Активированный уголь: биологический материал
Широко известно, что исход попадания или сохранения некоторых биологических материалов в водоснабжении: болезнь. Эта третья статья из серии активированных углей, которую легче удалить с помощью фильтрации
активированным углем для очистки воды
, рассматривает именно это. Чистые запасы питьевой воды необходимы для жизни - это так просто. Кроме того, использование активированного угля в качестве опоры для биологического материала может быть полезным.
Знакомство
Идея использования GAC в качестве
фильтра
для биологического материала основана на его пористости и поверхностных свойствах. Молекулы от вирусов до макромолекул и поликлеточных организмов способны быть захвачены GAC. Но использование GAC с биологическими молекулами, поддерживаемыми на нем, может удалить обычные загрязняющие вещества; вирусы могут быть обездвижены с помощью комбинации GAC и металлов.
Добавление угольного фильтра: простая фильтрация
Исследователи обнаружили, что существует сильная корреляция между белками (сравнительно большими макромолекулами) и увеличенным количеством макроразмерных пор, т.е. именно то, что предоставляет GAC. Этот эффект распределения по размеру пор на биологический GAC предполагает, что адсорбция по всей поверхности является динамической, что открывает двери для различного количества времени пребывания, что приводит к дисперсии в биодеградации (1). Биодеградация исторически считалась менее важной, чем адсорбция в GAC-фильтрации биомолекул. Макроразмерные поры имеют диаметр от 0,2 до 10 мкм.
Примеры обычных путей фильтрации с биологическим GAC включают пути с броматом. Бромат окисляется до бромида GAC. Удаление бромата имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы вода была достаточно хорошей для биологической экспрессии (2). Обычное удаление перекисью водорода не так привлекательно. В пути очистки воды бактерии видов Polaromonas и Hydrogenophaga являются преобладающими бактериями, отфильтрованными гранулированными фильтрами активированного угля (3) - среди многих других - что предполагает широкую применимость GAC в качестве фильтра для удаления бактерий. Проблемы с бактериями, колонизирующими на GAC после фильтрации, обсуждаются позже.
Другие типы биомолекул включают вирусы. Еще в 1970-х годах исследования адсорбции полиовируса на активированный уголь (4) продолжались. Это особенно важно, так как одним из способов распространения полиовируса является вода. Если вода легко фильтруется от полиовируса, она не может распространяться. Снижение рН раствора отходов или застойной воды до умеренно кислых 2,5-4,5 делает GAC гораздо более эффективным адсорбентом. При измельчении GAC до размера пор около 10 мкм вирусы и бактериофаги легче удаляются из буферного водного раствора. Преимущество меньшего размера частиц GAC означало, что между вирусом и поверхностью была меньшая электрофоретическая сила отталкивания, что в сочетании с более гидрофобной поверхностью вируса (активированный уголь также гидрофобный) означало лучшую фильтрацию (5).
Разница в режимах активации - паровая активация или химически активированная - на GAC была исследована для биодеградации растворенного органического углерода (DOC). Эксперименты практически не показали разницы между режимами. Озонирование, которое является распространенным методом предварительной обработки для GAC, также было исследовано и, как было обнаружено, не оказывает никакого влияния (6).
Существует широкий спектр процедур удаления бактериального материала из фильтров GAC, многие из которых похожи (7). Само собой разумеется, что фильтры GAC более чем способны противостоять любому из них.
Как и в случае с gaC-фильтрацией, цель состоит в том, чтобы удалить как можно больше материала. Фильтрация GAC облегчает микробные процессы, которые сами по себе способны удалять биоразлагаемый органический углерод - и другие материалы - из поверхностной или иной стоячей воды, которая может или не может быть обработана озоном. Общий процесс обеспечивает биологическую стабильность воды.
Активированный уголь в качестве хозяина: использование биологических материалов для очистки воды
Исследования показали, что долгосрочное развертывание GAC для очистки воды может извлечь выгоду из поддержания биопленки на поверхности активированного угля. Достижение экологического равновесия на биологическом активированном угле обеспечивает более эффективный и устойчивый фильтр, обеспечивая целостность биопленки (8), фактически, время жизни биофильтров GAC может быть продлено таким образом. Поддержание такой здоровой биопленки может быть обеспечено слегка повышенным рН и пониженным содержанием растворенного кислорода, гарантируя, что избыточные нитевидные бактерии не образуются.
Основываясь на этой идее, исследования изучили влияние глубины фильтрующего слоя биологического GAC на общую эффективность фильтра, причем более длинные пути фильтрации ответственны за большее разнообразие видов бактерий через массу. Было обнаружено, что общая производительность не коррелирует с повышенным присутствием таких бактерий, что противоречит здравому смыслу (9). Исследователи предполагают, что повышенная функциональность (т.е. повышенная производительность фильтрации) является результатом более равномерного распределения биологического материала.
Такое поведение полезно. Биосорбция видов Cr(VI) тремя бактериями, поддерживаемыми на GAC. Известно, что эти бактерии восстанавливают хром до более низкого состояния окисления, которое затем адсорбируется GAC. При 50 мг L-1 хрома в водном растворе поглощение металла биологическим GAC составляло от 1,96 до 3,60 мг g-1. Удвоение концентрации хрома привело к диапазонам поглощения от 0,66 до 1,12 мг g-1 по трем типам бактерий (10).
В дальнейшем, основываясь на идее бактериальных GACs, такой пример был разработан с использованием бактерий Phragmitis communis, которые способны влиять на деградацию 4-хлорфенола. Когда водный раствор 4-хлорфенола в 100 мг L-1 подавался на колонку GAC-P. communis , около четверти было немедленно доступно для биодеградации, в то время как остальное адсорбировалось на GAC(11). Аналогичная тактика может быть применена к другим водным системам, стремящимся удалить другие хлорированные органические вещества.
В целом, двойственная природа поддерживаемых бактерий и гранулированного активированного угля предлагает синергетические преимущества в обеспечении более чистой воды.
Активированный уголь в качестве хозяина: использование металлов и других материалов для иммобилизации вирусов
Одним из нишевых, но весьма актуальных применений активированного угля в фильтрации воды является способность обездвиживать вирусы, передающиеся через воду, совместно с металлами, такими как золото и серебро, иногда в форме наночастиц. Опираясь на отличную пористость и химический состав поверхности GAC, он легко улучшается, и это позволяет разрабатывать и адаптировать результаты.
Активированный уголь, который был модифицирован наночастицами серебра и оксида меди, показал свою эффективность при удалении вирусов из воды (12). Суспензии бактериофага Т4 пропускали через фильтр, причем образец GAC, который был легирован 0,5% по весу серебра и 1,0% оксида меди, отвечал за снижение 5,53 log в бактериофаге Т4 в воде. Содержание серебра и меди в полученном фильтранте было значительно ниже безопасных пределов для питьевой воды. Поэтому этот метод подходит для очистки воды. Аналогичным образом, адсорбция молекулярного йода на GAC была эффективной для иммобилизации кишечной палочки и вируса птичьего гриппа (13). Результаты сравнивались с гашеной известью, широко используемой в качестве антибактериального средства в сельском хозяйстве, которую GAC легко превзошла. Наконец, была исследована адсорбция более современных вирусов, включая SARS-CoV2, ответственных за недавнюю глобальную пандемию. Было установлено, что комбинация макро-, микро- и мезопор в GAC достаточно пористая, чтобы обездвижить патоген SARS-CoV2 (14). Поэтому авторы исследования доверяют идее о масках для лица, содержащих активированный уголь, как эффективных для снижения передачи.
Недостатки
Как и во всех методах, есть некоторые небольшие недостатки использования гранулированного активированного угля с биологическими материалами. Во-первых, если постфильтрационная обработка не проводится - или завершается неэффективно - то те самые патогены, которые мы пытаемся отфильтровать, могут расти и сохраняться на поверхности GAC. Yersinia enterocolitica, Salmonella typhimurium и Escherichia coli способны колонизироваться и расти на стерильном GAC (15). Это подчеркивает необходимость обеспечения адекватных стратегий обратной промывки и/или регенерации фильтра. Исследования сканирующей электронной микроскопии показали, что в некоторых случаях даже при дезинфекции разбавленным раствором хлора (2 мг L-1) GAC может быть колонизирован бактериями, которые растут в трещинах и щелях (16). Поэтому часть самой природы GAC - пористость - означает, что его необходимо всесторонне лечить после использования. Авторы предлагают это в качестве гипотезы о том, почему бактерии могут сохраняться в фильтрах, которые были оставлены в застойной воде.
Консультирование по оксиду марганца
- Гранулированный активированный уголь - и биологический активированный гранулированный уголь - являются полезными инструментами для обеспечения стабильности и биологической чистоты воды
- Простая фильтрация GAC может быть применима к удалению бактерий из воды при определенных условиях, полагаясь на высокопористую природу GAC для этого.
- В зависимости от типа GAC, он может быть использован для поддержки бактерий или другой молекулярной жизни для использования в качестве фильтра для удаления, например, хрома из раствора.
- Вирусы, включая полиовирус, могут быть обездвижены GAC, обеспечивая безопасную питьевую воду. Аналогичные эффекты наблюдаются и с бактериофагами
- Решающее значение для GAC в биологических условиях имеет способность промывать / регенерировать фильтр, в противном случае существует риск накопления патогена, что может сделать фильтр неактивным.
Ссылки
1 W. Sun et al., Water Res., 2020, 177, 115768
2 M. Asami et al., Water Res., 1999, 33, 2797
3 B. Wullings et al., J. Appl. Микробиол., 2009, 107, 1457
4 К.. Герба и др., Энвирон. Sci. Технологий., 1975, 9, 727
5 T. Matsishita et al., Separation Purification Tech., 2013, 107, 79
6 А. К. Кампер и др., J. Микробиол. Методика, 1985, 3, 187
7 М. Шольц и Р. Д. Мартин, Water Res., 1997, 31, 2959
8 N. Boon et al., Water Res., 2011, 45, 6355
9 C. Quintiles et al., J. Азар. Матер., 2008, 153, 799
10 Ч. М. Л. Кастро и др., Аппл. Микробиол. Биотехнологии., 1999, 52, 722
11 М. Ф. Сильва и др., Энвирон. Технологий., 2017, 38, 2058
12 К. Оцуки и др., J. Carbon Res., 2021, 7, 86
13 А. К. Азад и др., Дж.Энг. Технологий. Sci., 2021, 4, 210404
14 Г. А. Макфетерс и др., Аппл. Энвирон. Микробиол., 1985, 50, 1378
15 Г. А. Макфетерс и др., Аппл. Энвирон. Микробиол., 1984, 48, 918
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.