اثر فرکانس‌های مختلف در به دام انداختن پاتوژن‌های باکتریایی در تصفیه آب آرشیو مقالات

چکیده:

این مقاله به حذف پاتوژن‌های حمل شده در تصفیه آب با استفاده از فیلتر اعمال نیرو به ذره دی الکتریک dielectrophoresis  (DEP) می‌پردازد که با فرکانس‌های مختلف پتانسیل اعمال شده از 10 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز با سطح ولتاژهای مختلف 5، 10، 15 و 20 ولت نیرو داده شده است.

آزمایش‌های جداگانه‌ای در نمونه ‌آب‌های آلوده شده بصورت مصنوعی با اشریشیا کلی Escherichia coli، استافیلوکوکوس اورئوس Staphylococcus aureus و ویبریو کلرا Vibrio cholerae تا دو ساعت انجام شد. اثر فرکانس و ولتاژ سیگنال بر سیستم بهبود کیفیت آب مبتنی بر DEP بصورت آماری تحلیل شد. نتایج نشان داد که یک سیگنال AC 20 ولتی با محدوده فرکانس 500 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز مناسب حذف جمعیت باکتریایی آزمایش شده و نرخ حذف E. coli است. ای کولای با کارایی فیلتراسیون اعمال نیرو به دی الکتریک ۷۷.۱ ٪ بالاترین است.

پیش گفتار

پاتوژن‌های حمل شده در آب اولین عامل مسبب مرگ و میر بالا بوده‌اند. گزارش سازمان بهداشت جهانی نشان داد که بیش از 2.5 میلیون نفر در سال بر اثر بیماری‌های درون آب می‌میرند. تقریبا 80% بیماری‌ها و بیش از یک سوم مرگ و میرها در کشورهای درحال توسعه به علت مصرف آب آلوده بوده که باعث افزایش سطح نگرانی عمومی و حرفه‌ای در مورد ایمنی آب در مورد بروز گزارش شده بیماری‌های موجود در آب و تشخیص عوامل جدید مسبب بیماری‌ها شده است.

اگرچه ناکافی بودن آب آشامیدنی و سیستم تخلیه فاضلاب عوامل اصلی شیوع بیماری و مرگ و میر هستند اما بهبود مناسب آب با استفاده از یک روش مناسب باعث بدست آوردن آب آشامیدنی خالص و امن می‌شود. در میان بسیاری از پاتوژن‌های موجود در آب، اشریشیا کلی Escherichia coli، استافیلوکوکوس اورئوس Staphylococcus aureus و ویبریو کلرا Vibrio cholerae مضرترین پاتوژن‌ها برای سلامت انسان هستند.

سیستم‌های تصفیه آب فعلی که از منفذها برای گرفتن ذرات آلوده کننده استفاده می‌کنند، این نقص را دارند که بخاطر ذرات موجود در آب گرفته و مسدود می‌شوند ، در نتیجه مرتبا باید نگهداری شوند که هزینه عملیات را بالا می‌برد. این سیستم‌ها برای دستیابی به نتایج میکروبیولوژیکی مورد انتظار به زمان بسیار طولانی نیاز دارند و مناسب تشخیص سریع و بلادرنگ در زمان اضطرار نیستند.

روش‌های سنتی جداسازی ریزجانداران از جمله الکتروفوز، محدودیت‌های ذاتی خود را دارد که میکروب‌ها براساس خصوصیات نسبت شارژ به توده خود جدا می‌شوند و قابل انتخاب نیست و به محیط‌های شیمیایی مختلف بستگی دارد. حرکت ذرات در الکترود با خصوصیات دی الکتریک تعیین شده (رسانایی و گذردهی).

دی الکتروفورز (DEP) (اعمال نیرو به دی الکتریک) به دلیل توانایی تمرکز و جداسازی ریزجانداران بصورت انتخابی، سریع و برگشت‌پذیر، جایگزینی برای روش‌های قبلی است. حرکت یک ذره به علت نیروی بدون تعادل موجود در یک میدان الکتریکی غیریکپارچه، ذره را بصورت الکترواستاتیکی در طول شیب میدان الکتریکی هل می‌دهد که باعث تولید یک نیروی الکترواستاتیکی نامتعادل روی شارژ در یک ذره می‌شود که DEP نامیده می‌شود.

این مکانیزم دارای وابستگی غیرخطی به میدان الکتریکی دارد و می‌تواند تراکم همچنین جداسازی ریزجانداران را در سیستم‌های مانیتورینگ آب انجام دهد. پدیده DEP برای حذف پاتوژن‌های موجود در خوراک با استفاده از یک چیپ DEP با یک ولتاژ ثابت AC و فرکانس 20 ولت و 1 مگاهرتز انجام می‌گیرد. فرکانس‌های سیگنال مختلف هستند و عملکرد دام‌های DEP برای شناسایی باکتری در [7] تحلیل شده است. هرچند اثر خصوصیات وابسته به فرکانس و ولتاژ پدیده DEP برای تصفیه آب آشامیدنی تا بحال مورد بررسی قرار نگرفته است.

در این بررسی، تلاش کرده‌ایم پاتوژن‌های انتخابی را با استفاده از سیستم DEP از آب آلوده شده بصورت مصنوعی حذف کنیم. علاوه بر این، تحلیل کمیتی در خصوص خصوصیات تغییر کننده پدیده DEP در خصوص تغییر فرکانس و ولتاژ در به دام انداختن پاتوژن‌ها از آب آلوده شده انجام شده است.

نتایج تجربی

سه باکتری مختلف اشریشیا کلی Escherichia coli، استافیلوکوکوس اورئوس Staphylococcus aureus و ویبریو کلرا Vibrio cholerae از آب آشامیدنی جدا شدند تا نمونه‌ آب‌های آلوده شده بصورت مصنوعی جداگانه آماده شوند و حجم‌های مشخصی از کلوم به آب استریل دی یونیزه شده اضافه شد.

برای بررسی کارایی DEP 100؛ 50 و 10 اینوکلوم‌های(inoculum ماده تلقیحی) 18-16 ساعته به 99 میلی لیتر آب دی یونیزه اضافه و آماده رقیق‌سازی  شد. از اینجا ۰.۱ میلیمتر اینوکلوم به ظرف آگار مغذی و شکر سویا (هیمدیا، هند) اضافه و به مدت 24 ساعت در دمای 37 درجه سانتیگراد نگهداری شد تا تعداد سلول‌های زنده سه برابر بدست آید. CFU در هر رقیق‌سازی با استفاده از شمارشگر کلونی تعیین کمیت شد. برای بدست آوردن بار سلول باکتری، مشاهده طیف نورسنجی در 530 نانومتر انجام شد.

طراحی چیپ DEP شامل دو الکترود رسانا با ضخامت ۰.۵۴ میلیمتر و طول 15 میلیمتر ورق‌های مسی بود که بصورت موازی با فاصله 2 میلیمتری از هم قرار گرفتند. یک محفظه شیشه‌ای با ضخامت 5 میلیمتر، طول 15 میلیمتر و عرض 10 میلیمتر آنها را پوشانده و مهره شیشه‌ای نازک از جنس بوروسیلیکات borosilicate  با قطر 2 میلیمتر بین الکترودهای مسی قرار گرفته بطوری که فاصله‌ی بدست آمده با مهره‌های شیشه‌ای در یک فایل پر شده و به حوزه‌های میدان الکتریکی قوی روی سطح برای گرفتن سلول‌ها یافت شود.

محفظه شیشه‌ای به پورت‌های ورودی و خروجی برای بکارگیری و جمع‌آوری نمونه آلوده مجهز شده است. الکترودهای مسی با شکل موج سینوسی AC از منبع ژنراتور با فرکانس قابل کنترل و تقویت کننده شارژ شده که سطوح ولتاژ خروجی متغیری می‌دهد.

در سیستم فیلتر طراحی شده DEP، 1 میلی لیتر از اینوکلوم اضافه شده به آب دی یونیزه شده (متوسط تعداد CFU/mL) برای 2 ساعت (نرخ جریان mL/min1) در دمای اتاق (34 درجه) گردش کرد. جذب (530 نانومتر) و تعداد سلول‌های زنده سوسپانسیون باکتریایی پیش و پس از گردش سنجیده شد.

یک سیگنال AC در محدوده ولتاژ 5؛ 10؛ 15 و 20 ولت با فرکانس‌های مختلف از 10 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز به مدت 2 ساعت به آب آلوده شده بصورت مصنوعی اضافه شد. نمونه پردازش شده بار دیگر اندود شد تا سلول‌های زنده بدست آید و خواندن طیف نورسنجی نیز در تمام نمونه‌ها انجام شد. کارایی فیلتراسیون دی الکتروفورتیک (DFE, %) با این معادله محاسبه شده است:

کارایی کل فیلتراسیون (TFE, %) که به کارایی حذف سلول نیز شناخته شده بدین صورت محاسبه شده

که  و  تعداد سلول‌ها پیش و پس از گردش با اعمال ولتاژ است.  تعداد بدون اعمال ولتاژ، تعداد سلول‌های اولیه است.

داده‌های بدست آمده با استفاده از ابزار آماری SPSS 17 تحلیل شد. برای تشریح درجه رابطه بین دو متغیر، فرکانس سیگنال و خواندن طیف نورسنجی، با استفاده از ضریب کارل پیرسون Karl Pearson’s همبستگی پیدا می‌کنیم. برای یافتن ناحیه همگرایی، نرخ فرکانس را به سه گروه دسته‌بندی کرده و انحراف معیار برای گروه‌های فرکانس سیگنال 10 تا 50 کیلوهرتز (گروه کم)، 100 تا 300 کیلوهرتز (گروه متوسط) و 500 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز (گروه بالا) اعمال شده است.

نتایج و بحث

در  این بررسی، توانایی فیلتراسیون DEP سیستم (DF) برای گرفتن E کلی، S آریوس و V کلورا در نمونه آب آلوده شده بصورت مصنوعی آزمایش شد. فیلتراسیون مهمترین روش حذف باکتری از هر نوع مایعی است.

به دلیل نقص‌هایی مانند هزینه، گرفتن فیلتر و زمان و دوره سیستم فیلتراسیون، کارهای قبلی بر نیاز به یک روش جایگزین برای روش‌های موجود تاکید داشتند. کمیاب بودن آب و شیوع بیماری‌ها و آلوده‌کننده‌های موجود در آب از طریق پاتوژن‌های موجود در آب باعث افزایش خطرات سلامتی می‌شود.

شمارش اولیه باکتری در ساعت صفر در شمارشگر کلونی و طیف نورسنج (در 530 نانومتر) تخمین زده شد (داده‌ها نشان داده نشده‌اند). بدون استفاده از ولتاژ، سلول‌های میکروبی در سیستم DF بدست نیامدند. رابطه بین انتقال باکتری‌های شارژ شده تک سلولی به هنگام قرارگیری در یک میدان الکتریکی مشاهده شد. با افزایش ولتاژ الکترود، سلول‌های بیشتری حول مهره‌های شیشه‌ای جمع شدند و همچنین باعث افزایش نرخ گیر افتادن شدند.

مقدار اولیه E کلی در ولتاژ صفر ۰.۸۶۵ و با DEF  ۷۷.۱ % و TFE ۸۲.۰۸ % تا ۰.۰۰۳ کاهش یافت. برای Sآریوس، مقدار اولیه ۰.۰۹۴ با یک DEF ۷۵.۳۵ و TFE ۹۱.۴۹% تا ۰.۰۰۳ کاهش یافت و مقدار V کلور نیز از مقدار اولیه ۰.۹۱۲ تا۰.۰۰۹ با DEF ۷۳.۸% و TFE ۷۷.۴۱% کاهش یافت.

نتایج در جدول 1 نشان داده شده‌اند و منحنی‌های شکل 3-1 مقایسه کاهش جمعیت باکتری براثر تغییر فرکانس و ولتاژ اعمال شده را نشان می‌دهد. نمایش گرافیکی نشان می‌دهد که 20 ولت مناسب ترین ولتاز برای بازدارندگی موثر جمعیت باکتری در هر سه مورد است و همچنین مشاهده شد که ورای 1 مگاهرتز کاهش قابل توجهی در تعداد باکتری وجود ندارد.

علاوه بر این، دریافتیم که بکارگیری ولتاژ AC همبستگی منفی با تعداد باکتری در هر سه نمونه دارد. همبستگی در S آریوس با ولتاژ 5 ولت منفی‌تر است (۰.۸۷۷-) و در E.coli با اعمال ولتاژ 20 ولت کمتر منفی است (۰.۵۲۸-). نتیجه (همبستگی منفی ۰.۸- تا ۰.۵-) نشان دهنده حذف موثر جمعیت باکتری است (جدول2).

همبستگی منفی بین ولتاژ اعمال شده و تعداد باکتری صورت گرافیکی در شکل 4 نشان داده شده است. علاوه براین، مقادیر بدست آمده از کارایی فیلتراسیون نیز نامشابه با باکتری‌های مختلف تست شده است و اندازه باکتریایی، ریخت‌شناسی و حرکت سلول در میدان الکتریکی احتمالا می‌تواند دلیل تفاوت بدام افتادن سلول‌های باکتریایی مورد آزمایش باشد.

از آنجایی که گرمایش ژول بزرگی به علت غوطه وری الکترود در میدان الکتریکی بالا رخ می‌دهد، رفتار سلول بیولوژیکی تنها تحت تاثیر DEP نیست بلکه تحت تاثیر همرفت گرمایی جریان مایع در سیستم  است که همه با هم منجر به بدام افتادن بالای سلول‌های بیولوژیکی در ولتاژ بالا می‌شوند. ولتاژ سیگنال اعمال شده از 5 ولت به 20 ولت افزایش یافته تا نیروی تولیدی DEP برای پوشاندن نیروی کشیدن اعمال شده توسط جریان مایع در DF بهبود یافته در نتیجه ذرات معلق را بتوان بدام انداخت.

ناحیه همگرایی بیشترین حذف جمعیت باکتری در کل محدوده فرکانسی با طبقه‌بندی فرکانس به سه ناحیه تخمین زده شده است، گروه پایین، گروه متوسط و گروه بالا. انحراف معیار و متوسط خواندن طیف سنج برای سه گروه فرکانس در جدول 3 آورده شده‌اند. کمترین انحراف در گروه فرکانس بالا (500 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز) با انحراف ۰.۰۰۶۵ ±  و متوسط ۰.۰۱۶۹ با ۰.۰۲۴ به عنوان بیشترین و کمترین خوانش برای S آریوس نشان داده شده است که نشان دهنده حوزه همگرایی است.

نتیجه گیری

ما راهکار نوآورانه‌ی تصفیه آب با استفاده از پدیده دی الکتروفور را بررسی کردیم. خصوصیات استثنایی سیگنال‌های الکتریکی از جمله فرکانس و ولتاژ در بررسی ما استفاده شدند تا عملکرد سیستم DEP در حذف پاتوژن‌های موجود در آب بهبود یابد و از سالم بودن آب آشامیدنی اطمینان یابیم.

عملکرد سیستم DEP ما با استفاده از نمونه‌ آب‌های آلوده شده بصورت مصنوعی با اشریشیا کلی Escherichia coli، استافیلوکوکوس اورئوس Staphylococcus aureus و ویبریو کلرا Vibrio cholerae آزمایش شد. تحلیل آماری نشان داده که تغییر خصوصیات سیگنال به عملکرد بهبودیافته DF در حذف باکتری کمک می‌کند. بالاترین کارایی DF برای به دام انداختن جانداران آزمایش شده در 20 ولت و فرکانس حدود 500 کیلوهرتز تا 2 مگاهرتز مشاهده شده است.