Rimozione efficace degli agenti patogeni nei filtri Moringa in fibra naturale sostenibile

npj Clean Water volume 5, numero articolo: 27 (2022) Citare questo articolo

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La contaminazione dell’acqua da parte di agenti patogeni ha un impatto enorme sulla salute umana globale. In particolare, i virus pongono sfide uniche alle tecniche di trattamento dell’acqua a causa delle loro piccole dimensioni e della presenza nell’acqua sia come virioni singoli sia quando assorbiti su particelle più grandi. I processi di trattamento dell’acqua a basso consumo energetico come la filtrazione dei media non sono in grado di rimuovere completamente i virus a causa delle loro piccole dimensioni. Pertanto, sono solitamente necessari processi meno sostenibili con un elevato consumo chimico o energetico come la disinfezione chimica, l’irradiazione ultravioletta e la filtrazione su membrana. Per superare gli elevati requisiti energetici e/o chimici per il trattamento dei virus, in questo lavoro vengono presentati progetti di filtri in fibra sostenibili fabbricati con materiali naturali minimamente lavorati per la rimozione efficiente di virus (MS2) e batteri (E. coli). Questi filtri sono stati creati funzionalizzando fibre naturali facilmente accessibili tra cui cotone, seta e lino con un semplice estratto acquoso contenente proteine cationiche dai semi di Moringa oleifera. I filtri proposti offrono una soluzione completa a basso costo, a basso consumo energetico e a basso impatto ambientale per la rimozione degli agenti patogeni dall'acqua con rimozioni >7log10 (99,99999%) per virus e batteri.

Gli impianti di trattamento dell'acqua potabile possono fungere da serbatoi critici per l'accumulo e il rilascio di contaminanti biologici e chimici dannosi perché si trovano all'interfaccia tra la natura e gli habitat umani1. Pertanto, lo sviluppo di tecniche di trattamento dell’acqua per rimuovere i contaminanti dall’acqua è stato un impegno ingegneristico fondamentale. I virus enterici umani rappresentano un importante contaminante dell’acqua che può causare impatti devastanti sulla salute umana globale2. La filtrazione dei media è un'operazione unitaria di base nel trattamento delle acque che ha una bassa intensità energetica ed è implementabile a livello globale. Tuttavia, offre solo una rimozione parziale del virus anche se combinato con la coagulazione chimica3. Pertanto, la disinfezione UV ad alta intensità energetica o la disinfezione con cloro ad alta intensità chimica sono ampiamente utilizzate insieme alla filtrazione per raggiungere standard regolamentati di trattamento dell’acqua potabile. Ad esempio, l’Agenzia statunitense per la protezione dell’ambiente (EPA) e l’Organizzazione mondiale della sanità (OMS) richiedono entrambe una rimozione e/o inattivazione del virus di 4 log10 (99,99%) per l’acqua potabile4. Un’altra alternativa proposta per ottenere un’efficace rimozione del virus sono le modalità di filtrazione costose e ad alta intensità energetica basate su membrane nanoporose come l’ultrafiltrazione o la nanofiltrazione5,6.

Gli sforzi per sviluppare tecnologie efficaci di trattamento dell’acqua per la rimozione dei virus rappresentano un esempio lampante del compromesso tra qualità dell’acqua pulita e consumo energetico associato per la produzione7 (Fig. 1). In primo luogo, la dipendenza dalle membrane basate sull’esclusione dimensionale per sostituire la filtrazione convenzionale inefficace dà luogo a un compromesso tra la produttività e l’efficienza di rimozione raggiunta (Fig. 1a). In secondo luogo, la clorazione ampiamente utilizzata come alternativa o in combinazione con la filtrazione convenzionale porta alla formazione di sottoprodotti della disinfezione (DBP) che sono stati collegati al cancro e ad altri effetti sulla salute8. Le tecnologie di disinfezione alternative allo studio per mitigare questi effetti negativi sulla salute, come l’ozono e l’irradiazione UV, sono, ancora una volta, costose e ad alta intensità energetica9. Quando si confronta l’energia incorporata per il trattamento dei materiali e delle sostanze chimiche necessarie tra le tecniche disponibili, il fabbisogno energetico totale della maggior parte delle tecnologie di disinfezione (eccetto la clorazione) è alla pari con la filtrazione a membrana ad alta intensità energetica (Fig. 1b). Studi recenti propongono la funzionalizzazione chimica delle membrane a bassa pressione o tecniche specializzate di fabbricazione di membrane come l'elettrofilatura e l'uso di materiali nanofibrosi per migliorare l'efficienza energetica della filtrazione su membrana10,11,12,13. Tuttavia, la necessità di strategie avanzate di fabbricazione/modifica ne impedisce un utilizzo diffuso. Pertanto, per superare le sfide legate al trattamento dei virus, è fondamentale sviluppare nuove tecniche di filtrazione in grado di superare il compromesso tra produttività ed efficienza (Fig. 1a) utilizzando materiali con bassa energia incorporata. Materiali naturali minimamente lavorati con un basso impatto ambientale e un basso impatto ambientale come quelli utilizzati in questo lavoro potrebbero fornire una soluzione a questo compromesso.

7.62 for E. coli and 7.65 ± 0.23 for MS2 bacteriophage compared to 0.39 ± 0.51 for E. coli and 0.23 ± 0.20 for MS2 achieved by uncoated cotton filters (Fig. 4a, c). MO-functionalized flax and silk filters also achieved bacteria and virus removal efficiencies similar to MO-cotton filters. The LRE achieved in this study is similar to that achieved by MO-sand filters reported in previous studies21. The advantage of the MO-functionalized fiber filters proposed in this study is that they retain this high removal efficiency at flowrates approximately four times higher than MO-sand filters (Fig. 6a, b). This shows that natural fibers offer an effective substrate for MO protein functionalization compared to sand./p>8 log10 removal of E. coli which is ~8 orders of magnitude higher than uncoated fiber filters. *Indicates that the effluent concentration was below the limit of detection which indicates that the actual removal, in this case, could be higher than the reported values. Note that flax and silk fibers used for column experiments were cleaned in boiling water to remove any impurities that can cause contamination, but this treatment did not show any significant changes in the chemical composition or morphology of the fibers (Supplementary Fig. 1). d Scanning electron microscopy images of uncoated cotton and MO-cotton samples taken from a filter after filtering E. coli show the adherence of the same to the surface of MO-cotton. All the error bars shown in the figure represent the standard deviation calculated from three independent measurements./p>6 log10 E. coli removal up to 10 mL min−1 flowrate and >4 log10 MS2 removal up to 6 mL min−1 (Fig. 6a, b) corresponding to superficial velocities of 3.4 m h−1 and 2.0 m h−1. The decrease in the removal efficiency with an increase in flowrate can be attributed to a decrease in the collision efficiency due to the lower residence time of pathogens in the filter27,28. When compared to practically relevant treatment techniques, these superficial velocities are an order magnitude higher than slow sand filtration (0.1–0.4 m h−1)36 and MO-sand filters from our previous study21 but only slightly lower than the typical superficial velocities in rapid sand filtration (5–15 m h−1)37. As discussed earlier, MO-cotton filters offer smaller mean pore size and higher surface areas compared to sand filters from previous work. We believe a combination of these properties offers advantages in terms of the amount of protein adsorbed per filter and thus higher overall capacity for virus removal./p>6 log10 removals up to a flowrate of 10 mL min−1. b Experimental log10 removal of 108 PFU mL−1 MS2 bacteriophage influent at various flowrates in the range of 2 mL min−1 to 10 mL min−1 show that MO-cotton filters achieve >4 log10 removal up to a flowrate of 6 mL min−1. These flowrates correspond to superficial velocities of 3.4 m h−1 and 2 m h−1 for E. coli and MS2 removal, respectively, which are slightly lower than the typical operating conditions of rapid sand filtration (5–15 m h−1) and higher than slow sand filtration (0.1–0.4 m h−1). c E. coli and MS2 removal efficiencies of MO-cotton filters at a flowrate of 2 mL min−1 after 1 month and 3 months of holding at room temperature. Results show that MO-cotton achieved 7.92 ± 0.22 log10 and >7.7 log10 removal for E. coli after 1 month and 3 months holding, respectively. The MS2 log10 removal efficiencies after 1 month and 3 months holding were 6.34 ± 0.40 and 7.29 ± 0.32. These results show that the pathogen removal efficiency of MO-cotton is retained until 3 months of holding. d E. coli and MS2 removal efficiency of MO-cotton up to 3 cycles of regeneration. The filters were regenerated by first washing with 100 mL of 600 mM NaCl solution and functionalizing with 100 mL of MO water extract. The removal efficiency of regenerated columns was measured at 10 mL min−1 for E. coli and 6 mL min−1 for MS2. It was shown that the MO-cotton columns remove bacteria and viruses effectively up to 3 cycles of regeneration. *Indicates that the effluent concentration was below the limit of detection which indicates that the actual removal, in this case, could be higher than the reported values. Error bars represent the standard deviation calculated from three independent measurements./p>1011 colony forming units (CFU) of bacteria before reaching saturation. This translates to >107 column volumes for even a heavily-contaminated source water (100 CFU mL−1 of bacteria) indicating the high capacity of MO-cotton filters. The filters also did not show any susceptibility to biofouling during this long-term experiment. The estimate of a lifetime from laboratory experiments is expected to decrease in field applications due to the complex composition of natural water. To understand the effect of the water matrix, pond water containing high total organic carbon (TOC ~6 mg mL−1) spiked with E. coli was tested with MO-functionalized sand filters. The results show that the column capacity decreases approximately by half due to the effect of TOC (Supplementary Fig. 5b). As the pond water used for this preliminary experiment was collected from a local water source, accurate determination of the composition of natural organic matter was not possible. A detailed study with a careful variation of concentrations and composition of natural organic matter (NOM) considering the available pre-filter and pre-treatment options for the removal of NOM is an important future area of inquiry./p>