[미국] 수질 정화막 위에 성장하는 박테리아를 저지하는 그래핀 산화물
미생물에 의한 막의 오염은 막 분리 공정(membrane separation process)에 있어서 중요한 제한 요인이다. 따라서 새로운 전략은 막에서 상당한 정도의 박테리아 성장을 감소시키는 것을 요구하고 있다.
이 연구에서, 연구진은 단순한 그래핀 산화물 표면 기능성에 의해 폴리아미드 복합 박막에 강력한 항균 특성을 부여하는 방안을 새롭게 제안했다.
해수 또는 폐수를 음용수로 전환하는 공정은 얇은 폴리아미드 막(polyamide membrane)의 여과력(filtering power)에 따라 좌우된다. 이러한 여과 막 위에 고착되어 여과 막을 망치고 더럽히는 미생물은 염과 오염물질을 제거하는 막의 능력을 방해한다.
그러나 폴리아미드 재료 위에 그래핀 산화물 나노시트(graphene oxide nanosheet)를 단순하게 부착하는 공정을 적용하여 박테리아의 성장을 감소시킬 수 있다고 새로운 연구는 밝혔다.
이러한 기능성 막(functionalized membrane)은 막에서 필요한 세정 수요를 줄일 수 있을 뿐 아니라 오늘날 사용하고 있는 막보다 수명을 연장할 수 있을 것으로 기대된다.
그래핀 산화물과 같은 특정 나노재료는 아직까지 알려지지 않은 메커니즘에 의해 미생물을 사멸시킨다. 이전 연구에서, 연구진은 캐스팅 동안 그래핀 산화물을 폴리아미드를 혼합함으로써 항균성 막(antimicrobial membrane)을 만들었다.
예일 대학(Yale University) 소속의 Menachem Elimelech를 주축으로 하는 연구진은 그래핀 산화물이 미생물을 사멸시키는데 효용이 없는 막 내부에 머무른다는 점이 문제라고 밝혔다.
한편 나노재료가 고가의 비용이 소요되고 환경에 영향을 끼칠 수 있기 때문에, Elimelech는 가능하면 적은 양의 그래핀 산화물을 필요로 하는 항균성 막의 개발을 바라고 있다.
항균성 막의 개발이라는 목적을 달성하기 위하여, Elimelech와 그의 동료 연구진은 아미드 결합 화학(amide coupling chemistry)을 이용하여 아미드 막의 표면에 30nm에서 650nm 폭을 가지는 그래핀 산화물 시트를 부착했다.
표면 화학을 변경할 때마다, 이러한 변경이 거의 항상 막 성능에 영향을 끼친다고 Elimelech는 밝혔다. 기능성 막은 처리되지 않은 막처럼 물을 통과시킨다.
그래핀 산화물의 카르복시기(carboxyl group)와 폴리아미드 활성 층의 카르복시기 사이의 아미드 결합을 이용하여, 그래핀 산화물은 막에 가역적으로 결합될 수 있다.
그래핀 산화물의 표면 결합은 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscopy) 관찰과 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 이용하여 증명했다.
연구진은 한 시간 동안 대장균으로 덮여 있는 기능성 막으로 항균 활성(antimicrobial activity)을 테스트했다. 막 표면 위 기능성 그래핀 산화물과 박테리아의 직접적 접촉은 1시간의 접촉 시간 후 65%의 박테리아 비활성화(bacterial inactivation)를 달성했다.
이러한 박테리아 사멸 효과는 고유의 막 수송 특성에 치명적인 효과 없이 막 위에 분산됐다. 연구진의 결과는 그래핀 산화물 나노시트를 이용한 복합 박막(thin-film composite membrane)의 기능화가 새로운 항균성 막의 개발을 위한 유망한 접근이라고 제안했다.
처리되지 않은 막과 비교했을 때, 그래핀 산화물로 변경된 기능성 복합 박막은 65% 더 적은 박테리아 군집을 생성했다. 치사율을 증진시키기 위하여 Elimelech는 미래 실험에서 막의 표면 위 그래핀 산화물 시트의 수와 크기를 변경시킬 계획이다.
그림1> 연구진은 박테리아를 사멸시키기 위하여 폴리아미드 막(파란색)의 표면에 원자 두께의 그리핀 산화물 시트를 결합시켰다.
[원문보기]
Graphene Oxide Halts Bacterial Growth On Water-Purifying Membranes
Water Treatment: Researchers prevent biofouling on membranes used for desalination and water treatment by attaching nanosheets of graphene oxide
Turning seawater or sewage into drinkable water depends on the filtering power of thin polyamide membranes. Microbes glom onto and muck up these membranes, disrupting their ability to remove salts and contaminants.
But
attaching graphene oxide nanosheets to the polyamide materials reduces bacterial growth, according to a new study. These functionalized membranes may require less cleaning and last longer than those in use today.
Certain nanomaterials, such as graphene oxide, kill microbes by an as-yet-unknown mechanism. In previous studies, researchers made antimicrobial membranes by mixing graphene oxide into the polyamides during casting.
The problem with that, according to
Menachem Elimelech of
Yale University, is graphene oxide ends up inside the membrane where it’s useless for slaying microbes. Since nanomaterials are expensive and may impact the environment, Elimelech wanted to develop an antimicrobial membrane that requires as little graphene oxide as possible.
To that end, Elimelech and colleagues attached 30- to 650-nm-wide sheets of graphene oxide just to the surface of a polyamide membrane using amide coupling chemistry.
“Whenever you alter the surface chemistry, you almost always affect the membrane performance,” Elimelech says. But that wasn’t so this time: The functionalized membrane let water through just as well as the untreated membrane.
The researchers tested the functionalized membrane’s antimicrobial activity by covering it with an Escherichia coli-laced broth for an hour.
Then, they attempted to grow on agar plates any bacteria that had stuck to the membrane. Compared to untreated membranes, those modified with graphene oxide produced 65% fewer bacterial colonies.
To boost lethality, Elimelech plans to alter the number and size of graphene oxide sheets on the membrane’s surface in future experiments.
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