Vírus és klór adszorpciója guanidinnal módosított cellulóz nanoszálakon kovalens és hidrogén kötéssel

Xue Mi

Vegyészmérnöki Tanszék, Michigani Műszaki Egyetem, Houghton, MI, 49931, USA

Soha M. Albukhari

b Kémiai Tanszék, Michigani Műszaki Egyetem, Houghton, MI, 49931, USA

c Kémiai Tanszék, Abdulaziz King Egyetem, Jeddah, 21589, Szaúd-Arábia

Caryn L. Heldt

Vegyészmérnöki Tanszék, Michigani Műszaki Egyetem, Houghton, MI, 49931, USA

Patricia A. Heiden

b Kémiai Tanszék, Michigani Műszaki Egyetem, Houghton, MI, 49931, USA

Társított adatok

Absztrakt

Grafikai absztrakt

(A vírus és a kémiai szerkezet képei a BioRender alkalmazásban készültek.).

1. Bemutatkozás

Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) becslései szerint a világ népességének legalább 30% -a (2019-ben 2 milliárd ember) támaszkodik a székletben szennyezett ivóvízre [1]. Ez a szennyezett víz minden évben több millió ember halálát okozza [1]. A fő szennyezők közé tartoznak a patogén paraziták, baktériumok és vírusok. A leggyakoribb betegségeket okozó, vízi úton terjedő vírusok közé tartozik a norovírus, az adenovírus, az enterovírus, valamint a Hepatitis A és E vírusok [2], amelyek mind nem burkolt vírusok. A burkolt vírusok további lipid burokkal rendelkeznek, és kevésbé stabilak a vízben, ezért ritkán okoznak víz által terjedő betegségeket. A kommunális szennyvízben azonban világszerte kimutatták a burkolt súlyos akut respirációs szindróma koronavírus 2 (SARS-CoV-2) jelenlétét, amely a jelenlegi koronavírus-járvány (azaz COVID-19) okozója [3], [4], [5]]. A SARS-CoV-2 előfordulása a vízben és a COVID-19 betegek ürülékében [6, 7] aggodalmat okozott a vízben terjedő potenciál miatt, mivel a burkolt koronavírusok napokig vagy még tovább is fertőzőek maradhatnak ivóvízben és szennyvízben [8].

Jelenleg az önkormányzati rendszerek többlépcsős koagulációs és pelyhesítési, ülepítési, kémiai fertőtlenítési és fizikai membránszűrési eljárással tisztítják a vizet [9]. A membránszűrés elfogadott technológia a kórokozók, például a baktériumok és a paraziták ivóvízből történő eltávolítására. Az ilyen kórokozók könnyen eltávolíthatók az ivóvízből nagy pórusméretű mikrofiltrációs és ultraszűrő membránok alkalmazásával alacsony üzemi nyomáson [10]. A vírusok azonban túl kicsi ahhoz, hogy méretkizáró mechanizmussal eltávolítsák őket nagy energiabüntetés nélkül. A membránszűrés olyan fejlett rendszerei, mint a nanoszűrés és a fordított ozmózis, képesek eltávolítani a vírusokat, de nagy üzemi nyomást igényelnek, és a membránok is könnyen elszennyeződnek [10].

A vírusok kémiai fertőtlenítéssel is csökkenthetők. A fertőtlenítést széles körben használják mind az ivóvíz, mind a kommunális szennyvíz tisztítására [11]. A leggyakoribb fertőtlenítési eljárás a klórozás, amelynek során sűrített klórgázt vagy olyan vegyületeket használnak, mint a nátrium-hipoklorit és a kalcium-hipoklorit a kórokozók inaktiválására. Vízben oldva hipoklorinsavat (HClO) és hipoklorit iont (ClO -) képezhetnek. A HClO és ClO - természetes szerves anyagokkal reagálva trihalometánokat és más halogénezett fertőtlenítő melléktermékeket képezhet [12, 13], amelyekről feltételezik, hogy emberi rákkeltők [12], és mérgezőek a vízi élővilágra [13]. A tisztított szennyvízben a maradék klór (1 mg/l) akutan mérgező a vízi szervezetekre [14], míg a szennyvíz fertőtlenítésére tipikusan 5–15 mg/l klórszintet használnak [11]. Ezért a Környezetvédelmi Ügynökség (EPA) deklórozási lépést követel meg a tisztított szennyvízben maradt szabad és kombinált klór eltávolítása előtt, mielőtt az a kibocsátásba kerülne [11]. Ezt általában redukálószerek, például kén-dioxid, szulfit-sók vagy tioszulfát alkalmazásával hajtják végre, amelyek szintén csökkentik az oldott oxigént [15]. Az aktív szén hatékonyan csökkenti a maradék klórszintet is, de költséges [15].

A kationos polimerrel módosított cellulóz közül a guanidin-csoportokkal beoltott cellulóz magas aktivitást mutatott a baktériumokkal szemben [19]. 1 tömeg% polihexametilén-guanidin-dodecil-benzolt tartalmazó hidrogénkötéssel ojtott cellulózfóliák 99,94% -os csökkenést mutattak a S. aureus baktériumokban, és 96,95% -kal csökkentek az E. coli baktériumokban [22]. Hasonlóképpen, a polihexametilén-guanidin-hidrokloriddal oltott, szintén hidrogénkötést alkalmazó bakteriális cellulóz filmek fokozott aktivitást mutattak a P. syringae, K. pneumonia és S. aureus baktériumok ellen, összehasonlítva a tiszta bakteriális cellulóz filmekkel [23]. Ez az eredmény annak a pozitív töltésű guanidin-csoportnak tulajdonítható, amely képes kötődni a negatív töltésű mikrobiális membránhoz, deformálva a citoplazmatikus membránokat és szivárgást okozva a baktériumsejtekben [24]. A guanidin-módosított polimerek antivirális aktivitást is mutatnak. Például egy szintetikus poliszacharid, amelyet kovalens kötéssel oltottak a guanidin csoporttal, 96,2% -os vírusellenes hatékonyságot mutatott egy burok nélküli adenovírussal szemben [25].

A vírusokat és a klórt eltávolítani képes mikrofiltrációs membrán előállításához olyan polikationos guanidinnel módosított cellulózt kell szintetizálni, amelyet folytonos, nanométeres átmérőjű szálakká lehet elektrofonni [26]. Elektromos fonású nanoszálas szőnyegekre van szükség a szennyező anyagok vízben történő adszorpciójához, mert a szőnyegeknek nagy a felület/térfogat aránya, nagy a pórusmérete, több mikron tartományában, és könnyű előállítani [26]. A nagy felület/térfogat arányú nanoszálak növelhetik a membrán hozzáférhető felületét és az adszorpciós kapacitást. A nagy pórusméret fenntarthatja a nagy vízáramlást és az alacsony membránszennyeződést.