Eliminación eficaz de patógenos en filtros sostenibles de fibra natural Moringa | Orgullo Co., Ltd de Nanning del pavo real

npj Clean Water volumen 5, Número de artículo: 27 (2022) Citar este artículo

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La contaminación del agua por patógenos tiene un impacto masivo en la salud humana mundial. En particular, los virus plantean desafíos únicos para las técnicas de tratamiento de agua debido a su pequeño tamaño y presencia en el agua como viriones individuales y cuando se absorben en partículas más grandes. Los procesos de tratamiento de agua de baja energía, como la filtración de medios, no son capaces de eliminar completamente los virus debido a su pequeño tamaño. Por lo tanto, generalmente se requieren procesos menos sostenibles con un alto consumo de energía o químicos, como la desinfección química, la radiación ultravioleta y la filtración por membrana. Para superar los requisitos de alta energía y/o químicos para el tratamiento de virus, en este trabajo se presentan diseños de filtros de fibra sostenibles fabricados a partir de materiales naturales mínimamente procesados para la eliminación eficiente de virus (MS2) y bacterias (E. coli). Estos filtros se crearon mediante la funcionalización de fibras naturales fácilmente accesibles, como el algodón, la seda y el lino, con un extracto acuoso simple que contiene proteínas catiónicas de las semillas de Moringa oleifera. Los filtros propuestos ofrecen una solución integral de bajo costo, bajo consumo de energía y bajo impacto ambiental para la eliminación de patógenos del agua con eliminaciones de >7log10 (99,99999 %) para virus y bacterias.

Las plantas de tratamiento de agua potable pueden actuar como reservorios críticos para la acumulación y liberación de contaminantes biológicos y químicos dañinos porque existen en la interfaz de la naturaleza y los hábitats humanos1. Por lo tanto, el desarrollo de técnicas de tratamiento de agua para eliminar los contaminantes del agua ha sido un esfuerzo de ingeniería fundamental. Los virus entéricos humanos son un contaminante importante en el agua que puede causar impactos devastadores en la salud humana mundial2. La filtración de medios es una operación de unidad básica en el tratamiento del agua que tiene una baja intensidad energética y es implementable a nivel mundial. Sin embargo, solo ofrece una eliminación parcial del virus incluso cuando se combina con la coagulación química3. Por lo tanto, la desinfección UV de uso intensivo de energía o la desinfección con cloro de uso intensivo de productos químicos se usa ampliamente junto con la filtración para lograr estándares de tratamiento de agua potable regulados. Por ejemplo, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) y la Organización Mundial de la Salud (OMS) exigen una eliminación y/o inactivación del virus de 4 log10 (99,99 %) para el agua potable4. Otra alternativa propuesta para conseguir una eliminación eficaz del virus son los modos de filtración basados en membranas nanoporosas, que consumen mucha energía y son caros, como la ultrafiltración o la nanofiltración5,6.

Los esfuerzos para desarrollar tecnologías de tratamiento de agua efectivas para la eliminación de virus representan un ejemplo sorprendente de la compensación entre la calidad del agua limpia y el consumo de energía asociado para la producción7 (Fig. 1). En primer lugar, la dependencia de las membranas basadas en la exclusión por tamaño para reemplazar la filtración convencional ineficaz da lugar a un compromiso entre la productividad y la eficiencia de eliminación lograda (Fig. 1a). En segundo lugar, la cloración ampliamente utilizada como alternativa o junto con la filtración convencional conduce a la formación de subproductos de la desinfección (DBP) que se han relacionado con el cáncer y otros efectos sobre la salud8. Las tecnologías alternativas de desinfección que se están considerando para mitigar estos efectos adversos para la salud, como el ozono y la radiación ultravioleta, son, nuevamente, costosas y consumen mucha energía9. Cuando se compara la energía incorporada para procesar los materiales y los productos químicos requeridos entre las técnicas disponibles, el requerimiento total de energía de la mayoría de las tecnologías de desinfección (excepto la cloración) está a la par con la filtración por membrana que consume mucha energía (Fig. 1b). Estudios recientes proponen la funcionalización química de membranas de baja presión o técnicas especializadas de fabricación de membranas como el electrohilado y el uso de materiales nanofibrosos para mejorar la eficiencia energética de la filtración por membrana10,11,12,13. Sin embargo, la necesidad de estrategias avanzadas de fabricación/modificación impide su uso generalizado. Por lo tanto, para superar los desafíos con el tratamiento de virus, es crucial desarrollar nuevas técnicas de filtración que puedan superar la compensación de productividad y eficiencia (Fig. 1a) utilizando materiales con baja energía integrada. Los materiales naturales mínimamente procesados con baja huella de carbono y bajo impacto ambiental, como los utilizados en este trabajo, podrían proporcionar una solución a esta compensación.

a La permeabilidad frente a la eficiencia de retención de virus de las tecnologías de filtración ampliamente utilizadas muestra que existe una compensación entre la eliminación de patógenos y la permeabilidad debido a la dependencia de la exclusión por tamaño. Los datos tabulados con referencias están disponibles en la Tabla complementaria 4. b El requisito de energía operativa de las técnicas de filtración y el requisito de energía total de las técnicas de desinfección (excepto la cloración) considerando una combinación de energía operativa y energía química integrada es comparable. Esto indica que las técnicas de filtración pueden lograr potencialmente un rendimiento similar al de la desinfección, específicamente si se puede aumentar la eficiencia de eliminación de virus sin incurrir en costos adicionales sustanciales de energía operativa. En la Tabla complementaria 5 y la Nota complementaria 2 se puede encontrar un resumen detallado de la encuesta bibliográfica y los valores de los requisitos de energía utilizados.

En general, existe una necesidad emergente de controlar la contaminación por patógenos, especialmente virus, de los sistemas de agua utilizando enfoques sostenibles. En este trabajo, se demostró la viabilidad de utilizar un filtro de profundidad sostenible fabricado con materiales de fácil acceso que se pueden implementar con un costo mínimo para lograr una eliminación altamente eficiente de patógenos del agua (Fig. 2a). Estos filtros se diseñaron aprovechando la función de clarificación del agua14 y la actividad antimicrobiana15 de las semillas de Moringa oleifera (MO). El árbol MO prevalece en las regiones tropicales y subtropicales, y sus semillas se han utilizado históricamente como coagulante natural14,16. Los extractos acuosos de semillas de MO contienen dos proteínas catiónicas, la proteína coagulante de MO (MO2.1) y la proteína de unión a quitina de MO (MoCBP), con actividades antifúngicas y coagulantes establecidas14,17,18. Las semillas de MO son candidatas ideales para su aplicación en el tratamiento del agua debido a la naturaleza prolífica del árbol MO (15 000–20 000 semillas por árbol por año)19 y la baja toxicidad del extracto acuoso de semillas20. Desarrollamos y probamos la capacidad de los filtros de fibra natural funcionalizados con proteína MO para eliminar virus y bacterias del agua a niveles sin precedentes. Esta tecnología de plataforma propuesta muestra potencial para su aplicación a escala comunitaria o de punto de uso en una amplia gama de escenarios de salud pública, incluida la preparación para desastres.

a Un esquema simple de los filtros de fibra natural propuestos funcionalizados con proteínas MO en este estudio. La imagen del árbol de moringa del profesor Chen Hualin tiene licencia CC BY-SA 4.0 b El análisis de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de fibras de algodón, seda y lino muestra la presencia de picos de CH, OH, CO en algodón y lino representativos de la celulosa50 . Las fibras de seda muestran la presencia de picos de amida-I (estiramiento del enlace C=O) y amida-II (flexión NH y estiramiento CN) indicativos de fibroína de seda51. c Las imágenes de microscopía electrónica de barrido de fibras de algodón, seda y lino muestran diámetros de fibra típicos (10–20 µm) y morfologías de las fibras naturales.

Los principales hallazgos de este estudio son que se puede usar un extracto de agua simple de semillas de MO para funcionalizar con éxito sustratos accesibles con proteínas catiónicas, que luego se pueden usar como un filtro basado en afinidad para eliminar los contaminantes del agua. En nuestro trabajo anterior, se demostró que las partículas de arena modelo pueden funcionalizarse mediante este proceso propuesto para lograr una alta eliminación de patógenos21,22. Sin embargo, los desafíos relacionados con el efecto de la tasa de flujo (baja tasa de carga del filtro en el rango de filtración de arena lenta) y el tamaño de grano de arena funcional (<130 μm, que es difícil de obtener) restringen la aplicabilidad de los filtros de arena funcionalizados en condiciones prácticas. En este estudio, inspirado en los medios filtrantes fibrosos utilizados ampliamente para la filtración de aire23, se utilizaron fibras naturales de bajo costo comúnmente disponibles como sustratos potenciales para fabricar filtros de profundidad funcionalizados con MO. Tenga en cuenta que el uso de fibras naturales mínimamente procesadas como sustratos en filtros de profundidad para el tratamiento de agua no se ha explorado antes. En este estudio se utilizaron tres fuentes de fibra natural: bolas de algodón sin procesar, fibra de lino y fibra de seda, de tiendas locales y en línea accesibles en todo el mundo (consulte Métodos complementarios para obtener más detalles). En primer lugar, se realizó una caracterización química y morfológica exhaustiva de las fibras individuales. Los análisis de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y microscopía electrónica de barrido (SEM) que se muestran en la Fig. 2b, c indicaron que las fibras obtenidas de fuentes locales exhiben características similares a las muestras de fibra estándar24.

A continuación, los filtros de profundidad construidos al empaquetar las tres fibras naturales se caracterizaron mediante el análisis de Brunauer-Emmett-Teller (BET), porometría de flujo capilar, análisis electrocinético y un ensayo de péptido fluorométrico (cuantificación de proteínas) para medir el área de superficie específica, tamaño de poro , carga superficial y proteína adsorbida por unidad de superficie de la fibra. Mantener una altura constante del empaque y el peso de la fibra utilizada por filtro en todos los ámbitos fue difícil debido a las diferencias inherentes en las propiedades de la fibra, por lo que las propiedades finales que se muestran a continuación se normalizaron a la unidad de volumen y área de superficie. El peso de la fibra, la altura del empaque y la densidad del empaque utilizados para las fibras de algodón, seda y lino en este estudio se detallan en la Tabla complementaria 3. Los resultados del análisis BET y la porometría de flujo capilar mostraron que el algodón, la seda y el lino puede formar filtros de profundidad microporosos con área de superficie alta (Fig. 3a, b). Los tamaños medios de poro de los filtros de fibra de algodón, seda y lino fueron 6,54 ± 1,64 µm, 7,48 ± 0,78 µm y 11,1 ± 4,51 µm, respectivamente. Estos resultados muestran que los filtros de fibra propuestos en este estudio muestran un tamaño medio de poro bajo y una superficie específica alta en comparación con los filtros de arena de trabajos anteriores21. Estas características favorables permiten que los filtros de fibra funcionalizados con MO capturen virus de manera efectiva a velocidades de flujo más altas en comparación con los filtros de arena (Fig. 6a, b).

a El tamaño medio de poro de los filtros de fibra se midió utilizando un porómetro de flujo capilar con agua como líquido humectante. Los resultados muestran que los filtros de fibra de algodón, seda y lino presentan un tamaño medio de poro de 6,54 ± 1,64 µm, 7,48 ± 0,78 µm y 11,1 ± 4,51 µm, respectivamente. b El área de superficie específica estimada utilizando el análisis de adsorción BET mostró que los filtros de algodón, seda y lino ofrecen filtros de superficie alta similares para la funcionalización de MO. c Las mediciones de potencial de transmisión de fibras naturales sin recubrimiento indican que tienen carga negativa (−2,4 ± 0,23 mV a −20,2 ± 1,64 mV a pH: 7) que favorecen la adsorción de proteínas catiónicas MO. Las mediciones de potencial de flujo en el rango de pH de 5 a 8 se muestran en la Fig. 2 complementaria. d La cuantificación de la proteína MO adsorbida en la superficie de los filtros de fibra natural desorbidos con una solución de NaCl 600 mM muestra que el algodón tiene la mayor capacidad de adsorción de proteínas. Todas las barras de error que se muestran en la figura representan la desviación estándar calculada a partir de tres mediciones independientes.

La carga superficial de las fibras empaquetadas en un filtro de profundidad es fundamental para permitir la adsorción de proteínas MO durante la funcionalización. Los resultados del análisis electrocinético mostraron (Fig. 3c) que las tres fibras analizadas en este estudio tienen carga negativa en el rango de pH de 5 a 8 (−2,4 mV a −20,2 mV), lo que es favorable para la adsorción de proteínas catiónicas. . Tenga en cuenta que el potencial de flujo promedio de las fibras naturales a un pH de 7 se muestra en la Fig. 3c para representar las condiciones de pH neutral. Consulte la Fig. 2 complementaria para ver los resultados potenciales de transmisión del análisis realizado en condiciones de pH adicionales de 5, 6 y 8. Para establecer la viabilidad de funcionalizar los filtros de fibra propuestos con proteínas de semilla de MO, se realizaron experimentos haciendo fluir un simple extracto de agua de MO semilla en polvo a través de los filtros. El extracto de agua se hizo mezclando semilla de MO molida con agua (0.02 g mL-1 wv-1 de semilla a agua) durante 5 min antes de filtrar los restos de semilla. Este análisis mostró que la proteína adsorbida en los filtros de fibra estaba entre 6,28 ± 0,42 mg m-2 y 11,36 ± 1,72 mg m-2 (Fig. 3d). Una comparación cualitativa de las proteínas adsorbidas mediante electroforesis en gel SDS-PAGE tampoco mostró cambios significativos en la composición de la proteína (Fig. 3 complementaria). En general, se demostró por primera vez que se puede utilizar una gama de fibras naturales fácilmente disponibles para construir filtros de profundidad microporosos cargados negativamente que se pueden funcionalizar de manera efectiva con un simple extracto de agua de semillas de MO.

Se realizaron una serie de experimentos de filtración estándar para cuantificar la efectividad de funcionalizar los filtros de fibra con proteínas de semillas MO para la captura y eliminación de patógenos. Los experimentos se realizaron con organismos modelo para bacterias (E. coli) y virus sustitutos (bacteriófago MS2). E. coli es una bacteria modelo importante en el contexto de la purificación del agua que puede causar diarrea y complicaciones gastrointestinales por sí misma25. Se exploró la eliminación del bacteriófago MS2 debido a su amplio uso como sustituto de los virus entéricos humanos como el norovirus y el rotavirus26. Estos experimentos demostraron que los filtros de fibra funcionalizados con MO logran eficiencias de eliminación de patógenos que son varios órdenes de magnitud más altas que los filtros de fibra sin recubrimiento con el mismo caudal. Por ejemplo, a un caudal de 2 ml min−1, los filtros de algodón MO lograron una eficiencia de eliminación logarítmica (LRE) de >7,62 para E. coli y 7,65 ± 0,23 para el bacteriófago MS2 en comparación con 0,39 ± 0,51 para E. coli y 0,23 ± 0,20 para MS2 logrado por filtros de algodón sin recubrimiento (Fig. 4a, c). Los filtros de lino y seda funcionalizados con MO también lograron eficiencias de eliminación de bacterias y virus similares a los filtros de algodón MO. El LRE logrado en este estudio es similar al logrado por los filtros de arena MO informados en estudios previos21. La ventaja de los filtros de fibra funcionalizados con MO propuestos en este estudio es que retienen esta alta eficiencia de eliminación a caudales aproximadamente cuatro veces más altos que los filtros de arena con MO (Fig. 6a, b). Esto demuestra que las fibras naturales ofrecen un sustrato eficaz para la funcionalización de proteínas MO en comparación con la arena.

a Eliminación experimental de log10 de 108 UFP ml−1 de afluente de MS2 utilizando filtros de fibra funcionalizados con MO en comparación con los filtros de fibra sin recubrimiento a un caudal de 2 ml min−1 muestran que los filtros de fibra MO alcanzan ~7 órdenes de magnitud más que los filtros de fibra sin recubrimiento . b La imagen de microscopía electrónica de transmisión de muestras de algodón MO tomadas de un filtro después de filtrar el afluente del bacteriófago MS2 muestra que el bacteriófago MS2 se ha adherido a la superficie del algodón recubierto con MO. c La eliminación experimental de log10 de 108 CFU ml−1 de E. coli afluente usando filtros de fibra funcionalizados con MO en comparación con los filtros de fibra sin recubrimiento a una velocidad de flujo de 2 ml min−1 muestran que los filtros de fibra MO logran una eliminación de E. coli >8 log10 que es ~8 órdenes de magnitud mayor que los filtros de fibra sin recubrimiento. *Indica que la concentración del efluente estuvo por debajo del límite de detección lo que indica que la remoción real, en este caso, podría ser mayor a los valores reportados. Tenga en cuenta que las fibras de lino y seda utilizadas para los experimentos de columna se limpiaron en agua hirviendo para eliminar las impurezas que pueden causar contaminación, pero este tratamiento no mostró cambios significativos en la composición química o la morfología de las fibras (Figura complementaria 1). d Las imágenes de microscopía electrónica de barrido de muestras de algodón sin recubrir y algodón MO tomadas de un filtro después de filtrar E. coli muestran la adherencia de las mismas a la superficie del algodón MO. Todas las barras de error que se muestran en la figura representan la desviación estándar calculada a partir de tres mediciones independientes.

La teoría de filtración tradicional se puede utilizar para obtener una perspectiva de la ventaja, en términos de eliminación, debido a la funcionalización MO de los filtros de fibra natural. De acuerdo con la teoría estándar de filtración de lecho limpio, la eliminación de partículas en un filtro de profundidad depende principalmente de dos factores: la eficiencia de colisión y el coeficiente de adherencia27. La eficiencia de colisión representa el transporte de partículas a la superficie de un colector (sustrato) que resulta en las colisiones requeridas para su captura. Esto depende principalmente de la geometría del filtro, el tamaño del sustrato y la hidrodinámica del filtro. El mecanismo de transporte de las colisiones podría ser una combinación de difusión, intercepción y sedimentación según el tamaño de las partículas27. Cuando una partícula choca con el sustrato, será capturada si la partícula se adhiere con éxito al sustrato. Tradicionalmente se utiliza un coeficiente de adherencia para definir la eficiencia de la unión, y depende de la química del tampón y del sustrato28. Por lo tanto, dos filtros con geometrías, tamaño de sustrato e hidrodinámica similares pueden lograr eliminaciones significativamente diferentes dependiendo de cómo interactúa el sustrato con las partículas. Para demostrar que la alta eficiencia lograda por los filtros de fibra funcionalizados con MO se debe al cambio en la química del sustrato causado por las proteínas MO, las eliminaciones logradas se compararon con las de los filtros sin recubrimiento. Los resultados mostraron una diferencia de aproximadamente siete órdenes de magnitud en el rendimiento entre los filtros funcionalizados con MO y los filtros sin recubrimiento. Esto indica claramente que las interacciones entre las proteínas MO y los patógenos modelo, E. coli y MS2, son responsables de su eliminación, ya que la presencia de proteínas MO es la única diferencia entre los filtros sin recubrimiento y los filtros funcionalizados con MO (Fig. 4a, c). Los coeficientes de adherencia de E. coli y MS2 calculados empíricamente utilizando los datos experimentales y los modelos bien establecidos de la literatura (Tabla complementaria 1) muestran que el coeficiente de adherencia en los filtros funcionalizados con MO es un orden de magnitud mayor que en los filtros sin recubrimiento28,29. Para mostrar aún más que las bacterias y los virus probados en este estudio se capturan físicamente en filtros de algodón MO, se usaron análisis TEM y SEM para visualizar el MS2 y E. coli adheridos a la superficie del sustrato de algodón dentro de los filtros de algodón MO (Fig. 4b, d). Estos resultados muestran que la presencia de proteínas MO en el algodón conduce a un aumento en el número de sitios favorables para la eliminación de microorganismos, lo que indica que la presencia de interacciones favorables entre las proteínas MO y las bacterias/virus probados es responsable de su eliminación. Aunque la literatura anterior proponía modificaciones de sustrato utilizando polímeros y nanopartículas para mejorar el rendimiento10,11,12, los filtros de fibra funcionalizados con MO representan un proceso de funcionalización sostenible que se puede implementar fácilmente con materiales naturales incluso en áreas con recursos limitados.

La naturaleza catiónica de las proteínas de semillas de MO se ha establecido ampliamente en la literatura previa15,17,18,30,31,32. Nuestro estudio anterior mostró que dos proteínas catiónicas, la proteína coagulante de Moringa oleifera (MO2.1) y la proteína de unión a quitina de Moringa oleifera (MoCBP) se adsorben en partículas de arena después de la funcionalización con un extracto acuoso simple de semilla de MO21. El análisis SDS-PAGE realizado en las proteínas adsorbidas en fibras naturales aquí (Fig. 3 complementaria) muestra que las mismas dos proteínas están presentes en la superficie de los filtros de fibra funcionalizados con MO. La carga superficial negativa tanto del bacteriófago MS2 como de E. coli también está bien documentada en la literatura33,34,35. Realizamos experimentos separados de dispersión de luz dinámica con los patógenos utilizados en este estudio en las condiciones utilizadas para realizar experimentos de filtración aquí para confirmar su carga negativa. Los resultados mostraron que E. coli y el bacteriófago MS2 dispersos en 0.1XPBS y NaCl 1 mM exhiben una carga negativa en un rango de pH de 5 a 8 (Fig. 4 complementaria), lo que indica que existiría una atracción entre E. coli/MS2 y Proteínas MO. Por lo tanto, el mecanismo de eliminación en los filtros de fibra funcionalizados con MO se basa en interacciones electrostáticas favorables.

Para confirmar aún más esta hipótesis, se realizaron experimentos adicionales para probar el efecto de la concentración de sal en la eliminación del bacteriófago MS2 en filtros de algodón MO. Los resultados muestran claramente que la eliminación de MS2 disminuye con un aumento en la concentración de sal de 1 mM a 600 mM de NaCl (Fig. 5d). La dependencia de la concentración de sal del tampón de fondo es una característica clásica de las interacciones electrostáticas. La fuerza de la fuerza electrostática disminuye con un aumento en la concentración de tampón a medida que disminuye la longitud de Debye. Estos resultados reiteran nuevamente que el mecanismo de eliminación de los filtros de algodón MO es de naturaleza electrostática.

a, b La vista superior y la vista lateral de la posición de acoplamiento favorable observada a partir de las simulaciones de acoplamiento molecular flexible entre la cápside de MS2 (rosa) y MoCBP (verde). c Los residuos de aminoácidos que constituyen la interfaz de interacción de MS2 se superponen a la secuencia primaria de MoCBP. d Eliminación experimental de log10 de 108 UFP ml-1 del afluente del bacteriófago MS2 utilizando filtros de algodón MO a una velocidad de flujo de 2 ml min-1 y varias concentraciones de sal en el rango de 1 a 600 mM NaCl como dispersante muestran que la eficiencia de eliminación lograda disminuye con aumento de la concentración de sal. La eficiencia de eliminación log10 se basa en la muestra de efluente recolectada en 50 ml de efluente. *Indica que la concentración del efluente estuvo por debajo del límite de detección lo que indica que la remoción real, en este caso, podría ser mayor a los valores reportados. Todas las barras de error que se muestran en la figura representan la desviación estándar calculada a partir de tres mediciones independientes.

El trabajo anterior de nuestro grupo exploró en detalle las interacciones específicas entre la proteína coagulante de las semillas de MO (MO2.1) y E. coli mediante simulaciones de dinámica molecular y microscopía crioelectrónica15. Se demostró que MO2.1 puede inactivar las bacterias provocando la fusión de la membrana celular debido a interacciones electrostáticas. Las simulaciones de acoplamiento molecular se pueden utilizar para obtener una idea de la naturaleza de las complejas interacciones entre la cápside del virus y las proteínas MO. Un estudio detallado de las interacciones entre las proteínas MO (MO2.1 y MoCBP) y el bacteriófago MS2 utilizando tales simulaciones en nuestro estudio anterior mostró que MoCBP es responsable de la eliminación del bacteriófago MS221. El análisis de la interacción de unión entre MoCBP y la proteína de la cápside de MS2 que destaca los residuos de aminoácidos responsables de la interacción favorable y una lista detallada de interacciones se muestran en la Fig. 5a-c y la Tabla complementaria 2. Se encontró que un número predominante de interacciones eran interacciones electrostáticas con residuos catiónicos en MoCBP. Una combinación de todos los análisis de acoplamiento experimentales y moleculares realizados sugiere que la eliminación en filtros funcionalizados con MO se basa en interacciones electrostáticas.

Después de que se demostró con éxito la viabilidad de usar algodón, seda y lino para la tecnología propuesta, se probaron filtros de algodón MO para evaluar su potencial para operar a velocidades superficiales prácticas. Se realizaron experimentos de filtración a varios caudales para determinar el efecto del caudal sobre la eficacia de la eliminación de bacterias y virus. El objetivo era determinar la tasa de flujo más alta a la que los filtros de algodón MO pueden cumplir con los estándares de la EPA de EE. UU. para el tratamiento de bacterias y virus. Los resultados muestran que los filtros de algodón MO pueden lograr una eliminación de >6 log10 E. coli hasta un caudal de 10 mL min−1 y una eliminación de >4 log10 MS2 hasta 6 mL min−1 (Fig. 6a, b) correspondientes a velocidades superficiales de 3,4 m·h−1 y 2,0 m·h−1. La disminución en la eficiencia de eliminación con un aumento en el caudal se puede atribuir a una disminución en la eficiencia de colisión debido al menor tiempo de residencia de los patógenos en el filtro27,28. Cuando se comparan con técnicas de tratamiento relevantes en la práctica, estas velocidades superficiales son un orden de magnitud más altas que la filtración lenta de arena (0,1–0,4 m h−1)36 y los filtros de arena MO de nuestro estudio anterior21, pero solo un poco más bajas que las velocidades superficiales típicas en arena rápida filtración (5–15 m·h−1)37. Como se discutió anteriormente, los filtros de algodón MO ofrecen un tamaño de poro promedio más pequeño y áreas de superficie más altas en comparación con los filtros de arena de trabajos anteriores. Creemos que una combinación de estas propiedades ofrece ventajas en términos de la cantidad de proteína adsorbida por filtro y, por lo tanto, una mayor capacidad general para la eliminación de virus.

a La eliminación experimental de log10 de 108 CFU ml−1 del afluente de E. coli a varios caudales en el rango de 2 ml min−1 a 50 ml min−1 muestra que los filtros de algodón MO logran >6 log10 eliminaciones hasta un caudal de 10 ml min−1. b La eliminación experimental de log10 de 108 UFP ml−1 del bacteriófago MS2 a varios caudales en el rango de 2 ml min−1 a 10 ml min−1 muestra que los filtros de algodón MO logran una eliminación de >4 log10 hasta un caudal de 6 ml min−1 −1. Estos caudales corresponden a velocidades superficiales de 3,4 m h−1 y 2 m h−1 para la eliminación de E. coli y MS2, respectivamente, que son ligeramente inferiores a las condiciones operativas típicas de filtración rápida con arena (5–15 m h−1) y superiores a filtración lenta en arena (0,1–0,4 m h−1). c Eficiencias de eliminación de E. coli y MS2 de filtros de algodón MO a un caudal de 2 mL min−1 después de 1 mes y 3 meses de mantenimiento a temperatura ambiente. Los resultados muestran que el algodón MO logró una eliminación de E. coli de 7,92 ± 0,22 log10 y >7,7 log10 después de 1 mes y 3 meses de mantenimiento, respectivamente. Las eficiencias de eliminación de MS2 log10 después de 1 mes y 3 meses de mantenimiento fueron 6,34 ± 0,40 y 7,29 ± 0,32. Estos resultados muestran que la eficiencia de eliminación de patógenos del algodón MO se mantiene hasta los 3 meses de mantenimiento. d Eficiencia de eliminación de E. coli y MS2 de MO-algodón hasta 3 ciclos de regeneración. Los filtros se regeneraron lavando primero con 100 mL de solución de NaCl 600 mM y funcionalizando con 100 mL de extracto acuoso MO. La eficiencia de eliminación de las columnas regeneradas se midió a 10 mL min-1 para E. coli y 6 mL min-1 para MS2. Se demostró que las columnas MO-algodón eliminan bacterias y virus de manera efectiva hasta 3 ciclos de regeneración. *Indica que la concentración del efluente estuvo por debajo del límite de detección lo que indica que la remoción real, en este caso, podría ser mayor a los valores reportados. Las barras de error representan la desviación estándar calculada a partir de tres mediciones independientes.

Se realizaron más experimentos para estimar la estabilidad de mantenimiento en seco y la capacidad de regeneración del algodón MO para considerar la sostenibilidad y la facilidad de accesibilidad para varios contextos. Estudios previos muestran que la transmisión de enfermedades infecciosas se generaliza después de los desastres naturales debido a la falta de agua limpia38. Si el algodón MO exhibe estabilidad de almacenamiento en seco, se puede aplicar al tratamiento del agua en situaciones de socorro en casos de desastre para prevenir la propagación de enfermedades mediante el envío de algodón MO prefabricado a las áreas afectadas o el almacenamiento en kits de preparación para emergencias. Los experimentos realizados para estudiar la estabilidad del almacenamiento en seco mostraron que el algodón MO seco conserva la capacidad de filtrar bacterias y virus del agua hasta por 3 meses a temperatura ambiente. La eliminación de E. coli y MS2 lograda por el algodón MO recuperado del almacenamiento después de 1 mes y 3 meses es similar al algodón MO recién preparado (Fig. 6c). Aunque el algodón es un material biodegradable, la capacidad de regeneración es importante para que el algodón MO sea un sustrato sostenible. Para probar la capacidad de regeneración, se realizaron experimentos usando NaCl 600 mM para desorber la proteína antes de volver a recubrir con extracto de agua MO para mostrar la regeneración in situ del filtro tras la penetración. La inspiración para este proceso de regeneración se basó en la literatura previa que mostraba que se podía usar con éxito NaCl 600 mM para desorber proteínas MO de las superficies de sílice31. Los resultados mostraron que la eficiencia de eliminación de bacterias y virus después de la regeneración es similar a la del algodón MO recién preparado, hasta 3 ciclos de regeneración (Fig. 6d). Tenga en cuenta que la regeneración aquí es diferente del retrolavado físico que se usa para los filtros de arena convencionales cada hora o diariamente en las plantas de tratamiento de agua. El filtro actual podría lavarse a contracorriente fácilmente sin perder eficacia. Estos resultados muestran que el algodón MO puede ser un sustrato sostenible para el tratamiento del agua en varios contextos, incluidas situaciones de socorro en casos de desastre y filtración en el punto de uso lista para usar.

Las técnicas de filtración tradicionales basadas en la exclusión por tamaño en el contexto de la filtración de agua están limitadas por la existencia de un equilibrio entre su productividad y la eliminación de patógenos. Esta compensación se demostró experimentalmente, por primera vez, al caracterizar la eliminación de bacteriófagos MS2 de membranas de microfiltración (MF), ultrafiltración (UF) y nanofiltración (NF) con experimentos controlados. La eficiencia de eliminación de MS2 y la permeabilidad de las membranas MF, UF y NF comercialmente disponibles se estudiaron en una configuración de filtración sin salida a presión constante requerida para mantener un caudal de aproximadamente 100 LMH (litro·m-2·h-1) (Fig. 7a). Esta curva de compensación se estableció para agregar una perspectiva a la ventaja de rediseñar molecularmente filtros de agua convencionales con funcionalización de proteínas MO. Los resultados indican que la funcionalización de la superficie de un filtro de algodón sin recubrimiento con proteínas MO es una forma sostenible de aumentar el rendimiento en órdenes de magnitud sin disminuir la permeabilidad inherente, superando así el límite de productividad-permeabilidad de los enfoques de filtración actuales (Fig. 7b). ). Esto muestra el potencial de los filtros propuestos en este estudio como una técnica de filtración de agua asequible y de bajo consumo que se puede aplicar al tratamiento de agua tanto en países en desarrollo como desarrollados.

a La eficiencia de eliminación del registro MS2 de varios filtros de membrana probados en este trabajo se comparó con la de los filtros de algodón recubiertos y sin recubrir propuestos en este estudio para mostrar la ventaja de la funcionalización de MO. Los valores experimentales de permeabilidad y eficiencia de eliminación de MS2 determinados para las membranas comerciales probadas y los filtros de algodón MO están disponibles en la Tabla complementaria 7. b La evaluación preliminar del requisito de energía para un filtro de algodón MO en el punto de uso teórico muestra que la energía requerida es mucho inferior en comparación con la filtración por membrana y la radiación ultravioleta. El requerimiento de energía para los filtros MO está a la par con la filtración de medios convencionales y la desinfección con cloro. El requerimiento de energía de varias técnicas que se muestran en esta figura se basa en la literatura disponible y un resumen detallado de la encuesta de literatura y los valores de requerimiento de energía utilizados se pueden encontrar en la Nota complementaria 2 y la Tabla complementaria 5. Todas las barras de error que se muestran en la figura representan el desviación estándar calculada a partir de tres mediciones independientes.

En el trabajo actual, el enfoque principal fue establecer la viabilidad de los filtros de fibra funcionalizados con MO para lograr una alta eliminación de virus a altas tasas de carga. Si bien son necesarios futuros estudios de escalado en condiciones realistas para un análisis completo del ciclo de vida, aquí se realizó una evaluación inicial del requisito de energía para los filtros de algodón MO para comparar los filtros propuestos con tecnologías alternativas de eliminación de virus. El análisis detallado para el cálculo de la energía operativa y incorporada requerida para un filtro de algodón MO en el punto de uso teórico está disponible en la Nota complementaria 1. El análisis mostró que los filtros de algodón MO requieren energía mínima en comparación con las técnicas alternativas (Fig. 7b). El bajo requerimiento de energía de los filtros de algodón MO (0.01kWh m−3) es similar a las tecnologías que consumen menos energía, como la filtración de medios convencionales y la desinfección con cloro. En comparación con las alternativas intensivas en energía de la filtración por membrana y la irradiación UV, los filtros de algodón MO muestran potencial para el tratamiento de virus con eficiencia energética. Esto demuestra que los filtros de algodón MO son una gran promesa como un filtro de agua potable de fácil acceso que se puede implementar como un filtro de punto de uso o un filtro a escala comunitaria en el futuro. Además del consumo de energía, el costo de construir el diseño de punto de uso teórico propuesto del filtro de algodón MO tanto en los EE. ubicaciones (Fig. 7 complementaria). Estas estimaciones mostraron que un filtro de algodón MO en el punto de uso con una capacidad de filtrado de 10 litros de agua por día cuesta $ 10 y $ 5 por filtro para fabricar en EE. UU. e India, respectivamente (detalles en la Nota complementaria 3 y la Tabla complementaria 6) .

En general, hemos demostrado que un simple extracto acuoso de semilla de Moringa oleifera se puede usar de manera efectiva para funcionalizar fibras naturales de fácil acceso y mostrar cómo los filtros propuestos pueden superar una curva de compensación que existe en las técnicas de filtración de exclusión por tamaño. Se desarrolló un método de regeneración y se estudió la estabilidad de almacenamiento en seco del algodón MO para establecer su potencial como técnica sostenible aplicable a varios contextos. Finalmente, se demostró con experimentos y estimaciones preliminares de energía que los filtros propuestos ofrecen una capacidad de eliminación de virus altamente eficiente con un bajo requerimiento de energía en comparación con las membranas disponibles comercialmente. Aunque los hallazgos de este estudio a escala de laboratorio son alentadores, para adaptar los filtros propuestos a escala de campo, el trabajo futuro debe centrarse en el efecto de las condiciones prácticas en el rendimiento del filtro. Los parámetros importantes a considerar incluyen la presión requerida para operar la columna y concentraciones realistas de patógenos en presencia de materia orgánica. En el campo, estos filtros están diseñados para ser accionados por flujo asistido por gravedad. Los experimentos que se muestran aquí se realizaron a un caudal constante con una bomba peristáltica porque la presión requerida para mantener un flujo de 2 mL min−1 es inferior a 1 psi y es difícil mantener y medir una presión tan baja de forma fiable. Se utilizó una configuración de presión constante para cuantificar la permeabilidad (tasa de flujo por unidad de área por unidad de presión) de los filtros de algodón MO y se comparó con las membranas convencionales (Fig. 7a). Estos resultados indican una permeabilidad muy alta para los filtros funcionalizados con MO, pero se necesitan experimentos a escala de campo para validar más estos datos.

En segundo lugar, el objetivo de los experimentos realizados aquí fue cuantificar la eficiencia más alta alcanzable por los filtros de algodón MO en comparación con los filtros sin recubrimiento en condiciones de 'lecho limpio' al filtrar un volumen relativamente bajo de solución de bacterias/virus de alta concentración. En la práctica, se procesarán grandes volúmenes de agua con concentraciones de patógenos de órdenes de magnitud inferiores a las utilizadas en el presente trabajo. Se realizaron experimentos innovadores separados con E. coli para establecer una estimación preliminar de la vida útil de un filtro de algodón MO y el efecto de la materia orgánica natural en la capacidad. Estos experimentos mostraron que (Fig. 5a complementaria) Los filtros de algodón MO eliminan> 1011 unidades formadoras de colonias (CFU) de bacterias antes de alcanzar la saturación. Esto se traduce en >107 volúmenes de columna incluso para una fuente de agua muy contaminada (100 CFU mL−1 de bacterias), lo que indica la alta capacidad de los filtros de algodón MO. Los filtros tampoco mostraron ninguna susceptibilidad a la contaminación biológica durante este experimento a largo plazo. Se espera que la estimación de la vida útil de los experimentos de laboratorio disminuya en las aplicaciones de campo debido a la compleja composición del agua natural. Para comprender el efecto de la matriz del agua, el agua del estanque que contenía un alto contenido de carbono orgánico total (TOC ~6 mg mL−1) enriquecida con E. coli se analizó con filtros de arena funcionalizados con MO. Los resultados muestran que la capacidad de la columna disminuye aproximadamente a la mitad debido al efecto del TOC (Fig. 5b complementaria). Como el agua del estanque utilizada para este experimento preliminar se recolectó de una fuente de agua local, no fue posible determinar con precisión la composición de la materia orgánica natural. Un estudio detallado con una variación cuidadosa de las concentraciones y la composición de la materia orgánica natural (NOM) considerando las opciones de prefiltro y pretratamiento disponibles para la eliminación de NOM es una importante área futura de investigación.

Las semillas de Moringa oleifera (MO) utilizadas para este estudio se recibieron de la granja Echo Global, Florida. Las semillas secas de MO se almacenaron en una bolsa sellada a temperatura ambiente y se trituraron con un molinillo de café antes del experimento. Estas condiciones se usaron intencionalmente para garantizar que el proceso sea sólido en las condiciones de almacenamiento y recubrimiento que se pueden seguir fácilmente en las aplicaciones de campo. Se realizaron experimentos en columna con extracto de agua recién hecho para establecer la eficiencia de eliminación de los filtros de fibra funcionalizados.

Los detalles de las fibras naturales utilizadas están disponibles en Métodos complementarios.

Se utilizaron NF270 (PA-TFC, Dow Filmtec), UE50 (PES, Trisep) y MP005 (PES, Microdyn Nadir) adquiridos de Sterlitech Corporation para determinar la permeabilidad y la eficiencia de eliminación de MS2 de nanofiltración (NF), ultrafiltración ajustada ), y UF suelta, respectivamente. La membrana de 0,22 µm (PVDF, Millipore™) adquirida de Millipore Sigma se utilizó como ejemplo de membrana de microfiltración.

En este estudio se utilizaron dos microorganismos para desafiar los filtros de fibra funcionalizados con MO y cuantificar su eficiencia de eliminación: la cepa TG1 de Escherichia coli y el bacteriófago MS2. E. coli es un bacilo gramnegativo en forma de bastoncillo, normalmente de 1 µm de largo y 0,35 µm de ancho, que se ha utilizado de forma generalizada como organismo modelo en la investigación científica39. La cepa de E. coli TG1 utilizada en este estudio demostró ser un sustituto efectivo de las bacterias en nuestros estudios previos22,40. El bacteriófago MS2 es un colifago de ARN monocatenario sin envoltura, de 27 nm de diámetro, que se ha utilizado ampliamente como sustituto de los virus entéricos humanos26,41. Estos microorganismos modelo se utilizaron para desafiar los filtros en este estudio, ya que son sustitutos ideales para representar partículas de bacterias y virus debido a su tamaño. Además, también presentan menores riesgos de infección asociada y son más fáciles de cultivar y cuantificar rápidamente. El procedimiento para la propagación y el cultivo de E. coli TG1 y MS2 se detallan en Métodos complementarios.

Se utilizaron componentes fácilmente disponibles para construir los filtros de columna utilizados para cuantificar la eliminación de patógenos en este estudio. Se usaron columnas de cromatografía de vidrio con dimensiones de 1,5 cm de diámetro interior y 10 cm de longitud, fabricadas por Bio-Rad, como cuerpo de filtro para empaquetar la fibra. En primer lugar, se sumergieron en agua seis ovillos (~3,5 g) de algodón, 5 g de fibra de seda u 8 g de fibra de lino durante 2 min. Aunque aquí se usa agua desionizada, cualquier agua limpia funcionaría para este paso. La fibra húmeda se introdujo en la columna utilizando un émbolo. Se midió el peso seco de la fibra que se empaquetó en cada columna y la altura de la columna para tener en cuenta la variación inherente en el tamaño y peso de las bolas de algodón individuales. Las alturas promedio de las columnas de fibras de algodón, seda y lino fueron ~8 cm, ~8,2 cm y ~9,5 cm, respectivamente.

Para funcionalizar el filtro de fibra así preparado con proteínas MO, se bombearon 100 ml de extracto acuoso de semillas secas de MO a través de la columna a un caudal constante de 2 ml min−1. El extracto acuoso de MO se prepara mezclando 2 g de semillas de MO sin cáscara recién molidas con 100 ml de agua DI durante 5 min. Aunque aquí se usó agua DI para preparar el extracto de suero MO, la presencia de NaCl 10 mM no mostró ningún efecto significativo en el rendimiento de los filtros funcionalizados con MO (Fig. 6 complementaria). Esta solución se filtró secuencialmente a través de un filtro de fibra de vidrio de 1,5 µm (Whatman) y un filtro de PVDF de 0,22 µm (Millipore), para eliminar el exceso de material de semilla antes de utilizarlo para funcionalizar los filtros de fibra.

La filtración por membrana del bacteriófago MS2 se realizó en una configuración de filtración sin salida de 10 ml (Modelo 8010, Millipore) con un área de membrana activa de 4,1 cm2. La celda de filtración se conectó a un depósito de plástico Amicon Stirred Cell Reservoir de 800 ml (RC800, Millipore) para alimentar continuamente a una velocidad de agitación de 300 RPM. La tasa de filtración de cada membrana se mantuvo en ~100 LMH (litros m-2 h-1) ajustando la presión aplicada para lograr una tasa de flujo comparable al rendimiento de la columna. La alimentación y el permeado se recogieron después de filtrar 200 ml de la solución de alimentación. Este procedimiento es ampliamente utilizado en la literatura para cuantificar el desempeño de las membranas42,43.

Se utilizó una serie de experimentos de filtración estándar para cuantificar la eficiencia de eliminación de patógenos de los filtros de fibra funcionalizados con MO en este estudio. Después de preparar un filtro funcionalizado con MO de acuerdo con el procedimiento de la sección anterior, el filtro se equilibró con 100 ml del tampón de fondo al caudal requerido para el experimento de filtración. A menos que se especifique lo contrario, el tampón de fondo utilizado en este estudio para E. coli fue tampón PBS diluido 10 veces (0,1X PBS) y para el bacteriófago MS2 fue una solución de NaCl 1 mM. Para los experimentos de columna realizados para inferir el mecanismo de eliminación de MS2 en filtros de algodón MO, la concentración de sal de fondo se varió en el rango de NaCl de 1 a 600 mM (10 mM, 100 mM, 300 mM y 600 mM). Después del equilibrio, se alimentó al filtro con una velocidad de flujo constante una solución afluente que contenía ~108 CFU mL-1 de E. coli o ~108 PFU mL-1 de bacteriófago MS2 disperso en el tampón de fondo. Se recolectaron tres muestras de efluentes cuando 50 ml, 75 ml y 100 ml del afluente habían pasado por el filtro. La eficiencia de eliminación de registros experimental (LRE) de los filtros se cuantificó utilizando la ecuación. 1, donde C y C0 representan las concentraciones de muestra del efluente y del afluente. La concentración de patógenos viables en las muestras de afluentes y efluentes se cuantificó utilizando una técnica de placa convencional para E. coli y un ensayo de placa de doble capa para el bacteriófago MS2. Los detalles de las técnicas de cuantificación utilizadas se pueden encontrar en Métodos complementarios.

Para cuantificar la eficiencia de la funcionalización de fibras con proteínas MO para mejorar la eliminación de patógenos, se realizaron experimentos de filtración a un caudal de 2 mL min-1 utilizando filtros de fibra funcionalizados con MO. Los filtros de fibra sin recubrimiento empaquetados y procesados usando el mismo procedimiento que un filtro funcionalizado con MO, excepto por el paso de funcionalización, se usaron como control negativo. Para comprender el efecto del caudal en el LRE, se realizaron experimentos con filtros de algodón funcionalizados con MO a diferentes caudales en el rango de 2 mL min-1 a 50 mL min-1 para E. coli y 2 mL min-1 a 10 mL min−1 para el bacteriófago MS2.

Para cuantificar la afinidad de unión entre las proteínas de la cápside MoCBP y MS2, se realizaron una serie de iteraciones de acoplamiento flexible escaneando la superficie de las cápsidas objetivo utilizando el protocolo de acoplamiento de superficie de OptMAVEn-2.044, que es similar a Z-DOCK-345. Las coordenadas del centro de masa de las 100 conformaciones acopladas superiores de MoCBP se usaron para identificar la (s) ubicación (es) de mayor afinidad de MoCBP en las proteínas de la cápside. Para cada una de las conformaciones unidas de MoCBP en la región de alta afinidad, se utilizó una función de energía de Rosetta de todos los átomos para estimar la contribución entálpica de la unión. La preparación del archivo de entrada implicó comenzar con las coordenadas cristalográficas de cada una de las proteínas involucradas: (a) MoCBP: ID de PDB 5DOM32, (b) cápside de MS2: ID de PDB 1AQ346, y luego realizar una construcción de coordenadas internas para agregar los residuos faltantes y, en general, minimización de energía usando el protocolo de relajación de todos los átomos Relax dentro de PyRosetta47.

Es importante que el algodón funcionalizado con MO (algodón MO) conserve su capacidad de capturar patógenos después de secarse y mantenerse durante mucho tiempo, para que la técnica propuesta sea aplicable en diversos contextos (p. ej., preparación para desastres). Para probar esto, se secó algodón MO preparado de acuerdo con el procedimiento mencionado anteriormente a 37 °C durante 24 h y se almacenó en una bolsa sellada a temperatura ambiente. Luego se realizaron experimentos de filtración con algodón MO seco después de 1 mes y 3 meses para comparar el LRE con algodón recién revestido. Tenga en cuenta que se tomaron muestras de 1 y 3 meses de lotes idénticos de algodón MO preparados el mismo día y se dejaron secar a temperatura ambiente en una bolsa sellada. Los experimentos de filtración se realizaron siguiendo el mismo procedimiento anterior a un caudal de 2 mL min−1.

Para demostrar que el algodón MO es un medio de captura de patógenos ampliamente disponible y sostenible, es importante establecer la capacidad de regeneración del algodón recubierto con facilidad. Nuestros estudios previos han demostrado que el lavado con una solución salina 600 mM seguido de funcionalización con extracto de agua MO es un procedimiento efectivo para regenerar los medios de filtración21,31. Para verificar si se puede usar un procedimiento similar para regenerar algodón MO, se realizaron experimentos de filtración para determinar el efecto de la regeneración en la eficiencia de eliminación de patógenos. Las columnas de algodón MO se prepararon primero de acuerdo con el procedimiento descrito anteriormente y luego se lavaron con 100 ml de NaCl 600 mM para desorber la proteína antes de volver a recubrirlas. Este proceso se repitió tres veces y se cuantificó la eficiencia de eliminación de E. coli y MS2 de las columnas regeneradas para cada ciclo para estudiar el efecto de la regeneración en LRE.

Se utilizaron mediciones de isoterma Brunauer-Emmett-Teller (BET) para analizar la superficie disponible de diferentes fibras utilizadas en este estudio. Se enviaron tres muestras por fibra (algodón, seda y lino) para su análisis en el Laboratorio de Caracterización de Materiales de la Universidad Estatal de Pensilvania para determinar el área de superficie disponible promedio (SA). SA se determinó mediante la adsorción física de nitrógeno en una superficie de muestra a 77 K utilizando el analizador de porosimetría y área superficial acelerada (ASAP 2420; Micromeritics Instrument Corp.). SA se calculó utilizando la ecuación BET 48 que utiliza la parte lineal de la isoterma de adsorción a presiones relativas, P/Po, en el rango entre 0,05 y 0,30, donde P es la presión de equilibrio y Po es la presión de saturación. Previo a la medición, las muestras se desgasificaron a 40 °C durante al menos 8 h bajo un vacío de 4 µm Hg para eliminar impurezas como vapor de agua, dióxido de carbono y otras.

Se realizó espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier de reflectancia total atenuada (ATR-FTIR) en las muestras de fibra para determinar sus estructuras químicas utilizando el espectrómetro Nicolet 6700 (Thermo Scientific) con el accesorio de muestreo Smart iRT Diamond ATR (Thermo Scientific). Se obtuvieron 256 escaneos por muestra a una resolución de 4 cm−1 para todas las mediciones.

Para medir el potencial de superficie de las muestras de fibra, se utilizó un analizador electrocinético SurPASS (Anton Paar, Ashland, VA, EE. UU.). Cada muestra de fibra se empapó primero en 10 ml de una solución de NaCl 1 mM. Luego, la muestra se montó dentro de la celda cilíndrica en el dispositivo y el pH de la solución electrolítica (nuevamente NaCl 1 mM) se ajustó al nivel requerido utilizando HCl 0,05 M y NaOH. Se realizaron mediciones por triplicado para cada fibra a cuatro valores de pH diferentes de 5, 6, 7 y 8. Todas las mediciones se realizaron a una presión objetivo de 300 mBar. Tenga en cuenta que esta presión es un requisito operativo para el analizador electrocinético y no tiene ninguna correlación con la presión operativa de los experimentos de filtración en este estudio.

Para medir el tamaño medio de poro de las columnas de fibra analizadas en este estudio, la cantidad requerida de muestra de fibra se empaquetó en un soporte cilíndrico con dimensiones de 2,54 cm de largo y 3,5 cm de diámetro para alcanzar una densidad de empaque de algodón, seda y lino similar. a los filtros de columna. Se usó agua como líquido humectante y se realizó un análisis de porometría usando el estándar de mojado y calc. protocolo de medición en seco en un iPore 1100-AX de Porous Materials Inc. El término densidad de relleno de la columna que se utiliza en este contexto no representa la densidad aparente ni la porosidad de la fibra en el filtro. En cambio, es la relación de la cantidad de material empacado sobre el volumen de la columna y pretende ser un valor de referencia para permitir la comparación en estudios futuros.

Para determinar la cantidad de proteína adsorbida en los filtros de fibra natural, se utilizó un ensayo de péptidos fluorescentes cuantitativos Thermo Scientific™ Pierce™. Se usó lisozima de clara de huevo de gallina para desarrollar una curva de calibración. Después de recubrir la columna como se explicó anteriormente, se introdujeron 100 ml de NaCl 600 mM a un caudal de 2 ml min−1 para desorber la proteína en la solución salina31. La concentración de la proteína en la solución salina se usó para interpretar la cantidad de proteína MO adsorbida sobre la superficie de un filtro de fibra.

Para caracterizar cualitativamente la proteína adsorbida en la superficie de las fibras naturales, se llevó a cabo una evaluación de electroforesis en gel de poliacrilamida y dodecilsulfato de sodio49 (SDS-PAGE) en el lavado de sal utilizado para cuantificar la proteína adsorbida. Se cargaron 12 µl de lavado con NaCl 600 mM en un gel SDS PAGE manual al 12 %. Se usó la tinción de Coomassie para visualizar las bandas de proteínas.

Se usó microscopía electrónica de transmisión (TEM) para observar el bacteriófago MS2 eliminado físicamente usando filtros de algodón MO. Para visualizar el bacteriófago MS2 unido al algodón MO, se utilizó un método de tinción negativa con análisis TEM. La fibra de algodón MO con bacteriófago MS2 adsorbido se preparó filtrando 4000 mL de 108 UFP mL-1 de bacteriófago MS2 disperso en NaCl 1 mM con un filtro de algodón MO a 6 mL min-1. Las fibras individuales de la parte superior de la columna se recogieron con una pinza limpia y se secaron a 35 °C o usando secado con hexametildisilazano (HMDS) para el análisis de imágenes.

Para preservar y fijar químicamente la estructura de la muestra, se utilizó un agente de secado químico HMDS para deshidratar los tejidos blandos y las moléculas biológicas antes del examen TEM. Los especímenes a ser examinados fueron deshidratados a través de concentraciones variables de etanol graduado (30%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% y 100% de etanol) por 10 min cada uno y luego mantenidos en 50% de etanol/HMDS y 100% HMDS durante 2 min cada uno en sucesión a temperatura ambiente. A continuación, las muestras se secaron durante la noche en una campana de flujo laminar. Los especímenes deshidratados se adsorbieron en rejillas TEM recubiertas de carbono, descargadas luminiscentes y de malla 400 (G400, Ted Pella) y se tiñeron negativamente con formiato de uranilo al 0,75 % (wv−1). Las imágenes TEM se obtuvieron en el microscopio Tecnai G2 Spirit BioTwin (FEI) a un voltaje de aceleración de 80 kV. Las imágenes se tomaron con un aumento de entre 6 kx y 87 kx usando una cámara digital AMT Advantage HR 1k X 1k (técnicas de microscopía avanzada).

En este estudio se utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM) para observar la adsorción de E. coli en la superficie de la fibra de algodón MO. SEM también se utilizó para analizar el diámetro de la fibra y las morfologías de las fibras de algodón, seda y lino utilizadas en este estudio antes y después del tratamiento con agua hervida durante 15 minutos para comprender el efecto del tratamiento en la morfología. La fibra de algodón MO con bacterias E. coli adsorbidas se preparó filtrando 2000 mL de 108 CFU mL−1 de E. coli dispersadas en PBS 0,1X con un filtro de algodón MO a 10 mL min−1. Las fibras individuales de la parte superior de la columna se recogieron con pinzas limpias y se secaron usando secado HMDS para el análisis de imágenes.

Para preservar y fijar químicamente la estructura de la muestra biológica, se utilizó la técnica de secado HMDS detallada anteriormente para deshidratar tejidos blandos y moléculas biológicas antes del examen por SEM para muestras de fibra natural tratadas con agua hervida y MO-algodón con E. coli. Una vez que se prepararon las muestras, se adquirieron imágenes SEM utilizando Quanta 650 ESEM (FEI) a un voltaje de aceleración de 5 kV a 15 kV, y las muestras se recubrieron con una mezcla de oro/paladio utilizando EMS Sputter Coater para evitar la acumulación de carga estática.

Los conjuntos de datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el repositorio de datos de Texas en https://doi.org/10.18738/T8/BKRUCG. También está disponible en Zenodo en https://doi.org/10.5281/zenodo.6607398

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Descargar referencias

Los autores desean agradecer a Echo Global Farm, Florida por proporcionar semillas de Moringa oleifera. Los autores agradecen a la Dra. Katya Bazilevskaya por la ayuda en la preparación de muestras y el análisis del área de superficie mediante mediciones BET. Los autores desean agradecer a la Dra. Tammy Wood por proporcionar la cepa fluorescente de E. coli. Los autores también quisieran agradecer al Dr. Boya Xiong por brindar el apoyo necesario para realizar mediciones de transmisión potencial. Este trabajo fue apoyado por fondos de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. a través de las subvenciones CBET-12022971, CBET-2027731 y CBET-1946392. El Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Pensilvania, un programa REU de la Fundación Nacional de Ciencias (EEC-1659497), los Programas Globales de la Universidad Estatal de Pensilvania y la Fundación Welch (F-1696) proporcionaron apoyo financiero adicional.

Departamento de Ingeniería Química de McKetta, Universidad de Texas en Austin, Austin, TX, 78712, EE. UU.

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

Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental, Universidad de Texas en Austin, Austin, TX, 78712, EE. UU.

Sophie De Respino y Manish Kumar

Departamento de Ingeniería Química, Universidad Estatal de Pennsylvania, University Park, Pennsylvania, PN, 16802, EE. UU.

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

División de Farmacia Molecular y Administración de Medicamentos, Facultad de Farmacia, Universidad de Texas en Austin, Austin, TX, 78712, EE. UU.

Rashmi Prava Mohanty & Debadyuti Ghosh

Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Geoingeniería, Facultad de Ciencias e Ingeniería, Universidad de Minnesota, Minneapolis, MN, 55455, EE. UU.

Claire Hartwig Alberg

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Tuskegee, Tuskegee, AL, 36088, EE. UU.

Alegría Massey

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LS, SV y MK concibieron y diseñaron la investigación. LS, SD, Y.-MT, RPM y MG realizaron los experimentos con la ayuda de HO, CHA, AR-W., SM, CL y JMLS, SV y MK analizaron los datos. RC realizó las simulaciones de acoplamiento molecular y escribió las secciones pertinentes. LS, SV y MK coescribieron el documento con ayuda de edición y comentarios de Y.-MT, RPM, TT y DG

Correspondencia a Manish Kumar.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Samineni, L., De Respino, S., Tu, YM. et al. Eliminación eficaz de patógenos en filtros sostenibles de fibra natural de Moringa. npj Agua Limpia 5, 27 (2022). https://doi.org/10.1038/s41545-022-00170-5

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Recibido: 04 Diciembre 2021

Aceptado: 10 junio 2022

Publicado: 06 julio 2022

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

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