解决海水淡化的最大难题

2012年，阿布沙班(Motasem Abushaban)博士在荷兰代尔夫特水利教育研究所(IHE Delft Institute for Water Education)开始读研究生时，他就知道自己想学什么。他在巴勒斯坦长大，那里有严重的水危机。“我们没有足够的安全淡水。看来我们唯一的选择是淡化海水，以获得饮用水。这就是为什么我对海水淡化感兴趣，”他说。水资源短缺是一个全球性问题，海水淡化已成为许多无法获得淡水的沿海国家的唯一水源。Motasem研究的主要目标是解决海水淡化过程中最严重的问题:膜生物污染。

大部分海水淡化设施都是通过反渗透(RO)来生产饮用水的。反渗透是指海水通过反渗透膜过滤器，去除海水中的盐分和生物质的过程。膜生物污染是指海水中的细菌附着在反渗透膜上，形成一层生物膜，减少水的流量。由于生物膜堵塞了膜上的孔隙，水通过时需要更大的压力，降低了生产效率，增加了运行成本。一旦膜严重堵塞，就需要清洗或更换——这两种操作既耗时又昂贵。“这不仅仅是膜的成本或手术成本。还有环境影响，”Motasem说。为了清洁生物膜，你需要使用清洁化学品，这些化学品进入膜系统，并排放回海洋，可能会损害海洋环境。

减少生物膜形成的最佳方法首先是减少进入反渗透过滤器的海水中的生物量和营养物质。这可以通过改进预处理程序来实现。但是如何判断预处理过程是否有效呢?Motasem意识到他需要一种快速有效的方法来测量海水中细菌的生长潜力。

测量海水中的细菌有几种方法。最常见的方法是异养板计数(HPC)，将水样分散在培养板上，等待细菌菌落生长，然后计数菌落数量。不幸的是，这个生长期可能长达21天。当你得到结果的时候，生物膜可能已经堵塞了膜。高性能计算的另一个问题是，你只能计算能够在培养皿上生长的细菌菌落(所有细菌物种的1-10%)，这意味着大多数细菌从这种方法中被遗漏了。

一种更快的方法称为流式细胞术，通过一种专门的仪器运行样本，自动计数样本中的细菌数量。然而，细菌的数量并不一定反映细菌的生物活性。Motasem说:“海水中可能有100万个细菌，但如果这些细菌不活跃，那就毫无意义。”流式细胞术的另一个问题是，如果细菌聚集在一起，它经常会低估细菌的数量——可能会把几千个细菌聚集成一个。

Motasem的理想应用方法是快速、可靠和测量所有活性生物量。通过测定一种叫做三磷酸腺苷(ATP)的微小分子的浓度(ATP是所有活细胞的能量货币)，这是可能的。“通过ATP测试，我们可以知道细菌的活性。也许只有1000个，但它们可能非常活跃，”Motasem说。他发现，有ATP检测试剂盒可用于检测淡水，如饮用水。然而，他们没有在海水中工作，因为盐干扰了反应。“我们一直在寻找一种测量海水中ATP的方法，因为这显然是一种非常好的方法;非常快，非常结实。它能在几秒钟内提供大量信息。”

在研究ATP的时候，Motasem听说在Promega举办了一个研讨会。他参加了研讨会，并与Promega的代表讨论了对海水进行ATP测试的必要性。“Promega的人对此非常兴奋。他们开始有了一些想法。”Motasem开始与Promega高级研究科学家Subhanjan Mondal博士合作，开发符合他需求的完美试剂。“我们最初试图重新利用现有产品。leyu乐鱼网但我们很快意识到，我们需要彻底重新设计这套设备，”Subhanjan说。

Promega重新配制了试剂，并将它们运往Motasem进行测试。他们花了两年时间，进行了10次现场考察，最终确定了试剂，并开发成一种名为“water - glo”的水检测试剂盒。该方法是直接在海水样品中加入溶解剂，孵育5分钟，加入检测试剂，然后用光度计测量信号。Motasem测试了这个直接法在阿曼、阿拉伯联合酋长国和澳大利亚的三个全尺寸海水淡化厂，以及在荷兰的另一个试点工厂。“它简单、快速、准确，”Motasem说。的Water-Glo™工具也比其他试剂盒检测低得多的ATP浓度(0.3 ng/L)。

Motasem对这种方法很满意，但他并没有就此止步。直接向海水中添加溶解剂的一个问题是海水条件(如铁、盐度和pH水平)会干扰ATP的检测。因此，每当海水条件发生变化时，就需要进行额外的校准，这是一个繁琐的过程。Motasem与Subhanjan合作，在使用相同的Water-Glo™试剂的同时，完全消除了校准步骤。为此，他们开发了一种filtration-based方法首先将海水推入一个能捕获生物量的过滤器。然后使用裂解试剂从捕获的生物质中提取ATP。这种过滤方法被成功地用于海水淡化厂的预处理和过滤步骤中监测海水的细菌生长潜力。

直接法和过滤法适用于不同的场合。当水的成分或基质没有变化时，直接法最适合监测同一海水的时间。然而，如果你在水经过预处理和脱盐过程时监测它，水的性质会随着添加的化学物质或过滤而改变。在这种情况下，过滤法是最好的，因为你不需要准备多个校准曲线。

Motasem现在使用Water-Glo™工具在世界各地的海水淡化厂测试海水。他的目标是从不同的海水样本中收集尽可能多的数据，以确定防止膜污染的细菌生长潜力阈值。目前，还没有标准的生物方法来监测海水淡化厂的预处理过程。Motasem希望一旦这个阈值确定，它可以成为膜生物污染预防的行业标准。工厂操作人员可以连续监测预处理使用水glo，并迅速决定是否需要额外的预处理。“Water-Glo可以让你获得实时结果，而不是时间快照。有了更多的数据，你就可以采取主动而不是被动的行动。”

Motasem希望他的研究能对这个行业产生真正的影响。解决膜生物污染问题将有利于世界各地海水淡化厂的运行。它还将帮助他的祖国和其他地区数百万需要获得清洁、负担得起的水的人。