SCI汇编 | 水净化工程纳米材料面临的挑战与家庭水处理方案的选择
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美国《科学引文索引》（Science Citation Index, 简称 SCI ）于1957 年由美国科学信息研究所（Institute for Scientific Information, 简称 ISI）在美国费城创办，是由美国科学信息研究所（ISI）1961 年创办出版的引文数据库。SCI（科学引文索引）与EI（工程索引）、ISTP（科技会议录索引）被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。
水净化工程纳米材料:从实验室到产品
清洁的水对生命至关重要;它不仅需要饮用，还需要进行食物制备，加工和卫生。不幸的是，世界上超过百分之五十的人口主要来自中国和印度，他们面临严重的水资源短缺问题。每年大约有18亿人不可避免地从有粪便污染的水源中饮用水，导致约有一百万儿童死亡。科学家正在开发各种经济技术来净化水质。基于纳米材料的技术为水的净化和去污提供了一种经济有效的选择。本综述讨论了纳米材料在饮用水净化中的潜在作用。纳米材料可在全球范围内使用，由于纳米材料对水生病原体和主要关注的寄生虫如志贺氏痢疾杆菌，霍乱弧菌和溶组织内阿米巴（Entamoeba histolytica）表现出显着的抗菌和抗寄生虫活性，能够有效去除水中的有机和无机污染物。纳米材料还具有从污染水中吸收汞和染料等有毒化学物质的能力。但是，为了使该技术成功商业化，需要充分解决一些固有的瓶颈问题。这些问题包括纳米粒子聚集，它们渗入饮用水，对人类健康和环境的造成不利影响。目前正在开发纳米复合材料并将两种或更多种所需的性质结合用于水净化以克服这些问题。纳米材料在水净化方面的广泛和大规模应用可能很快就会成为现实。包含用于水净化的Karofi，Lifestraw和Tupperware等纳米材料的产品已在市场上出售。
饮用水污染物
(i)水中悬浮固体：总固体或总悬浮固体(TSS)由细颗粒物组成，包括各种不溶性物质，如淤泥、腐烂的动植物材料、粘土、沙子和灰尘。
(ii) 水生病原体：焦磷酸测序方法表明，地下水可能包含变形杆菌门、拟杆菌门、蓝藻门和厚壁菌门。甚至经氯化消毒的水也含有蓝藻、甲藻科、鞘膜藻科和黄瘤藻科的细菌。饮用水分配系统往往存在微生物生物膜形成的问题，而在较老的分配系统中，微生物生物膜的形成更为严重。这些生物膜的微生物群落主要包括变形杆菌、放线菌和厚壁菌门。除了这些微生物，令人关注的病原体有时可能会进入饮用水，使消费者处于危险之中。这些病原体包括肠内微生物或机会性病原体，可引起免疫功能低下患者的疾病。常见的与水有关的病原菌有霍乱弧菌、嗜肺军团菌、沙门氏菌、志贺菌、大肠杆菌和耶尔西尼亚。除了与水有关的传统病原体外，许多新出现的病原体也正成为一个重要的健康问题。这些包括以前已知的以霍乱弧菌O139和大肠杆菌(大肠杆菌O157:H7)为例的新菌株或血清型病原体。其他包括对抗菌药物产生耐药性的菌株，如耐氯的隐孢子虫和耐多药铜绿假单胞菌。除了这些生物体外，原生动物微孢子虫、膀胱异孢菌和各种病毒，如腺病毒和细小病毒，也成为潜在的水生病原体。
（iii）饮用水中的化学污染物：这些污染物可以是水溶性的或不溶的，有机或无机的，其中一些化学物质可能会对健康产生轻微影响，而其他化学物质可能会危及生命。据估计，在水中发现了超过700种不同类型的化学物质，属于20个不同的类别。这些物质的来源可以是自然的，也可以是合成的，可以是自然进入水中的，也可以是人为活动造成的。其他农业化学品如杀虫剂、水中高浓度的氟化物、一些重金属如砷铬和汞、其他金属如硒和铀、多氯联苯和多溴二苯醚等卤代芳香族化合物和内分泌干扰物也会污染水。
纳米工程材料在净水方面的创新
就纳米材料在滤水膜中的应用而言，纳米基膜比传统膜具有许多优点，例如提高的过滤效率（美国专利; US5800706A），从水中吸收各种毒物的能力和机械强度等。纳米膜最重要的优点之一是其抗菌活性。这些材料通过以下几种机制发挥其杀微生物活性：（i）细胞膜破坏，（ii）代谢扰动，如嘌呤代谢（iii）蛋白质变性和DNA损伤（iv）呼吸链破坏（v）活性氧（ROS）产生和氧化应激，（vi）诱变，（vii）DNA结合和DNA复制的抑制，纳米材料的抗菌活性及其作用方式也取决于它们的大小和形状。
钛纳米材料由于显着的光催化活性，显着的抗微生物活性和使用浓度下的无毒性质等被广泛用于水净化。且对分枝杆菌、沙门氏菌和志贺菌等细菌，以及溶组织性内阿米巴原虫和十二指肠贾第鞭毛虫等原生动物有杀菌作用。除此之外，锌、银、铁纳米颗粒都可以用来净化水。
纳米复合材料是具有多个相域的材料，其中至少有一个具有纳米结构。由于这些材料是由多相域组成的，所以这些材料可以结合两种或两种以上不同材料的优点，因此更适合于净水。如纳米滤膜、纳米吸附剂、纳米纤维膜等。
挑战
推荐参考：
Engineered nanomaterials for water decontamination and purification: From lab to products[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 363:295-308 .
根据世界卫生组织的性能测试方案选择家庭水处理方案
世界卫生组织的国际计划评价家庭水处理技术是根据分层系统，对现有的和新的小型饮用水处理技术和工艺的微生物性能进行基准测试。在应对常规安全的水方案的技术选择和建议中，存在着广泛的不确定性。我们采用定量微生物风险评估，在各种条件下满足本方案下的三级绩效。根据平均估计和大多数建模条件，微生物改良饮用水带来的潜在健康收益在中层性能。如果未经处理的水特别受到污染，并且附着率为100%，最高级别的性能可能会产生额外的边际健康收益。我们的研究结果强调，当依从性低于90%时，家庭水处理技术的改善效果对健康的影响仍然微乎其微。虽然选择满足世卫组织针对水性病原体综合保护的最低功效建议的水处理技术至关重要，但技术选择和建议的其他标准应侧重于正确、一致和持续使用的潜力。
讨论
我们在这里报告的潜在健康影响估计应该根据假设的不确定性和用于产生这些假设的必要简化来解释。例如，预处理水的质量在任何给定的环境中都很可能是高度可变的，这对与保护公共卫生的处理技术相关的LRV目标具有影响。参考病原体的剂量-反应模型很少从研究中得到，主要使用高收入国家健康成年人的数据。
在HWT最流行的环境中，由于无症状的肠道感染非常普遍，因此存在疾病风险。作为一种评估健康风险的方法，QMRA纳入了一些价值和范围不确定的假设。在可能的情况下，我们尝试使用实际范围的预处理水质、粘附性、减少微生物的处理效果和其他关键变量。当面对假设时，我们使用的输入往往会导致对风险降低和预防疾病的保守估计。
QMRA是一种快速发展的方法，我们所使用的模型将受益于方法和假设的进一步改进。
尽管存在这些限制，但从这一分析中可以得出一些见解，对解释世卫组织新计划具有重要意义。首先，我们的分析表明，在实际实施条件下，中等水平的功效，即★★，可能产生与最高水平的绩效相当的健康收益。例外是在预处理时水的质量非常差(≥10个参考微生物/升)，并且处理是唯一的(100%粘附)。这种情况在水传播疾病暴发期间可能是现实的，在那里风险很高，由于对饮用水暴露风险的认识提高，消费者可能合理地期望只使用该技术，尽管这可能并不总是正确的。
其次，模型输出表明，在某些条件下，性能(★)最低级别的技术可能产生与中间层(★★)类似的健康收益(图1)。霍乱爆发,例如,在次氯酸钠溶液作为一个独立的治疗选择,由于缺乏对隐孢子虫功效,可以保证如果有确定性的疫情病因和治疗是非常有效的在这个背景下对感兴趣的病原体。由于在推荐治疗技术之前，微生物风险通常没有特征，所以应该为这些特殊病例保留最低级别。
第三，依从性必须接近100%(独家使用)，以实现所有性能级别的最大健康收益，在水传播疾病风险高的情况下，依从性尤其重要。因此，某一特定的水处理技术持续、正确和长期使用的可能性(即一旦达到“综合防护”性能层，则高附着性是选择治疗技术的核心因素。我们对依从性的研究结果与之前的分析一致，表明随着微生物减少的日志水平的增加，边际健康收益减少。不幸的是，在许多情况下，高依从性在实践中可能无法实现:以前对HWT的研究表明，高依从性是一个例外，而不是规律。
对HWT技术选择和推荐的影响。一般认为,更大的水处理微生物效果选项,一般通过测量制动装置在病原体类,应该会产生用户之间的比例更大的健康收益,但是,据我们所知,这从来都不是直接测量控制健康影响试验比较多个水处理技术的性能范围。
或者,我们的分析表明,技术已经被证明满足基本功效标准和可能只使用,或几乎如此,可能会更有效地预防水源性感染和随后的疾病,技术选择和建议应超越疗效措施只将水处理相关的行为和司机在HWT杠杆作为社会行为的简单依从性很多,包括用户偏好，技术要求对现有家庭行为进行改变或增加的程度在水管理、口味和审美、风险感知、技术可靠性、以及用户是否投资于该技术等方面的努力。
鉴于潜在的权衡治疗功效,成本,和依从性,特别是在技术设计用于在缺医少药环境非专家,我们的研究结果表明,一旦技术证明微生物功效符合“全面保护”(★★)层的方案,促进坚持更提供健康收益比增加微生物性能的关键。在大多数情况下，实现对人类行为的一致、正确和持续使用，对于实现HWT的公共卫生承诺至关重要。
推荐参考：
Selecting household water treatment options on the basis of world health organization performance testing protocols[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 53(9): 5043-5051.
最新工程应用与实践2019年第3期
本期所检索文献的发表时间范围：
2019年1月20日~2019年3月20日
最新工程应用与实践2019年第4期
本期所检索文献的发表时间范围：
2019年3月20日~2019年5月20日
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