Сотрудники Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) и Совместного российско-вьетнамского тропического научно-исследовательского и технологического центра (Ханой) разработали гибридный адсорбент на основе полимерных микроволокон и наноструктур оксида алюминия и серебра для фильтрации воды от вредных бактерий. Материал продемонстрировал стопроцентную эффективность при очистке воды с высоким бактериальным загрязнением из источников города Ханоя. Результаты исследования опубликованы в журнале «Физика и химия обработки материалов».
Из-за урбанизации водоемы, расположенные внутри и близ городов, подвергаются всё возрастающей антропогенной нагрузке, которая сопровождается и бактериальным загрязнением. Основными источниками этого загрязнения выступают бытовые сточные воды: стоки больниц, прачечных, предприятий пищевой промышленности и других. Эта проблема усугубляется и тем, что многие водоемы используются для питьевого водоснабжения и в сельскохозяйственных целях.
Особую опасность для здоровья людей могут представлять микробные загрязнения на территориях с высокой плотностью населения, к которым относится и столица Вьетнама Ханой. Примерно 96% сточных вод города сбрасываются в реки без очистки, причем в реку То Лич поступает более двух третей этих стоков. Несмотря на то что сейчас власти Ханоя прилагают усилия по очистке воды, ее качество всё еще остается низким, она непригодна в качестве питьевого источника и не может использоваться даже для бытовых целей. Так, исследование проб водопроводной воды в дошкольных учреждениях и начальных школах Ханоя показало, что она часто загрязнена колиформными бактериями и/или кишечной палочкой. Поэтому в городе есть необходимость доочистки и обеззараживания водопроводной воды до безопасного уровня. Существует также потребность обеспечивать качественной питьевой водой жителей отдаленных районов и людей, пострадавших от стихийных бедствий.
Одно из возможных решений этих проблем предложили сибирские ученые. В лаборатории физикохимии высокодисперсных материалов ИФПМ СО РАН под руководством доктора технических наук Марата Израильевича Лернера была разработана технология одноступенчатой иммобилизации наноразмерных структур на микроволокнах целлюлозы. Исследование показало, что наноразмерные структуры оксида алюминия, модифицированные наночастицами серебра, демонстрируют высокую антимикробную активность в отношении штаммов кишечной палочки, золотистого стафилококка и метициллин-резистентного золотистого стафилококка.
Особенность материала — это использование гетерофазных частиц, каждая из которых содержит и серебро, и алюминий. При окислении таких частиц в присутствии микроволокон на поверхности последних образуются наноструктуры AlOOH/Ag в виде тонких листов с включением наноразмерных кластеров серебра.
Такой материал удерживает бактериальные клетки за счет электростатического взаимодействия. «Наши адсорбенты имеют положительный заряд в широком диапазоне рН. В первую очередь они адсорбируют бактериальные клетки за счет электростатического притяжения отрицательно заряженной клетки к положительно заряженным листам AlOOH. После физической адсорбции благодаря серебру происходит дезактивация бактерий. При этом серебро остается закрепленным на листах AlOOH и практически не вымывается при фильтрации воды. В результате бактерии дезактивируются только при контакте с материалом, что снижает токсичность серебра для окружающей среды», — отмечает старший научный сотрудник ИФПМ СО РАН доктор технических наук Ольга Владимировна Бакина.
Испытания технологии проходили в лаборатории Совместного российско-вьетнамского тропического научно-исследовательского и технологического центра (Тропический центр) во Вьетнаме на пилотной фильтрационной установке. Для исследования использовали пробы воды из реальных загрязненных источников Ханоя.
Результаты показали, что материал на основе полимерных микроволокон с иммобилизованными частицами AlOOH/Ag в динамических условиях адсорбировал 100% микроорганизмов из всех проб воды. При фильтрации воды из реки То Лич происходило ее полное осветление и пропадал неприятный запах канализационных стоков.
«Наш метод обладает рядом преимуществ, таких как сочетание высокой эффективности и скорости фильтрации, отсутствие токсичных побочных продуктов (которые образуются, например, при хлорировании). Его применение достаточно просто и не требует специальных стационарных систем — установок обратного осмоса. Еще одно преимущество — широкий спектр действия. Наши фильтры эффективно удаляют любые штаммы бактерий, даже антибиотикоустойчивые. Также испытания показали возможность многократного применения материала без снижения эффективности очистки», — рассказывает Ольга Бакина.
Ученые отмечают, что такой фильтр не представляет опасности для человека. «В связи с тем, что этот материал угнетает бактерии только при непосредственном контакте (после электростатической адсорбции), его опасность для человека минимальна, что подтверждают испытания токсичности водных вытяжек. При проведении испытаний не обнаруживалось ингибирование роста фибробластов — чувствительных клеток, используемых как модель оценки цитотоксичности in vitro», — комментирует Ольга Бакина.
В России этот адсорбент может использоваться в системах очистки сточных вод в качестве последней ступени вместо обработки ультрафиолетом, а также в качестве компонента антибактериальных фильтрующих материалов для фармацевтики и пищевой промышленности. Во Вьетнаме на его основе можно создавать недорогие сорбенты для очистки воды от красителей и пестицидов, а также биоразлагаемую упаковку с антимикробными свойствами для продукции сельского хозяйства (например, для сохранения свежести фруктов и риса). Кроме того, такие сорбенты можно применять в составе влагопоглощающих и противогрибковых материалов для защиты одежды и жилых помещений в условиях тропического климата.
Сейчас ученые работают над усовершенствованием технологии. В частности, планируется расширить спектр наночастиц для иммобилизации, чтобы уйти от благородных металлов. Исследователи хотят апробировать гетерофазные системы, такие как Cu/Zn, Fe/Zn, Fe/Cu. Также для расширения возможностей композитов специалисты собираются использовать двойные системы, содержащие ферриты металлов (соединения оксидов железа с оксидами других металлов. — Прим. ред.). Кроме того, осуществляются шаги по переходу от лабораторного синтеза к непрерывной схеме получения гибридного материала путем иммобилизации наноструктур на рулонных целлюлозных нетканых полотнах.
«Сейчас мы совместно с вьетнамскими партнерами подаем заявку на проект, направленный на создание композитных материалов с фотокаталитической самоочищающейся поверхностью для разложения органических загрязнителей (антибиотики, гормоны) под действием солнечного света. Важным аспектом остается также проблема биоразлагаемости, миграции наночастиц в окружающую среду и разработка методов регенерации отработанных материалов с возможностью повторного использования целлюлозной матрицы», — отмечает Ольга Бакина.
Исследование осуществляется в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, проект FWRW-2026-0004.
Автор: Диана Хомякова
Информация предоставлена Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
Источник фото: ru.123rf.com
