Biofilm yang bermanfaat berfungsi sebagai 'probiotik' untuk mengontrol biofouling

Biofilm (Juli 2019).

Anonim

Sebuah tim insinyur kimia di Penn State telah mengembangkan biofilm yang bermanfaat dengan kemampuan untuk mencegah biofouling membran reverse osmosis (RO).

Biofilm memungkinkan membran untuk membatasi ketebalan mereka sendiri melalui sirkuit quorum-sensing, dan akhirnya untuk mengurangi terjadinya biofouling dalam sistem pengolahan air berbasis membran dengan melepaskan bahan kimia yang mengusir bakteri yang tidak diinginkan.

"Kami menyadari bahwa akumulasi film mikroba dalam membran pengolahan air tidak dapat dihindari, " kata Manish Kumar, asisten profesor teknik kimia dan peneliti utama pada proyek tersebut. "Tapi sama seperti bakteri baik yang ada di usus Anda untuk membuat Anda tetap sehat, kami memperkirakan bahwa bakteri yang membantu dalam RO mungkin dapat mencegah reproduksi biofilm yang tidak terkendali. Pada dasarnya, metode kami adalah 'pendekatan probiotik' untuk memerangi biofouling."

Dengan permintaan akses ke air yang aman dan bersih yang meningkat secara global, teknologi penyaringan membran dengan cepat menjadi cara populer untuk memanfaatkan sumber air berkualitas rendah dan mudah melimpah seperti air laut, air payau dan air limbah daur ulang.

Komplikasi dengan sistem ini sering muncul, bagaimanapun, paling sering dalam bentuk biofouling-penumpukan mikroba dan bakteri pada permukaan membran yang menyebabkan penyumbatan dan mengarah ke penurunan permeabilitas membran dan peningkatan keseluruhan dalam konsumsi energi.

Untuk menemukan solusi untuk masalah ini, Kumar bekerja sama dengan para kolaborator dan rekan penyelidik, Thomas Wood, Ketua Profesor Bioteknologi dari Teknik Kimia, dan Tammy Wood, rekan peneliti di Departemen Teknik Kimia, untuk mempelajari interaksi membran-biofilm dan atribut biokimia mereka..

Juga membantu dalam proyek ini adalah mahasiswa pascasarjana Jurusan Teknik Kimia Rajarshi Guha dan sarjana postdoctoral Li Tang. Selain itu, proyek ini didukung oleh dua mahasiswa sarjana; Michael Geitner, peneliti sarjana dan rekan PPG, dan Fabiola Agramonte, seorang mahasiswa sarjana dari Universitas Puerto Rico yang berpartisipasi sebagai bagian dari program Research Experience for Undergraduates (REU) departemen yang didukung oleh National Science Foundation.

Apa yang para peneliti temukan adalah bahwa pengenalan "bakteri baik" dalam RO dapat membatasi pertumbuhan bakteri berbahaya, yang pada akhirnya menghambat pembentukan biofilm yang menyebabkan biofouling.

"Apa yang kami buat adalah sel pertama yang mampu berbicara dengan dirinya sendiri untuk mengontrol pembentukan biofilm, " Thomas Wood menjelaskan. "Melalui rekayasa genetika, kami telah mengembangkan sel yang mampu mengenali ketika telah mencapai kepadatan tertentu, dan pada gilirannya, mengirimkan tanggapan untuk berhenti membuat biofilm. Kami menyebutnya 'membran osmosis balik hidup' atau 'LROM." Kemampuan sel untuk membatasi ketebalannya sendiri menjamin bahwa biofilm yang baik itu sendiri tidak menyebabkan fouling. "

Biofilm yang dikendalikan sendiri tumbuh jauh lebih lambat daripada biofilm yang tidak terkendali dan diaktifkan dengan diperkenalkannya unsur-unsur rekayasa genetika ke E. coli. Dalam percobaan percobaan, E. coli yang direkayasa ini berhasil memperlambat produksi strain Pseudomonas dan Sphingomonas, dua bakteri paling umum di RO, sekaligus melindungi membran.

Pendekatan yang diusulkan menggunakan rekayasa biofilm dalam proses membran juga dapat memberikan manfaat untuk keberlanjutan. Metode saat ini untuk memerangi biofouling melibatkan penambahan bahan kimia yang disebut biocides, yang dapat merusak lingkungan dan menciptakan biaya besar. Pendekatan LROM berpotensi memberikan alternatif yang lebih aman dan lebih hijau.

Para peneliti telah menguji kelayakan sistem mereka baik dalam percobaan jangka panjang maupun jangka pendek di bawah berbagai kondisi fluks. Tantangan mereka berikutnya adalah melakukan pengujian berskala lebih besar dan menargetkan peluang baru untuk teknologi tersebut — mungkin dalam lingkup perangkat biomedis.

"Akhirnya kami berencana untuk menguji lebih dari sekedar dua bakteri referensi kami dan memperluas aplikasi potensial untuk teknologi ini, " kata Kumar. "Secara teoritis, metode ini dapat diterapkan pada perangkat biomedis dan implan untuk mengurangi kemungkinan kegagalan karena infeksi biofilm."

Pekerjaan ini didukung oleh hibah dari National Science Foundation yang diberikan pada tahun 2014, termasuk suplemen REU pada tahun 2015.

Pada bulan November 2015, Penn State mengajukan paten sementara pada teknologi dan secara aktif mencari mitra industri untuk mengkomersialkan ide ini.

Kertas peneliti, "Membran Biofouling-Tahan Hidup: Sebuah Model untuk Penggunaan yang Bermanfaat dari Rekayasa Biofilm, " ditampilkan dalam Prosiding National Academy of Sciences Amerika Serikat pada 2 Mei 2016.

menu
menu