Hodnocení antimikrobiálních a ekotoxických vlastností nových typů nanovlákených membrán

Bc. Nina Pálešová

Diplomová práce

Evaluation of antimicrobial and ecotoxicological properties of new types of nanofiber membranes

Anotace:

Biofouling, nežádoucí růst mikroorganismů ve formě biofilmu na povrchu filtračních membrán, způsobuje, že tyto technologie pro čistění vody se stávají drahé a neefektivní. Existuje mnoho způsobů pro zmírnění jejich růstu, no všechny mají své výhody i nevýhody (např. tvorba toxických vedlejších produktů dezinfekce či drahá předúprava filtrovaného vzorku). Jedním z řešení je modifikace filtračních membrán antibakteriálními látkami, které by účinně zabraňovali tvorbě biofilmu na jejich povrchu. Zhodnocení účinnosti takto modifikovaných membrán zahrnuje testy jak antibakteriální, tak i ekotoxické. Existuje mnoho způsobů, jak tyhle dva aspekty otestovat, což je pravděpodobně důsledkem nedostatku standardizovaných postupů. V rámci experimentální části byla navrhnuta baterie testů pro zhodnocení antimikrobiálních a ekotoxických vlastností 18 filtračních materiálů určených pro filtraci vody, které se lišily podkladní vrstvou i antibakteriálním ošetřením (různé formy stříbrných nanočástic a kvartérní amoniové soli). Tyto nové materiály byly vyrobeny společnostmi Synpo a.s., COC s.r.o. a SPUR a.s. pro jihomoravskou vodárenskou společnost ASIO a.s. Resazurinové testy s modelovou bakterií Escherichia coli a vzorkem z výpustě čistírny odpadních vod, testy akutní inhibice s vodními korýši Daphnia magna a testy růstové inhibice s jednobuněčnými řasami Raphidocelis subcapitata byly provedeny pro otestování antibakteriální účinnosti (A) a případných ekotoxických účinků na necílové organismy. Některé materiály nevykazovaly žádnou antimikrobiální účinnost, jiné však vykazovaly velmi vysokou účinnost, ale i často také významné ekotoxické účinky na necílové organismy, což je nežádoucí. Výsledky tak naznačují, že filtrační textilie modifikované vyredukovanými stříbrnými nanočásticemi jsou nejvhodnější z testovaných materiálů, protože vykazovaly vysokých hodnot A a zároveň nízké hodnoty ekotoxicity. Kombinace těchto relativně rychlých a jednoduchých biotestů navržená v této studii tak poskytuje hodnotné informace o účinnosti a ekotoxicitě antimikrobiálně modifikovaných membrán a může tedy výrobcům doporučit, které membránové materiály mají využitelný potenciál pro reální aplikace.

Abstract:

Membrane biofouling, undesirable formation of the biofilm on the filtration membrane surface, renders membrane filtration technologies for water purification expensive and ineffective. There are several ways for its mitigation and all of them have their pros and cons (e.g. formation of disinfection by-products for chlorine disinfection or expensive pre-treatment of filtered samples). One of the solutions is modification of filtration membrane with antimicrobial agents resulting in decreased formation of biofilm on the surface. Evaluation of its efficacy encompasses antimicrobial and ecotoxicological assays. There are plenty of possible approaches for testing of these two aspects, probably due to the lack of standardized methodology. In experimental part, a battery of bioassays was designed for the antimicrobial and ecotoxicological evaluation of the 18 membrane materials varying in support layers and antimicrobial modification agents (different forms of silver nanoparticles and quaternary ammonium salts). These membranes were manufactured by Synpo Inc, COC Ltd. and SPUR Inc. for South-Moravian water treatment company ASIO Inc. Resazurin test with model bacteria Escherichia coli and the sample of natural microbial community form wastewater treatment effluent; acute inhibition test with water crustacea Daphnia magna and growth inhibition test with microalgae Raphidocelis subcapitata were employed to assess both antimicrobial efficacy (A) and ecotoxicological effects on non-target organisms. Some materials did not exhibit antimicrobial efficacy, some exhibited strong antimicrobial, but also strong ecotoxicological effects at the same time, which is undesirable. The results indicate the membranes for particulate filtration modified with silver nanoparticles are the best ones, due to their high A and low ecotoxicity. The combination of relatively easy and quick biotests developed in this study provides the first valuable information about the modified membranes and potential ecotoxicity, and can recommend the manufacturers which materials have a real-life application potential.

Keywords

Antimikrobiální filtrační membrána, ekotoxicita, filtrace, biofilm, biofouling, dezinfekce, biotest, Daphnia magna, Raphidocelis subcapitata, Escherichia coli, resazurin, nanočástice, stříbro, antimicrobial filtration membranes, ecotoxicity, filtration, disinfection, nanoparticles, silver

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 2. 1. 2020

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 6. 2. 2020
• Vedoucí: RNDr. Mgr. Michal Bittner, Ph.D.
• Oponent: RNDr. Iva Sovadinová, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Experimentální biologie / Speciální biologie