Calcium fluoride and silver nanocomposite membranes for biofouling prevention

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sousa, Luís Cláudio de
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/48378
Resumo: Tese de mestrado em Microbiologia Aplicada, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020
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spelling Calcium fluoride and silver nanocomposite membranes for biofouling preventionBiofoulingUltrafiltraçãoMembranas nanocompósitasNanopartículas de fluoreto de cálcioNanopartículas de prataTeses de mestrado - 2020Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências BiológicasTese de mestrado em Microbiologia Aplicada, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020A tecnologia de separação por membranas assume um papel cada vez mais importante no tratamento de águas. A permeação por membrana ocorre a partir de um gradiente de pressões entre a alimentação e o permeado, com a membrana a atuar como barreira à passagem de partículas ou solutos. A capacidade de separar componentes cada vez mais pequenos divide os processos de separação por membrana em quatro categorias: microfiltração (MF), ultrafiltração (UF), nanofiltração (NF) e osmose inversa (RO). As aplicações desta tecnologia são variadas, desde a dessalinização utilizando membranas de RO à remoção de agentes patogénicos de águas de consumo com membranas de UF. Ao longo do processo de permeação pode ocorrer a acumulação de componentes da alimentação na superfície da membrana e/ou dos poros (em membranas porosas como as de MF e de UF). Este fenómeno, designado por fouling, leva a uma diminuição do fluxo de permeado através da membrana, representando um dos maiores fatores limitantes à aplicação da tecnologia de membranas. Dependendo do tipo de material acumulado na membrana, fouling pode ser dividido em quatro principais categorias: fouling coloidal, com a acumulação de partículas de elevadas dimensões; fouling inorgânico, como a precipitação de sais; fouling orgânico, com a adesão de diferentes compostos orgânicos ou polímeros; e biofouling, causado pela formação de biofilmes na superfície da membrana. São vários os processos usados no controlo de fouling, seja pelo pré-tratamento da alimentação ou pela utilização de ciclos de limpeza da membrana. No entanto, a eficácia de qualquer um destes processos é limitada. O pré-tratamento da alimentação é comum, mas comporta um aumento de custos e não previne completamente o aparecimento de fouling. A limpeza de membranas divide-se em dois grupos de processos: limpeza física e limpeza química. A limpeza física é utilizada em períodos regulares durante a operação de permeação, mas não permite uma recuperação completa da permeabilidade da membrana. A limpeza química é aplicada quando a perda de permeabilidade não é recuperável com limpeza física, sendo limitada pela possibilidade de causar degradação da membrana. Biofouling é particularmente problemático em termos de controlo. Para evitar a formação de biofilmes na membrana são necessários protocolos de desinfeção da alimentação; quando estes se revelam ineficazes, a remoção de biofilmes implica a limpeza química da membrana. Novas formas de controlo de biofouling são, portanto, necessárias. A modificação de membranas para a aquisição de resistência inata a biofouling é cada vez mais estudada. Estas modificações focam-se em diminuir a adesão dos biofilmes ou em diminuir a proliferação de células nos biofilmes. A segunda opção foi desenvolvida nesta dissertação. Membranas nanocompósitas – membranas com nanopartículas na matriz – foram desenvolvidas anteriormente, utilizando nanopartículas com conhecida, ou prevista, atividade antimicrobiana. Dois tipos distintos de membranas nanocompósitas de acetato de celulose para UF foram reproduzidas, a partir de trabalhos anteriores, e avaliadas em potencial antibacteriano como proxy para atividade anti-biofilme. As membranas nanocompósitas de fluoreto de cálcio testadas nesta dissertação foram originalmente desenvolvidas por Estrada (Estrada, 2017). A atividade antibacteriana das membranas, ou das nanopartículas em si, não foi avaliada anteriormente. No entanto, esta atividade já foi observada com outras nanopartículas de fluoreto de cálcio (CaF2 NP). A ação de CaF2 NP é dependente da libertação do ião fluoreto para o meio. Já foram demonstradas várias interações entre F- e o metabolismo de bactérias. F-, sozinho ou em complexo com outros iões, inibe a atividade de enzimas como a enolase ou a ATPase. A homeostasia de pH das células é vista como um dos principais alvos de F-. A entrada de F- na célula é aumentada em meios com pH baixo: nestes ambientes, F- tem tendência a formar ácido fluorídrico. A permeabilidade das membranas celulares a HF é superior a F-, o que leva uma maior entrada na célula. No interior da célula, HF dissocia-se, simultaneamente diminuindo o pH intracelular e aumentando a concentração F-, que por sua vez inibe a atividade de exportadores de protões. Adicionalmente, a libertação de F- de CaF2 NP é aumentada em meios ácidos. A diminuição do pH aparenta ser um fator importante para aumentar a atividade destas nanopartículas. A atividade antibacteriana de CaF2 sob a forma de nanopartícula, e o impacto do pH nesta, não puderam ser avaliados nesta dissertação. Diversas variações do protocolo proposto por Estrada para a produção de CaF2 NP falharam na produção de nanopartículas. O resultado da síntese foi, invariavelmente, a produção de partículas maiores que 100 nm, ou seja, de micropartículas. As micropartículas obtidas não mostraram efeito contra Escherichia coli, independentemente do pH do meio. A falta de atividade antibacteriana pode ser consequência do seu tamanho. Tendo em conta que as partículas descritas por Estrada não foram reproduzidas, e que as partículas produzidas não demonstraram atividade antibacteriana, as membranas nanocompósitas de fluoreto de cálcio não foram produzidas e testadas. Prata, iónica ou sobre a forma de nanopartículas metálicas tem, ao contrário de CaF2 NP, um historial alargado de aplicações em membranas. Nesta dissertação foram produzidas e testadas membranas de UF desenvolvidas por Figueiredo et al. (Figueiredo et al., 2015). A atividade antibacteriana destas membranas não foi estudada anteriormente. No entanto, as nanopartículas de prata (Ag NP) que incorporam já foram utilizadas na produção de outras membranas nanocompósitas de UF e NF, com efeito inibitório contra E. coli. Foram produzidos dois conjuntos de membranas de acetato de celulose, com diferentes teores de prata. Apesar de serem geralmente reconhecidas como agentes antimicrobianos, o mecanismo de atividade das Ag NP é controverso. A atividade destas partículas é atribuída ou à libertação de iões de prata para o meio, ou a interações diretas das partículas com as células. Tal como as Ag NP, o ião Ag+ é tido como um agente antimicrobiano eficaz. São vários os efeitos atribuídos a Ag+; muitos deles comuns às Ag NP, como a formação de espécies reativas de oxigénio. O ião Ag+ tem afinidade com grupos tiol de aminoácidos como a cisteína; ao ligar-se provoca modificações na conformação de proteínas, inativando-as. No entanto, alguns efeitos das Ag NP parecem ser exclusivos destas. Imagens de microscopia eletrónica de transmissão demonstram interações diretas de nanopartículas com componentes da célula, como a membrana e a parede celular, levando à sua desagregação, o que não se verifica com o ião Ag+. O mecanismo de ação das Ag NP não foi estudado nesta dissertação. No entanto, tem importância para o desenvolvimento de membranas nanocompósitas de prata. Nas membranas nanocompósita de prata, as nanopartículas encontram-se distribuídas em toda a matriz da membrana. Se uma interação direta entre a nanopartícula e a bactéria for necessária, apenas as partículas presentes na superfície da membrana estariam disponíveis para a inativação das bactérias. Por outro lado, um mecanismo dependente da libertação de Ag+ seria mais sensível à composição da alimentação. O ião Ag+ forma sais insolúveis com iões como Cl- e S2-, o que levaria a uma menor concentração de Ag+ disponível em meios ricos nestes iões. A afinidade do ião Ag+ com alguns aminoácidos leva a que em meios ricos nesses aminoácidos, ou proteínas que os contenham, a sua disponibilidade também diminua. A adição das Ag NP às membranas de acetato de celulose levou ao aumento da sua permeabilidade hidráulica e à diminuição da sua seletividade a polímeros orgânicos. A atividade antibacteriana das membranas foi testada num conjunto de estirpes laboratoriais e de isolados ambientais de E. coli, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus. A atividade antibacteriana das membranas variou entre bactérias e entre meios de cultura utilizados. E. coli WDCM 00013 sofreu uma inibição completa de crescimento num meio pobre em proteínas; num meio com maior abundância de proteínas não foi visível qualquer inibição. De todas as bactérias testadas, apenas S. aureus WDCM 00034 demonstrou sensibilidade às membranas nanocompósitas no meio mais rico em proteínas. A sensibilidade à prata não foi, portanto, constante entre as diferentes estirpes/isolados de S. aureus. A atividade antimicrobiana das membranas é atribuível à libertação de prata pela membrana; no entanto, não foi determinado se a prata foi libertada sobre a forma de nanopartícula ou como ião. A sensibilidade à composição do meio é indicativa de que a atividade anti-biofilme destas membranas poderá estar dependente da composição da alimentação. Dada a pequena proporção de bactérias sensíveis às membranas encontrada durante esta dissertação, conclui-se que as membranas no seu estado atual não teriam atividade anti-biofilme, e que requerem mais desenvolvimento antes de uma futura aplicação.Membrane filtration systems are an increasingly important group of technologies in water treatment. The application of these technologies is severely limited by fouling. Fouling covers a large group of phenomena in which the membrane surface and/or pores are blocked by the deposition of materials from the feed, leading to a decrease in the permeability of the membrane. Biofouling –formation of biofilms on the surface of a membrane – can be troublesome, as it is hard to prevent and treat. Previous works have created novel membranes, aiming at preventing biofouling. A particular subset of these are nanocomposite membranes, membranes containing nanoparticles with an anti-biofouling potential. In this dissertation, two previously developed nanocomposite membranes were produced and tested for antibacterial activity, as a proxy for anti-biofouling activity. Calcium fluoride nanocomposite membranes were yet to be tested for antibacterial activity. The nanoparticles they contained were also untested. Fluoride, released by CaF2 nanoparticles, is known to affect bacteria, in a pH-dependent mechanism. The protocol used for the synthesis of the CaF2 particles failed to produce nanoparticles, even after several variations were made. The resulting microparticles lacked antibacterial action against Escherichia coli under acidic and neutral media, most likely due to their large size. As the particles were not the intended size and lacked activity, the nanocomposite membranes were not produced and tested. Silver nanocomposite membranes, on the other hand, have shown antibacterial potential in previous works. Asymmetrical cellulose acetate ultrafiltration membranes with different silver contents were characterized on hydraulic properties and tested against laboratory strains and environmental isolates of E. coli, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus. Nanocomposite membranes showed increased hydraulic permeabilities at the cost of lower selectivity. The activity of the membranes varied among bacteria and was dependent on the composition of the growth media. E. coli growth was completely inhibited in a protein poor medium but was almost unaffected in a protein rich medium. Of all the tested bacteria, only S. aureus WDCM 00034 was inhibited in the protein rich medium. Further development is necessary on silver nanocomposite membranes before application in filtration systems.Monteiro, Sílvia Patrícia NunesTenreiro, Ana Maria Moura Pires de Andrade,1952-Repositório da Universidade de LisboaSousa, Luís Cláudio de2021-06-07T16:14:37Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/48378TID:202696170enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:51:45Zoai:repositorio.ul.pt:10451/48378Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:00:17.516668Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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