Peiying Hong (vänster) och Ph.D. student Hong Cheng studerar biopåväxten av membran som filtrerar föroreningar från avloppsvatten och antibiotikaresistenta bakterier och bakteriella antibiotikaresistensgener. Kredit:KAUST
Att ackumulera smuts på avloppsreningsmembran har länge ansetts vara ett problem, ändå kan det hjälpa till att ta bort antibiotikaresistenta bakterier och antibiotikaresistensgener från avloppsvatten som behandlas i anaeroba membranbioreaktorer.
Eftersom avloppsvatten är spätt med antibiotika som används på sjukhus, hem och jordbruk, reningsverk är potentiella hotspots för bakterier att utveckla resistens och överföra resistensgener mellan arter.
Pei-Ying Hong från KAUSTs vattenavsaltnings- och återanvändningscenter, tillsammans med sin Ph.D. student Hong Cheng, ville veta hur biofouling, eller ansamling av smuts, av membran som filtrerar föroreningar från avloppet påverkar deras förmåga att filtrera antibiotikaresistenta bakterier och bakteriella antibiotikaresistensgener.
"Den konventionella visdomen är att biofouling är ett problem och, som ingenjörer, vi skulle vilja utrota biofoulantlagret eftersom det hindrar vattenflödet, " förklarar Cheng. "Men, vår studie visade att biofouling kan hjälpa till att ta bort föroreningar från avloppsvatten genom att fungera som ett skikt som adsorberar dem."
Hong och Cheng använde en bioreaktor av labbstorlek som matades med syntetiskt avloppsvatten innehållande tre typer av antibiotikaresistenta bakterier och tre typer av antibiotikaresistensgener.
Den experimentella reaktorn behandlar avloppsvatten med icke-syreförbrukande, eller anaerob, mikroorganismer som konsumerar och bryter ner dess fasta material och föroreningar. Anaeroba membranbioreaktorer har potential som hållbara alternativ till aeroba membranbioreaktorer. De aeroba använder syreförbrukande mikroorganismer för att bryta ned föroreningar, kräver mycket energi för att lufta systemet.
Det renade avloppsvattnet filtrerades genom tre allt mer nedsmutsade membran. Dessa resultat jämfördes med liknande behandlat avloppsvatten filtrerat genom en ny, rent membran.
Anaeroba bakterier fäster sig på förpackningsmedia placerade inuti den anaeroba bioreaktorn. Kredit:King Abdullah University of Science and Technology
Hong och Cheng fann att avlägsnandet av gener för antibiotikaresistens från det renade avloppsvattnet förbättrades när skiktet av biofouling på membranen tjocknade.
Men borttagandet av de antibiotikaresistenta bakterierna följde inte samma mönster.
Den nya, oförsmutsad membran avlägsnade upp till 99,999 procent av bakterierna från avloppsvattnet. När biobeläggningsskiktet började ackumuleras, denna effektivitet sjönk till 99 procent, men steg sedan igen till 99,999 procent när det anaeroba membranet blev kritiskt nedsmutsat, en fas där biofoulantskiktet inte längre tjocknar.
"Detta tyder på att långvarig drift av anaeroba membranbioreaktorer kan vara fördelaktigt, säger Cheng.
Dessa resultat betyder att membran tillverkade med ytbeläggningar som efterliknar biobeläggningsskikt kan hjälpa till att avlägsna oönskade föroreningar från avloppsvatten, säger Hong, inklusive de som sprider antibiotikaresistens.
Teamet planerar att skala upp sin bioreaktor för att behandla avloppsvatten som genereras lokalt av KAUST-samhället. De samarbetar också med Ikram Blilou från Plant Sciences Programme för att testa användningen av reaktorns renade avloppsvatten för bevattning av jordbruksgrödor.
"Vi hoppas att denna multidisciplinära studie involverar expertis från tillämpad mikrobiologi, teknik, och växtvetenskap kommer att ge en övergripande syn på hur man bäst använder behandlat vatten, säger Hong.
