Translated by Marina Agarkova

В течение многих лет NASA стремилось найти наиболее эффективные и действенные способы обеспечения своих астронавтов на борту Международной космической станции (МКС) отфильтрованной и очищенной переработанной водой. С учетом того, что более двух миллиардов человек во всем мире не имеют доступа к чистой питьевой воде и элементарным санитарным условиям, эта уникальная новая технология очистки воды, используемая МКС для фильтрации мочи астронавтов в питьевую воду, может помочь в борьбе с глобальным водным кризисом здесь, на Земле.
     
Вода довольно тяжелая, а это значит, что каждый фунт воды, запущенный в космос, может стоить несколько тысяч долларов (DiCicco, 2020). По этой причине на Международной космической станции ничего не тратится впустую – каждая капля пота, мочи, влаги и влаги из дыхания собирается, фильтруется, очищается и повторно используется в качестве питьевой воды (NASA, 2019). Система фильтрации воды, используемая в настоящее время NASA, опирается на «фильтрационные слои, которые утяжеляют миссии по пополнению запасов и должны заменяться каждые 90 дней», а также эта система не может отфильтровывать определенные полулетучие загрязнители (NASA, 2019). Недавно разработанная технология рекуперации воды не только способна фильтровать эти специфические полулетучие загрязнители на МКС, но и требует гораздо меньше места и энергии для работы (DiCicco, 2020).

Что это за технология?

Благодаря успешному внедрению новой системы, имитирующей естественный процесс фильтрации воды с помощью белков, называемых аквапоринами, эта космическая технология может иметь возможность повысить «эффективность существующих очистных сооружений или очистки сточных вод, которые до сих пор оставались неочищенными, загрязняя грунтовые воды и водные пути» (DiCicco, 2020). Аквапорины — это белки, используемые всеми живыми клетками для переноса воды через свои мембраны. Используя белки, полученные в процессе промышленной ферментации, эта система очистки способна имитировать фильтрующую способность почек человека и корней растений (NASA, 2019). На самом деле аквапорины — это то, что позволяет «корням растений поглощать воду из почвы, а человеческим почкам — фильтровать около 45 галлонов жидкости в день» (NASA, 2019). Из-за того, что эти белки эволюционировали в течение миллиардов лет для выполнения определенных задач и обладают высокой селективностью, только вода может пройти через них, в то время как загрязняющие вещества не могут (NASA, 2019). Используя этот белок, компании, занимающиеся фильтрацией воды, смогли разработать систему, которая удаляет более 95% микропластика и микрозагрязнителей из сточных вод, потребляя при этом гораздо меньше энергии, чем другие традиционные системы фильтрации (Moreno, 2020).

Как это работает

Аквапорины фильтруют воду, избирательно перемещая молекулы воды через плазматические мембраны с высокой скоростью. Эти трансмембранные белки водного канала работают как нанофильтры, блокируя транспортировку всех других растворенных веществ через плазматические мембраны в живых клетках (Xie et al., 2013). Мембраны аквапоринов могут вырабатываться через апикальную плазматическую мембрану, которая представляет собой клеточную мембрану на поверхности эпителиальных клеток (Apical Plasma membrane, 2021). Это следует за действием вазопрессина, который отвечает за активацию голофермента протеинкиназы А (PKA) для фосфорилирования субъединиц аквапоринов, содержащихся в цитоплазме (Litwack, 2020). Затем образуются аквапорины, когда эти субъединицы встраиваются в апикальную мембрану (Litwack, 2020).

Благодаря использованию аквапоринов эта технология восстановления и фильтрации воды использует прямой осмос для фильтрации конкретных полулетучих загрязнителей на МКС и превосходит по производительности существующие системы очистки и фильтрации воды на борту (Johnson, 2019). Кроме того, эта технология работает в разы дешевле, поскольку технологии, основанные на прямом осмосе, также «предлагают гораздо более ресурсосберегающие средства фильтрации по сравнению с более распространенными методами обратного осмоса» (Johnson, 2019). Прямой осмос – это процесс, который способен протекать самостоятельно без какого-либо внешнего воздействия; как и почка, вода перерабатывается в замкнутом цикле (DiCicco, 2020). При наличии «соленой воды с одной стороны мембраны и сточных вод с другой, термодинамика заставляет соль равномерно распределяться по всей воде в системе»; а поскольку соль не может проходить через мембрану, пресная вода собирается с другой стороны (DiCicco, 2020). При добыче пресной воды остаются только отходы (DiCicco, 2020). Это означает, что прямой осмос способен фильтровать чрезвычайно грязную и загрязненную воду, что устраняет зависимость от дистилляции (NASA, 2019). Эффективность технологии аквапоринов может предложить более ресурсосберегающий метод фильтрации и переработки воды не только в космосе, но и здесь, на Земле (Johnson, 2019).

Преимущества технологии аквапоринов

Сегодня около двадцати пяти процентов населения мира не имеют доступа к базовым услугам в области санитарии и водоснабжения, а это означает, что более двух миллиардов человек на Земле не имеют доступа к безопасной для питья воде (CDC, 2021). В результате миллионы людей, особенно живущие в развивающихся странах, продолжают страдать от предотвратимых заболеваний, связанных с санитарией, включая диарею, холеру и брюшной тиф; что без надлежащей помощи может в конечном итоге привести к смерти (CDC, 2021). Фактически, небезопасная питьевая вода стала причиной примерно 72% смертей от диареи, а небезопасная санитария стала причиной примерно 56% смертей от диареи (CDC, 2021). Кроме того, по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, «вода, санитария и гигиена могут предотвратить не менее 9% глобального бремени болезней и 6% глобальных смертей» (CDC, 2021). По данным Департамента по экономическим и социальным вопросам Организации Объединенных Наций (United Nations, 2021 г.), нехватка воды может привести к перемещению 700 миллионов человек к 2030 году.

Сегодня промышленные процессы, как правило, приводят к образованию большого количества высококонцентрированных сточных вод, которые в настоящее время не очищаются, что приводит к распространенному загрязнению (DiCicco, 2020). Некоторые правительства внедряют требования «нулевого сброса жидкости», что означает, что «по существу никакие жидкие отходы не должны покидать территорию промышленного предприятия» (Perry et al., 2015). В результате этих изменений растет спрос на эффективную и действенную систему очистки воды, которая практически не оставляет отходов. В настоящее время разрабатывается и тестируется несколько различных методов производства аквапоринов, которые демонстрируют потенциал для удовлетворения этого спроса во всем мире (Hossain, 2019).

По данным Организации Объединенных Наций, «к 2030 году мир столкнется с 40-процентным дефицитом водоснабжения», а глобальный спрос на «голубую воду» увеличится на 55% с 2000 по 2050 год (Perry et al., 2015). Это тесно связано с тем фактом, что к 2050 году ожидается, что население мира достигнет 9,1 млрд человек, в сочетании с перспективой, что все больше людей входят в более богатый средний класс, где «увеличивается производство водоемких и других продуктов питания» (Perry et al., 2015).

Новые и усовершенствованные технологии очистки воды с использованием аквапоринов могут помочь справиться с этими растущими потребностями в воде, энергии и продуктах питания. Благодаря эффективности белка, системы очистки воды с использованием аквапоринов способны фильтровать воду в два раза быстрее, чем другие существующие системы водоподготовки, а также почти в два раза увеличивать коэффициент извлечения воды. Более высокий коэффициент извлечения воды имеет важное значение, поскольку местности, нуждающиеся в очистке воды, также являются местностями, которые, как правило, испытывают наибольшую нагрузку на водоснабжение (NASA, 2019).

Питер Холм Дженсен, основатель компании, специализирующейся на технологиях аквапоринов, уточняет, что с помощью традиционных систем «ежедневно впустую тратятся не миллионы, а миллиарды литров воды» (NASA, 2019). На самом деле, в большинстве существующих систем очистки воды более 70% воды просто теряется в процессе очистки загрязняющих веществ с обратной стороны мембраны (NASA, 2019). При опреснении затраты на энергию, которые обычно составляют 20-30% от общей стоимости используемой воды, являются наиболее существенным фактором стоимости фильтрации воды (Perry et al., 2015). По сравнению с существующими технологиями, технология аквапоринов не только требует меньше энергии для работы, но и требует меньше обслуживания и пространства (DiCicco, 2020). Эта новая технология очистки воды обладает потенциалом для «обеспечения доступности и устойчивого управления водными ресурсами и санитарией для всех», что соответствует шестой Цели в области устойчивого развития (ЦУР 6).

Задачи и ограничения

Самая большая проблема, связанная с этой технологией, заключается в том, что мембраны, способные содержать трансмембранные белки, «должны быть способны гидрофобно соответствовать белкам» (Perry et al., 2015). В связи с этим «мембрана носителя должна иметь толщину порядка нескольких нанометров, что опять же требует использования интегрированных вспомогательных материалов» (Perry et al., 2015). Это требование при проектировании также должно учитываться наряду с эксплуатационными требованиями к мембранным приложениям, включая требования к высокой селективности, высокой проницаемости, достаточной механической стабильности, химической стабильности и легкости масштабирования (Perry et al., 2015).

Будущие приложения

В будущем технология аквапоринов, основанная на прямом осмосе, может быть использована в промышленности для очистки сточных вод в нефтегазовой, пищевой промышленности, молочном животноводстве и текстильной промышленности, а также в других отраслях, которые производят большое количество сильно загрязненных сточных вод» (NASA, 2019). В животноводстве высокая селективность аквапоринов обеспечивает способность улавливать мочевину из удобрений и/или сточных вод (NASA, 2019). Кроме того, в сфере здравоохранения эта технология может улучшить качество жизни пациентов, находящихся на диализе, сделав диализ портативным (DiCicco, 2020). В настоящее время этим пациентам часто приходится тратить часы на поездки туда и обратно несколько раз в неделю, где они должны проводить три или четыре часа, прикованные к постели (DiCicco, 2020). Это связано с тем, что для гемодиализа требуется около 200 литров воды на одну обработку, и все они превращаются в процессе в сточные воды (DiCicco, 2020). Вполне возможно, что за счет внедрения технологии аквапоринов, управляемой прямым осмосом, эти сточные воды можно будет фильтровать и повторно использовать на протяжении всей очистки, и «диализ может поместиться в рюкзаке» (DiCicco, 2020). Технология аквапоринов также может быть использована для разработки вакцин, поскольку белок также может быть использован для сбора вирусных частиц (NASA, 2019). Кроме того, эта технология также может быть использована в фармацевтической промышленности, поскольку аквапорины способны улавливать активные ингредиенты, которые другие системы не могут захватить (NASA, 2019).

Заключение

В связи с ростом требований к очистке воды и загрязнением воды/отходами важно рассматривать сточные воды и загрязненную воду не как потерянные ресурсы, а как возможность для восстановления ресурсов (Perry et al., 2015). В то время как глобальный спрос на воду растет, эта новая технология очистки воды становится все более важной с каждым днем, особенно в отдаленных районах, где чистая питьевая вода не всегда доступна (рисунок 3).

Теперь эта уникальная новая технология очистки воды, реализованная для очистки и фильтрации воды для астронавтов на Международной космической станции, может помочь обеспечить миллионы людей во всем мире чистой водой. Динес Торнберг, менеджер по инновациям BIOFOS (крупнейшая государственная компания Дании по очистке сточных вод), считает, что эта новая технология имеет большой потенциал:

«Я думаю, что [технология аквапоринов] может стать лидером в создании чистой и доступной питьевой воды из сточных вод в будущем. Я очень оптимистично настроен в отношении того, что мы сможем решить проблемы нехватки воды во многих частях мира с помощью таких технологий» (Thornberg in Moreno, 2020).