление вредных бионаростов. В общем и целом, наш метод – это пробиотик для систем очистки воды».
Чистой и безопасной воды на земном шаре становится все меньше и меньше. Поэтому, технологии, использующие для фильтрациии мембраны, становятся популярными способами восстановить воду низкого качества и превратить в питьевую воду морскую воду, а также отработанные сточные воды.
Однако, с такими системами возникает огромное количество сложностей. Чаще всего эти сложности заключаются в органических наростах на мембранах. Накопление на поверхности мембраны микробов и бактерий вызывает засорение и, в конечном итоге, уменьшает проницаемость мембраны, а также увеличивает энергопотребление всей системы очистки.
Для того, чтобы решить эту проблему, Маниш Кумар работал в сотрудничестве с профессором химической инженерии Томасом Вудсом и Тэмми Вудом, исследователем из Департамента химической инженерии Университета штата Пенсильвания. Вместе специалисты изучили то, как биопленки взаимодействуют с мембранами, а также их химические свойства.
Проекту оказывал помощь также аспирант Департамента химической инженерии Университета штата Пенсильвания Раджарши Гуха и постдокторант Ли Танг. В дополнение, программа заручилась поддержкой двух студентов: Майкла Гайтнера из того же научно-исследовательского университета и Фабиолы Аграмонте из Университета Пуэрто-Рико. Студенты получили возможность участвовать в разработке благодаря программе, организованной Национальным научным фондом, независимым агентством при правительстве США, отвечающим за развитие науки и технологий.
В ходе работы исследователи обнаружили, что, если в процессе обратного осмоса участвуют «полезные бактерии», в этом случае темпы роста вредных бактерий значительно сокращаются. В конечном итоге, полезные бактерии препятствуют формированию биопленок, ведущих к загрязнению мембран в системах очистки воды.
«То, что мы создали является самой первой клеткой, которая способна самостоятельно контролировать появление биопленки», объясняет Томас Вудс. «При помощи генетической инженерии нам удалось создать клетку, которая способна распознать, когда нарост на мембране достиг угрожающей плотности. Тогда клетка приостанавливает создание биопленки. Мы называем наше создание «живая мембрана обратного осмосиса». Способность модифицированной нами клетки ограничивать свою собственную толщину приводит к тому, что биопленка не вызывает вредного засорения».
Биопленки, способные контролировать собственное поведение, растут гораздо медленнее, чем неконтролируемые биопленки. Активируются новые биопленки посредством введения генетически модифицированных элементов в бактерии кишечной палочки. В ходе пробных экспериментов генетически модифицированная кишечная палочка успешно замедлила формирование синегнойных палочек, а также бактерий вида Sphingomonas. Два этих типа бактерий наиболее часто встречаются на мембранах систем очистки воды, использующих процесс обратного осмоса. В то же самое время, генетически модифицированная кишечная палочка защищала мембрану.
Предложенный группой разработчиков подход – использование генетически модифицированных пленок для мембран – также выгоден для окружающей среды. Существующие в настоящий момент методы, при помощи которых борются с бионаростами, требуют специальных химических веществ под названием биоциды. Биоциды могут наносить вред окружающей среде, а, кроме того, они дорогие. Новая живая мембрана обратного осмосиса – это гораздо более безопасная и экологически чистая методика.
Группа исследователей уже протестировала свою новую систему и в ходе краткосрочных, и во время долгосрочных экспериментов. Далее ученые хотят увеличить масштаб своих опытов и замахнуться на новые сферы, в которых может использоваться их технология, например, в биомедицинских устройствах.
«В конечном итоге мы планируем протестировать больше пагубных бактерий и рассмотреть, в каких еще областях можно использовать нашу новую систему», говорит Маниш Кумар. «Теоретически, данный метод вполне может быть использован в биомедицинских устройствах и имплантатах. Таким образом, станет возможным обеспечить нормальную работу этих устройств, защищая пациентов от инфекций, накапливающихся на входящих в их конструкцию пленках».
Разработка живой мембраны обратного осмосиса была награждена премией Национального научного фонда США.
|
|
