Élimination efficace des agents pathogènes dans les filtres Moringa en fibres naturelles durables

npj Clean Water volume 5, Numéro d'article : 27 (2022) Citer cet article

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La contamination de l'eau par des agents pathogènes a un impact considérable sur la santé humaine dans le monde. En particulier, les virus posent des défis uniques aux techniques de traitement de l'eau en raison de leur petite taille et de leur présence dans l'eau à la fois en tant que virions individuels et lorsqu'ils sont absorbés sur des particules plus grosses. Les procédés de traitement de l'eau à faible consommation d'énergie tels que la filtration sur média ne sont pas capables d'éliminer complètement les virus en raison de leur petite taille. Par conséquent, des processus moins durables à forte consommation de produits chimiques ou d'énergie tels que la désinfection chimique, l'irradiation aux ultraviolets et la filtration sur membrane sont généralement nécessaires. Pour surmonter les besoins énergétiques et/ou chimiques élevés pour le traitement des virus, des conceptions de filtres en fibres durables fabriqués à partir de matériaux naturels peu transformés pour une élimination efficace des virus (MS2) et des bactéries (E. coli) sont présentées dans ce travail. Ces filtres ont été créés en fonctionnalisant des fibres naturelles facilement accessibles, notamment le coton, la soie et le lin, avec un simple extrait aqueux contenant des protéines cationiques de graines de Moringa oleifera. Les filtres proposés offrent une solution complète à faible coût, à faible consommation d'énergie et à faible impact environnemental pour l'élimination des agents pathogènes de l'eau avec des éliminations > 7log10 (99,99999 %) pour les virus et les bactéries.

Les usines de traitement de l'eau potable peuvent agir comme des réservoirs critiques pour l'accumulation et la libération de contaminants biologiques et chimiques nocifs parce qu'elles existent à l'interface de la nature et des habitats humains1. Ainsi, le développement de techniques de traitement de l'eau pour éliminer les contaminants de l'eau a été une entreprise d'ingénierie fondamentale. Les virus entériques humains sont un contaminant important dans l'eau qui peut avoir des effets dévastateurs sur la santé humaine mondiale2. La filtration sur média est une opération unitaire de base dans le traitement de l'eau qui a une faible intensité énergétique et peut être mise en œuvre à l'échelle mondiale. Cependant, il n'offre qu'une élimination partielle du virus, même lorsqu'il est associé à une coagulation chimique3. Par conséquent, la désinfection par UV à forte intensité énergétique ou la désinfection au chlore à forte intensité chimique est largement utilisée en conjonction avec la filtration pour atteindre les normes réglementées de traitement de l'eau potable. Par exemple, l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis et l'Organisation mondiale de la santé (OMS) exigent toutes deux une élimination et/ou une inactivation du virus de 4 log10 (99,99 %) pour l'eau potable4. Une autre alternative proposée pour obtenir une élimination efficace des virus consiste en des modes de filtration énergivores et coûteux basés sur des membranes nanoporeuses telles que l'ultrafiltration ou la nanofiltration5,6.

Les efforts visant à développer des technologies efficaces de traitement de l'eau pour l'élimination des virus représentent un exemple frappant du compromis entre la qualité de l'eau propre et la consommation d'énergie associée pour la production7 (Fig. 1). Premièrement, le recours aux membranes à base d'exclusion de taille pour remplacer la filtration conventionnelle inefficace donne lieu à un compromis entre la productivité et l'efficacité d'élimination obtenue (Fig. 1a). Deuxièmement, la chloration largement utilisée comme alternative ou en conjonction avec la filtration conventionnelle conduit à la formation de sous-produits de désinfection (SPD) qui ont été associés au cancer et à d'autres effets sur la santé8. Les technologies de désinfection alternatives envisagées pour atténuer ces effets néfastes sur la santé, telles que l'ozone et l'irradiation aux UV, sont, encore une fois, coûteuses et énergivores9. Lorsque l'énergie intégrée pour le traitement des matériaux et des produits chimiques requis est comparée entre les techniques disponibles, les besoins énergétiques totaux de la plupart des technologies de désinfection (à l'exception de la chloration) sont comparables à ceux de la filtration membranaire énergivore (Fig. 1b). Des études récentes proposent une fonctionnalisation chimique des membranes à basse pression ou des techniques de fabrication de membranes spécialisées telles que l'électrofilage et l'utilisation de matériaux nanofibreux pour améliorer l'efficacité énergétique de la filtration membranaire10,11,12,13. Cependant, le besoin de stratégies avancées de fabrication/modification entrave leur utilisation généralisée. Par conséquent, pour surmonter les défis liés au traitement des virus, il est crucial de développer de nouvelles techniques de filtration capables de surmonter le compromis entre productivité et efficacité (Fig. 1a) en utilisant des matériaux à faible énergie intégrée. Des matériaux naturels peu transformés avec une faible empreinte carbone et un faible impact environnemental tels que ceux utilisés dans ce travail pourraient fournir une solution à ce compromis.

a La perméabilité par rapport à l'efficacité de rétention des virus des technologies de filtration largement utilisées montre qu'il existe un compromis entre l'élimination des agents pathogènes et la perméabilité en raison de la dépendance à l'exclusion de taille. Les données tabulées avec références sont disponibles dans le tableau supplémentaire 4. b Les besoins énergétiques opérationnels des techniques de filtration et les besoins énergétiques totaux des techniques de désinfection (à l'exception de la chloration) en tenant compte d'une combinaison d'énergie opérationnelle et d'énergie chimique intégrée sont comparables. Cela indique que les techniques de filtration peuvent potentiellement atteindre des performances similaires à celles de la désinfection, en particulier si l'efficacité d'élimination des virus peut être augmentée sans entraîner de coûts énergétiques opérationnels supplémentaires substantiels. Un résumé détaillé de l'étude de la littérature et des valeurs des besoins énergétiques utilisées se trouve dans le tableau supplémentaire 5 et la note supplémentaire 2.

Dans l'ensemble, il existe un besoin émergent de contrôle de la contamination par les agents pathogènes, en particulier les virus, des systèmes d'eau en utilisant des approches durables. Dans ce travail, la faisabilité de l'utilisation d'un filtre en profondeur durable fabriqué à partir de matériaux facilement accessibles qui peut être déployé à un coût minimal pour éliminer très efficacement les agents pathogènes de l'eau a été démontrée (Fig. 2a). Ces filtres ont été conçus en exploitant la fonction de clarification de l'eau14 et l'activité antimicrobienne15 des graines de Moringa oleifera (MO). L'arbre MO est répandu dans toutes les régions tropicales et subtropicales, et ses graines ont été historiquement utilisées comme coagulant naturel14,16. Les extraits aqueux de graines MO contiennent deux protéines cationiques, la protéine coagulante MO (MO2.1) et la protéine de liaison à la chitine MO (MoCBP), avec des activités antifongiques et coagulantes établies14,17,18. Les graines MO sont un candidat idéal pour une application dans le traitement de l'eau en raison de la nature prolifique de l'arbre MO (15 000 à 20 000 graines par arbre et par an)19 et de la faible toxicité de l'extrait aqueux de graines20. Nous avons développé et testé la capacité des filtres en fibres naturelles fonctionnalisées par les protéines MO à éliminer à la fois les virus et les bactéries de l'eau à des niveaux sans précédent. Cette technologie de plate-forme proposée montre un potentiel d'application à l'échelle de la communauté ou du point d'utilisation dans un large éventail de scénarios de santé publique, y compris la préparation aux catastrophes.

a Un schéma simple des filtres en fibres naturelles proposés fonctionnalisés avec des protéines MO dans cette étude. L'image de l'arbre Moringa par le professeur Chen Hualin est sous licence CC BY-SA 4.0 b L'analyse par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier des fibres de coton, de soie et de lin montre la présence de pics CH, OH, CO dans le coton et le lin représentatifs de la cellulose50. Les fibres de soie montrent la présence de pics Amide-I (étirement de la liaison C = O) et Amide-II (flexion NH et étirement CN) indiquant la fibroïne de soie51. c Les images de microscopie électronique à balayage de fibres de coton, de soie et de lin montrent des diamètres de fibres typiques (10 à 20 µm) et des morphologies de fibres naturelles.

Les principales conclusions de cette étude sont qu'un simple extrait aqueux de graines MO peut être utilisé pour fonctionnaliser avec succès des substrats accessibles avec des protéines cationiques, qui peuvent ensuite être utilisées comme filtre basé sur l'affinité pour éliminer les contaminants de l'eau. Dans nos travaux précédents, il a été montré que les particules de sable modèle peuvent être fonctionnalisées par ce processus proposé pour obtenir une élimination élevée des pathogènes21,22. Cependant, les défis liés à l'effet du débit (faible taux de chargement du filtre dans la gamme de la filtration lente sur sable) et de la taille des grains de sable fonctionnels (<130 μm, difficile à trouver) limitent l'applicabilité des filtres à sable fonctionnalisés dans des conditions pratiques. Dans cette étude, inspirée des médias filtrants fibreux largement utilisés pour la filtration de l'air23, des fibres naturelles à faible coût couramment disponibles ont été utilisées comme substrats potentiels pour la fabrication de filtres en profondeur fonctionnalisés MO. Notez que l'utilisation de fibres naturelles peu traitées comme substrats dans les filtres en profondeur pour le traitement de l'eau n'a pas été explorée auparavant. Trois sources de fibres naturelles - boules de coton non transformées, fibres de lin et fibres de soie, provenant de magasins locaux et en ligne accessibles dans le monde entier (voir Méthodes supplémentaires pour plus de détails) ont été utilisées dans cette étude. Une caractérisation chimique et morphologique approfondie des fibres individuelles a d'abord été réalisée. Les analyses de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et de microscopie électronique à balayage (SEM) illustrées à la Fig. 2b, c ont indiqué que les fibres obtenues auprès de sources locales présentent des caractéristiques similaires à celles des échantillons de fibres standard24.

Ensuite, les filtres en profondeur construits en garnissant les trois fibres naturelles ont été caractérisés à l'aide d'une analyse Brunauer – Emmett – Teller (BET), d'une porométrie à flux capillaire, d'une analyse électrocinétique et d'un dosage de peptide fluorométrique (quantification des protéines) pour mesurer la surface spécifique, la taille des pores, la charge de surface et les protéines adsorbées par unité de surface de la fibre. Le maintien d'une hauteur constante de garnissage et d'un poids de fibre utilisé par filtre à tous les niveaux était difficile en raison des différences inhérentes dans les propriétés des fibres, de sorte que les propriétés finales indiquées ci-dessous ont été normalisées par rapport à l'unité de volume et de surface. Le poids de la fibre, la hauteur de l'emballage et la densité d'emballage utilisés pour les fibres de coton, de soie et de lin dans cette étude sont détaillés dans le tableau supplémentaire 3. Les résultats de l'analyse BET et de la porométrie à flux capillaire ont montré que le coton, la soie et le lin peuvent former des filtres en profondeur microporeux avec une grande surface (Fig. 3a, b). La taille moyenne des pores des filtres en coton, en soie et en fibres de lin était de 6,54 ± 1,64 µm, 7,48 ± 0,78 µm et 11,1 ± 4,51 µm, respectivement. Ces résultats montrent que les filtres à fibres proposés dans cette étude présentent une faible taille moyenne des pores et une surface spécifique élevée par rapport aux filtres à sable des travaux antérieurs21. Ces caractéristiques favorables permettent aux filtres à fibres fonctionnalisés MO de capturer efficacement les virus à des débits plus élevés par rapport aux filtres à sable (Fig. 6a, b).

a La taille moyenne des pores des filtres à fibres a été mesurée à l'aide d'un poromètre à flux capillaire avec de l'eau comme liquide mouillant. Les résultats montrent que les filtres en coton, en soie et en fibres de lin présentent une taille moyenne de pores de 6,54 ± 1,64 µm, 7,48 ± 0,78 µm et 11,1 ± 4,51 µm, respectivement. b La surface spécifique estimée à l'aide de l'analyse d'adsorption BET a montré que les filtres en coton, en soie et en lin offrent des filtres à surface élevée similaires pour la fonctionnalisation MO. c Les mesures de potentiel d'écoulement des fibres naturelles non enduites indiquent qu'elles sont chargées négativement (-2,4 ± 0,23 mV à -20,2 ± 1,64 mV à pH : 7) favorisant l'adsorption des protéines cationiques MO. Les mesures de potentiel de flux dans la plage de pH de 5 à 8 sont présentées dans la Fig. 2 supplémentaire. d La quantification de la protéine MO adsorbée à la surface des filtres en fibres naturelles désorbée à l'aide d'une solution de NaCl 600 mM montre que le coton a la capacité d'adsorption de protéines la plus élevée. Toutes les barres d'erreur indiquées sur la figure représentent l'écart type calculé à partir de trois mesures indépendantes.

La charge de surface des fibres emballées dans un filtre en profondeur est essentielle pour permettre l'adsorption des protéines MO lors de la fonctionnalisation. Les résultats de l'analyse électrocinétique ont montré (Fig. 3c) que les trois fibres testées dans cette étude sont chargées négativement dans la plage de pH de 5 à 8 (-2,4 mV à -20,2 mV), ce qui est favorable à l'adsorption des protéines cationiques. Notez que le potentiel de diffusion moyen des fibres naturelles à un pH de 7 a été montré sur la figure 3c pour représenter les conditions de pH neutre. Veuillez vous reporter à la Fig. 2 supplémentaire pour les résultats du potentiel de diffusion de l'analyse effectuée dans des conditions de pH supplémentaires de 5, 6 et 8. Pour établir la faisabilité de la fonctionnalisation des filtres à fibres proposés avec des protéines de graines MO, des expériences ont été menées en faisant couler un simple extrait aqueux de poudre de graines MO à travers les filtres. L'extrait aqueux a été préparé en mélangeant des graines MO moulues avec de l'eau (0,02 g mL-1 wv-1 de graines dans de l'eau) pendant 5 minutes avant de filtrer les débris de graines. Cette analyse a montré que la protéine adsorbée sur les filtres en fibre était comprise entre 6,28 ± 0,42 mg m-2 et 11,36 ± 1,72 mg m-2 (Fig. 3d). Une comparaison qualitative des protéines adsorbées par électrophorèse sur gel SDS-PAGE n'a également montré aucun changement significatif dans la composition des protéines (Fig. 3 supplémentaire). Dans l'ensemble, il a été démontré pour la première fois qu'une gamme de fibres naturelles facilement disponibles peut être utilisée pour construire des filtres en profondeur microporeux chargés négativement qui peuvent être efficacement fonctionnalisés avec un simple extrait aqueux de graines MO.

Une série d'expériences de filtration standard ont été réalisées pour quantifier l'efficacité de la fonctionnalisation des filtres à fibres avec des protéines de graines MO pour la capture et l'élimination des agents pathogènes. Les expériences ont été réalisées avec des organismes modèles pour les bactéries (E. coli) et les virus de substitution (bactériophage MS2). E. coli est une bactérie modèle importante dans le contexte de la purification de l'eau qui peut à elle seule provoquer des diarrhées et des complications gastro-intestinales25. L'élimination du bactériophage MS2 a été explorée en raison de sa large utilisation comme substitut des virus entériques humains tels que les norovirus et les rotavirus26. Ces expériences ont démontré que les filtres à fibres fonctionnalisés MO atteignent des efficacités d'élimination des agents pathogènes qui sont de plusieurs ordres de grandeur plus élevées que les filtres à fibres non revêtus au même débit. Par exemple, à un débit de 2 ml min-1, les filtres en coton MO ont atteint une efficacité d'élimination logarithmique (LRE) > 7, 62 pour E. coli et 7, 65 ± 0, 23 pour le bactériophage MS2 contre 0, 39 ± 0, 51 pour E. coli et 0, 23 ± 0, 20 pour MS2 obtenus par des filtres en coton non revêtus (Fig. 4a, c). Les filtres en lin et en soie MO-fonctionnalisés ont également atteint des efficacités d'élimination des bactéries et des virus similaires aux filtres en coton MO. Le LRE obtenu dans cette étude est similaire à celui obtenu par les filtres à sable MO rapporté dans des études précédentes21. L'avantage des filtres à fibres fonctionnalisés MO proposés dans cette étude est qu'ils conservent cette efficacité d'élimination élevée à des débits environ quatre fois supérieurs à ceux des filtres à sable MO (Fig. 6a, b). Cela montre que les fibres naturelles offrent un substrat efficace pour la fonctionnalisation des protéines MO par rapport au sable.

a L'élimination expérimentale log10 de 108 PFU mL−1 d'influent MS2 à l'aide de filtres à fibres fonctionnalisés MO par rapport à celle des filtres à fibres non revêtus à un débit de 2 mL min−1 montre que les filtres à fibres MO atteignent environ 7 ordres de grandeur de plus que les filtres à fibres non revêtus. b L'image de microscopie électronique à transmission d'échantillons de coton MO prélevés sur un filtre après filtrage de l'influent de bactériophage MS2 montre que le bactériophage MS2 a adhéré à la surface du coton enduit de MO. c L'élimination expérimentale log10 de 108 UFC mL-1 d'influent d'E. coli à l'aide de filtres à fibres fonctionnalisés MO par rapport à celle de filtres à fibres non revêtus à un débit de 2 mL min-1 montre que les filtres à fibres MO permettent une élimination > 8 log10 d'E. coli, soit environ 8 ordres de grandeur de plus que les filtres à fibres non revêtus. *Indique que la concentration de l'effluent était inférieure à la limite de détection, ce qui indique que l'élimination réelle, dans ce cas, pourrait être supérieure aux valeurs rapportées. Notez que les fibres de lin et de soie utilisées pour les expériences sur colonne ont été nettoyées dans de l'eau bouillante pour éliminer toutes les impuretés susceptibles de provoquer une contamination, mais ce traitement n'a montré aucun changement significatif dans la composition chimique ou la morphologie des fibres (Fig. 1 supplémentaire). d Des images de microscopie électronique à balayage d'échantillons de coton non enduit et de coton MO prélevés sur un filtre après avoir filtré E. coli montrent l'adhérence de celui-ci à la surface du coton MO. Toutes les barres d'erreur indiquées sur la figure représentent l'écart type calculé à partir de trois mesures indépendantes.

La théorie traditionnelle de la filtration peut être utilisée pour mettre en perspective l'avantage, en termes d'élimination, dû à la fonctionnalisation MO des filtres en fibres naturelles. Selon la théorie standard de la filtration en lit propre, l'élimination des particules dans un filtre en profondeur dépend principalement de deux facteurs : l'efficacité de collision et le coefficient d'adhérence27. L'efficacité de collision représente le transport de particules à la surface d'un collecteur (substrat) qui se traduit par les collisions nécessaires à leur capture. Cela dépend principalement de la géométrie du filtre, de la taille du substrat et de l'hydrodynamique du filtre. Le mécanisme de transport des collisions pourrait être une combinaison de diffusion, d'interception et de sédimentation en fonction de la taille des particules27. Lorsqu'une particule entre en collision avec le substrat, elle sera capturée si la particule se fixe avec succès au substrat. Un coefficient d'adhérence est traditionnellement utilisé pour définir l'efficacité de la fixation, et il dépend de la chimie du tampon et du substrat28. Par conséquent, deux filtres avec des géométries, une taille de substrat et une hydrodynamique similaires peuvent obtenir des éliminations très différentes selon la façon dont le substrat interagit avec les particules. Pour montrer que la haute efficacité obtenue par les filtres à fibres fonctionnalisés MO est due au changement de la chimie du substrat provoqué par les protéines MO, les éliminations obtenues ont été comparées à celles des filtres non revêtus. Les résultats ont montré une différence d'environ sept ordres de grandeur dans les performances entre les filtres fonctionnalisés MO et les filtres non revêtus. Cela indique clairement que les interactions entre les protéines MO et les agents pathogènes modèles, E. coli et MS2, sont responsables de leur élimination car la présence de protéines MO est la seule différence entre les filtres non revêtus et les filtres fonctionnalisés MO (Fig. 4a, c). Les coefficients d'adhérence d'E. coli et de MS2 calculés empiriquement à l'aide des données expérimentales et de modèles bien établis de la littérature (tableau supplémentaire 1) montrent que le coefficient d'adhérence dans les filtres fonctionnalisés MO est d'un ordre de grandeur supérieur à celui des filtres non revêtus28,29. Pour montrer en outre que les bactéries et les virus testés dans cette étude sont physiquement capturés dans des filtres en coton MO, des analyses TEM et SEM ont été utilisées pour visualiser le MS2 et E. coli adhérant à la surface du substrat en coton à l'intérieur des filtres en coton MO (Fig. 4b, d). Ces résultats montrent que la présence de protéines MO sur le coton entraîne une augmentation du nombre de sites favorables à l'élimination des micro-organismes indiquant que la présence d'interactions favorables entre les protéines MO et les bactéries/virus testés est responsable de leur élimination. Bien que la littérature précédente ait proposé des modifications de substrat utilisant des polymères et des nanoparticules pour améliorer les performances10,11,12, les filtres à fibres fonctionnalisés MO représentent un processus de fonctionnalisation durable qui peut être mis en œuvre facilement avec des matériaux naturels, même dans des zones à ressources limitées.

La nature cationique des protéines de graines MO a été largement établie dans la littérature précédente15,17,18,30,31,32. Notre étude précédente a montré que deux protéines cationiques, la protéine coagulante de Moringa oleifera (MO2.1) et la protéine de liaison à la chitine de Moringa oleifera (MoCBP) s'adsorbent sur des particules de sable après fonctionnalisation avec un simple extrait aqueux de graine de MO21. L'analyse SDS-PAGE effectuée ici sur les protéines adsorbées sur des fibres naturelles (Fig. 3 supplémentaire) montre que les deux mêmes protéines sont présentes à la surface des filtres à fibres fonctionnalisés MO. La charge de surface négative du bactériophage MS2 et d'E. coli est également bien documentée dans la littérature33,34,35. Nous avons mené des expériences distinctes de diffusion dynamique de la lumière avec les agents pathogènes utilisés dans cette étude dans les conditions utilisées pour effectuer des expériences de filtration ici pour confirmer leur charge négative. Les résultats ont montré que les bactériophages E. coli et MS2 dispersés dans 0, 1XPBS et 1 mM de NaCl présentent une charge négative dans une plage de pH de 5 à 8 (Fig. 4 supplémentaire), indiquant qu'une attraction existerait entre E. coli / MS2 et les protéines MO. Par conséquent, le mécanisme d'élimination dans les filtres à fibres fonctionnalisés MO est basé sur des interactions électrostatiques favorables.

Pour confirmer davantage cette hypothèse, des expériences supplémentaires ont été menées pour tester l'effet de la concentration en sel sur l'élimination du bactériophage MS2 dans des filtres en coton MO. Les résultats montrent clairement que l'élimination de MS2 diminue avec une augmentation de la concentration en sel de 1 mM à 600 mM de NaCl (Fig. 5d). La dépendance à la concentration en sel du tampon de fond est une caractéristique classique des interactions électrostatiques. La force de la force électrostatique diminue avec une augmentation de la concentration du tampon à mesure que la longueur de Debye diminue. Ces résultats réitèrent à nouveau que le mécanisme d'élimination des filtres MO-coton est de nature électrostatique.

a, b La vue de dessus et la vue latérale de la position d'amarrage favorable observée à partir des simulations d'amarrage moléculaire flexible entre la capside MS2 (rose) et MoCBP (vert). c Les résidus d'acides aminés qui constituent l'interface d'interaction de MS2 sont superposés sur la séquence primaire de MoCBP. d Élimination expérimentale log10 de 108 PFU mL-1 Influent de bactériophage MS2 à l'aide de filtres en coton MO à un débit de 2 mL min-1 et à diverses concentrations de sel dans la plage de 1 à 600 mM de NaCl, car le dispersant montre que l'efficacité d'élimination obtenue diminue avec l'augmentation de la concentration en sel. L'efficacité d'élimination log10 est basée sur l'échantillon d'effluent recueilli à 50 ml d'effluent. *Indique que la concentration de l'effluent était inférieure à la limite de détection, ce qui indique que l'élimination réelle, dans ce cas, pourrait être supérieure aux valeurs rapportées. Toutes les barres d'erreur indiquées sur la figure représentent l'écart type calculé à partir de trois mesures indépendantes.

Des travaux antérieurs de notre groupe ont exploré en détail les interactions spécifiques entre la protéine coagulante des graines MO (MO2.1) et E. coli à l'aide de simulations de dynamique moléculaire et de cryo-microscopie électronique15. Il a été démontré que MO2.1 peut inactiver les bactéries en provoquant la fusion de la membrane cellulaire en raison d'interactions électrostatiques. Des simulations d'amarrage moléculaire peuvent être utilisées pour mieux comprendre la nature des interactions complexes entre la capside virale et les protéines MO. Une étude détaillée des interactions entre les protéines MO (MO2.1 et MoCBP) et le bactériophage MS2 à l'aide de telles simulations dans notre étude précédente a montré que MoCBP est responsable de l'élimination du bactériophage MS221. L'analyse de l'interaction de liaison entre MoCBP et la protéine de capside MS2 mettant en évidence les résidus d'acides aminés responsables de l'interaction favorable et une liste détaillée des interactions sont présentées à la Fig. 5a – c et au tableau supplémentaire 2. Un nombre prédominant d'interactions s'est avéré être des interactions électrostatiques avec des résidus cationiques dans MoCBP. Une combinaison de toutes les analyses d'amarrage expérimentales et moléculaires effectuées suggère que l'élimination dans les filtres MO-fonctionnalisés repose sur des interactions électrostatiques.

Après que la faisabilité de l'utilisation du coton, de la soie et du lin pour la technologie proposée a été démontrée avec succès, les filtres en coton MO ont été testés pour évaluer leur potentiel à fonctionner à des vitesses superficielles pratiques. Des expériences de filtration à divers débits ont été réalisées pour déterminer l'effet du débit sur l'efficacité de l'élimination des bactéries et des virus. L'objectif était de déterminer le débit le plus élevé auquel les filtres en coton MO peuvent répondre aux normes de l'US EPA pour le traitement des bactéries et des virus. Les résultats montrent que les filtres en coton MO peuvent atteindre > 6 log10 d'élimination d'E. coli jusqu'à 10 mL min−1 de débit et > 4 log10 MS2 jusqu'à 6 mL min−1 (Fig. 6a, b) correspondant à des vitesses superficielles de 3,4 m h−1 et 2,0 m h−1. La diminution de l'efficacité d'élimination avec une augmentation du débit peut être attribuée à une diminution de l'efficacité de collision due au temps de séjour inférieur des agents pathogènes dans le filtre27,28. Par rapport aux techniques de traitement pertinentes dans la pratique, ces vitesses superficielles sont d'un ordre de grandeur supérieur à la filtration lente sur sable (0,1–0,4 m h−1)36 et aux filtres à sable MO de notre étude précédente21, mais seulement légèrement inférieures aux vitesses superficielles typiques de la filtration rapide sur sable (5–15 m h−1)37. Comme indiqué précédemment, les filtres MO-coton offrent une taille moyenne de pores plus petite et des surfaces plus élevées par rapport aux filtres à sable des travaux précédents. Nous pensons qu'une combinaison de ces propriétés offre des avantages en termes de quantité de protéines adsorbées par filtre et donc une plus grande capacité globale d'élimination des virus.

a Élimination expérimentale log10 de 108 UFC mL-1 d'influent d'E. coli à différents débits dans la plage de 2 mL min-1 à 50 mL min-1 montre que les filtres MO-coton permettent d'éliminer > 6 log10 jusqu'à un débit de 10 mL min-1. b L'élimination expérimentale log10 de 108 PFU mL-1 d'influent de bactériophage MS2 à différents débits dans la plage de 2 mL min-1 à 10 mL min-1 montre que les filtres MO-coton permettent une élimination > 4 log10 jusqu'à un débit de 6 mL min-1. Ces débits correspondent à des vitesses superficielles de 3,4 m h−1 et 2 m h−1 pour l'élimination d'E. coli et de MS2, respectivement, qui sont légèrement inférieures aux conditions de fonctionnement typiques de la filtration rapide sur sable (5–15 m h−1) et supérieures à la filtration lente sur sable (0,1–0,4 m h−1). c Efficacités d'élimination d'E. coli et MS2 des filtres MO-coton à un débit de 2 mL min−1 après 1 mois et 3 mois de maintien à température ambiante. Les résultats montrent que le coton MO a atteint une élimination de 7,92 ± 0,22 log10 et > 7,7 log10 pour E. coli après 1 mois et 3 mois de détention, respectivement. Les efficacités d'élimination MS2 log10 après 1 mois et 3 mois de maintien étaient de 6,34 ± 0,40 et 7,29 ± 0,32. Ces résultats montrent que l'efficacité d'élimination des agents pathogènes du coton MO est conservée jusqu'à 3 mois de détention. d Efficacité d'élimination d'E. coli et MS2 du coton MO jusqu'à 3 cycles de régénération. Les filtres ont été régénérés par un premier lavage avec 100 mL d'une solution de NaCl 600 mM et une fonctionnalisation avec 100 mL d'extrait d'eau MO. L'efficacité d'élimination des colonnes régénérées a été mesurée à 10 mL min-1 pour E. coli et 6 mL min-1 pour MS2. Il a été démontré que les colonnes MO-coton éliminent efficacement les bactéries et les virus jusqu'à 3 cycles de régénération. *Indique que la concentration de l'effluent était inférieure à la limite de détection, ce qui indique que l'élimination réelle, dans ce cas, pourrait être supérieure aux valeurs rapportées. Les barres d'erreur représentent l'écart type calculé à partir de trois mesures indépendantes.

D'autres expériences ont été réalisées pour estimer la stabilité de maintien à sec et la capacité de régénération du coton MO afin d'envisager la durabilité et la facilité d'accessibilité pour divers contextes. Des études antérieures montrent que la transmission de maladies infectieuses est répandue après des catastrophes naturelles en raison du manque d'eau potable38. Si le coton MO présente une stabilité au stockage à sec, il peut être appliqué au traitement de l'eau dans les situations de secours en cas de catastrophe pour prévenir la propagation des maladies en expédiant du coton MO préfabriqué vers les zones touchées ou en le stockant dans des kits de préparation aux situations d'urgence. Les expériences menées pour étudier la stabilité au stockage à sec ont montré que le coton MO séché conserve la capacité de filtrer les bactéries et les virus de l'eau jusqu'à 3 mois à température ambiante. L'élimination d'E. coli et de MS2 obtenue par le coton MO récupéré du stockage après 1 mois et 3 mois est similaire au coton MO fraîchement préparé (Fig. 6c). Bien que le coton soit un matériau biodégradable, la capacité de régénération est importante pour que le coton MO soit un substrat durable. Pour tester la capacité de régénération, des expériences ont été menées en utilisant du NaCl 600 mM pour désorber la protéine avant de recouvrir avec de l'extrait d'eau MO pour montrer la régénération in situ du filtre lors de la percée. L'inspiration pour ce processus de régénération était basée sur la littérature précédente qui montrait que du NaCl 600 mM pouvait être utilisé avec succès pour désorber les protéines MO des surfaces de silice31. Les résultats ont montré que l'efficacité d'élimination des bactéries et des virus après régénération est similaire à celle du coton MO fraîchement préparé, jusqu'à 3 cycles de régénération (Fig. 6d). Notez que la régénération ici est différente du lavage à contre-courant physique utilisé pour les filtres à sable conventionnels sur une base horaire à quotidienne dans les usines de traitement de l'eau. Le filtre actuel pourrait être facilement lavé à contre-courant sans perdre en efficacité. Ces résultats montrent que le coton MO peut être un substrat durable pour le traitement de l'eau dans divers contextes, y compris les situations de secours en cas de catastrophe et la filtration au point d'utilisation prête à l'emploi.

Les techniques de filtration traditionnelles basées sur l'exclusion de taille dans le contexte de la filtration de l'eau sont limitées par l'existence d'un compromis entre leur productivité et l'élimination des agents pathogènes. Ce compromis a été démontré expérimentalement, pour la première fois, en caractérisant l'élimination du bactériophage MS2 des membranes de microfiltration (MF), d'ultrafiltration (UF) et de nanofiltration (NF) avec des expériences contrôlées. L'efficacité d'élimination de MS2 et la perméabilité des membranes MF, UF et NF disponibles dans le commerce ont été étudiées dans une installation de filtration sans issue à pression constante nécessaire pour maintenir un débit d'environ 100 LMH (litre·m-2·h-1) (Fig. 7a). Cette courbe de compromis a été établie pour ajouter une perspective à l'avantage de la reconception moléculaire des filtres à eau conventionnels avec fonctionnalisation de la protéine MO. Les résultats indiquent que la fonctionnalisation de la surface d'un filtre en coton non revêtu avec des protéines MO est un moyen durable d'augmenter les performances de plusieurs ordres de grandeur sans aucune diminution de la perméabilité inhérente, dépassant ainsi la limite productivité-perméabilité des approches de filtration actuelles (Fig. 7b). Cela montre le potentiel des filtres proposés dans cette étude en tant que technique de filtration de l'eau économe en énergie et accessible qui peut être appliquée au traitement de l'eau dans les pays en développement et développés.

a L'efficacité d'élimination du log MS2 de divers filtres à membrane testés dans ce travail a été comparée à celle des filtres en coton non enduits et enduits proposés dans cette étude pour montrer l'avantage de la fonctionnalisation MO. Les valeurs expérimentales de perméabilité et d'efficacité d'élimination MS2 déterminées pour les membranes commerciales testées et les filtres en coton MO sont disponibles dans le tableau supplémentaire 7. b L'évaluation préliminaire des besoins énergétiques pour un filtre en coton MO au point d'utilisation théorique montre que l'énergie requise est beaucoup plus faible par rapport à la filtration sur membrane et à l'irradiation UV. Les besoins énergétiques des filtres MO sont comparables à ceux de la filtration conventionnelle et de la désinfection au chlore. Les besoins énergétiques de diverses techniques illustrées dans cette figure sont basés sur la littérature disponible et un résumé détaillé de l'étude de la littérature et des valeurs des besoins énergétiques utilisées peut être trouvé dans la note complémentaire 2 et le tableau complémentaire 5. Toutes les barres d'erreur indiquées dans la figure représentent l'écart type calculé à partir de trois mesures indépendantes.

Dans les travaux en cours, l'objectif principal était d'établir la faisabilité des filtres à fibres fonctionnalisés MO pour obtenir une élimination élevée des virus à des taux de chargement élevés. Bien que de futures études de mise à l'échelle dans des conditions réalistes soient nécessaires pour une analyse complète du cycle de vie, une évaluation initiale des besoins énergétiques des filtres en coton MO a été réalisée ici pour comparer les filtres proposés avec des technologies alternatives d'élimination des virus. L'analyse détaillée pour le calcul de l'énergie opérationnelle et intrinsèque requise pour un filtre en coton MO théorique au point d'utilisation est disponible dans la note complémentaire 1. L'analyse a montré que les filtres en coton MO nécessitent une énergie minimale par rapport aux techniques alternatives (Fig. 7b). Le faible besoin énergétique des filtres MO-coton (0,01 kWh m−3) est similaire à celui des technologies moins énergivores telles que la filtration sur média conventionnel et la désinfection au chlore. Comparés aux alternatives énergivores de la filtration sur membrane et de l'irradiation UV, les filtres en coton MO présentent un potentiel pour le traitement des virus à haut rendement énergétique. Cela montre que les filtres en coton MO sont très prometteurs en tant que filtre à eau potable facilement accessible qui peut être déployé comme filtre au point d'utilisation ou comme filtre à l'échelle communautaire à l'avenir. En plus de la consommation d'énergie, le coût de construction de la conception théorique proposée du point d'utilisation du filtre en coton MO aux États-Unis et en Inde a été calculé sur la base des coûts des matériaux de notre expérience avec la mise en place de filtres sur le terrain à deux endroits (Fig. 7 supplémentaire). Ces estimations ont montré qu'un filtre en coton MO au point d'utilisation d'une capacité de filtrage de 10 litres d'eau par jour coûte respectivement 10 $ et 5 $ par filtre à fabriquer aux États-Unis et en Inde (détails dans la note complémentaire 3 et le tableau complémentaire 6).

Dans l'ensemble, nous avons démontré qu'un simple extrait aqueux de graines de Moringa oleifera peut être utilisé efficacement pour fonctionnaliser des fibres naturelles facilement accessibles et montrer comment les filtres proposés peuvent surmonter une courbe de compromis qui existe dans les techniques de filtration par exclusion de taille. Une méthode de régénération a été développée et la stabilité au stockage à sec du coton MO a été étudiée pour établir son potentiel en tant que technique durable applicable à divers contextes. Enfin, il a été démontré, à l'aide d'expériences et d'une estimation préliminaire de l'énergie, que les filtres proposés offrent une capacité d'élimination des virus très efficace avec une faible consommation d'énergie par rapport aux membranes disponibles dans le commerce. Même si les résultats de cette étude à l'échelle du laboratoire sont encourageants, pour adapter les filtres proposés à l'échelle du terrain, les travaux futurs doivent se concentrer sur l'effet des conditions pratiques sur les performances des filtres. Les paramètres importants à prendre en compte incluent la pression requise pour faire fonctionner la colonne et les concentrations réalistes d'agents pathogènes en présence de matière organique. Sur le terrain, ces filtres sont conçus pour être entraînés par un écoulement gravitaire. Les expériences présentées ici ont été menées à débit constant à l'aide d'une pompe péristaltique car la pression nécessaire pour maintenir un débit de 2 mL min-1 est inférieure à 1 psi et il est difficile de maintenir et de mesurer une pression aussi basse de manière fiable. Une configuration à pression constante a été utilisée pour quantifier la perméabilité (débit par unité de surface par unité de pression) des filtres en coton MO et comparée à celle des membranes conventionnelles (Fig. 7a). Ces résultats indiquent une perméabilité très élevée pour les filtres fonctionnalisés par MO, mais des expériences à l'échelle du terrain sont nécessaires pour valider davantage ces données.

Deuxièmement, le but des expériences réalisées ici était de quantifier l'efficacité la plus élevée réalisable par les filtres MO-coton par rapport aux filtres non revêtus dans des conditions de « lit propre » en filtrant un volume relativement faible de solution de bactéries/virus à haute concentration. En pratique, de grands volumes d'eau avec des concentrations d'agents pathogènes d'ordres de grandeur inférieurs à ceux utilisés dans les travaux actuels seront traités. Des expériences révolutionnaires distinctes ont été réalisées avec E. coli pour établir une estimation préliminaire de la durée de vie d'un filtre en coton MO et de l'effet de la matière organique naturelle sur la capacité. Ces expériences ont montré que (Fig. 5a supplémentaire) les filtres en coton MO éliminent> 1011 unités formant colonies (UFC) de bactéries avant d'atteindre la saturation. Cela se traduit par > 107 volumes de colonne même pour une source d'eau fortement contaminée (100 UFC mL−1 de bactéries), ce qui indique la grande capacité des filtres MO-coton. Les filtres n'ont également montré aucune sensibilité à l'encrassement biologique au cours de cette expérience à long terme. L'estimation d'une durée de vie à partir d'expériences en laboratoire devrait diminuer dans les applications sur le terrain en raison de la composition complexe de l'eau naturelle. Pour comprendre l'effet de la matrice de l'eau, l'eau du bassin contenant une forte teneur en carbone organique total (TOC ~ 6 mg mL−1) additionnée d'E. coli a été testée avec des filtres à sable fonctionnalisés MO. Les résultats montrent que la capacité de la colonne diminue environ de moitié en raison de l'effet du COT (Fig. 5b supplémentaire). Comme l'eau du bassin utilisée pour cette expérience préliminaire a été collectée à partir d'une source d'eau locale, une détermination précise de la composition de la matière organique naturelle n'a pas été possible. Une étude détaillée avec une variation soigneuse des concentrations et de la composition de la matière organique naturelle (MON) compte tenu des options de préfiltre et de prétraitement disponibles pour l'élimination de la MON est un futur domaine d'enquête important.

Les graines de Moringa oleifera (MO) utilisées pour cette étude ont été reçues de la ferme Echo Global, en Floride. Les graines de MO séchées ont été stockées dans un sac scellé à température ambiante et broyées avec un moulin à café avant l'expérience. Ces conditions ont été intentionnellement utilisées pour s'assurer que le processus est robuste dans les conditions de stockage et de revêtement qui peuvent être facilement suivies dans les applications sur le terrain. Des expériences en colonne ont été réalisées avec un extrait d'eau fraîchement préparée pour établir l'efficacité d'élimination des filtres à fibres fonctionnalisées.

Les détails des fibres naturelles utilisées sont disponibles dans les méthodes supplémentaires.

NF270 (PA-TFC, Dow Filmtec), UE50 (PES, Trisep) et MP005 (PES, Microdyn Nadir) achetés auprès de Sterlitech Corporation ont été utilisés pour déterminer la perméabilité et l'efficacité d'élimination MS2 de la nanofiltration (NF), de l'ultrafiltration serrée (UF) et de l'UF lâche, respectivement. La membrane de 0,22 pm (PVDF, Millipore™) achetée auprès de Millipore Sigma a été utilisée comme exemple de membrane de microfiltration.

Deux micro-organismes ont été utilisés dans cette étude pour défier les filtres à fibres fonctionnalisés MO et quantifier leur efficacité d'élimination : la souche Escherichia coli TG1 et le bactériophage MS2. E. coli est un bacille Gram négatif en forme de bâtonnet, généralement de 1 µm de long et 0,35 µm de large, qui a été utilisé de manière omniprésente comme organisme modèle dans la recherche scientifique39. La souche E. coli TG1 utilisée dans cette étude s'est avérée être un substitut efficace des bactéries dans nos études précédentes22,40. Le bactériophage MS2 est un coliphage à ARN simple brin non enveloppé, de 27 nm de diamètre, largement utilisé comme substitut des virus entériques humains26,41. Ces micro-organismes modèles ont été utilisés pour tester les filtres dans cette étude car ils sont des substituts idéaux pour représenter les bactéries et les particules virales en raison de leur taille. De plus, ils présentent également des risques moindres d'infection associée et sont plus faciles à cultiver et à quantifier rapidement. La procédure de propagation et de culture d'E. coli TG1 et MS2 est détaillée dans les méthodes supplémentaires.

Des composants facilement disponibles ont été utilisés pour construire les filtres de colonne utilisés pour quantifier l'élimination des agents pathogènes dans cette étude. Des colonnes de chromatographie en verre ayant des dimensions de 1,5 cm de diamètre intérieur et 10 cm de longueur, fabriquées par Bio-Rad, ont été utilisées comme corps de filtre pour tasser la fibre. Tout d'abord, six pelotes (~ 3,5 g) de coton, 5 g de fibre de soie ou 8 g de fibre de lin ont été trempées dans l'eau pendant 2 min. Bien que l'eau DI soit utilisée ici, n'importe quelle eau propre fonctionnerait pour cette étape. La fibre humide a été poussée dans la colonne à l'aide d'un piston. Le poids sec de la fibre qui a été emballée dans chaque colonne et la hauteur de la colonne ont été mesurés pour tenir compte de la variation inhérente de la taille et du poids des boules de coton individuelles. Les hauteurs moyennes des colonnes de fibres de coton, de soie et de lin étaient respectivement d'environ 8 cm, d'environ 8,2 cm et d'environ 9,5 cm.

Pour fonctionnaliser le filtre en fibres ainsi préparé avec des protéines MO, 100 ml d'extrait aqueux de graines sèches de MO ont été pompés à travers la colonne à un débit constant de 2 ml min-1. L'extrait d'eau MO est préparé en mélangeant 2 g de graines MO non décortiquées fraîchement moulues avec 100 mL d'eau DI pendant 5 min. Bien que de l'eau DI ait été utilisée ici pour préparer l'extrait de sérum MO, la présence de NaCl 10 mM n'a montré aucun effet significatif sur les performances des filtres fonctionnalisés MO (Fig. 6 supplémentaire). Cette solution a été filtrée séquentiellement à travers un filtre en fibre de verre de 1,5 µm (Whatman) et un filtre en PVDF de 0,22 µm (Millipore), pour éliminer l'excès de matériau d'ensemencement avant de l'utiliser pour fonctionnaliser les filtres en fibre.

La filtration sur membrane du bactériophage MS2 a été réalisée dans une installation de filtration sans issue de 10 ml (modèle 8010, Millipore) avec une surface de membrane active de 4,1 cm2. La cellule de filtration a été connectée à un réservoir en plastique Amicon Stirred Cell Reservoir de 800 ml (RC800, Millipore) pour alimenter en continu à une vitesse d'agitation de 300 tr/min. Le débit de filtration pour chaque membrane a été maintenu à ~ 100 LMH (litres m-2 h-1) en ajustant la pression appliquée pour obtenir un débit comparable aux performances de la colonne. L'alimentation et le perméat ont été recueillis après filtration de 200 ml de la solution d'alimentation. Cette procédure est largement utilisée dans la littérature pour quantifier les performances des membranes42,43.

Une série d'expériences de filtration standard ont été utilisées pour quantifier l'efficacité d'élimination des agents pathogènes des filtres à fibres MO-fonctionnalisés dans cette étude. Après avoir préparé un filtre fonctionnalisé MO selon la procédure de la section précédente, le filtre a été équilibré avec 100 ml de tampon de fond au débit requis pour l'expérience de filtration. Sauf indication contraire, le tampon de fond utilisé dans cette étude pour E. coli était un tampon PBS dilué 10 fois (0,1X PBS) et pour le bactériophage MS2 était une solution de NaCl 1 mM. Pour les expériences sur colonne réalisées pour déduire le mécanisme d'élimination de MS2 dans des filtres en coton MO, la concentration de sel de fond a varié dans la plage de 1 à 600 mM de NaCl (10 mM, 100 mM, 300 mM et 600 mM). Après équilibrage, une solution influente contenant soit environ 108 UFC mL-1 d'E. coli, soit environ 108 PFU mL-1 de bactériophage MS2 dispersé dans le tampon de fond a été introduite dans le filtre à un débit constant. Trois échantillons d'effluent ont été prélevés lorsque 50 ml, 75 ml et 100 ml de l'influent avaient traversé le filtre. L'efficacité d'élimination du journal expérimental (LRE) des filtres a été quantifiée à l'aide de l'équation. 1, où C et C0 représentent les concentrations des échantillons d'effluent et d'influent. La concentration des agents pathogènes viables dans les échantillons d'influent et d'effluent a été quantifiée à l'aide d'une technique de placage conventionnelle pour E. coli et d'un essai sur plaque à double couche pour le bactériophage MS2. Les détails des techniques de quantification utilisées peuvent être trouvés dans les méthodes supplémentaires.

Pour quantifier l'efficacité de la fonctionnalisation des fibres avec des protéines MO dans l'amélioration de l'élimination des agents pathogènes, des expériences de filtration ont été réalisées à un débit de 2 ml min-1 à l'aide de filtres à fibres fonctionnalisés MO. Des filtres en fibre non revêtus emballés et traités en utilisant la même procédure qu'un filtre fonctionnalisé MO, à l'exception de l'étape de fonctionnalisation, ont été utilisés comme contrôle négatif. Pour comprendre l'effet du débit sur le LRE, des expériences ont été réalisées à l'aide de filtres en coton fonctionnalisés MO à des débits variables dans la plage de 2 mL min-1 à 50 mL min-1 pour E. coli et de 2 mL min-1 à 10 mL min-1 pour le bactériophage MS2.

Afin de quantifier l'affinité de liaison entre les protéines de capside MoCBP et MS2, une série d'itérations d'amarrage flexibles ont été effectuées en balayant la surface des capsides cibles en utilisant le protocole d'amarrage de surface d'OptMAVEn-2.044 qui est similaire à Z-DOCK-345. Les coordonnées du centre de masse des 100 meilleures conformations ancrées de MoCBP ont été utilisées pour identifier le ou les emplacements d'affinité MoCBP les plus élevés sur les protéines de capside. Pour chacune des conformations liées de MoCBP dans la région de haute affinité, une fonction d'énergie Rosetta tous atomes a été utilisée pour estimer la contribution enthalpique de la liaison. La préparation du fichier d'entrée impliquait de commencer par les coordonnées cristallographiques de chacune des protéines impliquées - (a) MoCBP - PDB id 5DOM32, (b) MS2 capsid - PDB id 1AQ346 - puis d'effectuer ensuite une construction de coordonnées internes pour ajouter les résidus manquants et la minimisation globale de l'énergie à l'aide du protocole de relaxation de tous les atomes Relax dans PyRosetta47.

Il est important que le coton fonctionnalisé MO (coton MO) conserve sa capacité à capturer les agents pathogènes après séchage et maintien pendant une longue période, pour que la technique proposée soit applicable dans des contextes variés (par exemple, la préparation aux catastrophes). Pour tester cela, le coton MO préparé selon la procédure mentionnée précédemment a été séché à 37 ° C pendant 24 h et stocké dans un sac scellé à température ambiante. Ensuite, des expériences de filtration ont été réalisées avec le coton MO sec après 1 mois et 3 mois pour comparer le LRE avec du coton fraîchement enduit. Notez que des échantillons de 1 mois et 3 mois ont été prélevés sur des lots identiques de coton MO préparés le même jour et laissés sécher à température ambiante dans un sac scellé. Des expériences de filtration ont été réalisées en suivant la même procédure que ci-dessus à un débit de 2 mL min-1.

Pour montrer que le coton MO est un milieu de capture d'agents pathogènes largement disponible et durable, il est important d'établir la capacité de régénérer facilement le coton enduit. Nos études précédentes ont montré que le lavage avec une solution saline 600 mM suivi d'une fonctionnalisation avec un extrait d'eau MO est une procédure efficace pour régénérer les médias de filtration21,31. Pour vérifier si une procédure similaire peut être utilisée pour régénérer le coton MO, des expériences de filtration ont été réalisées pour déterminer l'effet de la régénération sur l'efficacité d'élimination des agents pathogènes. Les colonnes MO-coton ont d'abord été préparées selon la procédure décrite précédemment puis lavées avec 100 ml de NaCl 600 mM pour désorber la protéine avant de les recouvrir à nouveau. Ce processus a été répété trois fois, et l'efficacité d'élimination d'E. coli et de MS2 des colonnes régénérées a été quantifiée pour chaque cycle afin d'étudier l'effet de la régénération sur LRE.

Des mesures d'isothermes de Brunauer-Emmett-Teller (BET) ont été utilisées pour analyser la surface disponible des différentes fibres utilisées dans cette étude. Trois échantillons par fibre (coton, soie et lin) ont été soumis pour analyse au laboratoire de caractérisation des matériaux de l'Université d'État de Pennsylvanie afin de déterminer la surface disponible moyenne (SA). La SA a été déterminée par l'adsorption physique de l'azote sur une surface d'échantillon à 77 K à l'aide d'un analyseur de surface accélérée et de porosimétrie (ASAP 2420 ; Micromeritics Instrument Corp.). SA a été calculée à l'aide de l'équation BET48 qui utilise la partie linéaire de l'isotherme d'adsorption à des pressions relatives, P/Po, comprises entre 0,05 et 0,30, où P est la pression d'équilibre et Po est la pression de saturation. Avant la mesure, les échantillons ont été dégazés à 40 ° C pendant au moins 8 h sous un vide de 4 µm Hg pour éliminer les impuretés telles que la vapeur d'eau, le dioxyde de carbone et autres.

Une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier à réflectance totale atténuée (ATR-FTIR) a été réalisée sur les échantillons de fibres pour déterminer leurs structures chimiques à l'aide du spectromètre Nicolet 6700 (Thermo Scientific) avec un accessoire d'échantillonnage intelligent iRT diamond ATR (Thermo Scientific). 256 scans par échantillon à une résolution de 4 cm-1 ont été obtenus pour toutes les mesures.

Pour mesurer le potentiel de surface des échantillons de fibres, un analyseur électrocinétique SurPASS (Anton Paar, Ashland, VA, USA) a été utilisé. Chaque échantillon de fibre a d'abord été trempé dans 10 mL d'une solution de NaCl 1 mM. Ensuite, l'échantillon a été monté dans la cellule cylindrique sur le dispositif et le pH de la solution d'électrolyte (à nouveau 1 mM NaCl) a été ajusté au niveau requis en utilisant 0,05 M HCl et NaOH. Les mesures ont été faites en triple pour chaque fibre à quatre valeurs de pH différentes de 5, 6, 7 et 8. Toutes les mesures ont été faites à une pression cible de 300 mBar. Notez que cette pression est une exigence opérationnelle pour l'analyseur électrocinétique et n'a aucune corrélation avec la pression de fonctionnement des expériences de filtration dans cette étude.

Pour mesurer la taille moyenne des pores des colonnes de fibres testées dans cette étude, la quantité requise de l'échantillon de fibres a été emballée dans un support cylindrique avec des dimensions de 2,54 cm de longueur et 3,5 cm de diamètre pour atteindre une densité d'emballage de coton, de soie et de lin similaire aux filtres de colonne. De l'eau a été utilisée comme liquide de mouillage et une analyse porométrique a été effectuée en utilisant le mouillage et le calcul standard. protocole de mesure à sec dans un iPore 1100-AX de Porous Materials Inc. Le terme densité de garnissage de la colonne utilisé dans ce contexte ne représente pas la densité apparente ou la porosité de la fibre dans le filtre. Au lieu de cela, il s'agit du rapport de la quantité de matériau emballé sur le volume de la colonne et est censé être une valeur de référence pour permettre la comparaison dans les études futures.

Pour déterminer la quantité de protéines adsorbées sur les filtres en fibres naturelles, un dosage quantitatif des peptides fluorescents Thermo Scientific™ Pierce™ a été utilisé. Le lysozyme du blanc d'œuf de poule a été utilisé pour développer une courbe d'étalonnage. Après revêtement de la colonne comme expliqué précédemment, 100 mL de NaCl 600 mM ont été introduits à un débit de 2 mL min-1 pour désorber la protéine dans la solution saline31. La concentration de la protéine dans la solution saline a été utilisée pour interpréter la quantité de protéine MO adsorbée sur la surface d'un filtre en fibre.

Pour caractériser qualitativement la protéine adsorbée à la surface des fibres naturelles, une évaluation par électrophorèse sur gel de dodécylsulfate de sodium-polyacrylamide49 (SDS-PAGE) a été réalisée sur le lavage au sel utilisé pour quantifier la protéine adsorbée. 12 µL de lavage de NaCl 600 mM ont été chargés sur un gel SDS PAGE à 12 % coulé à la main. La coloration de Coomassie a été utilisée pour visualiser les bandes de protéines.

La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour observer le bactériophage MS2 physiquement éliminé à l'aide de filtres en coton MO. Pour visualiser le bactériophage MS2 attaché au coton MO, une méthode de coloration négative a été utilisée avec une analyse TEM. La fibre de coton MO avec le bactériophage MS2 adsorbé a été préparée en filtrant 4000 mL de 108 PFU mL-1 de bactériophage MS2 dispersé dans du NaCl 1 mM avec un filtre en coton MO à 6 mL min-1. Les fibres individuelles du haut de la colonne ont été prélevées avec une pince à épiler propre et séchées soit à 35 ° C, soit en utilisant un séchage à l'hexaméthyldisilazane (HMDS) pour l'analyse par imagerie.

Pour préserver et fixer chimiquement la structure de l'échantillon, un agent de séchage chimique HMDS a été utilisé pour déshydrater les tissus mous et les molécules biologiques avant l'examen TEM. Les échantillons à examiner ont été déshydratés à différentes concentrations d'éthanol gradué (30 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % et 100 % d'éthanol) pendant 10 min chacun, puis maintenus dans 50 % d'éthanol/HMDS et 100 % de HMDS pendant 2 min successivement à température ambiante. Les échantillons ont ensuite été séchés pendant une nuit dans une hotte à flux laminaire. Les échantillons déshydratés ont été adsorbés sur des grilles TEM à 400 mesh, à décharge luminescente et revêtues de carbone (G400, Ted Pella) et colorées négativement avec du formiate d'uranyle à 0, 75% (wv-1). Les images TEM ont été obtenues sur le microscope Tecnai G2 Spirit BioTwin (FEI) à une tension d'accélération de 80 kV. Les images ont été prises à un grossissement compris entre 6 kx et 87 kx à l'aide d'un appareil photo numérique AMT Advantage HR 1k X 1k (Advanced Microscopy Techniques).

La microscopie électronique à balayage (MEB) a été utilisée dans cette étude pour observer l'adsorption d'E. coli à la surface de la fibre de coton MO. Le SEM a également été utilisé pour analyser le diamètre des fibres et les morphologies des fibres de coton, de soie et de lin utilisées dans cette étude avant et après le traitement avec de l'eau bouillie pendant 15 minutes pour comprendre l'effet du traitement sur la morphologie. La fibre de coton MO avec des bactéries E. coli adsorbées a été préparée en filtrant 2000 mL de 108 UFC mL-1 E. coli dispersés dans du PBS 0,1X avec un filtre en coton MO à 10 mL min-1. Les fibres individuelles du haut de la colonne ont été prélevées avec une pince à épiler propre et séchées à l'aide d'un séchage HMDS pour l'analyse par imagerie.

Pour préserver et fixer chimiquement la structure de l'échantillon biologique, la technique de séchage HMDS détaillée précédemment a été utilisée pour déshydrater les tissus mous et les molécules biologiques avant l'examen par SEM des échantillons de fibres naturelles traités avec de l'eau bouillie et du coton MO avec E. coli. Une fois les échantillons préparés, les images SEM ont été acquises à l'aide de Quanta 650 ESEM (FEI) à une tension d'accélération de 5 kV à 15 kV, et les échantillons ont été recouverts d'un mélange or/palladium à l'aide d'EMS Sputter Coater pour éviter l'accumulation de charge statique.

Les ensembles de données qui appuient les conclusions de cette étude sont disponibles dans le référentiel de données du Texas à https://doi.org/10.18738/T8/BKRUCG. Il est également disponible sur Zenodo à https://doi.org/10.5281/zenodo.6607398

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Les auteurs tiennent à remercier Echo Global Farm, Floride, pour avoir fourni des graines de Moringa oleifera. Les auteurs remercient le Dr Katya Bazilevskaya pour son aide dans la préparation des échantillons et l'analyse de la surface à l'aide des mesures BET. Les auteurs tiennent à remercier le Dr Tammy Wood pour avoir fourni la souche fluorescente d'E. coli. Les auteurs tiennent également à remercier le Dr Boya Xiong pour avoir fourni le soutien nécessaire pour effectuer des mesures de potentiel de diffusion. Ce travail a été soutenu par un financement de la US National Science Foundation par le biais des subventions CBET-12022971, CBET-2027731 et CBET-1946392. Un soutien financier supplémentaire a été fourni par le département de génie chimique de la Pennsylvania State University, un programme REU de la National Science Foundation (EEC-1659497) et les programmes mondiaux de la Pennsylvania State University, et la Welch Foundation (F-1696).

McKetta Département de génie chimique, Université du Texas à Austin, Austin, TX, 78712, États-Unis

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

Département de génie civil, architectural et environnemental, Université du Texas à Austin, Austin, TX, 78712, États-Unis

Sophie De Respino et Manish Kumar

Département de génie chimique, Université d'État de Pennsylvanie, University Park, Pennsylvanie, PN, 16802, États-Unis

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

Division of Molecular Pharmaceutics and Drug Delivery, College of Pharmacy, Université du Texas à Austin, Austin, TX, 78712, États-Unis

Rashmi Prava Mohanty & Debadyuti Ghosh

Department of Civil, Environmental and Geo-Engineering, College of Science and Engineering, University of Minnesota, Minneapolis, MN, 55455, États-Unis

Claire Hartwig Alberg

Département de génie chimique, Université de Tuskegee, Tuskegee, AL, 36088, États-Unis

Joie Massey

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LS, SV et MK ont conçu et conçu la recherche. LS, SD, Y.-MT, RPM et MG ont réalisé les expériences avec l'aide de HO, CHA, AR-W., SM, CL et JMLS, SV et MK ont analysé les données. RC a réalisé les simulations d'amarrage moléculaire et rédigé les sections pertinentes. LS, SV et MK ont co-écrit l'article avec l'aide à la rédaction et les commentaires de Y.-MT, RPM, TT et DG

Correspondance à Manish Kumar.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Samineni, L., De Respino, S., Tu, YM. et coll. Élimination efficace des agents pathogènes dans les filtres Moringa en fibres naturelles durables. npj Clean Water 5, 27 (2022). https://doi.org/10.1038/s41545-022-00170-5

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Reçu : 04 décembre 2021

Accepté : 10 juin 2022

Publié: 06 juillet 2022

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

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