Технології
Технології

Антибактеріальний гідрогель очистив воду від патогенів за годину

Техаські дослідники створили гідрогель із антибактеріальними властивостями для очищення питної води від патогенних мікроорганізмів. Завдяки виділенню пероксиду водню та хінону в складі гідрогель порушує метаболізм бактерій, і протягом години здатний знищити понад 99 відсотків патогенів у воді без потреби джерела енергії. Детальний опис розроблення гідрогелю та його випробування вчені опублікували в журналі Advanced Materials.

Jens Johnsson / Pexels

Jens Johnsson / Pexels

Для чого нам нові способи очищення води?

Навіть за сучасного розвитку цивілізації забезпечення базової потреби людей у питній воді є одним із основних викликів. Зараз близько третини людей у всьому світі страждає від нестачі безпечної води. У країнах, що розвиваються, щороку гинуть мільйони людей через вживання забрудненої патогенними мікробами води. Зокрема, у середньому кожні дві хвилини помирає одна молодша за п'ять років дитина внаслідок діарейних захворювань, спричинених низькою якістю води та недостатньою санітарією. Зі зростанням несприятливих кліматичних явищ, пов'язаних зі стрімкою зміною клімату, та збільшення людської популяції можна очікувати, що нестача питної води протягом наступних років ще більше загостриться.

Наявні дешеві й ефективні методи очищення, як-от хлорування чи озонування, мають недолік у формуванні токсичних для здоров'я людини побічних сполук. А альтернативні методи, наприклад, дистиляція, що дає змогу безпечно усунути більшість забруднювачів, вимагає значних витрат енергії або коштів, які так само обмежені в окремих регіонах. Через це низка лабораторій працює над створенням нових підходів до очищення води, у тому числі завдяки новітнім матеріалам, що будуть доступними, дієвими та безпечними. Група дослідників із Техаського університету в Остіні теж розробила такий на основі гідрогелю.

Яким є розроблений матеріал?

Новий гідрогель вчених у готовому вигляді має подібну на губку структуру чорного кольору. Він складається із двох основних речовин, які мають бактерицидні властивості. Перша — це хітозан, функціоналізований катехолом, завдяки чому при контакті з повітрям або водою він виділяє небезпечний для мікробів пероксид водню. Другим дієвим компонентом є модифіковані хіноном вуглецеві частинки, що реагують із біологічними молекулами, посилюючи антибактеріальний ефект. Наявність великої кількості пор різного розміру збільшує площу матеріалу, завдяки чому з його поверхнею контактуватиме більше забруднювачів у воді.

Прототип гідрогелю для очищення води науковці створили у вигляді таблеток, що їх можна безпосередньо помістити у посудину із забрудненою водою. Таблетка не виділяє жодних хімічних забруднювачів, тому після дезінфекції її можна просто витягти з придатної до вживання води.

Таблетка гідрогелю у склянці забрудненої води. The University of Texas at Austin

Таблетка гідрогелю у склянці забрудненої води. The University of Texas at Austin

Наскільки вдалою виявилася ідея з гідрогелем для води?

Початкові випробування своєї технології вчені здійснили з використанням води, попередньо забрудненої бактеріями кишкової палички (Escherichia coli), сінної палички (Bacillus subtilis) та синьогнійної палички (Pseudomonas aeruginosa), яка часто зустрічається у ґрунті та воді, та здатна спричиняти інфекції внутрішніх органів. Усього через годину після додавання гідрогелю у дозуванні шість міліграмів на 100 мілілітрів води до хімічної склянки спостерігалося скорочення кількості бактерій у ній на 99,9999 відсотка.

Через те, що розроблений гідрогель не потребує джерела енергії, а також виготовлений із дешевих матеріалів, науковці сподіваються, що він зможе знайти широке застосування в регіонах із нестачею чистої питної води.

Тестування також показали, що гідрогель може покращити ефект іншого метода очищення води — сонячної дистиляції. Він ґрунтується на відокремленні чистої води від її забруднювачів завдяки використанню сонячного тепла для випаровування, але у процесі окремі елементи системи забруднюються мікробами. У дослідах описаний гідрогель проявив високу стійкість до накопичення мікроорганізмів, забезпечуючи при цьому високий показник випаровування та очищення води від патогенів і хімічних забруднювачів, при його занурені у річкову або ставкову воду до 90 днів.

Схематичне зображення сонячної дистиляції, де антибактеріальний гідрогель на поверхні забрудненої води позначений як ABH. Youhong Guo et al. / Advanced Materials, 2021

Схематичне зображення сонячної дистиляції, де антибактеріальний гідрогель на поверхні забрудненої води позначений як ABH. Youhong Guo et al. / Advanced Materials, 2021