نانو مواد ضد میکروبی برای ضدعفونی سازی آب و کنترل میکروبی آن

چالش دستیابی به ضد عفونی سازی مناسب بدون تشکیل محصولات ضد عفونی سازی آب توسط ضد عفونی کننده های شیمیایی سنتی و نیز تقاضای رو به رشد برای تصفیه غیر متمرکز یا نقطه مورد استفاده و سیستم های بازیافت مستلزم فناوری های جدید برای کنترل میکروبی و ضد عفونی سازی می باشد. چندین نانومواد مهندسی شده و طبیعی ، ویژگی های ضد میکروبی قوی را از طریق مکانیسم های مختلف نشان می دهد از جمله تولید فتوکاتالیزی گونه های اکسیژن واکنشی که بر اجزای سلول و ویروس ها اسیب می زند ( تیتانیوم اکسید، اکسید روی، فلورول)، آسیب به پوشش باکتری سلول (به عنوان مثال پپتیدها، کیتوزان، کربوکسی فلورون ها، نانولوله های کربنی، نانوذرات نقره (NAG))، قطع انتقال انرژی (به عنوان مثال nAg و نانوذرات آبی فولرین (nC60))، و مهار فعالیت آنزیم و سنتز DNA (به عنوان مثال کیتوزان ). اگرچه برخی از مواد به عنوان عامل ضد میکروبی در محصولات مصرف کننده استفاده می شود از جمله سیستم های تصفیه خانگی به عنوان عوامل ضد میکروبی، پتانسیل آن ها برای عفونت زدایی یا کنترل میکروبی در دستگاه تصفیه آب به طور کامل ارزیابی نشده است.

این مقاله مروری بر مکانیسم های آنتی میکروبی نانوذرات مختلف داشته و در مورد نقاط قوت، نقاط ضعف و نیز کاربرد آن ها برای ضد عفونی کردن آب و کنترل خزه ها بحث کرده و بر نیاز های تحقیقاتی برای استفاده از نانومواد جدید برای کاربرد های تصفیه آب تاکید می کند.

1- مقدمه

استفاده از فیلتراسیون شنی و ضدعفونی سازی آب با استفاده از کلر موجب شد تا بسیاری از بیماری های آبی در جهان توسعه یافته و پیشرفته نسبت به یک قرن پیش از بین برود. با این حال شیوع بیماری های آبی هنوز هم در سطح غیر منتظره ای بالا باقی مانده است. بر طبق داده های بر گرفته از گزارش هفتگی مرکز کنترل بیماری، امراض و مرگ و میر، 155 شیوع و 431.846 مورد بیماری در سیستم های آبی عمومی و فردی از 1991 تا 2000 وجود داشت( بخش شورای شیمی آمریکا 2003). در کل دنیا، بیماری های آبی به یک عامل اصلی مرگ و میر در بسیاری از کشور های در حال توسعه تبدیل شده است. بر طبق گزارش سازمان بهداشت جهانی 2004، حداقل یک ششم جمعیت دنیا(1.1 میلیارد نفر) به آب ایمن دسترسی ندارند( سازمان بهداشت جهانی 2004). آمار کشته های اسهال حدود 2.2 میلیون نفر در سال است که کودکان زیر 5 سال را نیز در بر می گیرد. در مورد اهمیت ضد عفونی سازی آب و کنترل میکروبی نمی توان اغراق کرد.

اگرچه روش های ضد عفونی سازی مورد استفاده در تصفیه آب قادر به کنترل پاتوژن های میکروبی می باشند، تحقیقات در طی دهه گذشته، به بررسی ضد عفونی سازی موثر و تشکل محصولات جانبی حاصل از ضد عفونی(DBP) پرداخته اند. مواد ضد عفونی کننده شیمیایی مورد استفاده توسط صنایع آب نظیر کلر، کلرامین و اوزون با ترکیبات و اجزای مختلف در آب طبیعی واکنش داده و تشکیل محصولات جانبی حاصل از ضد عفونی(DBP) داده اند و بسیاری از آن ها سرطان زا بوده است. بیش از 600 محصولات جانبی حاصل از ضد عفونی(DBP) در منابع کزارش شده است( کراسنر و همکاران 2006). با در نظر گرفتن مکانیسم های تشکیل محصولات جانبی حاصل از ضد عفونی(DBP)، پیش بینی میشود که DBP متشکل از اکسیدان های شیمیایی مورد استفاده در تصفیه آب است( ترسل 1993). به علاوه مقاومت برخی از پاتوژن ها نظیر Cryptosporidium و Giardia به مواد ضد عفونی شیمیایی نیازمند دوز ضد عفونی بالایی است که منجر به تشکیل محصولات جانبی حاصل از ضد عفونی(DBP) می شوند. از این روی نیاز مبرمی به ارزیابی مجدد روش های ضد عفونی سازی سنتی و در نظر گرفتن رویکرد های نواورانه در راستای بهبود اطمینان پذیری و تقویت ضد عفونی ضمن اجتناب از تشکیل محصولات جانبی حاصل از ضد عفونی(DBP) وجود دارد.

رشد سریع نانوفناوری موجب شده است تا کاربرد های زیست محیطی نانومواد از اهمیت زیادی برخوردار شود. به ویژه این که، پتانسیل آن برای انقلاب و تحول در فرایند های تصفیه آب سنتی ، اخیرا اعلام شده است(USEPA، شانون و همکاران 2008). نانومواد شامل مواد جاذب ، کاتالیزور ها و سنسور های عالی به دلیل سطح مقطع بزرگ آن ها و واکنش پذیری بالا هستند. اخیرا، چندین نانومواد طبیعی و مهندسی شده ، خواص میکروبی قوی را نشان داده اند از جمله کیتوزان (. چی و همکاران، 2004) ، نانوذرات نقره (NAG)، TiO2 فوتوکاتالیستی (مورنز و همکاران، 2005.) (چو و همکاران، 2005؛ وی و همکاران، 1994)، نانوذرات آبی فولرین (nC60) (لیون و همکاران، 2006)، و نانولوله های کربنی (CNT) (کانگ و همکاران، 2007). بر خلاف مواد ضد عفونی کننده شیمیایی سنتی، این نانومواد ضد میکروبی اکسیدان های قوی نمی باشند و در آب نسبتا کم اثر و ساکن هستند. از این روی، انتظار نمی رود که آن ها تولید DBP مضر کنند. در صورتی که آن ها در فرایند های تصفیه استفاده شوند می توانند پتانسیل خوبی برای جایگزینی و یا بهبود روش های ضد عفونی سازی سنتی باشند.

کاربرد بالقوه دیگر نانو مواد آنتی میکروبی، استفاده در سیستم های استفاده مجدد و تصفیه آب غیر متمرکز است. مفهوم سیستم های تصفیه آب غیر متمرکز و توزیع شده ، توجه زیادی را در سال های اخیر به دلیل مشکلات مربوط به از دست رفت آب و کاهش کیفیت مربوط به شبکه های توزیع قدیمی و افزایش هزینه های انرژی برای انتقال آب و نیز افزایش نیاز به منابع آبی جایگزین و استفاده مجدد از فاضلاب برای مناطق با کمبود آب و مسائل امنیت ملی، به خود معطوف کرده است(NRC، 2006، عاس 2000). از این روی گفته می شود که نامومواد کارکردی( عاملی)، ر ا می توان برای ایجاد سیستم های با عملکرد بالا، کوچک مقیاس برای افزایش مقاومت و استحکام شبکه های تامین آب، برای سیستم های غیر مرتبط با شبکه مرکزی و برای پاسخ های اورژانسی پس ازحوادث نامطلوب استفاده کرد.

این مقاله به مرور مکانیسم های آنتی میکروبی نانومواد مختلف، و کاربرد آن ها در ضد عفونی سازی آب و کنترل میکروبی و نیز محدودیت ها پرداخته و مرور منابعی را برای درک کنترل میکروبی و ضد عفونی سازی مبتنی بر نانوفناوری ارایه می کند.

2-نانومواد آنتی میکروبی : مکانیسم های سم زدایی سمیت

نانوذرات آنتی باکتریایی بحث شده در این مقاله در سه مقوله کلی قرار می گیرند: مواد آنتی باکتریایی موجود در طبعیت، اکسید های فلزی و فلزات و نانومواد مهندسی شده جدید. این نانوذرات با سلول های میکروبی از طریق طیف وسیعی از مکانیسم ها فعل و انفعال دارند. مکانیسم های آنتی میکروبی اصلی گزارش شده در منابع در شکل 1 خلاصه شده اند. نانوذرات می توانند به طور مستقیم با سلول های میکروبی فعل و اتفعال داشته باشند برای مثال اختلال در انتقال الکترون غشایی، اختلال و نفوذ در پوشش سلول و اکسید سازی اجزای سلولی و تولید محصولات ثانوی( برای مثال گونه های اکسیژن واکنشی ROS یا یون های فلزات سنگین محلول)که می تواند موجب بروز آسیب و خسارت شود

2-1 پپتید های آنتی میکروبی و کیتوزان

پپتید های خاص و کیتین طبیعی، از دیر باز از نظر ویژگی های ضد میکروبی خود شناخته شده هستند. اخیرا این مواد به نانوذرات مهندسی شده اند( کی و همکاران 2004، گازیت 2007).آن ها دارای کاربرد های ضد عفونی سازی کم هزینه ای به خصوص در کشور های در حال توسعه می باشند. مکانیسم آنتی میکروبی پپتید های طبیعی نظیر سکروپین های پروانه ابریشم، تشکل کانال های نانومقیاس در غشای سلول های باکتریایی بوده است که منجر به فروپاشی اسمزی می شود( گازیت 2007). پپتید های آنتی میکروبی بر اساس ساختار های پروتین های سنتز شده اند( گدیری و همکاران 1994). توانایی سنتز این پپتید ها، امکان ساخت نانو ساختار های آنتی میکروبی را می دهد( گازیت 2007). پپتید های مهندسی شده از نظر اندازه، مورفولوژی، پوشش، مشتق سازی و سایر ویژگی های مربوط به کاربرد آنتی میکروبی خاص، بهینه سازی می شوند.

کیتوزان، بدست آمده از کیتین پوسته بند پایان دارای فعالیت آنتی میکروبی بوده است و اخیرا گفته می شود که این پلیمر به صورت نانوذرات تبدیل شده است( کی و همکاران 2004، یی و همکاران 2006). کیتوزان نانومقیاس علاوه بر مشتقات آن، اثرات آنتی میکروبی را بر روی باکتری ها، ویروس ها و قارچ ها نشان داده اند( بادوی و همکاران 2005، کی و همکاران 2004، رابا و همکاران 2003، نو و همکاران 2002، جیرکوف 2002). به این ترتیب کنترل قارج ها و ویروس ها نسبت به باکتری ها، موثر تر است( رابی و همکاران 2003). در درون باکتری ها، فعالیت آنتی میکروبی کیتوزان، برای باکتری های گرم مثبت بیشتر از باکتری های گرم منفی است( دان و همکاران 2005، نو و همکاران 2002). کیتوزان مانع از انتشار باکتریوفاژ ها در باکتری ها شده و موجب بروز مقاومت به بیماری های ویروسی در گیاهان می شود( چیرکوف و همکاران 2002). طیف وسیعی از غلظت های باز دارنده حداقل MIG از 18 تا 5000 پی پی ام بسته به نوع ارگانیسم، اسیدیتهف وزن مولکولی، درجه بسپارش و حضور لیپید ها و پروتین ها کزارش شده اند( رابی و همکاران 2003، نو و همکاران 2002).

چندین مکانیسم آنتی میکروبی برای کیتوزان گزارش شده اند. یک مکانیسم شامل فعل و انفعال ذرات کیتوزان با بار مثبت با غشای سلول های با بار منفی وجود دارد که منجر به افزایش در تراوایی غشا و نیز شکستگی و نشت اجزای بین سلولی می شود( کی و همکاران 2004). این مسئله با این مشاهده که درشت مولکول های کیتوزان طبیعی و نانوذرات مهندسی شده در مقدار PH بالاتر از 6 به دلیل نبود گروه های آمینی پروتون دار ( کی و همکاران 2004) موثر نمی باشند. به همین دلیل، فعالیت های آنتی باکتریایی مشترات کیتوزان حاوی گروه های آمونیوم کواترنر، نظیر کیتوزان تری متیل N-N-N، کیتوزان دی متیل N- پروپیل-N-N، کینوزان دی منیل N- فورفوریل-N-N قوی تر از انواع کیتوزان ها بوده و با کاهش اسیدیته، افزایش می یابد( جیا و همکاران 2001). در یک مکانیسم پیشنهادی دیگر، کیتوزان موجب کلاته شدن فلزات کم مصرف شده و در نهایت فعالیت های انزیمی را متوقف می سازد( رابی و همکاران 2003). در سلول های قارچی، کیتوزان وارد دیواره سلول و هسته شده و با DNA پیوند برقرار کرده و مانع از سنتز RNA می گردد( رابی و همکاران 2003).

2-2 nAg

خواص آنتی میکروبی ترکیبات نقره و یون های نقره کاملا شناخته شده و در طیف وسیعی از زمینه ها از دستگاه های پزشکی ضد عفونی کننده و وسایل منزل تا تصفیه آب استفاده شده است( بوزتی و همکاران 2002، چو و همکاران 2005، گوپتا و سیلور 1998). با این حال، مکانیسم سمیت به خوبی درک نشده است.

شکل1: مکانیسم های مختلف فعالیت های آنتی میکروبی اعمال شده توسط نانومواد

یون های نقره با گروه های تیول در پروتین ها فعل و انفعال داشته و منجر به غیر فعال شدن آنزیم های تنفسی گردیده و در نهایت تولید ROS را باعث می شوند( ماتسومورا و. همکاران 2003). نشان داده شده است که یون های نقره مانع از تکرار DNA شده و بر ساختار و تراوایی غشای سلول اثر دارد( فانگ و همکاران 2000). یون های نقره نیز در حضور اشعه دهی فرابنفش A و C فتو اکتیو بوده و منجر به بهبود غیر فعال سازی باکتری ها و ویروس ها می شود.( کیم و همکاران 2008، راهن و همکاران 1973). فرض کلی بر این است که کمپلکس شدن نقره با سیستئین موجب تسریع فتو دیمریزاسیون DNA شده و در نهایت یک اثر هم افزایی را در غیر فعال سازی فاژ Haemophilusinfluenza ( ران و همکاران 1973) و فاژ MS2( کیم و همکاران 2008) ایجاد می کند.

تا کنون، مکانیسم های متعددی برای  خواص ضد میکروبی نانوذرات نقره ارایه شده است: 1- چسبندگی نانوذرات به سطح و تغییر خواص غشا. ذرات nAg موجب تجزیه مولکول های لیپو پلی ساکاریدی شده و در درون غشا با تشکیل یک سری حفره ها انباشته شده و منجر به افزایش تراوایی غشا می شود( سوندی و سالپگ و ساندی 2004) 2- ذرات nAg نفوذ کننده به درون سلول باکتریایی منجر به آسیب دی ان ای می شوند 3- انحلال nAg موجب آزاد سازی یون های آنتی میکروبی نقره می شود( مورنز و همکاران 2005).

خواص فیزیوشیمیایی نقش مهمی در فعالیت آنتی میکروبی nAg ایفا می کنند. به طور کلی، ذرات کم تر از 10 نانومتر برای باکتری هایی نظیر ا کولای و نیز Pseudomonas aeruginosa سمی تر هستند( زو و همکاران 2004، کوگی و همکاران 2006). نانوذرات نقره از 1 تا 10 نانومتر، مانع از اتصال برخی ویروس ها به سلول های میزبان با اتصال انتخابی به گلیکوپروتین های gp120 ویروس می شوند( الیکوورا و همکاران 2005). به علاوه، نانوپلیت های nAg مثلثی حاوی صفحات واکنشی <111> سمی تر از میله های nAg ، کره های nAg و یون های نقره هستند( پال و همکاران 2007).

 2-3 تیتانیوم اکسید

تیتانیوم اکسید رایج ترین فتوکاتالیزور نیمه رسانا است. در میان نانومواد های مختلف، این رایج ترین و شناخته شده ترین است. تحت تاثیر تابش اشعه فرابنفش A، خواص فتو کاتالیستی در کاربرد های محیطی مختلف برای حذف مواد آلاینده از هر دو آب و هوا استفاده شده است( گلاور و همکاران 2006، میورای و همکاران 2007ف سلاتمر وفرمن 2007). طیف وسیعی از اطلاعات در زمینه غیر فعال سازی فتوکالیستی تیتانیوم اکسید باکتری هاف در طی 20 سال اخیر کسب شده است( ماتسونگا و همکاران 1985، وی و همکاران 1994). تیتانیوم اکسید می تواند هر دو باکتری های گرم مثبت و منفی را بکشد، و این در حالی است که باکتری های گرم مثبت حساسیت کمی به دلیل توانایی تشکیل هاگ ها دارند( وی و همکاران 1994).

اخیرا، تیتانیوم اکسید با تندازه نانو موجب کشته شدن ویروس ها از جمله پلی ویروس 1( واتس و همکاران 1995)، ویروس هپاتیت ب( زان و همکاران 2007)، ویروس هرپس( هاجکوا و همکاران 2007)،و باکتریوفاژ های MS2( پو همکاران 2005) شده است. غلظت تیتانیوم اکسید برای کشتن باکتری ها بین 100 و 1000 پی پی است و این بستگی به اندازه ذرات و شدت و طول موج نور مورد استفاده دارد( وی و همکاران 1994)

فعالیت آنتی باکتریایی تیتانیوم اکسید با تولید ROS به خصوص رادیکال های آزاد هیدروکسیل و پروکسید تحت اشعه دهی UV-A از طریق مسیر های اکسایشی و کاهشی همراه است( کیگوچی و همکاران 1997). جذب قوی اشعه UV-A موجب فعال سازی تیتانیوم اکسید تحت تابش خورشید شده و موجب بهبود معنی داری در ضد عفونی سازی خورشیدی می شود. در مطالعه گلوور و همکاران(2006)، غیر فعال سازی کامل کولیفرم های مدفوع، در 15 دقیقه در یک غلظت اولیه 3000 cfu/100 Ml با قرار دادن آب در محفظه های پلاستیکی پوشش دهی شده با تیتانیوم اکسید صورت گرفت، در حالی که همین غیر فعال سازی نیازمند 60 دقیقه با محفظه های بدون پوشش شد. در عین حال همین مطالعه نشان داد که باکتری های در معرض ضد عفونی سازی فتو کاتالیستی تیتانیوم اکسید قادر به خود تعمیری نیستند. با این حال، مرگ و میر باکتریایی در شرایط تاریکی نشان می دهد که سایر مکانیسم های مجهول ممکن است دخیل می باشند( ادامز و همکاران 2006).

یک ویژگی جذاب ضد عفونی سازی فتوکاتالیستی تیتانیوم اکسید، پتانسیل فعال شدن آن از طریق نورمرئی نظیر نور خورشید است. دوپ شدن فلز موجب بهبود جذب نور مرئی توسط تیتانیوم اکسید می شود( انوپو و همکاران 2001، ویلیامسون 1939) و این موجب افزایش فعالیت فتوکاتالیستی تحت اشعه uv می شود( چوی و همکاران 1994، مو و خمکاران 1989، دانکوک و همکاران 1981). فلزات نجیب به خصوص نقره، توجه زیادی را به این منظور جلب کرده اند. نقره قادر به برانگیخته سازی نور مرئی توسط تیتانیوم اکسید می شود(سیر یو همکاران 2007). اخیرا، گزارش شده است که دوپینگ تیتانیوم اکسید با بهبود غیر فعال سازی فنوکاتالیستی باکتری ها و ویروس ها همراه است( کیم و همکاران 2006). برای مثال، ردی و همکاران(2007) نشان داده است که یک درصد وزنی نقره ag0 در تیتانیوم اکسید موجب کاهش زمان واکنش مورد نیاز برای حذف کامل  ز 65 تا 16 دقیقه در نور uv-a است.  موجب بخبود فعالیت نوری با تسهیل تفکیک حفره الکترونی و ایجاد سطح مقطع بیشتر برای جذب سطحی می شود( سانگ ساه و همکاران 2004، سالکفانی و همکاران 1997). جذب نور مرئی توسط پلاسمون های سطح نقره، موجب انتقال الکترون به تیتانیوم اکسید شده و در نهایت منجر به تفکیک بار و فعال سازی از طریق نورمرئی می شود( تیان و تاتسوما 2004، سیری و همکاران 2007). از این روی نقره و تیتانیوم اکسید به عنو.ان یک ماده فتوکاتالیستی ناشی از واکنش نور وپاسخ نور مرئی می باشد.

2-4 ZnO

مشابه با تیتانیوم اکسید، روی اکسید در ضد افتاب ها، پوشش ها و رنگ ها به دلیل کارایی جذب اشعه فرابنفش و شفافیت به نور مرئی استفاده می شود( فرانکلین و همکاران 20079). نانوذرت اکسید روی ، فعالتی های آنتی باکتریایی قوی را بر روی یک طیف وسیعی از باکتری ها نشان می دهند( ساوای 2003، ادامز و همکاران 2006، جنز و همکاران 2008، هوانک 2008 الف). مکانیسم آنتی باکتریایی اکسید روی به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است. تولید فتوکاتالیستی پروگسید هیدروژن یکی از مکانیسم های اصلی بوده است0 ساوی 2003). به علاوه، نفوذ به پوشش سلول و غیر سازمان دهی غشای باکتریایی با نانوذرات اکسید روی در تماس بوده و مانع از رشد باکتریایی می شود( برانیر و همکاران 2006، هوانک و همکاران 2008 الف). با این حال نقش یون های روی ازاد شده از انحلال اکسید روی، هنوز مشحص نیست ( فرانکلین و همکاران 2007، ساوای 2003). پیشنهاد شده است که پیوند یون روی به غشای میکرو ارکانیسم ها موجب طولانی تر شدن فاز تاخیر چرخه رشد میکروبی می شود( اتامکا و همکاران 1998). نتایج متناقض در مورد اثر اندازه ذرات بر روی فعالیت ضد باکتریای اکسید روی گزارش شده است. جونز و همکاران 2008، گزارش کرده اند که ذرات کوچک تر اکسید روی سمی تر از ذرات بزرگ تر است، با این حال اثرات غیر مرتبط با اندازه نیز در مطالعه فرانکلین و همکاران 2007 کزارش شده است.

 2-5 فلورن ها

کشف و توانایی سنتز فلورن ها، یک ماده جدید را با رسانایی الکتریکی بالاتر، مقاومت کششی و خواص نوری و حرارتی منحصر به فرد( کروتو و همکاران 1985، کارتسمر و همکاران 1990) معرفی کرده است. کاربرد های فعلی و آینده متغیر از نانو الکترون ها تا نانوکامپوزیت ها و دارو رسانی است. فلورن ها به شدت در آب نامحلول هستند( هیمن 1994)، با این حال آن ها با مشتق سازی می توانند در آب محلول شوند. چندین مشتق c60 اثرات انتی باکتریایی نشان داده اند( تساو و همکاران 2002، اسپسیا و همکاران 2007) ، با این حال سمیت بستگی به مشتقات خاص دارد( سایس و همکاران 2007، تانک و همکاران 2007). C60 قادر به تشکیل سوسپانسیون های آبی نانوذرات موسوم به  می باشند ( پارتر و همکاران 2005) و دارای اندازه های بسیار بزرگ هستند( برانت و همکاران 2006). نانوذرات  دارای فعالیت انتی باکتری های با طیف وسیع می باشد( لیون و همکاران 2005، 2006، 2008 الف).

مکانیسم آنتی باکتریایی برای  هنوز مورد بحث است. مطالعاتی که سیتو توکسیتی  را در سیستم های یوکاریوتی کزارش کرده اند، سمیت را به تولید ros نسبت داده اند( ابراسدرتر 2004). با این حال، مطالعات مشاهده کننده  در سیستم های پروگاریوتی نشان داده اند که فعالیت آنتی باکتریایی از طریق اکسیداسیون مستقیم سلول تعدیل می شود( فانگ و همکاران 2007ف لیون 2008 ب). این مسئله مشخص نیست که آیا فعالیت انتی میکروبی ناشی از بقایای حلال الی می باشد یا خیر( برانت و همکاران 2005).

2-6 نانولوله های کربنی

نانولوله های کربنی، ورقه های گرافنی می باشند که به شکل لوله در می ایند و توسط نیمی از فلورن پوشش دهی می شوند. آن ها لوله های تک دیواره ای با قطر 1 تا 5 نانومتر و یا لوله های چند دیواره ای با طول متغیر از 100 نانومتر تا بیش از چند ده میکرومتر هستند. مطالعات سمیت بر روی نانولوله های کربنی نشان داده است که آن ها دارای سمیت کلیوی و سیتو توکسیتی بر روی سلول های پستانداران می باشد(وارهیت و همکاران 2004، ویک و همکاران 2007) و میزان سمیت به ترتیب نزولی به صورت  است( جیا و همکاران 2005). اثر نانولوله های کربنی بر روی باکتری و ویروس ها توجه زیادی را به دلیل مشکل انتشار و توزیع CNT در آب  به خود جلب کرده است. سورفاکتانت ها یا پلیمر هایی نظیر سولفونات دودسیل بنزن (SDBS)، پلیوینیلپیرولیدون (PVP) و یا تریتون X- برای تسهیل توزیع استفاده می شوند. برخی از مطالعات به بررسی فعالیت آنتی میکروبی SWNT ذر باکتری های گرم مثبت و منفی نسبت داده شده است و آسیب ها ناشی از فعل و انفعالات فیزیکی و تنش اکسایشی ای بوده است که موجب اختلال در یکپارچگی غشای سلولی گردیده است( کتنگ و همکاران 2007، 2008، ناراین و همکاران 2005). نانولوله های کربنی برای جلوگیری از اتصال میکروبی مفید بوده است. با این حال، درجه ترکیب، اثرات تثبیت با NOM( هیان و همکاران 2007)، وو زیست فراهمی تانولوله ها( برانت 2008) بایستی با توجه به این ویژ گی های انتی میکروبی در نظر گرفته شود.

3-کاربرد های فعلی و بالقوه برای کنترل میکروبی و ضد عفونی سازی

چندین نانومواد نظیر nAg ، کیتوزان و تیتانیوم اکسید، کاربرد های زیادی در محصولات مختلف و فرایند های صنعتی از جمله تصفیه آب نظیر عوامل آنتی میکروبی دارد(جدول1)

در میان نانومواد آنتی میکروبی، nAg رایج ترین است. این یک عامل آنتی میکروبی در بیش از 100 محصول است( میتارد 2007) و متغیر از مکمل های غذایی تا پوشش های سطحی لوازم اشپزخانه ای( چن و شلوستنرا 2008، مینارد 2007) است. سیستم های تصفیه آب خانگی نظیر Aquapure, Kinetico, و QSI-Nano که 99.99 درصد پاتوژن ها را حذف می کنند، از غشا های اشباع شده با نقره یا سطوح پوشش دهی شده با نقره استفاده می کنند( مینارد 2007).

کیتوزان نانوذره ای در زمینه های ارایشی بهداشتی، حفاظت غذایی، کشاورزی و پزشکی استفاده می کنند( رابی و همکاران 2003). علاوه بر عملکرد ضد باکتریایی، مقاومت مکانیکی و آب گریزی را می توان در نظر گرفت. کیتوزان در سیستم های تصفیه فاضلاب و آب بزرگ مقیاس به عنوان عامل انعقاد یا فلکوله کننده استفاده شده است( زنکگ و همکاران 2008) و اخیرا به عنوان عامل ضد عفونی کننده در نظر گرفته شده است( دنکباس و اتبانریست 2006).

به دلیل شاخص انکساری بالا و سفید بودن، نانوذرات تیتانیوم اکسید در شکل آناتاز، در طیف وسیعی از محصولات نظیر ضد افتاب، رنگ، خمیر دندان و پوشش استفاده می شود. این در تصفیه کننده های هوا نظیر تصفیه کننده چند مرحله ای و نانو بریز ها برای حذف ترکیبات آلی فرار و نیز کشتن باکتری ها استفاده شده است. سیستم های تصفیه آب صنعتی بزرگ مقیاس از فتوکاتالیست های تیتانیوم اکسید استفاده کرده اند، اگرچه کاربرد اصلی آن، تجزیه الاینده های آلی به جای ضد عفونی سازی شده است.

به منظور ارزیابی پتانسیل نانومواد آنتی میکروبی به عنوان ضد عفونی کننده های جایگزین در تصفیه آب آشامیدنی، اثر بخشی آنتی میکروبی نانومواد انتخاب شده، با ضد عفونی کننده های آبی در جدول 2 مقایسه شده است. گفته می شود که این نانومواد دارای فعالتی های آنتی میکروبی مشابه یا برتر در مقایسه با ضد عفونی کننده های سنتی شده است. آن ها به عنوان ضد عفونی کننده های جایگزین و یا همراه با فناوری های موجود نظیر فرابنفش برای بهبود کارایی ضد عفونی استفاده شده اند. دیگر کاربرد بالقوه ، مربوط به کنترل خزه در ممبران های فیلتراسیون آب و سایر سطوح در ری اکتور ها و در خط لوله های مورد استفاده در تصفیه آب و توزیع می باشند. جدول 1، خلاصه ای از کاربرد های ضد میکروبی نانومواد مختلف را نشان می دهد که شکل و فرم آن ها بستگی به خواص نانومواد خاص دارد.

3-1 کیتوزان

کیتوزان نانومقیاس دارای کاربرد های ضد عفونی آب اشامیدنی به عنوان یک عامل ضد میکروبی در ممبران ها، اسفنج ها و پوشش های سطحی مخازن ذخیره ای آب هستند. مزیت های آن ها نسبت به ضد عفونی سازی های دیگر بیشتر است زیرا دارای فعالیت های آنتی باکتریایی بوده و دارای طیف وسیعی از فعالیت ها در برابر باکتری ها، ویروس ها و قارچ ها شده اند و دارای سمیت کم تری برای حیوانات و انسان ها می باشند. با این حال، اثر بخشی کنترل میکروبی بستگی به روش آماده سازی مواد و وجود مواد الی دارد. کیتوزان یک عامل ضد عفونی کننده در پی اچ اسیدی به دلیل انحلال و دسترسی به گروه های آمینی باردار است( رابی و همکاران 2003، مو و همکاران 2002). تهیه مشتقات محلول در آب کیتوزان می تواند به غلبه بر این محدودیت کمک کند.

 3-2 تیتانیوم اکسید

تیتانیوم اکسید برای تصفیه آب بسیار اهمیت دارد زیرا در آب پایدار است، غیر سمی و کم هزینه می باشد. طیف وسیعی از مطالعات بر روی ضد عفونی ساز فتوکالیستی تیتانیوم اکسید ، پتانسیل تیتانیوم اکسید را برای ضد عفونی سازی آب اشامیدنی نشانداده اند. فعالیت نوری در دامنه UV-A و فعالیت نور مرئی بالقوه در صورت دوپ شدن با فلزات موجب شده است تا ضد عفونی سازی تیتانیوم اکسید در کشور های در حال توسعه مفید باشد به خصوص در کشور هایی که برق کمی وجود دارد. با این حال ضد عفونی سازی خورشیدی مبتنی بر تیتانیوم اکسید ، یک فرایند کند به دلیل بخش کوچکی از UV-A در تابش خورشیدی است. از این روی، موفقیت در تحقیقات بر روی دوپینکگ فلزی یا نیتروژن برای بهبود جذب اشعه مرئی تیتانیوم اکسید و یا فعالیت UV-A، برای کاربرد ضد عفونی سازی تیتانیوم اکسید اهمیت دارد. اخیرا نشان داده شده است که دوپینگ تیتانیوم اکسید با نقره موجب بهبود غیر فعال سازی باکتریایی از طریق تیتانیوم اکسید فعال شده با اشعه فرابنفش می شود( پیجو همکاران 2007، ردی و همکاران 2007). تیتانیوم اکسید می تواند به صورت سوسپانسیون در راکتور دوغاب UV ، به صورت فیلم نازک بر روی سطح راکتور و یا فیلتر ممبران به کار برده شود( بنباو و همکاران 2007ف بلکوا و همکاران 199، کواک و همکاران 2001)

جدول 1: کاربرد های فعلی و بالقوه نانومواد آنتی میکروبی