持続可能な天然繊維モリンガフィルターによる効果的な病原体除去

npj クリーンウォーター 5 巻、記事番号: 27 (2022) この記事を引用

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水の病原体汚染は、世界の人々の健康に多大な影響を与えます。特に、ウイルスは、そのサイズが小さく、個々のウイルス粒子として、またはより大きな粒子に吸収された場合の両方として水中に存在するため、水処理技術に独特の課題をもたらします。媒体濾過などの低エネルギー水処理プロセスでは、ウイルスのサイズが小さいため、ウイルスを完全に除去することはできません。したがって、化学消毒、紫外線照射、膜濾過など、化学薬品やエネルギーを大量に消費する持続可能性の低いプロセスが通常必要となります。ウイルス処理のための高エネルギーおよび/または化学的要件を克服するために、この研究では、ウイルス (MS2) および細菌 (大腸菌) を効率的に除去するために最小限に加工された天然素材から製造された持続可能な繊維フィルターの設計が示されています。これらのフィルターは、モリンガオレイフェラ種子からのカチオン性タンパク質を含む単純な水性抽出物を使用して、綿、絹、亜麻などの容易に入手できる天然繊維を機能化することによって作成されました。提案されたフィルターは、水から病原体を除去するための包括的な低コスト、低エネルギー、低環境影響ソリューションを提供し、ウイルスと細菌を >7log10 (99.99999%) 除去します。

飲料水処理プラントは、自然と人間の生息地の境界面に存在するため、有害な生物学的および化学的汚染物質の蓄積と放出の重要な貯留槽として機能する可能性があります1。したがって、水から汚染物質を除去する水処理技術の開発は、基本的な工学的取り組みとなっています。ヒト腸内ウイルスは、世界の人々の健康に壊滅的な影響を与える可能性がある水中の重要な汚染物質です2。媒体濾過は、エネルギー強度が低く、世界中で実施可能な水処理の基本単位操作です。ただし、化学凝固と組み合わせた場合でも、部分的なウイルス除去しか提供できません3。したがって、規制された飲料水処理基準を達成するために、エネルギー集約的な UV 消毒または化学薬品集約的な塩素消毒が濾過と組み合わせて広く使用されています。たとえば、米国環境保護庁 (EPA) と世界保健機関 (WHO) は両方とも、飲料水に対して 4 log10 (99.99%) のウイルス除去および/または不活化を要求しています4。効果的なウイルス除去を達成するために提案されているもう 1 つの代替案は、限外濾過やナノ濾過などのナノ多孔質膜に基づく、エネルギー集約的で高価な濾過モードです。

ウイルス除去のための効果的な水処理技術を開発する取り組みは、きれいな水の質と生産に伴うエネルギー消費との間のトレードオフの顕著な例を示しています7 (図 1)。まず、効果のない従来のろ過をサイズ排除ベースの膜に置き換えることで、生産性と達成される除去効率の間にトレードオフが生じます (図 1a)。第二に、従来のろ過の代替として、または従来のろ過と併用して広く使用されている塩素処理は、がんやその他の健康への影響と関連している消毒副産物 (DBP) の生成につながります8。これらの健康への悪影響を軽減するために検討されているオゾンや紫外線照射などの代替消毒技術も、やはり高価でエネルギーを大量に消費します9。必要な材料と化学薬品の処理に組み込まれたエネルギーを利用可能な技術間で比較すると、ほとんどの消毒技術 (塩素処理を除く) の総エネルギー要件は、エネルギー集約型の膜ろ過と同等です (図 1b)。最近の研究では、低圧膜の化学的機能化やエレクトロスピニングなどの特殊な膜製造技術や、膜濾過のエネルギー効率を改善するためのナノ繊維材料の使用が提案されています10、11、12、13。しかし、高度な製造/修正戦略の必要性が、その広範な使用を妨げています。したがって、ウイルス処理の課題を克服するには、埋め込みエネルギーの低い材料を使用して、生産性と効率のトレードオフを克服できる新しい濾過技術を開発することが重要です（図1a）。この研究で利用されているような、二酸化炭素排出量と環境への影響が低い天然素材を最小限に加工すれば、このトレードオフの解決策を提供できる可能性があります。

a 広く使用されている濾過技術の透過性とウイルス保持効率を比較すると、サイズ排除への依存により、病原体の除去と透過性の間にトレードオフが存在することがわかります。参照付きの表にしたデータは補足表 4 にあります。 b 操作エネルギーと埋め込まれた化学エネルギーの組み合わせを考慮した、ろ過技術の操作エネルギー要件と消毒技術 (塩素処理を除く) の総エネルギー要件は同等です。これは、特に実質的な追加の運用エネルギーコストを発生させることなくウイルス除去効率を高めることができれば、濾過技術が消毒と同様の性能を達成できる可能性があることを示しています。文献調査と使用されたエネルギー要件値の詳細な概要は、補足表 5 および補足注 2 に記載されています。

全体として、持続可能なアプローチを使用して水系からの病原体汚染、特にウイルスを制御する必要性が高まっています。この研究では、最小限のコストで導入でき、水から病原菌を高効率で除去できる、簡単にアクセスできる材料で製造された持続可能な深層フィルターを使用する実現可能性が実証されました（図2a）。これらのフィルターは、モリンガオレイフェラ (MO) 種子の水の浄化機能 14 と抗菌活性 15 を活用して設計されました。 MO の木は熱帯および亜熱帯地域全体に広く分布しており、その種子は歴史的に天然の凝固剤として使用されてきました 14,16。 MO 種子からの水抽出物には、抗真菌活性と凝固活性が確立されている 2 つのカチオン性タンパク質、MO 凝固タンパク質 (MO2.1) と MO キチン結合タンパク質 (MoCBP) が含まれています 14、17、18。 MO 種子は、MO 木の多産性（1 木あたり年間 15,000 ～ 20,000 個の種子）19 と水性種子抽出物の毒性の低さ 20 により、水処理への応用に理想的な候補です。私たちは、水からウイルスとバクテリアの両方を前例のないレベルで除去する、MO タンパク質で機能化された天然繊維フィルターの能力を開発し、テストしました。この提案されたプラットフォーム技術は、災害への備えを含む幅広い公衆衛生シナリオにおいて、コミュニティまたは使用時点の規模で応用できる可能性を示しています。

a この研究で提案されている、MO タンパク質で機能化された天然繊維フィルターの簡単な概略図。 Chen Hualin 教授によるモリンガの木の写真は CC BY-SA 4.0 の下でライセンスされています。 b 綿、絹、亜麻繊維のフーリエ変換赤外分光分析は、綿と亜麻にセルロースを代表する CH、OH、CO ピークの存在を示しています50 。絹繊維には、絹フィブロインを示すアミド I (C=O 結合の伸縮) およびアミド II (NH の屈曲および CN の伸縮) ピークの存在が示されています 51。 c 綿、絹、亜麻繊維の走査型電子顕微鏡画像には、天然繊維の典型的な繊維直径 (10 ～ 20 μm) と形態が示されています。

この研究の主な発見は、MO 種子からの単純な水抽出物を使用して、利用可能な基質をカチオン性タンパク質でうまく機能化することができ、それを水から汚染物質を除去するための親和性ベースのフィルターとして使用できることです。私たちの以前の研究では、この提案されたプロセスによってモデル砂粒子を機能化して、高い病原体除去を達成できることが示されました 21,22。しかし、流量の影響（緩速ろ過の範囲でフィルター負荷率が低い）と機能性砂の粒径（調達が困難な130μm未満）に関連する課題により、実際の条件下での機能性砂フィルターの適用性は制限されています。この研究では、空気ろ過に広く使用されている繊維状フィルター媒体 23 に触発され、一般的に入手可能な低コストの天然繊維を、MO 官能化デプスフィルターを製造するための潜在的な基材として使用しました。最小限に処理された天然繊維を水処理用の深層フィルターの基材として使用することはこれまで検討されていないことに注意してください。この研究では、世界中でアクセス可能な地元およびオンラインストアから入手できる、未加工の綿球、亜麻繊維、絹繊維の 3 つの天然繊維源 (詳細については補足方法を参照) を使用しました。まず、個々の繊維の徹底的な化学的および形態学的特性評価が実行されました。図2b、cに示すフーリエ変換赤外分光法（FTIR）および走査型電子顕微鏡（SEM）分析により、地元の供給源から調達された繊維が標準繊維サンプルと同様の特性を示すことが示されました24。

次に、3 つの天然繊維を詰めて構築したデプスフィルターを、ブルナウアーエメットテラー (BET) 分析、毛細管流ポロメトリー、動電学的分析、および比表面積、細孔サイズを測定する蛍光ペプチド (タンパク質定量) アッセイを使用して特性評価しました。、表面電荷、および繊維の単位表面積あたりに吸着されるタンパク質。フィルターごとに使用される充填物の高さとファイバーの重量を全面的に一定に維持することは、ファイバーの特性に固有の違いがあるため困難でした。そのため、以下に示す最終特性は単位体積と表面積に正規化されました。この研究で綿、絹、亜麻の繊維に使用した繊維の重量、充填高さ、充填密度の詳細を補足表 3 に示します。BET 分析と毛細管流ポロメトリーの結果は、綿、絹、亜麻が表面積の大きい微多孔質デプスフィルターを形成できます (図 3a、b)。綿、絹、および亜麻繊維フィルターの平均孔径は、それぞれ 6.54 ± 1.64 μm、7.48 ± 0.78 μm、および 11.1 ± 4.51 μm でした。これらの結果は、この研究で提案された繊維フィルターが、以前の研究の砂フィルターと比較して、低い平均細孔サイズと高い比表面積を示すことを示しています21。これらの有利な特性により、MO 機能化繊維フィルターは砂フィルターと比較して高い流量でウイルスを効果的に捕捉することができます (図 6a、b)。

a 繊維フィルターの平均細孔径は、湿潤液として水を使用して毛細管流ポロメーターを使用して測定されました。結果は、綿、絹、亜麻繊維フィルターの平均孔径がそれぞれ 6.54 ± 1.64 μm、7.48 ± 0.78 μm、および 11.1 ± 4.51 μm であることを示しています。 b BET 吸着分析を使用して推定された比表面積は、綿、絹、および亜麻のフィルターが MO 機能化に対して同様の高表面積フィルターを提供することを示しました。 c コーティングされていない天然繊維の流動電位測定は、MO カチオン性タンパク質の吸着に有利な負に帯電していることを示します (pH: 7 で -2.4 ± 0.23 mV ～ -20.2 ± 1.64 mV)。 5〜8のpH範囲での流動電位測定を補足図2に示します。 d 600 mM NaCl溶液を使用して脱着された天然繊維フィルターの表面に吸着されたMOタンパク質の定量化は、綿が最も高いタンパク質吸着能力を持っていることを示しています。図に示されているすべてのエラーバーは、3 つの独立した測定から計算された標準偏差を表しています。

デプスフィルターに詰められた繊維の表面電荷は、機能化中に MO タンパク質の吸着を可能にするために重要です。界面動電解析の結果（図3c）は、この研究でテストした3つの繊維すべてが、pH 5〜8（-2.4 mV〜-20.2 mV）の範囲で負に帯電していることを示しました。これは、カチオン性タンパク質の吸着に有利です。。中性pH条件を表すために、pH 7での天然繊維の平均流動電位が図3cに示されていることに注意してください。追加の pH 条件 5、6、および 8 で行われた分析からのストリーミングポテンシャルの結果については、補足図 2 を参照してください。提案されたファイバーフィルターを MO シードタンパク質で機能化する実現可能性を確立するために、単純なフィルターを流すことによって実験が行われました。 MO種子粉末をフィルターを通して水抽出します。水抽出物は、種子の破片を濾過して除去する前に、粉砕したMO種子を水と5分間混合することによって作製した(0.02 g mL-1 wv-1の種子対水)。この分析により、繊維フィルターに吸着されたタンパク質は 6.28 ± 0.42 mg m-2 と 11.36 ± 1.72 mg m-2 の間であることが示されました (図 3d)。 SDS-PAGEゲル電気泳動を使用した吸着タンパク質の定性的比較でも、タンパク質組成に大きな変化は見られませんでした（補足図3）。全体として、簡単に入手できるさまざまな天然繊維を使用して、MO 種子からの単純な水抽出物で効果的に機能化できる負に帯電した微多孔質デプスフィルターを構築できることが初めて実証されました。

病原体を捕捉および除去するために、MO シードタンパク質で繊維フィルターを機能化することの有効性を定量化するために、一連の標準的な濾過実験を実施しました。実験は、細菌 (大腸菌) および代替ウイルス (MS2 バクテリオファージ) のモデル生物を用いて行われました。大腸菌は、それ自体が下痢や胃腸合併症を引き起こす可能性がある、水浄化の観点から重要なモデル細菌です25。 MS2 バクテリオファージは、ノロウイルスやロタウイルスなどのヒト腸内ウイルスの代用として広く使用されているため、その除去が検討されました 26。これらの実験は、MO 官能化繊維フィルターが、同じ流量でコーティングされていない繊維フィルターよりも数桁高い病原体除去効率を達成することを実証しました。たとえば、流量 2 mL min-1 では、MO コットンフィルターの対数除去効率 (LRE) は、大腸菌では 7.62、MS2 バクテリオファージでは 7.65 ± 0.23 を達成しましたが、大腸菌では 0.39 ± 0.51、MS2 バクテリオファージでは 0.23 でした。コーティングされていない綿フィルターによって達成される MS2 の ± 0.20 (図 4a、c)。 MO 機能化亜麻およびシルクフィルターも、MO 綿フィルターと同様の細菌およびウイルスの除去効率を達成しました。この研究で達成された LRE は、以前の研究で報告された MO サンドフィルターによって達成されたものと類似しています 21。この研究で提案されたMO機能化繊維フィルターの利点は、MO砂フィルターよりも約4倍高い流量でもこの高い除去効率を維持できることです（図6a、b）。これは、天然繊維が砂と比較して MO タンパク質の機能化に効果的な基材を提供することを示しています。

a 流速 2 mL min-1 での、MO 機能化ファイバーフィルターを使用した 108 PFU mL-1 MS2 流入水の log10 除去実験と、コーティングされていないファイバーフィルターの除去との比較では、MO ファイバーフィルターがコーティングされていないファイバーフィルターよりも約 7 桁高いことが示されています。。 b MS2 バクテリオファージ流入液を濾過した後にフィルターから採取した MO 綿サンプルの透過型電子顕微鏡画像は、MS2 バクテリオファージが MO コーティング綿の表面に付着していることを示しています。 c MO 機能化ファイバーフィルターを使用した 108 CFU mL-1 の大腸菌流入液の 2 mL min-1 の流速での log10 除去実験と非コーティングファイバーフィルターの流速との比較は、MO ファイバーフィルターが >8 log10 の大腸菌除去を達成することを示しています。これは、コーティングされていないファイバーフィルターよりも最大 8 桁高い値です。 *排水濃度が検出限界未満であったことを示し、この場合、実際の除去が報告値よりも高くなる可能性があることを示しています。カラム実験に使用した亜麻と絹の繊維は、汚染の原因となる可能性のある不純物を除去するために沸騰水で洗浄されましたが、この処理では繊維の化学組成や形態に大きな変化は見られなかったことに注意してください（補足図1）。 d 大腸菌を濾過した後にフィルターから採取したコーティングされていない綿およびMO綿のサンプルの走査型電子顕微鏡画像は、MO綿の表面に大腸菌が付着していることを示しています。図に示されているすべてのエラーバーは、3 つの独立した測定から計算された標準偏差を表しています。

従来の濾過理論を使用すると、天然繊維フィルターの MO 機能化による除去の観点からの利点を把握できます。標準的なクリーンベッドろ過理論によれば、デプスフィルターでの粒子の除去は主に、衝突効率と付着係数という 2 つの要素に依存します27。衝突効率は、粒子の捕捉に必要な衝突を引き起こすコレクタ (基板) の表面への粒子の輸送を表します。これは主にフィルターの形状、基材のサイズ、フィルターの流体力学に依存します。衝突の輸送メカニズムは、粒子サイズに応じて、拡散、遮断、沈降の組み合わせである可能性があります27。粒子が基板に衝突したとき、粒子が基板にうまく付着すると、粒子は捕捉されます。付着効率を定義するために伝統的に付着係数が使用されており、これは緩衝液と基質の化学的性質に依存します28。したがって、同様の形状、基材サイズ、および流体力学を備えた 2 つのフィルターは、基材が粒子とどのように相互作用するかに応じて、大幅に異なる除去を達成できます。 MO 官能化繊維フィルターによって達成される高い効率が MO タンパク質によって引き起こされる基質化学変化によるものであることを示すために、達成される除去量をコーティングされていないフィルターの除去量と比較しました。結果は、MO 官能化フィルターとコーティングされていないフィルターの性能に約 7 桁の差があることを示しました。これは、MOタンパク質の存在がコーティングされていないフィルターとMO機能化フィルターの唯一の違いであるため、MOタンパク質とモデル病原体である大腸菌およびMS2の間の相互作用がそれらの除去に関与していることを明確に示しています（図4a、c）。実験データと文献からの確立されたモデル（補足表1）を使用して経験的に計算された大腸菌とMS2の付着係数は、MO官能化フィルターの付着係数がコーティングされていないフィルターよりも一桁高いことを示しています28、29。この研究でテストされた細菌とウイルスがMOコットンフィルターに物理的に捕捉されていることをさらに示すために、TEMおよびSEM分析を使用して、MOコットンフィルター内の綿基材の表面に付着したMS2および大腸菌を視覚化しました（図） .4b、d）。これらの結果は、綿上の MO タンパク質の存在が微生物の除去に適した部位の数の増加につながることを示しており、MO タンパク質と試験した細菌/ウイルスとの間の好ましい相互作用の存在がそれらの除去に関与していることを示しています。以前の文献では、性能を向上させるためにポリマーやナノ粒子を使用した基材の改質が提案されていましたが 10、11、12、MO 官能化繊維フィルターは、資源が限られた地域でも天然素材を使用して簡単に実装できる持続可能な機能化プロセスを表しています。

MO シードタンパク質のカチオン性は、以前の文献 15、17、18、30、31、32 で広く確立されています。私たちの以前の研究では、モリンガオレイフェラ凝固タンパク質 (MO2.1) とモリンガオレイフェラキチン結合タンパク質 (MoCBP) という 2 つのカチオン性タンパク質が、MO 種子からの単純な水抽出物で官能化された後、砂粒子に吸着することが示されました 21。ここで天然繊維に吸着したタンパク質に対して実行されたSDS-PAGE分析（補足図3）は、同じ2つのタンパク質がMO官能化繊維フィルターの表面に存在することを示しています。 MS2 バクテリオファージと大腸菌の両方の負の表面電荷も文献に詳しく記載されています 33、34、35。我々は、この研究で使用した病原体について、ここで濾過実験を行うのに使用した条件下で、それらの負電荷を確認するために別個の動的光散乱実験を実施した。結果は、0.1×PBSおよび1 mM NaClに分散された大腸菌およびMS2バクテリオファージが、pH 5〜8の範囲で負の電荷を示すことを示しました（補足図4）。これは、大腸菌/MS2とMS2の間に引力が存在することを示しています。 MOタンパク質。したがって、MO 官能化ファイバーフィルターの除去メカニズムは、有利な静電相互作用に基づいています。

この仮説をさらに確認するために、MO コットンフィルターでの MS2 バクテリオファージの除去に対する塩濃度の影響をテストする追加の実験が行われました。結果は、NaClの塩濃度が1 mMから600 mMまで増加すると、MS2の除去が減少することを明らかに示しています（図5d）。バックグラウンドバッファーの塩濃度への依存は、静電相互作用の古典的な特徴です。静電気力の強さは、デバイ長が減少するにつれて緩衝液濃度が増加すると減少します。これらの結果は、MO コットンフィルターの除去メカニズムが本質的に静電気であることを繰り返し示しています。

a、b MS2 キャプシド (ピンク) と MoCBP (緑色) の間のフレキシブル分子ドッキングシミュレーションから観察された好ましいドッキング位置の上面図と側面図。 c MS2 の相互作用界面を構成するアミノ酸残基は、MoCBP の一次配列に重ねられます。 d MOコットンフィルターを流速2 mL min-1、分散剤として1〜600 mM NaClの範囲の様々な塩濃度で使用した108 PFU mL-1 MS2バクテリオファージ流入液の実験log10除去は、達成される除去効率が以下の条件で低下することを示しています。塩分濃度の上昇。 log10 除去効率は、50 mL の流出液で収集された流出液サンプルに基づいています。 *排水濃度が検出限界未満であったことを示し、この場合、実際の除去が報告値よりも高くなる可能性があることを示しています。図に示されているすべてのエラーバーは、3 つの独立した測定から計算された標準偏差を表しています。

私たちのグループのこれまでの研究では、分子動力学シミュレーションと極低温電子顕微鏡を使用して、MO 種子 (MO2.1) の凝固タンパク質と大腸菌の間の特異的な相互作用を詳細に調査しました。 MO2.1 は静電相互作用により細胞膜融合を引き起こし、細菌を不活化できることが示されました。分子ドッキングシミュレーションを使用すると、ウイルスカプシドと MO タンパク質の間の複雑な相互作用の性質について洞察を得ることができます。私たちの以前の研究でそのようなシミュレーションを使用したMOタンパク質（MO2.1およびMoCBP）とMS2バクテリオファージの間の相互作用の詳細な研究では、MoCBPがMS2バクテリオファージの除去に関与していることが示されました21。有利な相互作用の原因となるアミノ酸残基を強調した MoCBP と MS2 キャプシドタンパク質間の結合相互作用分析と相互作用の詳細なリストを図 5a-c および補足表 2 に示します。相互作用の大半は静電相互作用であることが判明しました。 MoCBP のカチオン残基を含む。実行されたすべての実験分析と分子ドッキング分析を組み合わせると、MO 官能化フィルターの除去は静電相互作用に依存していることが示唆されます。

提案された技術に綿、絹、亜麻を使用する可能性が示された後、実用的な表面速度で動作する可能性を評価するために MO 綿フィルターがテストされました。バクテリアとウイルスの除去効率に対する流量の影響を調べるために、さまざまな流量での濾過実験を実施しました。目標は、MO コットンフィルターが細菌とウイルスの処理に関する米国 EPA 基準を満たす最大流量を決定することでした。結果は、MOコットンフィルターが最大10 mL min-1の流量で>6 log10の大腸菌除去と、最大6 mL min-1の流速で>4 log10 MS2の除去を達成できることを示しています（図6a、b）。 3.4 m h−1 および 2.0 m h−1。流量の増加に伴う除去効率の低下は、フィルター内での病原菌の滞留時間が短くなることによる衝突効率の低下に起因すると考えられます27、28。実際に関連する処理技術と比較すると、これらの表層速度は、緩速砂ろ過（0.1 ～ 0.4 m h−1）36 や以前の研究 21 の MO 砂フィルターよりも一桁高いですが、急速砂の典型的な表層速度よりはわずかに低いだけです。ろ過（5〜15 m h−1）37．前述したように、MO コットンフィルターは、以前の研究の砂フィルターと比較して、平均細孔サイズが小さく、表面積が大きくなります。これらの特性を組み合わせることで、フィルターごとに吸着されるタンパク質の量が向上し、全体的なウイルス除去能力が向上するという利点があると当社は考えています。

a 2 mL min-1 から 50 mL min-1 の範囲のさまざまな流量での 108 CFU mL-1 の大腸菌流入液の log10 除去実験では、MO コットンフィルターが流量 10 mL までで >6 log10 の除去を達成することが示されています。分−1。 b 2 mL min-1 から 10 mL min-1 の範囲のさまざまな流量での 108 PFU mL-1 MS2 バクテリオファージ流入液の log10 除去実験では、MO コットンフィルターが流量 6 mL min-1 までで >4 log10 の除去を達成することが示されています。 −1。これらの流量は、大腸菌および MS2 除去の表面速度 3.4 m h-1 および 2 m h-1 にそれぞれ対応します。これは、急速砂ろ過の典型的な操作条件 (5 ～ 15 m h-1) よりわずかに低く、ゆっくりとした砂ろ過 (0.1 ～ 0.4 m h-1)。 c 室温で1か月および3か月保持した後の、2 mL min-1の流量でのMOコットンフィルターの大腸菌およびMS2除去効率。結果は、MO コットンが 1 か月および 3 か月の保持後に、大腸菌に対してそれぞれ 7.92 ± 0.22 log10 および >7.7 log10 の除去を達成したことを示しています。 1 か月および 3 か月保持後の MS2 log10 除去効率は、6.34 ± 0.40 および 7.29 ± 0.32 でした。これらの結果は、MO コットンの病原体除去効率が 3 ヶ月の保管まで維持されることを示しています。 d 最大 3 サイクルの再生における MO コットンの大腸菌および MS2 除去効率。最初に100 mLの600 mM NaCl溶液で洗浄し、100 mLのMO水抽出物で官能化することによってフィルターを再生した。再生カラムの除去効率は、大腸菌については 10 mL min-1、MS2 については 6 mL min-1 で測定されました。 MOコットンカラムは、再生3サイクルまで効果的に細菌やウイルスを除去することが示されました。 *排水濃度が検出限界未満であったことを示し、この場合、実際の除去が報告値よりも高くなる可能性があることを示しています。エラーバーは、3 つの独立した測定から計算された標準偏差を表します。

さらに実験を行って、MO コットンの乾燥保持安定性と再生能力を評価し、持続可能性とさまざまな状況でのアクセスのしやすさを検討しました。これまでの研究では、自然災害の後、きれいな水の不足により、感染症の伝播が広範囲に及ぶことが示されています38。 MOコットンが乾燥保存安定性を示せば、既製のMOコットンを被災地に発送したり、緊急準備キットに入れて保管したりすることで、病気の蔓延を防ぐための災害救助の水処理に応用できます。乾燥保存安定性を研究するために行われた実験では、乾燥MOコットンは室温で最長3ヶ月間、水から細菌やウイルスを濾過する能力を保持することが示されました。 1か月後および3か月後に保管から取り出したMO綿によって達成される大腸菌およびMS2の除去は、新たに調製したMO綿と同様でした（図6c）。コットンは生分解性素材ですが、MO コットンが持続可能な素材であるためには再生能力が重要です。再生能力をテストするために、MO 水抽出物で再コーティングする前に 600 mM NaCl を使用してタンパク質を脱着する実験を実施し、破過時のフィルターのその場再生を示しました。この再生プロセスのインスピレーションは、600 mM NaCl を使用してシリカ表面から MO タンパク質を脱着できることを示した以前の文献に基づいていました 31。結果は、再生後の細菌およびウイルスの除去効率が、最大3サイクルの再生まで、新たに調製したMO綿と同様であることを示しました（図6d）。ここでの再生は、浄水場で従来の砂ろ過で時間単位から日単位で使用される物理的逆洗とは異なることに注意してください。現在のフィルターは、効果を失うことなく簡単に逆洗できます。これらの結果は、MO コットンが災害救援や既製の使用時点での濾過などのさまざまな状況における水処理の持続可能な基材となり得ることを示しています。

水ろ過におけるサイズ排除に基づく従来のろ過技術は、生産性と病原体除去との間にトレードオフが存在するため限界がありました。このトレードオフは、制御された実験を用いて精密濾過 (MF)、限外濾過 (UF)、およびナノ濾過 (NF) 膜の MS2 バクテリオファージ除去を特徴付けることによって初めて実験的に示されました。市販の MF、UF、および NF 膜の MS2 除去効率と透過性を、約 100 LMH (リットル・m-2・h-1) の流量を維持するのに必要な一定圧力でのデッドエンドろ過設定で研究しました (図.7a）。このトレードオフ曲線は、MO タンパク質の機能化により従来の浄水フィルターを分子的に再設計する利点に視点を追加するために確立されました。この結果は、コーティングされていない綿フィルターの表面をMOタンパク質で官能化することが、固有の透過性を低下させることなく性能を桁違いに向上させる持続可能な方法であり、現在のろ過アプローチの生産性と透過性の限界を克服できることを示しています（図7b）。）。これは、途上国と先進国の両方の水処理に適用できる、エネルギー効率が高く利用しやすい水ろ過技術として、この研究で提案されたフィルターの可能性を示しています。

この研究でテストしたさまざまなメンブレンフィルターの MS2 log 除去効率を、MO 官能基化の利点を示すために、この研究で提案されたコーティングされていないおよびコーティングされた綿フィルターの効率と比較しました。試験した市販の膜および MO コットンフィルターについて決定された実験的な透過率および MS2 除去効率の値は、補足表 7 に記載されています。 b 理論上の使用時点での MO コットンフィルターのエネルギー要件の予備評価では、必要なエネルギーが非常に大きいことが示されています。膜ろ過やUV照射に比べて低い。 MO フィルターに必要なエネルギーは、従来のろ過や塩素消毒と同等です。この図に示されているさまざまな技術のエネルギー要件は入手可能な文献に基づいており、文献調査の詳細な概要と使用されたエネルギー要件の値は補足注記 2 および補足表 5 に記載されています。図に示されているすべての誤差バーは、 3 つの独立した測定値から計算された標準偏差。

現在の研究では、主な焦点は、高負荷率で高いウイルス除去を達成するための MO 官能化ファイバーフィルターの実現可能性を確立することでした。包括的なライフサイクル分析には、現実的な条件での将来のスケールアップ研究が必要ですが、提案されたフィルターと代替ウイルス除去技術を比較するために、MO コットンフィルターのエネルギー要件の初期評価がここで実行されました。理論上の使用時点における MO コットンフィルターに必要な動作エネルギーと体現エネルギーを計算するための詳細な分析は、補足ノート 1 で利用できます。分析では、MO コットンフィルターが代替技術と比較した場合、必要なエネルギーが最小限であることが示されました (図 1)。 7b)。 MO コットンフィルターの低エネルギー要件 (0.01kWh m−3) は、従来の濾材ろ過や塩素消毒などのエネルギー消費量の少ない技術と同様です。エネルギー集約型の膜濾過や UV 照射と比較して、MO コットンフィルターはエネルギー効率の高いウイルス治療の可能性を示しています。これは、MO コットンフィルターが、将来的にはユースポイントフィルターまたは地域規模のフィルターとして展開できる、簡単にアクセスできる飲料水フィルターとして大きな期待を持っていることを示しています。エネルギー消費に加えて、米国とインドの両国で提案されている MO コットンフィルターの理論的な使用時点設計を構築するためのコストは、2 つの現場でフィルターを設置した経験からの材料コストに基づいて計算されました。場所（補足図7）。これらの推定では、1 日あたり 10 リットルの水をろ過できる能力のある使用時点での MO コットンフィルターを米国とインドで製造するには、それぞれフィルターあたり 10 ドルと 5 ドルのコストがかかることが示されました (詳細は補足注 3 と補足表 6 を参照)。。

全体として、我々は、単純な水性モリンガオレイフェラ種子抽出物を効果的に使用して、容易に入手可能な天然繊維を機能化できることを実証し、提案されたフィルターがサイズ排除濾過技術に存在するトレードオフ曲線をどのように克服できるかを示しました。再生方法が開発され、MO コットンの乾燥保存安定性が研究され、さまざまな状況に適用できる持続可能な技術としての可能性が確立されました。最後に、実験と予備的なエネルギー推定により、提案されたフィルターは、市販の膜と比較して、低エネルギー要件で高効率のウイルス除去能力を提供することが示されました。この実験室規模の研究から得られた結果は心強いものではありますが、提案されたフィルターを現場規模で適応させるには、今後の研究ではフィルターの性能に対する実際の条件の影響に焦点を当てる必要があります。考慮すべき重要なパラメーターには、カラムの操作に必要な圧力と、有機物の存在下での現実的な病原体濃度が含まれます。現場では、これらのフィルターは重力による流れによって駆動されるように設計されています。ここで示す実験は、2 mL min-1 の流量を維持するのに必要な圧力が 1 psi 未満であり、このような低い圧力を確実に維持および測定することが困難であるため、ペリスタルティックポンプを使用して一定の流量で実施されました。定圧設定を使用してMOコットンフィルターの透過性（単位圧力あたりの単位面積あたりの流量）を定量化し、これを従来の膜と比較しました（図7a）。これらの結果は、MO 官能化フィルターの透過性が非常に高いことを示していますが、このデータをさらに検証するには現場規模の実験が必要です。

第二に、ここで行われた実験の目的は、比較的少量の高濃度細菌/ウイルス溶液を濾過することにより、「クリーンベッド」条件でコーティングされていないフィルターと比較して、MO コットンフィルターによって達成可能な最高の効率を定量化することでした。実際には、現在の研究で使用されているものよりも病原体濃度が桁違いに低い大量の水が処理されることになります。 MOコットンフィルターの寿命と天然有機物の容量への影響の予備的な推定を確立するために、大腸菌を使った別の画期的な実験が行われました。これらの実験は、（補足図5a）MOコットンフィルターが飽和に達する前に1011を超える細菌のコロニー形成単位（CFU）を除去することを示しました。これは、重度に汚染された原水 (バクテリア 100 CFU mL-1) でも >107 カラム容積に相当し、MO コットンフィルターの能力が高いことを示しています。このフィルターは、この長期実験中に生物付着に対する感受性も示さなかった。天然水の複雑な組成により、実験室での実験から推定される寿命は現場での使用では減少すると予想されます。水マトリックスの効果を理解するために、大腸菌をスパイクした高総有機炭素 (TOC ~6 mg mL-1) を含む池の水を MO 機能化砂フィルターでテストしました。結果は、TOC の影響によりカラム容量が約半分に減少することを示しています (補足図 5b)。この予備実験に使用された池の水は地元の水源から採取されたものであるため、天然有機物の組成を正確に測定することはできませんでした。天然有機物 (NOM) の除去に利用可能なプレフィルターと前処理のオプションを考慮して、天然有機物 (NOM) の濃度と組成を注意深く変化させた詳細な研究は、今後の重要な研究分野です。

この研究に使用したモリンガオレイフェラ (MO) 種子は、フロリダ州のエコーグローバル農場から入手しました。乾燥した MO 種子は密封袋に入れて室温で保存し、実験前にコーヒーグラインダーで粉砕しました。これらの条件は、現場での応用で容易に従うことができる保管およびコーティング条件下でプロセスが堅牢であることを保証するために意図的に使用されました。機能化繊維フィルターの除去効率を確立するために、新たに作成した水抽出物を使用してカラム実験を実施しました。

使用される天然繊維の詳細については、補足方法を参照してください。

Sterlitech Corporation から購入した NF270 (PA-TFC、Dow Filmtec)、UE50 (PES、Trisep)、および MP005 (PES、Microdyn Nadir) を使用して、ナノ濾過 (NF)、厳密限外濾過 (UF) の透過性と MS2 除去効率を測定しました。 )、および緩い UF です。精密濾過膜の例として、Millipore Sigma から購入した 0.22 μm (PVDF、Millipore™) 膜を使用しました。

この研究では、MO 機能化ファイバーフィルターを攻撃し、その除去効率を定量するために、大腸菌 TG1 株と MS2 バクテリオファージの 2 つの微生物を使用しました。大腸菌は棒状のグラム陰性桿菌で、通常長さ 1 μm、幅 0.35 μm で、科学研究のモデル生物として広く使用されています 39。この研究で使用された大腸菌 TG1 株は、以前の研究で細菌の有効な代用物であることが示されました 22,40。 MS2 バクテリオファージは、直径 27 nm の非エンベロープ一本鎖 RNA コリファージであり、ヒト腸内ウイルスの代用として広く使用されています 26,41。これらのモデル微生物は、そのサイズから細菌やウイルス粒子を表すのに理想的な代用物であるため、この研究でフィルターを試すために使用されました。さらに、それらは関連感染のリスクも低く、培養および迅速な定量化が容易です。大腸菌 TG1 および MS2 の増殖および培養の手順は、補足方法で詳しく説明されています。

この研究では、病原体の除去を定量化するために使用されるカラムフィルターを構築するために、容易に入手可能なコンポーネントが使用されました。内径１．５ｃｍ、長さ１０ｃｍの寸法を有するＢｉｏ－Ｒａｄ製のガラスクロマトグラフィーカラムを、ファイバーを充填するフィルター本体として使用した。まず、6 ボール (約 3.5 グラム) の綿、5 グラムの絹繊維、または 8 グラムの亜麻繊維を水に 2 分間浸しました。ここでは脱イオン水が使用されていますが、このステップではどんなきれいな水でも使用できます。プランジャーを使用して、湿ったファイバーをカラムに押し込みました。個々の綿球のサイズと重量の固有の変動を考慮して、各カラムに詰められた繊維の乾燥重量とカラムの高さを測定しました。綿、絹、亜麻繊維の柱の平均高さは、それぞれ〜8 cm、〜8.2 cm、〜9.5 cmでした。

このようにして調製した繊維フィルターを MO タンパク質で官能化するために、乾燥 MO 種子からの水抽出物 100 mL を 2 mL min-1 の一定流速でカラムにポンプで送りました。 MO水抽出物は、新たに粉砕した殻のないMO種子2gを100mLの脱イオン水と5分間混合することによって調製されます。ここではMO血清抽出物の調製にDI水を使用しましたが、10 mM NaClの存在はMO官能化フィルターの性能に大きな影響を与えませんでした（補足図6）。この溶液を、繊維フィルターの機能化に使用する前に、1.5 μm ガラス繊維フィルター (Whatman) および 0.22 μm PVDF フィルター (Millipore) で順次濾過し、過剰なシード材料を除去しました。

MS2 バクテリオファージの膜濾過は、活性膜面積 4.1 cm2 の 10 mL デッドエンド濾過セットアップ (モデル 8010、Millipore) で実行されました。濾過セルを８００ｍＬのＡｍｉｃｏｎＳｔｉｒｒｅｄＣｅｌｌＲｅｓｅｒｖｏｉｒプラスチック製リザーバー（ＲＣ８００、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ）に接続し、３００ＲＰＭの撹拌速度で連続的に供給した。各膜の濾過速度は、カラム性能に匹敵する流量を達成するために適用圧力を調整することによって〜100 LMH (リットル m-2 h-1) に維持されました。２００ｍＬの供給溶液を濾過した後、供給溶液と透過液を収集した。この手順は、膜の性能を定量化するために文献で広く使用されています 42、43。

この研究では、一連の標準的な濾過実験を使用して、MO 官能化繊維フィルターの病原体除去効率を定量化しました。前のセクションの手順に従って MO 官能化フィルターを調製した後、フィルターを濾過実験に必要な流量で 100 mL のバックグラウンド緩衝液で平衡化しました。特に明記しない限り、この研究で使用した大腸菌のバックグラウンド緩衝液は10倍希釈したPBS緩衝液(0.1X PBS)であり、MS2バクテリオファージの場合は1mM NaCl溶液でした。 MO コットンフィルターでの MS2 除去のメカニズムを推測するために行われたカラム実験では、バックグラウンドの塩濃度を 1 ～ 600 mM NaCl (10 mM、100 mM、300 mM、および 600 mM) の範囲で変化させました。平衡化後、バックグラウンドバッファーに分散された約 108 CFU mL-1 の大腸菌または約 108 PFU mL-1 の MS2 バクテリオファージを含む流入溶液を一定の流量でフィルターに供給しました。 50 mL、75 mL、および 100 mL の流入水がフィルターを通過したときに、3 つの流出サンプルが収集されました。フィルターの実験対数除去効率 (LRE) は、式 1 を使用して定量化されました。ここで、C および C0 は流出液および流入液のサンプル濃度を表します。流入水および流出水サンプル中の生存病原体の濃度は、大腸菌については従来のプレーティング技術を使用し、MS2 バクテリオファージについては二重層プラークアッセイを使用して定量されました。使用される定量化手法の詳細については、「補足方法」を参照してください。

病原体の除去を強化する際の MO タンパク質による繊維の官能化の効率を定量化するために、MO 官能化繊維フィルターを使用して 2 mL min-1 の流量で濾過実験を実行しました。官能化ステップを除いて、MO 官能化フィルターと同じ手順を使用して梱包および処理された、コーティングされていない繊維フィルターをネガティブコントロールとして使用しました。 LRE に対する流量の影響を理解するために、MO 官能化綿フィルターを使用して、大腸菌の場合は 2 mL min-1 ～ 50 mL min-1、および 2 mL min-1 ～ 10 mL の範囲のさまざまな流量で実験を実行しました。 MS2 バクテリオファージの場合は min−1。

MoCBP と MS2 キャプシドタンパク質間の結合親和性を定量化するために、Z-DOCK-345 と同様の OptMAVEn-2.044 の表面ドッキングプロトコルを使用して、標的キャプシドの表面をスキャンする一連の柔軟なドッキング反復を実行しました。 MoCBP の上位 100 個のドッキング立体構造の質量中心の座標を使用して、キャプシドタンパク質上の最も高い MoCBP 親和性の位置を特定しました。高親和性領域における MoCBP の結合立体構造のそれぞれについて、全原子ロゼッタエネルギー関数を使用して、結合のエンタルピー寄与を推定しました。入力ファイルの準備には、関係する各タンパク質の結晶座標 – (a) MoCBP – PDB id 5DOM32、(b) MS2 カプシド – PDB id 1AQ346 – から始まり、その後、内部座標構築を実行して欠落している残基を追加し、全体PyRosetta47 内の全原子緩和プロトコル Relax を使用したエネルギー最小化。

提案された技術がさまざまな状況（災害への備えなど）で適用されるためには、MO機能化綿（MOコットン）が乾燥および長期間保持された後も病原体を捕捉する能力を維持することが重要です。これをテストするために、前述の手順に従って調製した MO コットンを 37 °C で 24 時間乾燥させ、密閉袋に入れて室温で保管しました。次に、1 か月後および 3 か月後に乾燥した MO コットンを使用して濾過実験を実行し、LRE を新たにコーティングしたコットンと比較しました。 1 か月と 3 か月のサンプルは、同日に製造された MO コットンの同一バッチから採取され、密封された袋に入れて室温で乾燥させたものであることに注意してください。ろ過実験は、上記と同じ手順に従って 2 mL min-1 の流量で実行されました。

MO コットンが広く入手可能で持続可能な病原体捕捉媒体であることを示すためには、コーティングされたコットンを簡単に再生できる能力を確立することが重要です。私たちのこれまでの研究では、600 mM 食塩水で洗浄した後、MO 水抽出物で機能化することが、濾材を再生する効果的な手順であることが示されています 21,31。同様の手順を使用して MO コットンを再生できるかどうかを確認するために、濾過実験を実施して、病原体除去効率に対する再生の影響を確認しました。 MO コットンカラムをまず前述の手順に従って準備し、次に 100 mL の 600 mM NaCl で洗浄してタンパク質を脱着した後、再コーティングしました。このプロセスを 3 回繰り返し、再生カラムの大腸菌および MS2 除去効率を各サイクルで定量化し、LRE に対する再生の影響を研究しました。

この研究で使用したさまざまな繊維の表面を分析するために、Brunauer-Emmett-Teller (BET) 等温線測定が使用されました。平均有効表面積 (SA) を決定するために、繊維 (綿、絹、亜麻) ごとに 3 つのサンプルがペンシルバニア州立大学の材料特性評価研究所で分析に提出されました。 SAは、加速表面積およびポロシメトリーアナライザー（ASAP 2420; Micromeritics Instrument Corp.）を使用して、77 Kでサンプル表面上の窒素の物理的吸着によって決定されました。 SA は、0.05 ～ 0.30 の範囲の相対圧力 P/Po での吸着等温線の線形部分を利用する BET 方程式 48 を使用して計算されました。ここで、P は平衡圧力、Po は飽和圧力です。測定前に、サンプルは 4 µm Hg の真空下、40 °C で少なくとも 8 時間脱気され、水蒸気や二酸化炭素などの不純物が除去されました。

スマート iRT ダイヤモンド ATR サンプリングアクセサリ (Thermo Scientific) を備えた Nicolet 6700 分光計 (Thermo Scientific) を使用して、ファイバーサンプルに対して減衰全反射フーリエ変換赤外分光法 (ATR-FTIR) を実行し、化学構造を決定しました。すべての測定について、解像度 4 cm-1 でサンプルあたり 256 回のスキャンが得られました。

繊維サンプルの表面電位を測定するために、SurPASS 動電分析装置 (米国バージニア州アッシュランドの Anton Paar) を使用しました。各繊維サンプルは、最初に 10 mL の 1 mM NaCl 溶液に浸されました。次に、サンプルをデバイスの円筒セル内に取り付け、0.05 M HCl と NaOH を使用して電解質溶液 (再び 1 mM NaCl) の pH を必要なレベルに調整しました。測定は、5、6、7、および 8 の 4 つの異なる pH 値で各ファイバーに対して 3 回実行されました。すべての測定は、300 mBar の目標圧力で行われました。この圧力は界面動電分析装置の動作要件であり、この研究における濾過実験の動作圧力とは相関関係がないことに注意してください。

この研究でテストした繊維カラムの平均細孔径を測定するために、綿、絹、亜麻と同様の充填密度に達するように、必要量の繊維サンプルを長さ 2.54 cm、直径 3.5 cm の寸法の円筒形ホルダーに充填しました。列フィルターに。湿潤液として水を使用し、標準的な湿潤および計算を使用してポロメトリー分析を実行しました。この文脈で使用されるカラム充填密度という用語は、フィルターのかさ密度や繊維の多孔性を表すものではありません。代わりに、これはカラムの体積に対する充填された材料の量の比率であり、将来の研究で比較できるようにするための参照値として意図されています。

天然繊維フィルターに吸着されたタンパク質の量を測定するために、Thermo Scientific™ Pierce™ 定量的蛍光ペプチドアッセイが使用されました。鶏卵白からのリゾチームを使用して検量線を作成しました。前に説明したようにカラムをコーティングした後、100 mL の 600 mM NaCl を 2 mL min-1 の流速で導入し、タンパク質を塩溶液に脱着させました 31。塩溶液中のタンパク質の濃度を使用して、繊維フィルターの表面に吸着された MO タンパク質の量を解釈しました。

天然繊維の表面に吸着したタンパク質を定性的に特徴付けるために、吸着タンパク質の定量化に使用した塩洗浄液に対してドデシル硫酸ナトリウム - ポリアクリルアミドゲル電気泳動 49 (SDS-PAGE) 評価を実施しました。 12 μL の 600 mM NaCl 洗浄液を 12% ハンドキャスト SDS PAGE ゲルにロードしました。クマシー染色を使用してタンパク質バンドを視覚化しました。

MOコットンフィルターを使用して物理的に除去されたMS2バクテリオファージを観察するために、透過型電子顕微鏡(TEM)が使用されました。 MO コットンに付着した MS2 バクテリオファージを視覚化するために、TEM 分析を伴うネガティブ染色法が使用されました。 MS2 バクテリオファージが吸着された MO コットン繊維は、1 mM NaCl に分散した 108 PFU mL-1 MS2 バクテリオファージ 4000 mL を MO コットンフィルターで 6 mL min-1 でろ過することによって調製されました。画像解析のために、カラムの上部から個々のファイバーを清潔なピンセットで摘み、35 °C で乾燥するか、ヘキサメチルジシラザン (HMDS) 乾燥を使用して乾燥させました。

標本の構造を保存し、化学的に固定するために、TEM 検査の前に化学乾燥剤 HMDS を使用して軟組織と生体分子を脱水しました。検査する標本は、さまざまな濃度の段階的エタノール (30%、50%、60%、70%、80%、90%、および 100% エタノール) でそれぞれ 10 分間脱水し、その後 50% エタノール/HMDS で維持しました。および 100% HMDS を室温で 2 分間連続して処理します。次いで、試験片を層流フード内で一晩乾燥させた。脱水標本を 400 メッシュのグロー放電カーボンコーティング TEM グリッド (G400、Ted Pella) に吸着させ、0.75% (wv-1) ギ酸ウラニルでネガティブ染色しました。 TEM 画像は、Tecnai G2 Spirit BioTwin 顕微鏡 (FEI) を使用し、加速電圧 80 kV で取得しました。画像は、AMT Advantage HR 1k X 1k デジタルカメラ (Advanced Microscopy Techniques) を使用して、6 kx ～ 87 kx の倍率で撮影しました。

この研究では走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して、MO 綿繊維の表面への大腸菌の吸着を観察しました。また、SEM を使用して、形態に対する処理の影響を理解するために、この研究で使用した綿、絹、および亜麻の繊維の繊維直径と形態を、沸騰水で 15 分間処理する前後で分析しました。大腸菌を吸着したMOコットン繊維は、0.1X PBSに分散させた108 CFU mL-1の大腸菌2000 mLをMOコットンフィルターで10 mL min-1で濾過することによって調製した。画像解析のために、カラムの上部から個々の繊維を清潔なピンセットで取り出し、HMDS 乾燥を使用して乾燥させました。

生体標本の構造を保存し、化学的に固定するために、沸騰水と大腸菌で処理された MO コットンの天然繊維サンプルを SEM で検査する前に、先に説明した HMDS 乾燥技術を使用して軟組織と生体分子を脱水しました。サンプルが準備されたら、Quanta 650 ESEM (FEI) を使用して 5 kV ～ 15 kV の加速電圧で SEM 画像を取得し、静電荷の蓄積を防ぐために EMS スパッターコータを使用して試験片を金/パラジウム混合物でコーティングしました。

この研究結果を裏付けるデータセットは、テキサスデータリポジトリ (https://doi.org/10.18738/T8/BKRUCG) で入手できます。 Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.6607398) でも入手できます。

ホッケラ、MF 他天然、偶発的、人工ナノマテリアルとそれらの地球システムへの影響。サイエンス 363、eaau8299 (2019)。

Bouseetine, R.、Hassou, N.、Bessi, H.、Ennaji, MM、新興および再興ウイルス病原体 907–932 (Elsevier、2020)。

白崎直樹、松下哲、松井裕也、山下 R. 凝固急速砂の有効性評価におけるヒト腸内ウイルスの代用としての植物ウイルス、ペッパーマイルドモットルウイルスの適合性の評価濾過してウイルスを除去します。水耐性 129、460–469 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

組織、WH 飲料水パラメータ協力プロジェクト。リビスをサポートします。付属書 I 議会指令 98、83 (2017)。

Google スカラー

Yahya, M.、Cluff, C. & Gerba, C. ゆっくりとした砂ろ過とナノろ過によるウイルス除去。水科学テクノロジー。 27、445–448 (1993)。

記事 CAS Google Scholar

ElHadidy, AM、Peldszus, S. & Van Dyke, MI MS2 および φX174 バクテリオファージを使用した限外濾過膜によるウイルス除去メカニズムの評価。 9月、プリフ。テクノロジー。 120、215–223 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Chen, S. & Chen, B. 都市エネルギーと水の結びつき: ネットワークの視点。応用エネルギー 184、905–914 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Richardson, SD、Plewa, MJ、Wagner, ED、Schoeny, R. & DeMarini, DM 飲料水中の規制対象および新規の消毒副産物の発生、遺伝毒性、発がん性: 研究のレビューとロードマップ。ムタット。ムタット牧師。 Res 636、178–242 (2007)。

記事 CAS Google Scholar

Mo, W.、Cornejo, PK、Malley, JP、Kane, TE & Collins, MR 消毒副生成物を削減するための小規模飲料水システムのアップグレードのライフサイクル環境および経済的影響。水耐性 143、155–164 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

ゼケレス、GP et al. 銅でコーティングされたセルロースベースの浄水フィルターでウイルスを保持します。 ACS オメガ 3、446–454 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Zodrow, K. et al. 銀ナノ粒子を含浸させたポリスルホン限外濾過膜は、生物付着耐性とウイルス除去力の向上を示します。水耐性 43、715–723 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

シンクレア、T. et al. 飲料水用途向けにカチオン性ポリマーで修飾された精密ろ過膜によるウイルスの減少。コロイドサーフ。物理化学。工学 Asp. 551、33–41 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

パリカ、A.ら。タンパク質ナノフィブリルとオキシ水酸化鉄ナノ粒子からなる抗ウイルストラップ。ナット。ナノテクノロジー。 16.8、918–925 (2021)。

Ndabigengesere, A.、Narasiah, KS & Talbot, BG 活性剤とモリンガオレイフェラを使用した濁った水の凝固機構。水耐性 29、703–710 (1995)。

記事 CAS Google Scholar

Shebek, K. et al. モリンガオレイフェラ種子からの凝集性カチオン性ポリペプチドは、膜融合を引き起こすことで細菌の細胞膜に損傷を与えます。ラングミュア 31、4496–4502 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Fuglie, LJ 奇跡の木: モリンガオレイフェラ: 熱帯地方の自然栄養。チャーチ・ワールド・サービス、ダカール。 68ページ。 2001 年に改訂され、「The Miracle Tree: The Multiple Attributes of Moringa」、172 p (1999) として出版されました。

ギフォーニ、JM et al. 植物病害防除の可能性を秘めたワサビノキ種子由来の新規キチン結合タンパク質。ペプト。科学。 98、406–415 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

ネト、JX 他モリンガオレイフェラ種子から精製されたキチン結合タンパク質は、細胞膜透過性と活性酸素種の生成を増加させることにより抗カンジダ活性を示します。フロント。微生物。 8, 980 (2017)。

記事 Google Scholar

Foidl, N.、Makkar, H. & Becker, K. 農業および産業用途におけるモリンガオレイフェラの可能性。モリンガ製品の発展の可能性 20 (2001)。

フェレイラ首相ほかモリンガオレイフェラ種子の水抽出物のネッタイシマカに対する殺幼虫活性と実験動物に対するその毒性。アカド。ブラジャー。シエンク。 81、207–216 (2009)。

記事 Google Scholar

サミネニ、L.ら。シンプルな機能性砂フィルターで7ログのウイルス除去。環境。科学。テクノロジー。 53、12706–12714 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

シオン、B.ら。持続可能な水浄化のためのモリンガオレイフェラ f-sand フィルター。環境。科学。テクノロジー。レット。 5、38–42 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Brown, P. & Cox, CL 繊維状フィルター媒体。（ウッドヘッド出版、2017）。

Peets, P.、Kaupmees, K.、Vahur, S. & Leito, I. 織物繊維識別の実行可能なオプションとしての反射 FT-IR 分光法。ヘリット。科学。 7、1–10 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Blaustein, R.、Pachepsky, Y.、Hill, R.、Shelton, D. & Whelan, G. 水中での大腸菌の生存: 温度依存性。水耐性 47、569–578 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Aranha-Creado, H. & Brandwein, H. 哺乳類ウイルスの代替物としてのバクテリオファージの応用: 医療および環境ウイルス学における前例と現在の実践に基づいたフィルター検証での使用例。 PDA J. Pharm. 科学。テクノロジー。 53、75–82 (1999)。

CAS Google スカラー

Logan, B.、Jewett, D.、Arnold, R.、Bouwer, E. & O'Melia, C. クリーンベッド濾過モデルの明確化。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．工学 121、869–873 (1995)。

記事 CAS Google Scholar

Tufenkji, N. & Elimelech, M. 飽和多孔質媒体における物理化学的濾過における単一コレクターの効率を予測するための相関式。環境。科学。テクノロジー。 38、529–536 (2004)。

記事 CAS Google Scholar

Logan, BE、Hilbert, TA & Arnold, RG 研究室フィルター内の細菌の除去: モデルと実験。水耐性 27、955–962 (1993)。

記事 CAS Google Scholar

Ghebremichael, KA、Gunaratna, K.、Henriksson, H.、Brumer, H. & Dalhammar, G. モリンガオレイフェラ種子からの凝固タンパク質の簡単な精製と活性アッセイ。水耐性 39、2338–2344 (2005)。

記事 CAS Google Scholar

Nordmark、BA et al. モリンガオレイフェラ種子タンパク質のシリカへの吸着: 水の硬度、分別、および脂肪酸抽出の影響。ラングミュア 34、4852–4860 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

ウラ、A.ら。モリンガオレイフェラ種子からの成熟 2S アルブミンの結晶構造。生化学。生物物理学。解像度共通。 468、365–371 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Morrow, J.、Stratton, R.、Yang, H.-H.、Smets, BF & Grasso, D. ミネラルに対するいくつかの大腸菌株 (O157: H7 および環境分離株) の接着挙動のマクロおよびナノスケールの観察表面。環境。科学。テクノロジー。 39、6395–6404 (2005)。

記事 CAS Google Scholar

Bolster, C.、Haznedaroglu, B.、および Walker, S. 12 の異なる環境大腸菌分離株間の細胞特性と輸送挙動の多様性。Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．クオリティ。 38、465–472 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

アルマニアス、A. et al. 固体と水の界面におけるウイルス: 吸着を引き起こす相互作用の体系的な評価。環境。科学。テクノロジー。 50、732–743 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

クリッテンデン、JC et al. MWH の水処理: 原理と設計。ジョン・ワイリー＆サンズ（2012）。

Ellis、KV & Wood、WE ゆっくりとした砂ろ過。クリティカル。Ｒｅｖ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．コントロール 15、315–354、https://doi.org/10.1080/10643388509381736 (1985)。

記事 CAS Google Scholar

Kouadio, IK、Aljunid, S.、Kamigaki, T.、Hammad, K. & Oshitani, H. 自然災害後の感染症: 予防と制御対策。専門家Rev.Anti Infect。それで。 10、95–104 (2012)。

記事 Google Scholar

チェン、Ｘら。大腸菌の代謝工学: バイオベースの化学生産のための持続可能な産業プラットフォーム。バイオテクノロジー。上級 31、1200–1223 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

ウッド、TL 他。人工バイオフィルムの有益な使用のモデルとしての生きた生物付着抵抗性膜。手順国立アカデミー。科学。 USA 113、E2802–E2811 (2016)。

CAS Google スカラー

Amarasiri, M.、Kitajima, M.、Nguyen, TH、Okabe, S.、Sano, D. 廃水再生利用におけるウイルス削減の検証および運用監視ツールとしてのバクテリオファージ除去効率。水耐性 121、258–269 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Wickramasinghe, SR、Stump, ED、Grzenia, DL、Husson, SM & Pellegrino, J. ウイルス濾過膜の性能を理解する。 J.メンバー科学。 365、160–169 (2010)。

記事 CAS Google Scholar

火、Y.-M. 他。膜タンパク質ナノシートから高精度のハイスループットフィルターを迅速に製造します。ナット。メーター。 19、347–354 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Chowdhury, R.、Allan, MF & Maranas, CD OptMAVEn-2.0: 標的抗原エピトープに対する可変抗体領域の新規設計。抗体 7、23 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Pierce, BG、Hourai, Y. & Weng, Z. 高度な 3D コンボリューションライブラリを使用して、ZDOCK でのタンパク質のドッキングを加速します。 PLoS One 6、e24657 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

ヴァン・デン・ヴォルム、SH 他 MS2 コートタンパク質変異体の結晶構造は、野生型 RNA オペレーターフラグメントと複合体を形成しています。核酸研究所 26、1345–1351 (1998)。

記事 Google Scholar

Nivón, LG、Moreti, R. & Baker, D. タンパク質設計足場のパレート最適精製法。 PLoS One 8、e59004 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Brunauer, S.、Emmett, PH & Teller, E. 多分子層におけるガスの吸着。混雑する。化学。社会 60、309–319 (1938)。

記事 CAS Google Scholar

Weber, K. & Osborn, M. 硫酸ドデシル-ポリアクリルアミドゲル電気泳動による分子量測定の信頼性。Ｊ．Ｂｉｏｌ．化学。 244、4406–4412 (1969)。

記事 CAS Google Scholar

ガスパール、D. et al. ナノ結晶セルロースは、フレキシブル電界効果トランジスタのゲート誘電体と基板として同時に適用されます。ナノテクノロジー 25、094008 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

ヤン、M.-H. 他。絹フィブロイン修飾表面の特性評価: 生体材料によって誘導される細胞応答タンパク質のプロテオミクス的見解。バイオメッド研究所内部。 2014 年、https://doi.org/10.1155/2014/209469 (2014)。

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著者らは、モリンガオレイフェラの種子を提供してくださったフロリダ州エコーグローバルファームに感謝したいと思います。著者らは、サンプルの調製と BET 測定を使用した表面積の分析に関して支援していただいた Katya Bazilevskaya 博士に感謝します。著者らは、蛍光大腸菌株を提供してくださったタミー・ウッド博士に感謝したいと思います。著者らはまた、ストリーミング電位測定を実施するために必要なサポートを提供してくださった Boya Xiong 博士に感謝したいと思います。この研究は、助成金 CBET-12022971、CBET-2027731、および CBET-1946392 を通じて、米国国立科学財団からの資金提供によって支援されました。追加の資金援助は、ペンシルバニア州立大学化学工学部、国立科学財団 REU プログラム (EEC-1659497)、ペンシルバニア州立大学グローバルプログラム、およびウェルチ財団 (F-1696) によって提供されました。

マケッタ化学工学部、テキサス大学オースティン校、オースティン、テキサス州、78712、米国

ラクシュミチャラン・サミニニ、ユーミン・トゥ、ヒョンジ・オ、トーマス・M・トラスケット、マニッシュ・クマール

テキサス大学オースティン校土木建築環境工学部、オースティン、テキサス州、78712、米国

ソフィー・デ・レスピーノ & マニッシュ・クマール

ペンシルバニア州立大学化学工学部、ユニバーシティパーク、ペンシルベニア、ペンシルベニア、16802、米国

ラトゥール・チョードリー、マイケル・ガイトナー、アビゲイル・ローマン＝ホワイト、サリーン・マッキンジー、カミラ・レムス、ステファニー・ヴェレゴル

分子薬学および薬物送達部門、テキサス大学オースティン校薬学部、オースティン、テキサス州、78712、米国

ラシュミ・プラバ・モハンティ＆デバデュティ・ゴーシュ

ミネソタ大学理工学部土木・環境・地球工学科、ミネアポリス、ミネソタ州、55455、米国

クレア・ハートウィッグ・アルバーグ

タスキーギ大学化学工学部、タスキーギ、アラバマ州、36088、米国

ジョイ・マッシー

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LS、SV、MK が研究を考案し、設計しました。 LS、SD、Y.-MT、RPM、および MG は、HO、CHA、AR-W.、SM、CL の支援を受けて実験を実行し、JMLS、SV、および MK はデータを分析しました。 RC は分子ドッキングシミュレーションを実行し、関連するセクションを作成しました。 LS、SV、MK がこの論文を共同執筆し、Y.-MT、RPM、TT、DG からの編集協力とコメントを得ました。

マニッシュ・クマールへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

サミニニ、L.、デ・レスピノ、S.、Tu、YM。他。持続可能な天然繊維モリンガフィルターで病原菌を効果的に除去。 npj クリーンウォーター 5、27 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41545-022-00170-5

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受信日: 2021 年 12 月 4 日

受理日: 2022 年 6 月 10 日

公開日: 2022 年 7 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-022-00170-5

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