Hodnocení účinnosti a ekotoxicity nových antimikrobiálních/antifoulingových polymerů

Bc. Nina Pálešová

Bachelor's thesis

Effectivness and ecotoxicity assessment of new antimicrobial/antifouling polymers

Abstract:

The development of the microbial biofilm on the surface of filtration membranes (called biofouling) is accompanied with congestion and choking that negatively affects the operation cost and the quality of the products. There is a wide variety of methods for controlling biofouling – for example disinfection techniques or bacteriophage usage. One of the methods for biofouling control is modification of filtration membranes by antimicrobial and antifouling polymers. Such filtration membrane either kill microbes in the vicinity or repel them, so they cannot attach to the surface. There is available information about the formation and structure of biofilms and about the mechanisms of controlling in the scientific literature. Excellent biocidal properties are usually associated with some shortcomings such as negative impact on filtration system (oxidative decomposition of materials), quality of final product (contamination by chemical compounds) or the technique is not environmentally friendly (contamination by waste-water treatment plants outlets). Consequently, the choice of appropriate technique for controlling biofouling is difficult and the technique with smaller negative influence is most commonly used. There is an urgent need for the solutions of these problems but also for the new analytical techniques which can detect the negative impacts. Filtration membranes modified with antimicrobial and antifouling polymers have the potential to solve biofouling problem and represent the low-energy alternative for water treatment. The process of antimicrobial and antifouling filtration membranes development includes testing the biofilm formation prevention and the ecotoxicological impact. In this up and coming new field are no standard assays hence the authors choose different assays and techniques. The effectiveness of biofouling control relates to the quantification of biofilm on the surface. One possibility is the utilization of resazurin assay and we decided to optimize this assay in the experimental part of this thesis. We adjusted the method step-by-step and identified the key points of the experiment procedure: sterility, 24 hours cultivation with filtration membrane, washing away the planktonic microbes and 8 hours incubation with resazurin with simultaneous fluorometric measurement. By following the mentioned modifications, the resazurin assay provides the objective results of the quantity of biofilm on the membrane surface.

Abstract:

Rozvoj mikrobiálneho biofilmu na povrchu filtračných membrán (nazývaný taktiež biofouling) je spojený s ich zanášaním a upchávaním, čo vedie k zvýšeniu finančných nákladov a taktiež k zvýšeniu rizika kontaminácie výsledného filtračného produktu mikroorganizmami. Možností regulácie rastu biofilmu je veľa: od klasických dezinfekčných techník až po využívanie bakteriofágov. Jednou z nich je práve úprava filtračných membrán antimikrobiálnymi a antifoulingovými polymérmi, ktoré bunky potencionálneho biofilmu zabíjajú alebo zabraňujú ich prisadaniu. V odbornej literatúre sú dostupné informácie o tvorbe biofilmu, jeho zložení a o mechanizmoch pôsobenia jednotlivých typov jeho kontroly. Výber správnej techniky regulácie biofilmu je však náročný a v praxi sa väčšinou volí technika, ktorá spôsobuje takzvane „menšie zlo“. Výborné biocídne vlastnosti sú totižto často spájané s negatívnymi dopadmi technológie napríklad na filtračný systém (oxidatívne porušovanie materiálov), na kvalitu výsledného produktu (kontaminácia chemickými agens) alebo na životné prostredie (kontaminácia prostredia v okolí vyústení čističiek odpadných vôd). Všetkým týmto negatívam je venovaná vedecká pozornosť a neustále sa hľadajú nové modifikácie jednotlivých techník, či naopak modifikácie techník analyzujúce jednotlivé negatívne dopady. V nedávnej dobe prišli na vedeckú scénu antimikrobiálne a antifoulingové polyméry a nimi upravené filtračné membrány, ktoré majú potenciál vyriešiť problém biofoulingu a predstavujú taktiež víziu energeticky nenáročnej technológie čistenia vody. Pri vývoji antimikrobiálnych a antifoulingových membrán sa testuje najmä ich schopnosť zabraňovať tvorbe biofilmu a ekotoxikologická relevantnosť. V tejto relatívne novej oblasti nie sú zatiaľ žiadne štandardné postupy na otestovanie vybraných aspektov, autori volia teda rôzne techniky. Antimikrobiálna a antifoulingová účinnosť membrán súvisí s kvantifikáciou biofilmu na ich povrchu. Jednou z možností kvantifikácie buniek je využitie farbenia resazurínom, a práve túto metodiku sme sa rozhodli optimalizovať pre kvantifikáciu biofilmu na filtračnej membráne. Modifikovali sme jednotlivé kroky celého postupu a za kľúčové pre úspešný experiment považujeme sterilnú prácu, 24h kultiváciu kultúr v prítomnosti filtračnej membrány, zmytie planktonických baktérií a 8h inkubáciu v prítomnosti resazurínu za kontinuálneho fluorimetrického merania. Pri dodržaní presného postupu poskytuje táto metodika objektívne výsledky o množstve biofilmu narasteného na filtračnej membráne.

Keywords

biofouling, biofilm, antimikrobiálne polyméry, antifoulingové polyméry, dezinfekcia, biocíd, resazurín, antimicrobial polymers, antifouling polymers, disinfection, biocide

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2017
• Supervisor: RNDr. Mgr. Michal Bittner, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Experimental Biology / Special Biology