Effektive Entfernung von Krankheitserregern in nachhaltigen Moringa-Naturfaserfiltern

npj Clean Water Band 5, Artikelnummer: 27 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Kontamination von Wasser mit Krankheitserregern hat massive Auswirkungen auf die globale menschliche Gesundheit. Insbesondere Viren stellen aufgrund ihrer geringen Größe und ihres Vorkommens im Wasser sowohl als einzelne Virionen als auch bei der Absorption an größere Partikel besondere Herausforderungen an Wasseraufbereitungstechniken dar. Niedrigenergetische Wasseraufbereitungsverfahren wie die Medienfiltration sind aufgrund ihrer geringen Größe nicht in der Lage, Viren vollständig zu entfernen. Daher sind in der Regel weniger nachhaltige Prozesse mit hohem Chemikalien- oder Energieverbrauch wie chemische Desinfektion, UV-Bestrahlung und Membranfiltration erforderlich. Um den hohen Energie- und/oder Chemikalienbedarf für die Virusbehandlung zu überwinden, werden in dieser Arbeit Entwürfe für nachhaltige Faserfilter vorgestellt, die aus minimal verarbeiteten natürlichen Materialien für eine effiziente Entfernung von Viren (MS2) und Bakterien (E. coli) hergestellt werden. Diese Filter wurden durch die Funktionalisierung leicht zugänglicher Naturfasern wie Baumwolle, Seide und Flachs mit einem einfachen wässrigen Extrakt hergestellt, der kationische Proteine aus Moringa oleifera-Samen enthält. Die vorgeschlagenen Filter bieten eine umfassende kostengünstige, energiesparende und umweltschonende Lösung zur Entfernung von Krankheitserregern aus Wasser mit einer Entfernung von >7log10 (99,99999 %) für Viren und Bakterien.

Trinkwasseraufbereitungsanlagen können als kritische Reservoire für die Ansammlung und Freisetzung schädlicher biologischer und chemischer Schadstoffe dienen, da sie an der Schnittstelle zwischen Natur und menschlichem Lebensraum liegen1. Daher war die Entwicklung von Wasseraufbereitungstechniken zur Entfernung von Verunreinigungen aus dem Wasser ein grundlegendes technisches Unterfangen. Menschliche Darmviren sind ein wichtiger Schadstoff im Wasser, der verheerende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit weltweit haben kann2. Die Medienfiltration ist ein grundlegender Einheitsvorgang in der Wasseraufbereitung, der eine geringe Energieintensität aufweist und weltweit einsetzbar ist. Allerdings bietet es selbst in Kombination mit einer chemischen Koagulation nur eine teilweise Virusentfernung3. Daher wird die energieintensive UV-Desinfektion oder die chemikalienintensive Chlordesinfektion häufig in Verbindung mit der Filtration eingesetzt, um regulierte Trinkwasseraufbereitungsstandards zu erreichen. Beispielsweise verlangen sowohl die US-Umweltschutzbehörde (EPA) als auch die Weltgesundheitsorganisation (WHO) eine Virenentfernung und/oder -inaktivierung von 4 log10 (99,99 %) für Trinkwasser4. Eine weitere vorgeschlagene Alternative zur effektiven Virusentfernung sind energieintensive und teure Filtrationsmethoden auf Basis nanoporöser Membranen wie Ultrafiltration oder Nanofiltration5,6.

Die Bemühungen zur Entwicklung wirksamer Wasseraufbereitungstechnologien zur Virenentfernung sind ein eindrucksvolles Beispiel für den Kompromiss zwischen sauberer Wasserqualität und dem damit verbundenen Energieverbrauch für die Produktion7 (Abb. 1). Erstens führt die Abhängigkeit von auf Größenausschluss basierenden Membranen als Ersatz für ineffektive herkömmliche Filtration zu einem Kompromiss zwischen der Produktivität und der erzielten Entfernungseffizienz (Abb. 1a). Zweitens führt die häufig als Alternative oder in Verbindung mit herkömmlicher Filtration eingesetzte Chlorierung zur Bildung von Desinfektionsnebenprodukten (DBPs), die mit Krebs und anderen gesundheitlichen Auswirkungen in Verbindung gebracht werden8. Alternative Desinfektionstechnologien, die zur Minderung dieser gesundheitsschädlichen Auswirkungen wie Ozon und UV-Strahlung in Betracht gezogen werden, sind wiederum teuer und energieintensiv9. Vergleicht man die eingebettete Energie für die Verarbeitung der benötigten Materialien und Chemikalien mit den verfügbaren Techniken, so liegt der Gesamtenergiebedarf der meisten Desinfektionstechnologien (mit Ausnahme der Chlorierung) auf dem Niveau der energieintensiven Membranfiltration (Abb. 1b). Aktuelle Studien schlagen eine chemische Funktionalisierung von Niederdruckmembranen oder spezielle Membranherstellungstechniken wie Elektrospinnen und die Verwendung von Nanofasermaterialien vor, um die Energieeffizienz der Membranfiltration zu verbessern10,11,12,13. Der Bedarf an fortschrittlichen Herstellungs-/Modifikationsstrategien behindert jedoch ihre weitverbreitete Verwendung. Um die Herausforderungen bei der Virusbehandlung zu meistern, ist es daher von entscheidender Bedeutung, neuartige Filtrationstechniken zu entwickeln, die den Kompromiss zwischen Produktivität und Effizienz (Abb. 1a) bei der Verwendung von Materialien mit geringer eingebetteter Energie überwinden können. Minimal verarbeitete Naturmaterialien mit geringem CO2-Fußabdruck und geringer Umweltbelastung, wie sie in dieser Arbeit verwendet werden, könnten eine Lösung für diesen Kompromiss darstellen.

a Die Permeabilität vs. Virusrückhalteeffizienz weit verbreiteter Filtrationstechnologien zeigt, dass aufgrund der Abhängigkeit vom Größenausschluss ein Kompromiss zwischen der Entfernung von Krankheitserregern und der Permeabilität besteht. Die tabellarischen Daten mit Referenzen sind in der Ergänzungstabelle 4 verfügbar. b Der Betriebsenergiebedarf von Filtrationstechniken und der Gesamtenergiebedarf von Desinfektionstechniken (außer Chlorierung) unter Berücksichtigung einer Kombination aus Betriebsenergie und eingebetteter chemischer Energie sind vergleichbar. Dies weist darauf hin, dass Filtrationstechniken möglicherweise eine ähnliche Leistung wie Desinfektion erzielen können, insbesondere wenn die Effizienz der Virenentfernung erhöht werden kann, ohne dass erhebliche zusätzliche Betriebsenergiekosten anfallen. Eine detaillierte Zusammenfassung der Literaturübersicht und der verwendeten Energiebedarfswerte finden Sie in der Ergänzungstabelle 5 und der Ergänzungsbemerkung 2.

Insgesamt besteht ein zunehmender Bedarf an der Kontrolle der Kontamination von Wassersystemen mit Krankheitserregern, insbesondere Viren, durch nachhaltige Ansätze. In dieser Arbeit wurde die Machbarkeit der Verwendung eines nachhaltigen Tiefenfilters aus leicht zugänglichen Materialien demonstriert, der mit minimalen Kosten eingesetzt werden kann, um eine hocheffiziente Entfernung von Krankheitserregern aus Wasser zu erreichen (Abb. 2a). Diese Filter wurden entwickelt, indem sie die Wasserklärfunktion14 und die antimikrobielle15 Aktivität von Moringa oleifera (MO)-Samen nutzten. Der MO-Baum ist in tropischen und subtropischen Regionen weit verbreitet und seine Samen wurden in der Vergangenheit als natürliches Gerinnungsmittel verwendet14,16. Wässrige Extrakte aus MO-Samen enthalten zwei kationische Proteine, MO-Koagulansprotein (MO2.1) und MO-Chitin-Bindungsprotein (MoCBP), mit nachgewiesener antimykotischer und koagulansischer Wirkung14,17,18. MO-Samen sind aufgrund der Fruchtbarkeit des MO-Baums (15.000–20.000 Samen pro Baum und Jahr)19 und der geringen Toxizität des wässrigen Samenextrakts20 ein idealer Kandidat für die Anwendung in der Wasseraufbereitung. Wir haben die Fähigkeit von MO-Protein-funktionalisierten Naturfaserfiltern entwickelt und getestet, sowohl Viren als auch Bakterien in beispiellosem Ausmaß aus dem Wasser zu entfernen. Diese vorgeschlagene Plattformtechnologie zeigt Potenzial für die Anwendung auf Gemeinde- oder Point-of-Use-Ebene in einem breiten Spektrum von Szenarien der öffentlichen Gesundheit, einschließlich der Katastrophenvorsorge.

a Ein einfaches Schema der vorgeschlagenen Naturfaserfilter, die in dieser Studie mit MO-Proteinen funktionalisiert wurden. Das Bild des Moringa-Baums von Prof. Chen Hualin ist unter CC BY-SA 4.0 lizenziert. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie-Analyse von Baumwoll-, Seiden- und Flachsfasern zeigt das Vorhandensein von CH-, OH- und CO-Peaks in Baumwolle und Flachs, die für Zellulose repräsentativ sind50 . Seidenfasern zeigen das Vorhandensein von Amid-I-Peaks (C=O-Bindungsstreckung) und Amid-II-Peaks (NH-Biegung und CN-Streckung), die auf Seidenfibroin hinweisen51. c Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Baumwoll-, Seiden- und Flachsfasern zeigen typische Faserdurchmesser (10–20 µm) und Morphologien der Naturfasern.

Die Hauptergebnisse dieser Studie sind, dass ein einfacher Wasserextrakt aus MO-Samen verwendet werden kann, um zugängliche Substrate erfolgreich mit kationischen Proteinen zu funktionalisieren, die dann als affinitätsbasierter Filter zur Entfernung von Verunreinigungen aus Wasser verwendet werden können. In unserer früheren Arbeit wurde gezeigt, dass Modellsandpartikel durch dieses vorgeschlagene Verfahren funktionalisiert werden können, um eine hohe Entfernung von Krankheitserregern zu erreichen21,22. Allerdings schränken Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Einfluss der Durchflussrate (geringe Filterbeladungsrate im Bereich der langsamen Sandfiltration) und der funktionellen Sandkorngröße (<130 μm, die schwer zu beschaffen ist) die Anwendbarkeit der funktionalisierten Sandfilter unter praktischen Bedingungen ein. In dieser Studie, die von faserigen Filtermedien inspiriert wurde, die häufig zur Luftfiltration23 verwendet werden, wurden allgemein verfügbare, kostengünstige Naturfasern als potenzielle Substrate für die Herstellung von MO-funktionalisierten Tiefenfiltern verwendet. Beachten Sie, dass die Verwendung minimal verarbeiteter Naturfasern als Substrate in Tiefenfiltern zur Wasseraufbereitung bisher noch nicht untersucht wurde. In dieser Studie wurden drei Naturfaserquellen verwendet: unverarbeitete Wattebällchen, Flachsfasern und Seidenfasern aus lokalen und weltweit zugänglichen Online-Shops (Einzelheiten finden Sie unter „Ergänzende Methoden“). Zunächst wurde eine gründliche chemische und morphologische Charakterisierung der einzelnen Fasern durchgeführt. Die in Abb. 2b, c dargestellten Analysen mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) zeigten, dass die aus lokalen Quellen bezogenen Fasern ähnliche Eigenschaften aufweisen wie Standardfaserproben24.

Als nächstes wurden die durch Packen der drei Naturfasern hergestellten Tiefenfilter mithilfe der Brunauer-Emmett-Teller-Analyse (BET), der Kapillarflussporometrie, der elektrokinetischen Analyse und einem fluorometrischen Peptidtest (Proteinquantifizierung) zur Messung der spezifischen Oberfläche und Porengröße charakterisiert , Oberflächenladung und adsorbiertes Protein pro Flächeneinheit der Faser. Aufgrund der inhärenten Unterschiede in den Fasereigenschaften war es schwierig, eine konstante Packungshöhe und ein konstantes Fasergewicht pro Filter aufrechtzuerhalten. Daher wurden die unten gezeigten endgültigen Eigenschaften auf das Einheitsvolumen und die Oberfläche normiert. Das Gewicht der Faser, die Packungshöhe und die Packungsdichte, die in dieser Studie für Baumwoll-, Seiden- und Flachsfasern verwendet wurden, sind in der Ergänzungstabelle 3 aufgeführt. Die Ergebnisse der BET-Analyse und der Kapillarflussporometrie zeigten, dass Baumwolle, Seide und Flachs können mikroporöse Tiefenfilter mit großer Oberfläche bilden (Abb. 3a, b). Die mittleren Porengrößen von Baumwoll-, Seiden- und Flachsfaserfiltern betrugen 6,54 ± 1,64 µm, 7,48 ± 0,78 µm bzw. 11,1 ± 4,51 µm. Diese Ergebnisse zeigen, dass die in dieser Studie vorgeschlagenen Faserfilter im Vergleich zu Sandfiltern aus früheren Arbeiten eine niedrige mittlere Porengröße und eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen21. Diese günstigen Eigenschaften ermöglichen es MO-funktionalisierten Faserfiltern, Viren bei höheren Durchflussraten im Vergleich zu Sandfiltern effektiv einzufangen (Abb. 6a, b).

a Die mittlere Porengröße von Faserfiltern wurde mit einem Kapillarflussporometer mit Wasser als Benetzungsflüssigkeit gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass Baumwoll-, Seiden- und Flachsfaserfilter eine mittlere Porengröße von 6,54 ± 1,64 µm, 7,48 ± 0,78 µm bzw. 11,1 ± 4,51 µm aufweisen. b Die mithilfe der BET-Adsorptionsanalyse geschätzte spezifische Oberfläche zeigte, dass Baumwoll-, Seiden- und Flachsfilter ähnlich große Filteroberflächen für die MO-Funktionalisierung bieten. c Die Strömungspotentialmessungen unbeschichteter Naturfasern zeigen, dass sie negativ geladen sind (–2,4 ± 0,23 mV bis –20,2 ± 1,64 mV bei pH: 7), was die Adsorption von kationischen MO-Proteinen begünstigt. Die Messungen des Strömungspotentials im pH-Bereich von 5 bis 8 sind in der ergänzenden Abbildung 2 dargestellt. d Die Quantifizierung des an der Oberfläche von Naturfaserfiltern adsorbierten MO-Proteins, desorbiert mit 600 mM NaCl-Lösung, zeigt, dass Baumwolle die höchste Proteinadsorptionskapazität aufweist. Alle in der Abbildung dargestellten Fehlerbalken stellen die aus drei unabhängigen Messungen berechnete Standardabweichung dar.

Die Oberflächenladung der in einem Tiefenfilter verpackten Fasern ist entscheidend für die Adsorption von MO-Proteinen während der Funktionalisierung. Die Ergebnisse der elektrokinetischen Analyse zeigten (Abb. 3c), dass alle drei in dieser Studie getesteten Fasern im pH-Bereich von 5–8 (–2,4 mV bis –20,2 mV) negativ geladen sind, was für die Adsorption kationischer Proteine günstig ist . Beachten Sie, dass das durchschnittliche Strömungspotential der Naturfasern bei einem pH-Wert von 7 in Abb. 3c dargestellt ist, um die neutralen pH-Bedingungen darzustellen. In der ergänzenden Abbildung 2 finden Sie die Ergebnisse des Strömungspotenzials aus der Analyse, die bei zusätzlichen pH-Bedingungen von 5, 6 und 8 durchgeführt wurde. Um die Machbarkeit der Funktionalisierung der vorgeschlagenen Faserfilter mit MO-Saatproteinen festzustellen, wurden Experimente durch einfaches Fließen durchgeführt Wasserextrakt aus MO-Samenpulver durch die Filter. Der Wasserextrakt wurde durch 5-minütiges Mischen von gemahlenem MO-Samen mit Wasser (0,02 g mL−1 wv−1 Samen zu Wasser) hergestellt, bevor die Samenreste herausgefiltert wurden. Diese Analyse zeigte, dass das auf den Faserfiltern adsorbierte Protein zwischen 6,28 ± 0,42 mg m−2 und 11,36 ± 1,72 mg m−2 lag (Abb. 3d). Ein qualitativer Vergleich der adsorbierten Proteine mittels SDS-PAGE-Gelelektrophorese zeigte ebenfalls keine signifikante Veränderung der Proteinzusammensetzung (Ergänzende Abbildung 3). Insgesamt wurde zum ersten Mal gezeigt, dass eine Reihe leicht verfügbarer Naturfasern zum Aufbau negativ geladener mikroporöser Tiefenfilter verwendet werden können, die mit einem einfachen Wasserextrakt aus MO-Samen effektiv funktionalisiert werden können.

Eine Reihe von Standardfiltrationsexperimenten wurde durchgeführt, um die Wirksamkeit der Funktionalisierung der Faserfilter mit MO-Saatproteinen zur Erfassung und Entfernung von Krankheitserregern zu quantifizieren. Die Experimente wurden mit Modellorganismen für Bakterien (E. coli) und Ersatzviren (MS2-Bakteriophage) durchgeführt. E. coli ist ein wichtiges Modellbakterium im Zusammenhang mit der Wasserreinigung, das selbst Durchfall und Magen-Darm-Komplikationen verursachen kann25. Die Entfernung des MS2-Bakteriophagen wurde aufgrund seiner breiten Verwendung als Ersatz für humane Darmviren wie Norovirus und Rotavirus untersucht26. Diese Experimente zeigten, dass MO-funktionalisierte Faserfilter bei gleicher Durchflussrate eine Effizienz bei der Entfernung von Krankheitserregern erzielen, die um mehrere Größenordnungen höher ist als die unbeschichteten Faserfilter. Beispielsweise erreichten MO-Baumwollfilter bei einer Durchflussrate von 2 ml/min eine logarithmische Entfernungseffizienz (LRE) von >7,62 für E. coli und 7,65 ± 0,23 für MS2-Bakteriophagen im Vergleich zu 0,39 ± 0,51 für E. coli und 0,23 ± 0,20 für MS2, erreicht durch unbeschichtete Baumwollfilter (Abb. 4a, c). MO-funktionalisierte Flachs- und Seidenfilter erzielten ebenfalls ähnliche Effizienzen bei der Entfernung von Bakterien und Viren wie MO-Baumwollfilter. Der in dieser Studie erreichte LRE ähnelt dem, der durch MO-Sandfilter erreicht wurde, über die in früheren Studien berichtet wurde21. Der Vorteil der in dieser Studie vorgeschlagenen MO-funktionalisierten Faserfilter besteht darin, dass sie diese hohe Entfernungseffizienz bei Durchflussraten beibehalten, die etwa viermal höher sind als MO-Sandfilter (Abb. 6a, b). Dies zeigt, dass Naturfasern im Vergleich zu Sand ein wirksames Substrat für die Funktionalisierung von MO-Proteinen bieten.

Eine experimentelle log10-Entfernung von 108 PFU ml-1 MS2-Zulauf unter Verwendung von MO-funktionalisierten Faserfiltern im Vergleich zu unbeschichteten Faserfiltern bei einer Durchflussrate von 2 ml/min zeigt, dass MO-Faserfilter eine um ~7 Größenordnungen höhere Leistung erzielen als unbeschichtete Faserfilter . b Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von MO-Baumwollproben, die aus einem Filter nach dem Filtern des MS2-Bakteriophagen-Zustroms entnommen wurden, zeigt, dass der MS2-Bakteriophage an der Oberfläche der MO-beschichteten Baumwolle haftet. c Experimentelle log10-Entfernung von 108 KBE mL-1 E. coli-Einfluss unter Verwendung von MO-funktionalisierten Faserfiltern im Vergleich zu unbeschichteten Faserfiltern bei einer Durchflussrate von 2 ml/min zeigt, dass MO-Faserfilter eine >8 log10-Entfernung von E. coli erreichen Das ist etwa 8 Größenordnungen höher als bei unbeschichteten Faserfiltern. *Zeigt an, dass die Abwasserkonzentration unter der Nachweisgrenze lag, was darauf hindeutet, dass die tatsächliche Entfernung in diesem Fall höher sein könnte als die gemeldeten Werte. Beachten Sie, dass für Säulenexperimente verwendete Flachs- und Seidenfasern in kochendem Wasser gereinigt wurden, um alle Verunreinigungen zu entfernen, die eine Kontamination verursachen können. Diese Behandlung zeigte jedoch keine signifikanten Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung oder Morphologie der Fasern (ergänzende Abbildung 1). d Rasterelektronenmikroskopbilder von unbeschichteten Baumwoll- und MO-Baumwollproben, die nach dem Filtern von E. coli aus einem Filter entnommen wurden, zeigen deren Anhaftung an der Oberfläche von MO-Baumwolle. Alle in der Abbildung dargestellten Fehlerbalken stellen die aus drei unabhängigen Messungen berechnete Standardabweichung dar.

Mithilfe der herkömmlichen Filtrationstheorie lässt sich der Vorteil hinsichtlich der Entfernung aufgrund der MO-Funktionalisierung von Naturfaserfiltern verdeutlichen. Gemäß der Standardtheorie der Reinbettfiltration hängt die Entfernung von Partikeln in einem Tiefenfilter hauptsächlich von zwei Faktoren ab: der Kollisionseffizienz und dem Haftkoeffizienten27. Die Kollisionseffizienz stellt den Transport von Partikeln zur Oberfläche eines Kollektors (Substrats) dar, der zu den für deren Einfang erforderlichen Kollisionen führt. Dies hängt in erster Linie von der Geometrie des Filters, der Substratgröße und der Hydrodynamik des Filters ab. Der Transportmechanismus für die Kollisionen könnte je nach Partikelgröße eine Kombination aus Diffusion, Abfangen und Sedimentation sein27. Wenn ein Partikel mit dem Substrat kollidiert, wird es eingefangen, sofern sich das Partikel erfolgreich am Substrat festsetzt. Zur Definition der Bindungseffizienz wird traditionell ein Haftkoeffizient verwendet, der von der Puffer- und Substratchemie abhängt28. Daher können zwei Filter mit ähnlicher Geometrie, Substratgröße und Hydrodynamik deutlich unterschiedliche Entfernungen erzielen, je nachdem, wie das Substrat mit den Partikeln interagiert. Um zu zeigen, dass die hohe Effizienz, die durch MO-funktionalisierte Faserfilter erreicht wird, auf die durch MO-Proteine verursachte Veränderung der Substratchemie zurückzuführen ist, wurden die erzielten Entfernungen mit denen von unbeschichteten Filtern verglichen. Die Ergebnisse zeigten einen Leistungsunterschied von etwa sieben Größenordnungen zwischen MO-funktionalisierten Filtern und unbeschichteten Filtern. Dies zeigt deutlich, dass Wechselwirkungen zwischen MO-Proteinen und den Modellpathogenen E. coli und MS2 für deren Entfernung verantwortlich sind, da das Vorhandensein von MO-Proteinen den einzigen Unterschied zwischen unbeschichteten Filtern und MO-funktionalisierten Filtern darstellt (Abb. 4a, c). Die anhand experimenteller Daten und bewährter Modelle aus der Literatur empirisch berechneten Haftkoeffizienten von E. coli und MS2 (Ergänzungstabelle 1) zeigen, dass der Haftkoeffizient in MO-funktionalisierten Filtern um eine Größenordnung höher ist als in unbeschichteten Filtern 28, 29. Um weiter zu zeigen, dass die in dieser Studie getesteten Bakterien und Viren in MO-Baumwollfiltern physikalisch eingefangen werden, wurden TEM- und SEM-Analysen verwendet, um MS2 und E. coli sichtbar zu machen, die an der Oberfläche des Baumwollsubstrats in MO-Baumwollfiltern haften (Abb . 4b, d). Diese Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein von MO-Proteinen auf Baumwolle zu einer Zunahme der Anzahl günstiger Stellen für die Entfernung von Mikroorganismen führt, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein günstiger Wechselwirkungen zwischen MO-Proteinen und den getesteten Bakterien/Viren für deren Entfernung verantwortlich ist. Obwohl in der früheren Literatur Substratmodifikationen mithilfe von Polymeren und Nanopartikeln zur Verbesserung der Leistung vorgeschlagen wurden10,11,12, stellen MO-funktionalisierte Faserfilter einen nachhaltigen Funktionalisierungsprozess dar, der auch in ressourcenbeschränkten Gebieten problemlos mit natürlichen Materialien umgesetzt werden kann.

Die kationische Natur von MO-Samenproteinen wurde in der früheren Literatur ausführlich nachgewiesen15,17,18,30,31,32. Unsere vorherige Studie hat gezeigt, dass zwei kationische Proteine, das Moringa oleifera-Koagulationsprotein (MO2.1) und das Moringa oleifera-Chitin-Bindungsprotein (MoCBP), nach der Funktionalisierung mit einem einfachen Wasserextrakt aus MO-Samen an Sandpartikeln adsorbieren21. Die hier durchgeführte SDS-PAGE-Analyse der an Naturfasern adsorbierten Proteine (ergänzende Abbildung 3) zeigt, dass auf der Oberfläche von MO-funktionalisierten Faserfiltern dieselben beiden Proteine vorhanden sind. Die negative Oberflächenladung sowohl des MS2-Bakteriophagen als auch von E. coli ist in der Literatur ebenfalls gut dokumentiert33,34,35. Wir führten separate dynamische Lichtstreuexperimente mit den in dieser Studie verwendeten Krankheitserregern unter den Bedingungen durch, die für die Durchführung von Filtrationsexperimenten hier verwendet wurden, um ihre negative Ladung zu bestätigen. Die Ergebnisse zeigten, dass E. coli und MS2-Bakteriophagen, dispergiert in 0,1XPBS und 1 mM NaCl, eine negative Ladung in einem pH-Bereich von 5–8 aufweisen (ergänzende Abbildung 4), was darauf hinweist, dass eine Anziehung zwischen E. coli/MS2 und bestehen würde MO-Proteine. Daher basiert der Entfernungsmechanismus in MO-funktionalisierten Faserfiltern auf günstigen elektrostatischen Wechselwirkungen.

Um diese Hypothese weiter zu bestätigen, wurden zusätzliche Experimente durchgeführt, um die Auswirkung der Salzkonzentration auf die Entfernung von MS2-Bakteriophagen in MO-Baumwollfiltern zu testen. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Entfernung von MS2 mit einer Erhöhung der Salzkonzentration von 1 mM auf 600 mM NaCl abnimmt (Abb. 5d). Die Abhängigkeit von der Salzkonzentration des Hintergrundpuffers ist ein klassisches Merkmal elektrostatischer Wechselwirkungen. Die Stärke der elektrostatischen Kraft nimmt mit zunehmender Pufferkonzentration ab, da die Debye-Länge abnimmt. Diese Ergebnisse bekräftigen erneut, dass der Entfernungsmechanismus von MO-Baumwollfiltern elektrostatischer Natur ist.

a, b Die Draufsicht und die Seitenansicht der günstigen Andockposition, die bei den Simulationen des flexiblen molekularen Andockens zwischen MS2-Kapsid (rosa) und MoCBP (grün) beobachtet wurde. c Die Aminosäurereste, die die Interaktionsschnittstelle von MS2 bilden, werden der Primärsequenz von MoCBP überlagert. d Die experimentelle log10-Entfernung von 108 PFU ml-1 MS2-Bakteriophagen-Einfluss unter Verwendung von MO-Baumwollfiltern bei einer Durchflussrate von 2 ml/min und verschiedenen Salzkonzentrationen im Bereich von 1–600 mM NaCl als Dispergiermittel zeigt, dass die erzielte Entfernungseffizienz mit abnimmt Erhöhung der Salzkonzentration. Die log10-Entfernungseffizienz basiert auf der Abwasserprobe, die bei 50 ml Abwasser gesammelt wurde. *Zeigt an, dass die Abwasserkonzentration unter der Nachweisgrenze lag, was darauf hindeutet, dass die tatsächliche Entfernung in diesem Fall höher sein könnte als die gemeldeten Werte. Alle in der Abbildung dargestellten Fehlerbalken stellen die aus drei unabhängigen Messungen berechnete Standardabweichung dar.

Frühere Arbeiten unserer Gruppe untersuchten die spezifischen Wechselwirkungen zwischen dem Gerinnungsprotein aus MO-Samen (MO2.1) und E. coli im Detail mithilfe von Molekulardynamiksimulationen und Kryo-Elektronenmikroskopie15. Es wurde gezeigt, dass MO2.1 die Bakterien inaktivieren kann, indem es aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen eine Zellmembranfusion verursacht. Mithilfe molekularer Docking-Simulationen können Einblicke in die Natur der komplexen Wechselwirkungen zwischen Viruskapsid und MO-Proteinen gewonnen werden. Eine detaillierte Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen MO-Proteinen (MO2.1 und MoCBP) und MS2-Bakteriophagen unter Verwendung solcher Simulationen in unserer vorherigen Studie zeigte, dass MoCBP für die Entfernung von MS2-Bakteriophagen verantwortlich ist21. Die Bindungswechselwirkungsanalyse zwischen MoCBP und MS2-Kapsidprotein, die die für die günstige Wechselwirkung verantwortlichen Aminosäurereste hervorhebt, sowie eine detaillierte Liste der Wechselwirkungen sind in Abb. 5a – c und der Ergänzungstabelle 2 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass es sich bei der überwiegenden Anzahl der Wechselwirkungen um elektrostatische Wechselwirkungen handelt mit kationischen Resten in MoCBP. Eine Kombination aller durchgeführten experimentellen und molekularen Docking-Analysen legt nahe, dass die Entfernung in MO-funktionalisierten Filtern auf elektrostatischen Wechselwirkungen beruht.

Nachdem die Machbarkeit der Verwendung von Baumwolle, Seide und Flachs für die vorgeschlagene Technologie erfolgreich nachgewiesen wurde, wurden MO-Baumwollfilter getestet, um ihr Potenzial für den Betrieb bei praktischen Oberflächengeschwindigkeiten zu bewerten. Es wurden Filtrationsexperimente bei verschiedenen Durchflussraten durchgeführt, um den Einfluss der Durchflussrate auf die Effizienz der Bakterien- und Virenentfernung zu bestimmen. Ziel war es, die höchste Durchflussrate zu bestimmen, bei der MO-Baumwollfilter die US-amerikanischen EPA-Standards für die Behandlung von Bakterien und Viren erfüllen können. Die Ergebnisse zeigen, dass MO-Baumwollfilter eine E. coli-Entfernung von >6 log10 bis zu einer Durchflussrate von 10 ml/min und eine Entfernung von >4 log10 MS2 bis zu 6 ml/min erreichen können (Abb. 6a, b), entsprechend den Oberflächengeschwindigkeiten von 3,4 Mio. h−1 und 2,0 Mio. h−1. Die Abnahme der Entfernungseffizienz mit zunehmender Durchflussrate kann auf eine Abnahme der Kollisionseffizienz aufgrund der kürzeren Verweilzeit von Krankheitserregern im Filter zurückgeführt werden27,28. Im Vergleich zu praktisch relevanten Behandlungstechniken sind diese Oberflächengeschwindigkeiten um eine Größenordnung höher als bei der langsamen Sandfiltration (0,1–0,4 m h−1)36 und den MO-Sandfiltern aus unserer vorherigen Studie21, aber nur geringfügig niedriger als die typischen Oberflächengeschwindigkeiten bei schnellem Sand Filtration (5–15 m h−1)37. Wie bereits erwähnt, bieten MO-Baumwollfilter im Vergleich zu Sandfiltern aus früheren Arbeiten eine kleinere mittlere Porengröße und größere Oberflächen. Wir glauben, dass eine Kombination dieser Eigenschaften Vorteile hinsichtlich der pro Filter adsorbierten Proteinmenge und damit einer höheren Gesamtkapazität zur Virenentfernung bietet.

a Experimentelle log10-Entfernung von 108 KBE ml-1 E. coli-Zufluss bei verschiedenen Flussraten im Bereich von 2 ml min-1 bis 50 ml min-1 zeigen, dass MO-Baumwollfilter >6 log10-Entfernungen bis zu einer Flussrate von 10 ml erreichen min−1. b Die experimentelle log10-Entfernung von 108 PFU ml-1 MS2-Bakteriophagen-Einfluss bei verschiedenen Flussraten im Bereich von 2 ml/min bis 10 ml/min zeigt, dass MO-Baumwollfilter eine >4 log10-Entfernung bis zu einer Flussrate von 6 ml/min erreichen −1. Diese Durchflussraten entsprechen Oberflächengeschwindigkeiten von 3,4 m h−1 bzw. 2 m h−1 für die Entfernung von E. coli und MS2, die etwas niedriger als die typischen Betriebsbedingungen der schnellen Sandfiltration (5–15 m h−1) und höher sind als langsame Sandfiltration (0,1–0,4 m h−1). c E. coli- und MS2-Entfernungseffizienz von MO-Baumwollfiltern bei einer Durchflussrate von 2 ml/min nach 1 Monat und 3 Monaten Lagerung bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse zeigen, dass MO-Baumwolle nach 1-monatigem bzw. 3-monatigem Halten eine Entfernung von 7,92 ± 0,22 log10 bzw. >7,7 log10 für E. coli erreichte. Die MS2 log10-Entfernungseffizienzen nach 1 Monat und 3 Monaten Lagerung betrugen 6,34 ± 0,40 und 7,29 ± 0,32. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Effizienz der Pathogenentfernung von MO-Baumwolle bis zu einer dreimonatigen Lagerung erhalten bleibt. d E. coli- und MS2-Entfernungseffizienz von MO-Baumwolle bis zu 3 Regenerationszyklen. Die Filter wurden regeneriert, indem sie zunächst mit 100 ml 600 mM NaCl-Lösung gewaschen und mit 100 ml MO-Wasserextrakt funktionalisiert wurden. Die Entfernungseffizienz regenerierter Säulen wurde bei 10 ml/min für E. coli und 6 ml/min für MS2 gemessen. Es wurde gezeigt, dass die MO-Baumwollsäulen Bakterien und Viren bis zu 3 Regenerationszyklen effektiv entfernen. *Zeigt an, dass die Abwasserkonzentration unter der Nachweisgrenze lag, was darauf hindeutet, dass die tatsächliche Entfernung in diesem Fall höher sein könnte als die gemeldeten Werte. Fehlerbalken stellen die aus drei unabhängigen Messungen berechnete Standardabweichung dar.

Weitere Experimente wurden durchgeführt, um die Trockenhaltungsstabilität und die Fähigkeit der Regenerierung von MO-Baumwolle abzuschätzen und die Nachhaltigkeit und einfache Zugänglichkeit für verschiedene Kontexte zu berücksichtigen. Frühere Studien zeigen, dass die Übertragung von Infektionskrankheiten nach Naturkatastrophen aufgrund des Mangels an sauberem Wasser weit verbreitet ist38. Wenn MO-Baumwolle trocken lagerfähig ist, kann sie zur Wasseraufbereitung bei Katastropheneinsätzen eingesetzt werden, um die Ausbreitung von Krankheiten zu verhindern, indem vorgefertigte MO-Baumwolle in die betroffenen Gebiete verschickt oder in Notfallpaketen gelagert wird. Die zur Untersuchung der Trockenlagerstabilität durchgeführten Experimente zeigten, dass getrocknete MO-Baumwolle bei Raumtemperatur bis zu 3 Monate lang die Fähigkeit behält, Bakterien und Viren aus dem Wasser zu filtern. Die Entfernung von E. coli und MS2 durch MO-Baumwolle, die nach 1 Monat und 3 Monaten aus dem Lager genommen wurde, ist ähnlich wie bei frisch zubereiteter MO-Baumwolle (Abb. 6c). Obwohl Baumwolle ein biologisch abbaubares Material ist, ist die Regenerationsfähigkeit wichtig, damit MO-Baumwolle ein nachhaltiges Substrat ist. Um die Regenerationsfähigkeit zu testen, wurden Experimente mit 600 mM NaCl durchgeführt, um das Protein zu desorbieren, bevor es erneut mit MO-Wasserextrakt beschichtet wurde, um die In-situ-Regeneration des Filters nach dem Durchbruch zu zeigen. Die Inspiration für diesen Regenerationsprozess basierte auf früherer Literatur, die zeigte, dass 600 mM NaCl erfolgreich zur Desorption von MO-Proteinen von Silica-Oberflächen verwendet werden konnte31. Die Ergebnisse zeigten, dass die Effizienz der Bakterien- und Virenentfernung nach der Regeneration der von frisch zubereiteter MO-Baumwolle ähnlich ist, bis zu drei Regenerationszyklen (Abb. 6d). Beachten Sie, dass sich die Regeneration hier von der physikalischen Rückspülung unterscheidet, die bei herkömmlichen Sandfiltern stündlich bis täglich in den Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt wird. Der aktuelle Filter konnte problemlos rückgespült werden, ohne an Wirksamkeit zu verlieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass MO-Baumwolle ein nachhaltiges Substrat für die Wasseraufbereitung in verschiedenen Kontexten sein kann, einschließlich Katastrophenhilfesituationen und vorgefertigter Endfiltration.

Herkömmliche Filtrationstechniken, die auf Größenausschluss im Zusammenhang mit der Wasserfiltration basieren, sind durch den Kompromiss zwischen ihrer Produktivität und der Entfernung von Krankheitserregern eingeschränkt. Dieser Kompromiss wurde zum ersten Mal experimentell gezeigt, indem die Entfernung von Mikrofiltrations- (MF), Ultrafiltrations- (UF) und Nanofiltrationsmembranen (NF) durch MS2-Bakteriophagen mit kontrollierten Experimenten charakterisiert wurde. Die MS2-Entfernungseffizienz und Permeabilität kommerziell erhältlicher MF-, UF- und NF-Membranen wurden in einem Dead-End-Filtrationsaufbau bei konstantem Druck untersucht, der erforderlich ist, um eine Durchflussrate von etwa 100 LMH (Liter·m−2·h−1) aufrechtzuerhalten (Abb . 7a). Diese Kompromisskurve wurde erstellt, um den Vorteil der molekularen Neugestaltung herkömmlicher Wasserfilter mit MO-Proteinfunktionalisierung zu verdeutlichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Funktionalisierung der Oberfläche eines unbeschichteten Baumwollfilters mit MO-Proteinen eine nachhaltige Möglichkeit ist, die Leistung um Größenordnungen zu steigern, ohne dass die inhärente Permeabilität abnimmt, wodurch die Produktivitäts-Permeabilitätsgrenze aktueller Filtrationsansätze überwunden wird (Abb. 7b). ). Dies zeigt das Potenzial der in dieser Studie vorgeschlagenen Filter als energieeffiziente und zugängliche Wasserfiltrationstechnik, die sowohl in Entwicklungs- als auch in Industrieländern zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden kann.

a Die MS2-Log-Entfernungseffizienz verschiedener in dieser Arbeit getesteter Membranfilter wurde mit der in dieser Studie vorgeschlagenen unbeschichteten und beschichteten Baumwollfilter verglichen, um den Vorteil der MO-Funktionalisierung zu zeigen. Die experimentell ermittelten Permeabilitäts- und MS2-Entfernungseffizienzwerte für die getesteten kommerziellen Membranen und MO-Baumwollfilter sind in der Ergänzungstabelle 7 verfügbar. b Eine vorläufige Bewertung des Energiebedarfs für einen theoretischen MO-Baumwollfilter am Einsatzort zeigt, dass viel Energie erforderlich ist geringer im Vergleich zu Membranfiltration und UV-Bestrahlung. Der Energiebedarf für MO-Filter liegt auf dem Niveau herkömmlicher Medienfiltration und Chlordesinfektion. Der in dieser Abbildung dargestellte Energiebedarf verschiedener Techniken basiert auf der verfügbaren Literatur und eine detaillierte Zusammenfassung der Literaturübersicht und der verwendeten Energiebedarfswerte finden Sie in der Ergänzenden Anmerkung 2 und der Ergänzenden Tabelle 5. Alle in der Abbildung gezeigten Fehlerbalken stellen die dar Standardabweichung berechnet aus drei unabhängigen Messungen.

In der aktuellen Arbeit lag das Hauptaugenmerk darauf, die Machbarkeit von MO-funktionalisierten Faserfiltern zur Erzielung einer hohen Virenentfernung bei hohen Beladungsraten zu ermitteln. Obwohl für eine umfassende Lebenszyklusanalyse künftige Scale-up-Studien unter realistischen Bedingungen erforderlich sind, wurde hier eine erste Bewertung des Energiebedarfs für MO-Baumwollfilter durchgeführt, um die vorgeschlagenen Filter mit alternativen Virenentfernungstechnologien zu vergleichen. Die detaillierte Analyse zur Berechnung der Betriebs- und Grauenergie, die für einen theoretischen Point-of-Use-MO-Baumwollfilter erforderlich ist, ist in der Ergänzenden Anmerkung 1 verfügbar. Die Analyse zeigte, dass MO-Baumwollfilter im Vergleich zu alternativen Techniken nur minimale Energie benötigen (Abb. 7b). Der geringe Energiebedarf von MO-Baumwollfiltern (0,01 kWh m−3) ähnelt weniger energieintensiven Technologien wie herkömmlicher Medienfiltration und Chlordesinfektion. Im Vergleich zu den energieintensiven Alternativen Membranfiltration und UV-Bestrahlung weisen MO-Baumwollfilter Potenzial für eine energieeffiziente Virusbehandlung auf. Dies zeigt, dass MO-Baumwollfilter als leicht zugänglicher Trinkwasserfilter vielversprechend sind und in Zukunft als Point-of-Use-Filter oder kommunaler Filter eingesetzt werden können. Zusätzlich zum Energieverbrauch wurden die Kosten für den Bau des vorgeschlagenen theoretischen Point-of-Use-Designs von MO-Baumwollfiltern sowohl in den USA als auch in Indien auf der Grundlage der Materialkosten aus unserer Erfahrung mit der Einrichtung von Filtern vor Ort bei zwei berechnet Standorte (ergänzende Abbildung 7). Diese Schätzungen zeigten, dass die Herstellung eines Point-of-Use-MO-Baumwollfilters mit einer Filterkapazität von 10 Litern Wasser pro Tag in den USA und in Indien 10 US-Dollar bzw. 5 US-Dollar pro Filter kostet (Einzelheiten in der Ergänzenden Anmerkung 3 und der Ergänzenden Tabelle 6). .

Insgesamt haben wir gezeigt, dass ein einfacher wässriger Moringa oleifera-Samenextrakt effektiv zur Funktionalisierung leicht zugänglicher Naturfasern verwendet werden kann und gezeigt, wie die vorgeschlagenen Filter eine Kompromisskurve überwinden können, die bei Größenausschlussfiltrationstechniken besteht. Es wurde eine Regenerationsmethode entwickelt und die Trockenlagerstabilität von MO-Baumwolle untersucht, um ihr Potenzial als nachhaltige Technik für verschiedene Kontexte zu ermitteln. Schließlich wurde durch Experimente und vorläufige Energieschätzungen gezeigt, dass die vorgeschlagenen Filter im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Membranen eine hocheffiziente Fähigkeit zur Virusentfernung bei geringem Energiebedarf bieten. Auch wenn die Ergebnisse dieser Laborstudie ermutigend sind, müssen sich zukünftige Arbeiten auf die Auswirkungen praktischer Bedingungen auf die Filterleistung konzentrieren, um die vorgeschlagenen Filter im Feldmaßstab anzupassen. Zu den wichtigen zu berücksichtigenden Parametern gehören der für den Betrieb der Säule erforderliche Druck und realistische Krankheitserregerkonzentrationen in Gegenwart organischer Stoffe. Im Einsatz sind diese Filter so konzipiert, dass sie durch einen durch die Schwerkraft unterstützten Fluss angetrieben werden. Die hier gezeigten Experimente wurden mit einer konstanten Durchflussrate unter Verwendung einer Schlauchpumpe durchgeführt, da der zur Aufrechterhaltung eines Durchflusses von 2 ml/min erforderliche Druck weniger als 1 psi beträgt und es schwierig ist, einen so niedrigen Druck zuverlässig aufrechtzuerhalten und zu messen. Mithilfe eines Konstantdruckaufbaus wurde die Permeabilität (Durchflussrate pro Flächeneinheit pro Druckeinheit) von MO-Baumwollfiltern quantifiziert und mit herkömmlichen Membranen verglichen (Abb. 7a). Diese Ergebnisse weisen auf eine sehr hohe Permeabilität für MO-funktionalisierte Filter hin, es sind jedoch Experimente im Feldmaßstab erforderlich, um diese Daten weiter zu validieren.

Zweitens bestand das Ziel der hier durchgeführten Experimente darin, die höchste Effizienz zu quantifizieren, die mit MO-Baumwollfiltern im Vergleich zu unbeschichteten Filtern unter „Reinbett“-Bedingungen erreichbar ist, indem ein relativ geringes Volumen einer hochkonzentrierten Bakterien-/Viruslösung gefiltert wird. In der Praxis werden große Wassermengen mit Krankheitserregerkonzentrationen verarbeitet, die um Größenordnungen niedriger sind als die in der aktuellen Arbeit verwendeten. Separate bahnbrechende Experimente wurden mit E. coli durchgeführt, um eine vorläufige Schätzung der Lebensdauer eines MO-Baumwollfilters und der Auswirkung natürlicher organischer Stoffe auf die Kapazität zu erstellen. Diese Experimente zeigten, dass (ergänzende Abbildung 5a) MO-Baumwollfilter > 1011 koloniebildende Einheiten (KBE) von Bakterien entfernen, bevor die Sättigung erreicht wird. Dies entspricht >107 Säulenvolumina selbst bei stark kontaminiertem Quellwasser (100 KBE ml-1 Bakterien), was auf die hohe Kapazität von MO-Baumwollfiltern hinweist. Auch in diesem Langzeitversuch zeigten die Filter keine Anfälligkeit für Biofouling. Aufgrund der komplexen Zusammensetzung von natürlichem Wasser wird erwartet, dass die geschätzte Lebenszeit aus Laborexperimenten bei Feldanwendungen sinkt. Um die Wirkung der Wassermatrix zu verstehen, wurde mit E. coli versetztes Teichwasser mit einem hohen Gesamtgehalt an organischem Kohlenstoff (TOC ~6 mg mL−1) mit MO-funktionalisierten Sandfiltern getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Säulenkapazität aufgrund des TOC-Effekts etwa um die Hälfte abnimmt (ergänzende Abbildung 5b). Da das für dieses Vorversuch verwendete Teichwasser aus einer örtlichen Wasserquelle stammte, war eine genaue Bestimmung der Zusammensetzung der natürlichen organischen Substanz nicht möglich. Eine detaillierte Studie mit sorgfältiger Variation der Konzentrationen und Zusammensetzung der natürlichen organischen Substanz (NOM) unter Berücksichtigung der verfügbaren Vorfilter- und Vorbehandlungsoptionen zur Entfernung von NOM ist ein wichtiger zukünftiger Untersuchungsbereich.

Die für diese Studie verwendeten Moringa oleifera (MO)-Samen wurden von der Echo Global Farm, Florida, bezogen. Die getrockneten MO-Samen wurden in einem verschlossenen Beutel bei Raumtemperatur gelagert und vor dem Experiment mit einer Kaffeemühle zerkleinert. Diese Bedingungen wurden bewusst verwendet, um sicherzustellen, dass der Prozess unter den Lager- und Beschichtungsbedingungen robust ist, die in Feldanwendungen leicht eingehalten werden können. Säulenexperimente wurden mit frisch hergestelltem Wasserextrakt durchgeführt, um die Entfernungseffizienz funktionalisierter Faserfilter zu ermitteln.

Einzelheiten zu den verwendeten Naturfasern finden Sie in den ergänzenden Methoden.

NF270 (PA-TFC, Dow Filmtec), UE50 (PES, Trisep) und MP005 (PES, Microdyn Nadir), erworben von der Sterlitech Corporation, wurden zur Bestimmung der Permeabilität und MS2-Entfernungseffizienz von Nanofiltration (NF) und dichter Ultrafiltration (UF) verwendet ) bzw. lose UF. Als Beispiel für eine Mikrofiltrationsmembran wurde die von Millipore Sigma erworbene 0,22-µm-Membran (PVDF, Millipore™) verwendet.

In dieser Studie wurden zwei Mikroorganismen verwendet, um die MO-funktionalisierten Faserfilter herauszufordern und ihre Entfernungseffizienz zu quantifizieren: Escherichia coli TG1-Stamm und MS2-Bakteriophage. E. coli ist ein stäbchenförmiger gramnegativer Bazillus, typischerweise 1 µm lang und 0,35 µm breit, der allgegenwärtig als Modellorganismus in der wissenschaftlichen Forschung verwendet wird39. Der in dieser Studie verwendete E. coli-Stamm TG1 hat sich in unseren früheren Studien als wirksamer Ersatz für Bakterien erwiesen22,40. Der MS2-Bakteriophage ist ein unbehüllter einzelsträngiger RNA-Coliphage mit einem Durchmesser von 27 nm, der häufig als Ersatz für menschliche Darmviren verwendet wird26,41. Diese Modellmikroorganismen wurden verwendet, um die Filter in dieser Studie herauszufordern, da sie aufgrund ihrer Größe ideale Ersatzstoffe für die Darstellung von Bakterien und Viruspartikeln sind. Darüber hinaus bergen sie auch ein geringeres Risiko einer damit verbundenen Infektion und lassen sich leichter kultivieren und schnell quantifizieren. Das Verfahren zur Vermehrung und Kultur von E. coli TG1 und MS2 ist in den ergänzenden Methoden detailliert beschrieben.

Für den Bau der Säulenfilter zur Quantifizierung der Pathogenentfernung in dieser Studie wurden leicht verfügbare Komponenten verwendet. Als Filterkörper zum Packen der Fasern wurden Glaschromatographiesäulen mit Abmessungen von 1,5 cm Innendurchmesser und 10 cm Länge, hergestellt von Bio-Rad, verwendet. Zuerst wurden sechs Knäuel (~3,5 g) Baumwolle, 5 g Seidenfaser oder 8 g Flachsfaser 2 Minuten lang in Wasser eingeweicht. Obwohl hier entionisiertes Wasser verwendet wird, kann für diesen Schritt jedes saubere Wasser verwendet werden. Die nasse Faser wurde mit einem Kolben in die Säule gedrückt. Das Trockengewicht der in jede Säule gepackten Fasern und die Höhe der Säule wurden gemessen, um die inhärenten Unterschiede in der Größe und im Gewicht der einzelnen Wattebällchen zu berücksichtigen. Die durchschnittliche Höhe der Baumwoll-, Seiden- und Flachsfasersäulen betrug etwa 8 cm, etwa 8,2 cm bzw. etwa 9,5 cm.

Um den so hergestellten Faserfilter mit MO-Proteinen zu funktionalisieren, wurden 100 ml Wasserextrakt aus trockenen MO-Keimen mit einer konstanten Durchflussrate von 2 ml/min durch die Säule gepumpt. MO-Wasserextrakt wird durch 5-minütiges Mischen von 2 g frisch gemahlener ungeschälter MO-Samen mit 100 ml entionisiertem Wasser hergestellt. Obwohl hier entionisiertes Wasser zur Herstellung des MO-Serumextrakts verwendet wurde, zeigte die Anwesenheit von 10 mM NaCl keinen signifikanten Einfluss auf die Leistung von MO-funktionalisierten Filtern (ergänzende Abbildung 6). Diese Lösung wurde nacheinander durch einen 1,5-µm-Glasfaserfilter (Whatman) und einen 0,22-µm-PVDF-Filter (Millipore) filtriert, um überschüssiges Saatmaterial zu entfernen, bevor es zur Funktionalisierung der Faserfilter verwendet wurde.

Die Membranfiltration des MS2-Bakteriophagen wurde in einem 10-ml-Dead-End-Filtrationsaufbau (Modell 8010, Millipore) mit einer aktiven Membranfläche von 4,1 cm2 durchgeführt. Die Filtrationszelle wurde mit einem 800 ml Amicon Stirred Cell Reservoir-Kunststoffreservoir (RC800, Millipore) verbunden, um kontinuierlich mit einer Rührgeschwindigkeit von 300 U/min zu speisen. Die Filtrationsrate für jede Membran wurde bei ~100 LMH (Liter m-2 h-1) gehalten, indem der angelegte Druck angepasst wurde, um eine mit der Säulenleistung vergleichbare Flussrate zu erreichen. Die Zufuhr und das Permeat wurden gesammelt, nachdem 200 ml der Zufuhrlösung filtriert wurden. Dieses Verfahren wird in der Literatur häufig zur Quantifizierung der Leistung von Membranen verwendet42,43.

In dieser Studie wurde eine Reihe von Standardfiltrationsexperimenten verwendet, um die Wirksamkeit der Entfernung von Krankheitserregern durch MO-funktionalisierte Faserfilter zu quantifizieren. Nach der Herstellung eines MO-funktionalisierten Filters gemäß dem Verfahren im vorherigen Abschnitt wurde der Filter mit 100 ml Hintergrundpuffer bei der für das Filtrationsexperiment erforderlichen Flussrate äquilibriert. Sofern nicht anders angegeben, war der in dieser Studie für E. coli verwendete Hintergrundpuffer 10-fach verdünnter PBS-Puffer (0,1X PBS) und für MS2-Bakteriophagen 1 mM NaCl-Lösung. Für die Säulenexperimente, die durchgeführt wurden, um den Mechanismus der MS2-Entfernung in MO-Baumwollfiltern abzuleiten, wurde die Hintergrundsalzkonzentration im Bereich von 1–600 mM NaCl (10 mM, 100 mM, 300 mM und 600 mM) variiert. Nach der Äquilibrierung wurde eine Zuflusslösung, die entweder ~108 KBE ml-1 E. coli oder ~108 PFU ml-1 MS2-Bakteriophagen, dispergiert im Hintergrundpuffer, enthielt, mit einer konstanten Durchflussrate dem Filter zugeführt. Drei Abflussproben wurden gesammelt, nachdem 50 ml, 75 ml und 100 ml des Zuflusses durch den Filter geflossen waren. Die experimentelle logarithmische Entfernungseffizienz (LRE) der Filter wurde mithilfe von Gleichung quantifiziert. 1, wobei C und C0 die Konzentrationen der abfließenden und zufließenden Probe darstellen. Die Konzentration lebensfähiger Krankheitserreger in Zufluss- und Abflussproben wurde mithilfe einer herkömmlichen Ausplattierungstechnik für E. coli und eines Doppelschicht-Plaque-Assays für MS2-Bakteriophagen quantifiziert. Einzelheiten zu den verwendeten Quantifizierungstechniken finden Sie in den ergänzenden Methoden.

Um die Effizienz der Funktionalisierung von Fasern mit MO-Proteinen bei der Verbesserung der Pathogenentfernung zu quantifizieren, wurden Filtrationsexperimente bei einer Durchflussrate von 2 ml/min unter Verwendung von MO-funktionalisierten Faserfiltern durchgeführt. Als Negativkontrolle wurden unbeschichtete Faserfilter verwendet, die mit Ausnahme des Funktionalisierungsschritts nach dem gleichen Verfahren wie ein MO-funktionalisierter Filter verpackt und verarbeitet wurden. Um die Auswirkung der Flussrate auf die LRE zu verstehen, wurden Experimente mit MO-funktionalisierten Baumwollfiltern bei unterschiedlichen Flussraten im Bereich von 2 ml/min bis 50 ml/min für E. coli und 2 ml/min bis 10 ml durchgeführt min−1 für MS2-Bakteriophagen.

Um die Bindungsaffinität zwischen MoCBP- und MS2-Kapsidproteinen zu quantifizieren, wurde eine Reihe flexibler Docking-Iterationen durchgeführt, bei denen die Oberfläche der Zielkapside mithilfe des Oberflächen-Docking-Protokolls von OptMAVEn-2.044 gescannt wurde, das Z-DOCK-345 ähnelt. Die Koordinaten des Massenschwerpunkts der obersten 100 angedockten Konformationen von MoCBP wurden verwendet, um die Orte mit der höchsten MoCBP-Affinität auf den Kapsidproteinen zu identifizieren. Für jede der gebundenen Konformationen von MoCBP im hochaffinen Bereich wurde eine Rosetta-Energiefunktion für alle Atome verwendet, um den enthalpischen Beitrag der Bindung abzuschätzen. Die Vorbereitung der Eingabedatei umfasste den Beginn mit den kristallographischen Koordinaten jedes der beteiligten Proteine – (a) MoCBP – PDB-ID 5DOM32, (b) MS2-Kapsid – PDB-ID 1AQ346 – und anschließend die Durchführung einer internen Koordinatenbildung, um alle fehlenden Reste und insgesamt hinzuzufügen Energieminimierung mit dem All-Atom-Relaxationsprotokoll Entspannen Sie sich in PyRosetta47.

Es ist wichtig, dass MO-funktionalisierte Baumwolle (MO-Baumwolle) ihre Fähigkeit zum Einfangen von Krankheitserregern nach dem Trocknen und Halten über einen langen Zeitraum beibehält, damit die vorgeschlagene Technik in verschiedenen Kontexten anwendbar ist (z. B. Katastrophenvorsorge). Um dies zu testen, wurde nach dem oben genannten Verfahren hergestellte MO-Baumwolle 24 Stunden lang bei 37 °C getrocknet und in einem verschlossenen Beutel bei Raumtemperatur gelagert. Anschließend wurden Filtrationsexperimente mit der trockenen MO-Baumwolle nach 1 Monat und 3 Monaten durchgeführt, um den LRE mit frisch beschichteter Baumwolle zu vergleichen. Beachten Sie, dass 1-Monats- und 3-Monats-Proben aus identischen Chargen MO-Baumwolle entnommen wurden, die am selben Tag hergestellt und in einem versiegelten Beutel bei Raumtemperatur getrocknet wurden. Filtrationsexperimente wurden nach dem gleichen Verfahren wie oben bei einer Durchflussrate von 2 ml/min durchgeführt.

Um zu zeigen, dass MO-Baumwolle ein allgemein verfügbares und nachhaltiges Medium zum Einfangen von Krankheitserregern ist, ist es wichtig, die Fähigkeit zur einfachen Regeneration der beschichteten Baumwolle festzustellen. Unsere früheren Studien haben gezeigt, dass das Waschen mit einer 600 mM Kochsalzlösung und anschließende Funktionalisierung mit MO-Wasserextrakt ein wirksames Verfahren zur Regeneration von Filtermedien ist21,31. Um zu überprüfen, ob ein ähnliches Verfahren zur Regeneration von MO-Baumwolle verwendet werden kann, wurden Filtrationsexperimente durchgeführt, um den Effekt der Regeneration auf die Effizienz der Pathogenentfernung zu bestimmen. MO-Baumwollsäulen wurden zunächst gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt und dann mit 100 ml 600 mM NaCl gewaschen, um das Protein zu desorbieren, bevor sie erneut beschichtet wurden. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt und die E. coli- und MS2-Entfernungseffizienz der regenerierten Säulen wurde für jeden Zyklus quantifiziert, um die Auswirkung der Regeneration auf LRE zu untersuchen.

Brunauer-Emmett-Teller-Isothermenmessungen (BET) wurden verwendet, um die verfügbare Oberfläche der verschiedenen in dieser Studie verwendeten Fasern zu analysieren. Drei Proben pro Faser (Baumwolle, Seide und Flachs) wurden zur Analyse im Material Characterization Lab der Pennsylvania State University eingereicht, um die durchschnittliche verfügbare Oberfläche (SA) zu bestimmen. SA wurde durch physikalische Adsorption von Stickstoff auf einer Probenoberfläche bei 77 K unter Verwendung eines Accelerated Surface Area and Porosimetry Analyzer (ASAP 2420; Micromeritics Instrument Corp.) bestimmt. SA wurde mithilfe der BET-Gleichung48 berechnet, die den linearen Teil der Adsorptionsisotherme bei relativen Drücken P/Po im Bereich zwischen 0,05 und 0,30 nutzt, wobei P der Gleichgewichtsdruck und Po der Sättigungsdruck ist. Vor der Messung wurden die Proben mindestens 8 Stunden lang bei 40 °C und einem Vakuum von 4 µm Hg entgast, um Verunreinigungen wie Wasserdampf, Kohlendioxid und andere zu entfernen.

An den Faserproben wurde eine abgeschwächte Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) durchgeführt, um ihre chemischen Strukturen mit dem Nicolet 6700-Spektrometer (Thermo Scientific) und dem intelligenten iRT-Diamant-ATR-Probenahmezubehör (Thermo Scientific) zu bestimmen. Für alle Messungen wurden 256 Scans pro Probe mit einer Auflösung von 4 cm−1 erhalten.

Zur Messung des Oberflächenpotentials der Faserproben wurde ein elektrokinetischer Analysator SurPASS (Anton Paar, Ashland, VA, USA) verwendet. Jede Faserprobe wurde zunächst in 10 ml 1 mM NaCl-Lösung eingeweicht. Anschließend wurde die Probe in der zylindrischen Zelle des Geräts montiert und der pH-Wert der Elektrolytlösung (wiederum 1 mM NaCl) mit 0,05 M HCl und NaOH auf den erforderlichen Wert eingestellt. Die Messungen wurden für jede Faser dreifach bei vier verschiedenen pH-Werten von 5, 6, 7 und 8 durchgeführt. Alle Messungen wurden bei einem Zieldruck von 300 mBar durchgeführt. Beachten Sie, dass dieser Druck eine Betriebsanforderung für den elektrokinetischen Analysator ist und keinen Zusammenhang mit dem Betriebsdruck der Filtrationsexperimente in dieser Studie hat.

Um die mittlere Porengröße der in dieser Studie getesteten Fasersäulen zu messen, wurde die erforderliche Menge der Faserprobe in einen zylindrischen Halter mit den Abmessungen 2,54 cm Länge und 3,5 cm Durchmesser gepackt, um eine Packungsdichte zu erreichen, die der von Baumwolle, Seide und Flachs ähnelt zu den Spaltenfiltern. Als Benetzungsflüssigkeit wurde Wasser verwendet und die Porometrieanalyse wurde unter Verwendung der Standard-Benetzungs- und Berechnungsmethode durchgeführt. Trockenmessprotokoll in einem iPore 1100-AX von Porous Materials Inc. Der in diesem Zusammenhang verwendete Begriff „Säulenpackungsdichte“ stellt weder die Schüttdichte noch die Porosität der Fasern im Filter dar. Stattdessen handelt es sich um das Verhältnis der gepackten Materialmenge zum Volumen der Säule und soll als Referenzwert dienen, um einen Vergleich in zukünftigen Studien zu ermöglichen.

Um die auf den Naturfaserfiltern adsorbierte Proteinmenge zu bestimmen, wurde ein Thermo Scientific™ Pierce™ Quantitative Fluorescent Peptide Assay verwendet. Zur Erstellung einer Kalibrierungskurve wurde Lysozym aus Hühnereiweiß verwendet. Nach der oben erläuterten Beschichtung der Säule wurden 100 ml 600 mM NaCl mit einer Durchflussrate von 2 ml/min eingeführt, um das Protein in der Salzlösung zu desorbieren31. Die Konzentration des Proteins in der Salzlösung wurde verwendet, um die Menge des an der Oberfläche eines Faserfilters adsorbierten MO-Proteins zu interpretieren.

Um das auf der Oberfläche von Naturfasern adsorbierte Protein qualitativ zu charakterisieren, wurde eine Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese49 (SDS-PAGE)-Auswertung an der Salzwäsche durchgeführt, die zur Quantifizierung des adsorbierten Proteins verwendet wurde. 12 µL 600 mM NaCl-Waschlösung wurden auf ein 12 % handgegossenes SDS-PAGE-Gel geladen. Zur Visualisierung der Proteinbanden wurde eine Coomassie-Färbung verwendet.

Zur Beobachtung des physisch entfernten MS2-Bakteriophagen mithilfe von MO-Baumwollfiltern wurde Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet. Um den an MO-Baumwolle befestigten MS2-Bakteriophagen sichtbar zu machen, wurde eine Negativfärbungsmethode mit TEM-Analyse verwendet. Die MO-Baumwollfaser mit adsorbiertem MS2-Bakteriophagen wurde durch Filtrieren von 4000 ml 108 PFU ml-1 MS2-Bakteriophagen, dispergiert in 1 mM NaCl, mit einem MO-Baumwollfilter bei 6 ml min-1 hergestellt. Einzelne Fasern vom oberen Ende der Säule wurden mit einer sauberen Pinzette aufgenommen und entweder bei 35 °C oder unter Verwendung von Hexamethyldisilazan (HMDS)-Trocknung für die bildgebende Analyse getrocknet.

Um die Struktur der Probe zu bewahren und chemisch zu fixieren, wurde vor der TEM-Untersuchung ein chemisches Trocknungsmittel HMDS verwendet, um Weichgewebe und biologische Moleküle zu entwässern. Die zu untersuchenden Proben wurden durch unterschiedliche Konzentrationen von abgestuftem Ethanol (30 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % und 100 % Ethanol) jeweils 10 Minuten lang dehydriert und dann in 50 % Ethanol/HMDS gehalten und 100 % HMDS jeweils 2 min nacheinander bei Raumtemperatur. Anschließend wurden die Proben über Nacht in einer Laminar-Flow-Haube getrocknet. Die dehydrierten Proben wurden auf 400-Mesh-Glimmentladungs-Kohlenstoff-beschichteten TEM-Gittern (G400, Ted Pella) adsorbiert und mit 0,75 % (Gew.-1) Uranylformiat negativ gefärbt. TEM-Bilder wurden mit dem Tecnai G2 Spirit BioTwin-Mikroskop (FEI) bei einer Beschleunigungsspannung von 80 kV aufgenommen. Die Bilder wurden mit einer AMT Advantage HR 1k X 1k Digitalkamera (Advanced Microscopy Techniques) mit einer Vergrößerung zwischen 6 kx und 87 kx aufgenommen.

In dieser Studie wurde Rasterelektronenmikroskopie (REM) verwendet, um die Adsorption von E. coli auf der Oberfläche von MO-Baumwollfasern zu beobachten. SEM wurde auch verwendet, um den Faserdurchmesser und die Morphologie der in dieser Studie verwendeten Baumwoll-, Seiden- und Flachsfasern vor und nach der 15-minütigen Behandlung mit kochendem Wasser zu analysieren, um die Wirkung der Behandlung auf die Morphologie zu verstehen. Die MO-Baumwollfaser mit adsorbierten E. coli-Bakterien wurde durch Filtrieren von 2000 ml 108 CFU ml−1 E. coli, dispergiert in 0,1X PBS, mit einem MO-Baumwollfilter bei 10 ml min−1 hergestellt. Einzelne Fasern vom oberen Ende der Säule wurden mit einer sauberen Pinzette aufgenommen und mittels HMDS-Trocknung für die bildgebende Analyse getrocknet.

Um die Struktur der biologischen Probe zu bewahren und chemisch zu fixieren, wurde die zuvor beschriebene HMDS-Trocknungstechnik verwendet, um Weichgewebe und biologische Moleküle vor der Untersuchung mittels SEM zu entwässern, und zwar bei Naturfaserproben, die mit gekochtem Wasser behandelt wurden, und bei MO-Baumwolle mit E. coli. Sobald die Proben vorbereitet waren, wurden REM-Bilder mit Quanta 650 ESEM (FEI) bei einer Beschleunigungsspannung von 5 kV bis 15 kV aufgenommen und die Proben wurden mit einem EMS Sputter Coater mit einer Gold/Palladium-Mischung beschichtet, um die Ansammlung statischer Ladung zu verhindern.

Die Datensätze, die das Ergebnis dieser Studie stützen, sind im Texas Data Repository unter https://doi.org/10.18738/T8/BKRUCG verfügbar. Es ist auch auf Zenodo unter https://doi.org/10.5281/zenodo.6607398 verfügbar

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Referenzen herunterladen

Die Autoren möchten Echo Global Farm, Florida, für die Bereitstellung von Moringa oleifera-Samen danken. Die Autoren danken Dr. Katya Bazilevskaya für ihre Hilfe bei der Vorbereitung von Proben und der Analyse der Oberfläche mithilfe von BET-Messungen. Die Autoren danken Dr. Tammy Wood für die Bereitstellung des fluoreszierenden E. coli-Stammes. Die Autoren möchten außerdem Dr. Boya Xiong für die Unterstützung danken, die er bei der Durchführung von Streaming-Potenzialmessungen benötigt. Diese Arbeit wurde durch Mittel der US National Science Foundation durch die Zuschüsse CBET-12022971, CBET–2027731 und CBET-1946392 unterstützt. Zusätzliche finanzielle Unterstützung wurde vom Department of Chemical Engineering der Pennsylvania State University, einem REU-Programm der National Science Foundation (EEC-1659497) und den Global Programs der Pennsylvania State University sowie der Welch Foundation (F-1696) bereitgestellt.

McKetta Department of Chemical Engineering, University of Texas at Austin, Austin, TX, 78712, USA

Laxmicharan Samineni, Yu-Ming Tu, Hyeonji Oh, Thomas M. Truskett und Manish Kumar

Abteilung für Bau-, Architektur- und Umweltingenieurwesen, University of Texas at Austin, Austin, TX, 78712, USA

Sophie De Respino & Manish Kumar

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania, PN, 16802, USA

Ratul Chowdhury, Michael Geitner, Abigail Roman-White, Sarine McKinzie, Camila Lemus und Stephanie Velegol

Abteilung für molekulare Pharmazeutik und Arzneimittelabgabe, College of Pharmacy, The University of Texas at Austin, Austin, TX, 78712, USA

Rashmi Prava Mohanty und Debadyuti Ghosh

Abteilung für Bau-, Umwelt- und Geoingenieurwesen, College of Science and Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, MN, 55455, USA

Claire Hartwig Alberg

Fakultät für Chemieingenieurwesen, Tuskegee University, Tuskegee, AL, 36088, USA

Joy Massey

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LS, SV und MK konzipierten und gestalteten die Forschung. LS, SD, Y.-MT, RPM und MG führten die Experimente mit Unterstützung von HO, CHA, AR-W durch., SM, CL und JMLS, SV und MK analysierten die Daten. RC führte die molekularen Docking-Simulationen durch und verfasste die entsprechenden Abschnitte. LS, SV und MK haben das Papier gemeinsam mit Bearbeitungshilfe und Kommentaren von Y.-MT, RPM, TT und DG verfasst

Korrespondenz mit Manish Kumar.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Samineni, L., De Respino, S., Tu, YM. et al. Effektive Entfernung von Krankheitserregern in nachhaltigen Naturfaser-Moringa-Filtern. npj Clean Water 5, 27 (2022). https://doi.org/10.1038/s41545-022-00170-5

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Eingegangen: 04. Dezember 2021

Angenommen: 10. Juni 2022

Veröffentlicht: 06. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-022-00170-5

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