Remoção eficaz de patógenos em filtros Moringa de fibra natural sustentável

npj Clean Water volume 5, Número do artigo: 27 (2022) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

A contaminação da água por patógenos tem um impacto enorme na saúde humana global. Em particular, os vírus representam desafios únicos para as técnicas de tratamento de água devido ao seu pequeno tamanho e presença na água como vírions individuais e quando absorvidos em partículas maiores. Processos de tratamento de água de baixa energia, como filtragem de mídia, não são capazes de remover completamente os vírus devido ao seu pequeno tamanho. Portanto, geralmente são necessários processos menos sustentáveis com alto consumo de produtos químicos ou de energia, como desinfecção química, irradiação ultravioleta e filtração por membrana. Para superar os altos requisitos de energia e/ou produtos químicos para tratamento de vírus, projetos para filtros de fibra sustentável fabricados a partir de materiais naturais minimamente processados para remoção eficiente de vírus (MS2) e bactérias (E. coli) são apresentados neste trabalho. Esses filtros foram criados funcionalizando fibras naturais prontamente acessíveis, incluindo algodão, seda e linho, com um extrato aquoso simples contendo proteínas catiônicas de sementes de Moringa oleifera. Os filtros propostos oferecem uma solução abrangente de baixo custo, baixo consumo de energia e baixo impacto ambiental para remoção de patógenos da água com remoções de >7log10 (99,99999%) para vírus e bactérias.

As estações de tratamento de água potável podem atuar como reservatórios críticos para o acúmulo e liberação de contaminantes biológicos e químicos nocivos porque existem na interface entre a natureza e os habitats humanos1. Assim, desenvolver técnicas de tratamento de água para remover contaminantes da água tem sido um esforço fundamental da engenharia. Os vírus entéricos humanos são um importante contaminante da água que pode causar impactos devastadores na saúde humana global2. A filtragem de mídia é uma operação de unidade basal no tratamento de água que possui baixa intensidade energética e é implementável globalmente. No entanto, oferece apenas remoção parcial do vírus, mesmo quando combinado com coagulação química3. Portanto, a desinfecção UV intensiva em energia ou a desinfecção química intensiva com cloro são amplamente usadas em conjunto com a filtração para atingir os padrões regulamentados de tratamento de água potável. Por exemplo, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) e a Organização Mundial da Saúde (OMS) exigem uma remoção de vírus de 4 log10 (99,99%) e/ou inativação para água potável4. Outra alternativa proposta para alcançar a remoção eficaz do vírus são os modos de filtração com uso intensivo de energia e caros, baseados em membranas nanoporosas, como ultrafiltração ou nanofiltração5,6.

Esforços para desenvolver tecnologias eficazes de tratamento de água para remoção de vírus representam um exemplo notável da compensação entre a qualidade da água limpa e o consumo de energia associado para produção7 (Fig. 1). Primeiro, a dependência de membranas baseadas em exclusão de tamanho para substituir a filtração convencional ineficaz dá origem a um compromisso entre a produtividade e a eficiência de remoção alcançada (Fig. 1a). Em segundo lugar, a cloração amplamente utilizada como alternativa ou em conjunto com a filtração convencional leva à formação de subprodutos de desinfecção (DBPs) que têm sido associados ao câncer e outros efeitos à saúde8. Tecnologias alternativas de desinfecção em consideração para mitigar esses efeitos adversos à saúde, como ozônio e irradiação UV, são, novamente, caras e consomem muita energia9. Quando a energia incorporada para processar os materiais e produtos químicos necessários é comparada entre as técnicas disponíveis, o requisito total de energia da maioria das tecnologias de desinfecção (exceto a cloração) está no mesmo nível da filtração por membrana de uso intensivo de energia (Fig. 1b). Estudos recentes propõem a funcionalização química de membranas de baixa pressão ou técnicas especializadas de fabricação de membranas, como a eletrofiação e o uso de materiais nanofibrosos para melhorar a eficiência energética da filtração por membrana10,11,12,13. No entanto, a necessidade de estratégias avançadas de fabricação/modificação impede seu uso generalizado. Portanto, para superar os desafios com o tratamento de vírus, é crucial desenvolver novas técnicas de filtração que possam superar o trade-off de produtividade e eficiência (Fig. 1a) usando materiais com baixa energia incorporada. Materiais naturais minimamente processados com baixa pegada de carbono e baixo impacto ambiental, como os utilizados neste trabalho, podem fornecer uma solução para esse trade-off.

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>