Ett team av forskare från California NanoSystems Institute vid UCLA har hittat ett nytt sätt att använda enzymer för att ta bort föroreningar från vatten som är kostnads- och energieffektivt, kan ta bort flera föroreningar samtidigt, och minimerar riskerna för folkhälsan och miljön.

Framstegen kan vara ett viktigt nytt steg i strävan att tillfredsställa världens behov av rent vatten att dricka, bevattning och rekreationsanvändning.

Nuvarande metoder kräver flera steg och involverar kemikalier som reagerar på värme, solljus eller el. Forskare hade tidigare visat att förorenat vatten kunde renas med hjälp av enzymatiska aktiviteter av naturligt förekommande bakterier och svampar, som bryter ner föroreningar till deras ofarliga kemiska komponenter. Men den metoden medför risk för att farliga organismer släpps ut i vattnet.

Den nya UCLA-tekniken, utvecklat av ett team ledd av Shaily Mahendra, en UCLA docent i civil- och miljöteknik, och Leonard Rome, en professor i biologisk kemi och biträdande direktör för CNSI, är en variant av den metoden. Forskarna lägger enzymer i nanoskala partiklar som kallas "valv, " deponera sedan de små partiklarna i förorenat vatten.

Deras metod beskrivs i en artikel publicerad i ACS Nano .

Mahendra sa att mikrobiella processer i vatten som är en del av det naturliga systemet för biologisk nedbrytning så småningom skulle bryta ner föroreningar i vårt vatten, men bara under en mycket lång period.

"Naturliga mikrober är varför världen inte fortfarande är täckt av dinosauriespillning, Mahendra sa. "Men vi har inte tid eller utrymme på vår planet att ignorera förorenade sjöar och floder under ett par miljoner år medan naturen gör jobbet."

Nanoskala valv är små partiklar - bara miljarddels meter i diameter - som är formade som ölfat. Mahendra sa att den nya metoden är effektiv eftersom valven skyddar enzymerna, hålla dem intakta och potenta när de placeras i det förorenade vattnet.

Forskarna testade metoden med hjälp av ett enzym som kallas manganperoxidas. De fann att under en 24-timmarsperiod avlägsnade valven tre gånger så mycket fenol från vattnet som enzymet gjorde när det släpptes i vattnet utan att använda valv.

De upptäckte också att eftersom manganperoxidaset förblev stabilt inne i valven, den kunde fortfarande ta bort fenol från vattnet efter 48 timmar. Fri manganperoxid var helt inaktiv efter 7 1/2 timme.

Vault nanopartiklar, som är uppbyggda av proteiner och finns i cellerna i nästan alla levande varelser, upptäcktes av Rom och Nancy Kedersha, hans dåvarande postdoktorand, på 1980-talet. Varje mänsklig cell innehåller tusentals valv, som själva innehåller andra proteiner. Men Rom och hans kollegor utarbetade så småningom en metod för att bygga tomma valv som kunde användas för att leverera läkemedel till specifika celler i kroppen för att bekämpa cancer, HIV och andra sjukdomar.

Forskningen bidrar till målen för UCLA:s Sustainable L.A. Grand Challenge, ett campusövergripande initiativ för att omvandla Los Angeles-regionen till 100 procent förnybar energi, lokalt vatten och förbättrad ekosystemhälsa till 2050. Mahendra hjälper också till att utveckla arbetsplanen för Sustainable L.A.

Mahendra sa att den nya tekniken skulle kunna skalas upp inom några år för kommersiell användning i förorenade sjöar och floder, och valv kan läggas till membranfiltreringsenheter och enkelt integreras i befintliga vattenbehandlingssystem. Valv som innehåller flera olika biologiskt nedbrytande enzymer kan potentiellt ta bort flera föroreningar samtidigt från samma vattenkälla.

De skulle sannolikt inte utgöra risker för människor eller miljön, Rom sa, eftersom valv växer i cellerna hos så många arter.

Valven som innehåller manganperoxidas som användes för den nya studien byggdes av ett team ledd av Valerie Kickhoefer, en associerad forskare som arbetar med Rom. Första författaren Meng Wang bidrog också till studien, en doktorand i Mahendras labb, och UCLA-medarbetarnas forskningsassistent Danny Abad.

Elektronmikroskopi för studien utfördes i CNSI:s Electron Imaging Center for Nanomachines. Forskningen stöddes av det strategiska miljöforsknings- och utvecklingsprogrammet (pris ER-2422) och UCLA-avdelningen för civil- och miljöteknik.