Hur väl avskiljs virus i membranfilter; UF och MF, och finns lämpliga indikatorer som förenklar analysarbetet? Fem MF och tre UF har provats och aluminiumkoagulering som förbehandling har testats.
Av: Jörgen Hanaeus
Mikrofiltrering – med och utan föregående koagulering med aluminiumsalt – och ultrafiltrering har testats avseende sin förmåga att avskilja tre mag-tarmvirus: adenovirus, coxsackievirus och hepatit A-virus. Dessutom har ett surrogat för humant calicivirus (murint norovirus) testats liksom två bakteriofager (MS2 och φX174) och ett växtvirus: pepper mild mottle virus (PMMoV). UF fungerade väl, liksom MF föregånget av aluminiumkoagulering. PMMoV hade symmetriska effekter till mag-tarmvirusen och bedömdes vara ett lovande surrogat för dessa.
Bakgrund
Membrantekniken för separation av olika komponenter i vatten får allt större utbredning och kunskap om dess desinficerande effekter är väsentlig.
Mikrofiltrering och ultrafiltrering, särskilt lågtrycksvarianten, har rapporterats ge fullständig avskiljning av bakterier och protozoer, Däremot varierar informationen gällande virus.
De processer som bedöms intressanta för separationen av virus är mekanisk storleksavskiljning (size exclusion), här kallad sileffekt, samt adsorptionseffekter: hydrofoba och elektrostatiska effekter.
För ultrafiltrering är sileffekten påtaglig, eftersom poröppningarna i filtret, cut-off 1-100 kDa, är mindre än de sfäriska viruspartiklarna, som i försöken här höll 20-90 nm. Då kDa relaterar till atommassa och inte är ett längdmått finns ingen självklar konvertering till pordiameter, men erfarenhet från proteiner indikerar att 100 kDa är < 5 nm. Mikrofiltrens porstorlek var däremot 100-220 nm vilket inte medgav någon sileffekt. PMMoV-virusen var cylindriska med diameter 18 nm och längd 310-320 nm.
Virusanalyser är komplexa och arbete med humanvirus är inte riskfritt och rätt omständigt. Att finna indirekta metoder för att bestämma förväntade effekter med humanvirus är därför angeläget. Bakteriofager, som MS2, Qβ och φ174, infekterar inte människan och har provats som surrogat. Nya studier visar att växtviruset PMMoV, som infekterar pepparväxter, var det mest representerade virala RNA:t i mänsklig avföring med uppemot 109 partiklar/g fekalier. Därtill har PMMoV frekvent detekterats i högre koncentrationer än mag-tarmvirus i naturliga vatten och dricksvattentäkter.
Försök
I studien testades 8 typer av MF-membran och 3 typer av UF-membran för att undersöka avskiljningseffekten av dessa för de representativa virusen adenovirus (AdV), coxsackievirus (CV), och Hepatit A-virus (HAV) samt murint norovirus (MNV) som surrogat för humant calicivirus.
Man karakteriserade membranens porstorlek. Vidare dess material avseende hydrofobicitet, mätt med vattnets kontaktvinkel, och elektrostatisk växelverkan mellan viruspartiklar och membranyta, mätt som Z-potential.
Förbehandling till MF-filtrering utfördes med aluminiumkoagulering via dosering av PAC-kemikalier; 4 sorter med olika basicitet, samt traditionell aluminiumsulfat, var och en blandad till 2M lösning.
Preparering av viruslösningar och fager beskrivs detaljerat. Resultaten redovisas i form av log (C0/Cfiltr).
Som råvatten användes vatten taget från Edo River i Tokyo i september (pH 7.5, turbiditet 2,8 NTU, UV260 0.02/cm, alkalinitet 36 mg Ca CO3/L (22 mg HCO3/L)). Vattnet lagrades vid 4 °C, höll 20 °C vid försöken och spikades med resp virus.
Resultat
Viruspartiklarna befanns negativt laddade och i stabil dispersion vid pH 7 med isoelektriska punkter 1.6-3.8 (PMMoV 3.2).
Den direkta MF-filtreringen gav ringa virusreduktion; 0.5 log för AdV, CV, HAV och MNV med de hydrofila, negativt laddade membranen. De hydrofoba, däremot, reducerade dessa virus med ca 3 log liksom bakteriofager och PMMoV vilket starkt indikerade att hydrofobin och elektrostatiska krafter var väsentliga; inte sileffekter. Detaljresonemang kring olika membrankvaliteter förs i artikeln.
Aluminiumkoagulering plus mikrofilter gav varierande men klart bättre resultat för samtliga virus vid pH 7. Separationen visade sig vara beroende av Al-kemikalie (PAC med hög basicitet bäst; traditionell aluminiumsulfat mindre bra) och Al-dos (förbättring från 0,5-1 mg Al/L). Effekter på omkring 4 log i reduktion kunde då uppnås. Detaljstudier (NMR) av bildade, kolloidala Al-aggregat visade att Al30-föreningen var framgångsrikast.
UF-filtreringen gav för alla virus och fager omkring 4 log reduktion för de tre membran som provades. Viss förbättring erhölls med minskande poröppningar (till 1 kDa). Sileffekten (size exclusion) bedömdes dominera helt.
Slutsatser
Vid direkt mikrofiltrering gav olika membran olika separationseffekter trots att poröppningarna var större än virusdiametrarna. Adsorbtionsstudier visade att särskilt hydrofob verkan mellan membranmaterial och virus var väsentlig för resultatet.
Direkt ultrafiltrering med membraner med cut-off 1-100 kDa gav ca 4 log reduktion för alla virus; i huvudsak genom sileffekt.
Al-koagulering med hög basicitet plus mikrofilter gav 4 log reduktion. Al-aggregaten Al30 var särskilt effektiva.
Effekterna avseende adenovirus, coxsackievirus, heptit-A-virus och murina norovirus var starkt korrelerade inbördes.
Avskiljningen av PMMoV korrelerade väl (och bättre än fagerna) med de tre testade mag-tarmvirusen och med murint norovirus. Det gällde MF, Al-koagulering+MF samt UF, varför PMMoV bedömdes vara ett mycket lovande surrogat för humanvirusanalyser.
Detta är ett väl genomfört arbete och en mycket läsvärd artikel som rekommenderas alla som driver membranverk. Alla detaljresonemang har inte varit möjliga att återge här.
Källa: Shirasaki, N., Matsushita, T., Matsui, Y.& Murai, K. (2017): “Assessment of the efficiacy of membrane filtration processes to remove human enteric viruses and the suitability of bacteriophages and a plant virus as surrogates for those viruses.” Water Research, 115, pp 29-39.
Författarna från:
Division of Environmental Engineering, Faculty of Engineering, Hokkaido Unversity, N13W8, Sapporo, 060-8628, Japan.
Korrespondens: nobutaka@eng.hokudai.ac.jp
