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Inactivation des bactéries par des impulsions nanosecondes aux pointes nanowedge. unLes bactéries modèles S. épidermidis sont immobilisés sur la puce. bLe champ électrique nano-amélioré simulé sous 55 kV cm−1 champ électrique appliqué. c, L’intensité PI relative des cellules individuelles après l’application d’une seule impulsion. Chaque ligne représente une seule cellule située à la pointe nanowedge sur l’électrode positive ou négative. Les images de microscopie montrent le schéma de diffusion du colorant PI. dInactivation bactérienne après LEEFT (impulsion 20 ns, 40 kV cm−1, dix impulsions). Les cellules rouges et oranges sont des cellules inactivées colorées au PI. eComparaison côte à côte d’images de microscopie optique et de SEM après LEEFT (impulsion de 20 ns, 55 kV cm−1, dix impulsions). Les flèches rouges indiquent les cellules aplaties, tandis que les flèches blanches indiquent les cellules inactivées qui conservent toujours une bonne forme. FL’inactivation des bactéries réalisée par des nanocoins non connectés et la simulation du champ électrique nano-amélioré. g, Inactivation des bactéries au niveau des pointes nanowedge disposées selon un motif « GT ». En haut : image de microscopie à canal DIC avant LEEFT. En bas : image de microscopie à canal de fluorescence après LEEFT. h, Inactivation des bactéries obtenue par des nanopointes densément emballées. Les cellules inactivées dans g et h ne sont indiqués que par une coloration PI et présentent une fluorescence rouge. Crédit: Eau Naturelle (2023). DOI : 10.1038/s44221-022-00003-2
Avoir de l’eau potable est vital pour la santé publique, mais les méthodes traditionnelles de désinfection causent leurs propres problèmes environnementaux. Le chlore est bon marché et facile à utiliser dans les systèmes d’eau centralisés, mais au détriment des sous-produits chimiques nocifs.
Les chercheurs du Georgia Institute of Technology ont trouvé un moyen d’utiliser de petits chocs électriques pour désinfecter l’eau, réduisant ainsi la consommation d’énergie, les coûts et l’impact environnemental. La technologie pourrait être intégrée au réseau électrique ou même alimentée par des batteries.
« Il s’agit d’une technologie de désinfection assez nouvelle, et nous voulons d’abord en faire la démonstration à petite échelle, puis améliorer ses applications réelles pour la purification de l’eau au point d’utilisation ou hors réseau », a déclaré Xing Xie, du Carlton S. Wilder Professeur adjoint à l’École de génie civil et environnemental.
Xie et son chercheur postdoctoral Ting Wang ont publié l’article, “Nanosecond Bacteria Inactivation Realized by Locally Enhanced Electric Field Treatment,” dans Eau Naturelle en janvier.
Localiser l’électricité
Bien que le traitement par champ électrique conventionnel (CEFT) soit appliqué pour la pasteurisation des aliments, il n’a pas été largement utilisé pour la désinfection de l’eau potable en raison de son coût relativement élevé. Lorsque l’eau et les bactéries sont exposées à l’électricité, la membrane cellulaire des bactéries agit comme un condensateur dans un circuit. En règle générale, dans le CEFT, la faible conductivité de l’eau signifie que les impulsions nanosecondes ne chargeront pas la membrane assez rapidement pour tuer les bactéries.
Les chercheurs ont créé un champ électrique amélioré localement (LEEFT) qui achemine l’électricité directement vers les bactéries. Les électrodes ont des nanopointes en or qui accumulent des charges concentrées instantanément lorsqu’elles sont connectées à l’électricité, permettant aux charges de se déplacer vers la membrane et de tuer les bactéries beaucoup plus rapidement.
“Cette inactivation ultra-rapide des bactéries utilisant uniquement les impulsions nanosecondes est une surprise car, théoriquement, les impulsions nanosecondes sont tout simplement trop courtes pour tuer les bactéries dans le traitement par champ électrique conventionnel, car la membrane prend du temps à se charger”, a déclaré Wang. “Mais avec les nanocoins et les nanostructures de LEEFT, les cellules bactériennes peuvent être chargées directement par le nanométal, désinfectant rapidement l’eau.”
Innovation électrique
Pour tester la technologie, ils ont fabriqué des nanocoins en or sur le bord de l’électrode d’une puce. Ensuite, ils ont ajouté la bactérie modèle Staphylococcus à la puce, une bactérie couramment utilisée dans les laboratoires et souvent présente dans les systèmes d’eau. Ensuite, ils ont appliqué des impulsions électriques et observé comment les bactéries réagissaient en temps réel sous un microscope.
Lorsque l’électricité a été appliquée à 40 kilovolts par centimètre pendant 200 nanosecondes, 95% des nanocoins ont réussi à tuer les bactéries. Comparé à l’EFT conventionnel, LEEFT réduit de huit fois l’intensité du champ éclectique appliqué et raccourcit le temps de traitement d’un million de fois.
“Nous avons découvert que même des impulsions nanosecondes pouvaient tuer les bactéries dans le GAUCHE et pas dans d’autres circonstances”, a déclaré Wang. Cette décontamination quasi instantanée réduit la quantité d’électricité nécessaire pour désinfecter l’eau, ce qui en fait une option d’assainissement abordable et indique un avenir dans lequel la production d’eau propre pourrait avoir moins d’impact sur l’environnement.
Plus d’information:
Ting Wang et al, Inactivation bactérienne nanoseconde réalisée par un traitement par champ électrique amélioré localement, Eau Naturelle (2023). DOI : 10.1038/s44221-022-00003-2
Fourni par Georgia Institute of Technology
Citation: La nouvelle méthode de désinfection ultrarapide de l’eau est plus respectueuse de l’environnement (16 février 2023) récupéré le 16 février 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-02-ultrafast-disinfection-method-environmentally-friendly.html
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