Биопленка позволяет мембранам ограничивать свою толщину с помощью схемы определения кворума и, в конечном итоге, уменьшать возникновение биообрастания в системах очистки воды на основе мембран, выделяя химические вещества, которые отталкивают нежелательные бактерии.«Мы поняли, что накопление микробных пленок на мембранах для очистки воды неизбежно», — сказал Маниш Кумар, доцент кафедры химического машиностроения и главный исследователь проекта. «Но так же, как хорошие бактерии существуют в вашем кишечнике, чтобы поддерживать ваше здоровье, мы предсказали, что полезные бактерии в обратном осмосе могут предотвратить неконтролируемое размножение вредных биопленок. По сути, наш метод — это« пробиотический подход »для борьбы с биообрастанием».В связи с ростом спроса на доступ к безопасной и чистой воде во всем мире технологии мембранной фильтрации быстро становятся популярными способами использования низкокачественных и доступных в большом количестве источников воды, таких как морская вода, солоноватая вода и переработанные сточные воды.
Однако с этими системами часто возникают осложнения, чаще всего в виде биообрастания — скопления микробов и бактерий на поверхностях мембран, которое вызывает засорение и приводит к снижению проницаемости мембраны и общему увеличению потребления энергии.Чтобы найти решение проблемы, Кумар объединился с сотрудниками и соисследователями Томасом Вудом, профессором кафедры биотехнологии, профессором химического машиностроения, и Тэмми Вуд, научным сотрудником факультета химической инженерии, чтобы изучить взаимодействия мембраны и биопленки и их биохимические свойства. .
В проекте также участвовали аспирант кафедры химического машиностроения Раджарши Гуха и докторант Ли Тан. Кроме того, проект поддержали два студента бакалавриата; Майкл Гайтнер, студент-исследователь и научный сотрудник PPG, и Фабиола Аграмонте, студентка из Университета Пуэрто-Рико, которые участвовали в программе Департамента по опыту исследований для студентов (REU), поддерживаемой Национальным научным фондом.Исследователи обнаружили, что введение «хороших бактерий» в RO может ограничить рост вредных бактерий, в конечном итоге подавляя образование биопленок, вызывающих биообрастание.
«Мы создали первую клетку, которая способна разговаривать сама с собой, чтобы контролировать образование биопленки», — пояснил Томас Вуд. «С помощью генной инженерии мы разработали клетку, которая способна распознавать, когда она достигла определенной плотности, и, в свою очередь, отправляет ответ, чтобы прекратить создание биопленок. Мы называем это« живой мембраной обратного осмоса »или« LROM ». Способность клетки ограничивать собственную толщину гарантирует, что хорошая биопленка сама по себе не вызывает загрязнения ».Самоконтролируемые биопленки растут намного медленнее, чем неконтролируемые биопленки, и активируются путем введения генетически модифицированных элементов в E. coli.
В пробных экспериментах эти сконструированные E. coli успешно замедляли производство штаммов Pseudomonas и Sphingomonas, двух наиболее распространенных бактерий в RO, одновременно защищая мембрану.Предлагаемый подход к использованию инженерных биопленок в мембранных процессах также может обеспечить преимущества для устойчивости. Современные методы борьбы с биообрастанием включают добавление подходящих химикатов, называемых биоцидами, которые могут нанести вред окружающей среде и привести к большим расходам. Подход LROM потенциально может предоставить более безопасную и экологически чистую альтернативу.
Исследователи проверили жизнеспособность своей системы как в долгосрочных, так и в краткосрочных экспериментах при различных условиях потока. Их следующая задача — провести крупномасштабные испытания и выявить новые возможности для технологии — предположительно в области биомедицинских устройств.«В конечном итоге мы планируем протестировать не только две наши эталонные бактерии, но и расширить потенциальные области применения этой технологии», — сказал Кумар. «Теоретически этот метод может быть применен к биомедицинским устройствам и имплантатам, чтобы снизить вероятность отказа из-за инфекций биопленки».
Работа поддержана грантом Национального научного фонда, присужденным в 2014 году, включая приложение REU в 2015 году.В ноябре 2015 года Пенсильванский университет подал предварительный патент на технологию и активно ищет промышленных партнеров для коммерциализации этой идеи.
Статья исследователей «Живые устойчивые к биологическому обрастанию мембраны: модель полезного использования инженерных биопленок» была опубликована в Трудах Национальной академии наук.