title: Μελέτη επίδρασης του οξειδίου του γραφενίου στη συμμεταφορά βιοκολλοειδών σε κορεσμένα πορώδη μέσα
title: Influence of graphene oxide nanoparticles on the co-transport of model bacteria in saturated porous media
Creators: name: Γεωργοπουλου Μαρια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Το οξείδιο του γραφενίου (GO) πρόκειται για υλικό με μεγάλη ανάπτυξη στην παραγωγή του και ευρύ φάσμα εφαρμογής, συνεπώς τεχνητά νανοσωματίδια GO ενδέχεται να εισχωρήσουν στους υπόγειους σχηματισμούς των εδαφών, όπου υπάρχουν σε αφθονία βιοκολλοειδή ανθρωπογενούς προέλευσης. 
Στη παρούσα μεταπτυχιακή εργασία εξετάζεται η επίδραση των τεχνητά κατασκευασμένων νανοσωματιδίων GO στη μεμονωμένη μεταφορά και συμμεταφορά τριών κοινών βακτηρίων (Escherichia coli, Enterococcus faecalis και Staphylococcus aureus) ανθρωπογενούς προέλευσης σε κορεσμένα πορώδη μέσα. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ροής σε στήλη κορεσμένη με διάλυμα χαμηλής ιοντικής ισχύος και πληρωμένη με χονδρόκοκκη χαλαζιακή άμμο, με σκοπό να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά της μεταφοράς των νανοσωματιδίων GO και κάθε βακτηρίου. Στη συνέχεια, διερευνήθηκαν μεταβολές στη κινητικότητα ή/και στη παρακράτηση κάθε παθογόνου μικροοργανισμού, κατά την ταυτόχρονη άντληση εναιωρήματος νανοσωματιδίων GO από την στήλη. Επιπρόσθετα, εκτελέστηκαν πειράματα συμμεταφοράς των βακτηρίων, παρουσία και απουσία εναιωρήματος GO, με σκοπό να διερευνηθούν τυχόν μεταβολές στη μεταφορά που δύνανται να προκληθούν λόγω αλληλεπίδρασης (πχ., συνεργιστική ή μη δράση) των τριών εξεταζόμενων βακτηρίων. Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν υπό τις ίδιες υδατικές συνθήκες (pH = 7, IS = 2 mM), με αρχική συγκέντρωση μικροοργανισμών ~105 CFU/mL και οξειδίου του γραφενίου 20 mg/L, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25℃. 
Για την ανάλυση των αποτελεσμάτων, πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση μόνο των πειραματικών δεδομένων μεμονωμένης μεταφοράς των βιοκολλοειδών και των νανοσωματιδίων GO, με χρήση του λογισμικού ColloidFit. Δημιουργήθηκαν καμπύλες για την περιγραφή των πειραματικών αποτελεσμάτων μεταφοράς και συμμεταφοράς, βάσει κανονικοποιημένων συγκεντρώσεων. Ακολούθησε στατιστική ανάλυση των δεδομένων με σκοπό τον υπολογισμό των ποσοστών ανακτώμενης μάζας και των χρονικών ροπών. Από τις  διαφορές στα ποσοστά ανακτώμενης μάζας των βακτηρίων, κατά την παρουσία και απουσία GO, έγινε έμμεση αξιολόγηση της επίδρασης των νανοσωματιδίων GO στη βακτηριακή μεταφορά και αδρανοποίηση και ελέγχθηκε η ενδεχόμενη αντιβακτηριδιακή δράση του GO. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας την κλασική θεωρία διήθησης (CFT), υπολογίσθηκαν οι αποδόσεις των συγκρούσεων, κατά την αλληλεπίδραση των εξεταζόμενων σωματιδίων με το πληρωτικό υλικό της στήλης, καθώς και οι ρυθμοί προσκόλλησης των σωματιδίων στην άμμο. Τέλος δημιουργήθηκαν τα ενεργειακά προφίλ για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς αλληλεπίδρασης (π.χ. νανοσωματιδία GO – βακτήρια, νανοσωματιδία GO – άμμος, βακτήρια – άμμος, και βακτήριο – βακτήριο). Τα ενεργειακά προφίλ περιγραφής των διεπιφανειακών και διασωματιδιακών αλληλεπιδράσεων προέκυψαν εφαρμόζοντας τις κλασικές θεωρίες DLVO και XDLVO και χρησιμοποιώντας τις μετρημένες τιμές υδροδυναμικής διαμέτρου και ζ-δυναμικού των βακτηρίων, του GO, και της άμμου για τις δεδομένες πειραματικές συνθήκες.

description: Graphene oxide (GO) is a material with rapid production growth and wide range of applications, consequently engineered GO nanoparticles may enter subsurface formations, where biocolloids of human origin are in abundance. This master thesis examines the effect of engineered GO nanoparticles on the transport and co-transport of three common bacteria (i.e., Escherichia coli, Enterococcus faecalis, and Staphylococcus aureus) of human origin in saturated porous media. Initially, flowthrough experiments were conducted in water-saturated columns, packed with coarse quartz sand, in order to determine the transport characteristics of GO and each individual bacterium separately. Subsequently, changes in motility and/or column retention of each pathogenic microorganism were investigated under simultaneous pumping of GO suspension. Additionally, co-transport experiments of the bacteria were performed in the presence and absence of GO suspension, in order to investigate any changes in bacterial transport that may be caused by the interaction (e.g., synergistic or non-action) of the three examined bacteria. All experiments were conducted under the same aqueous chemistry conditions (pH = 7, IS = 2 mM) and at a constant ambient temperature of 25℃, with an initial concentration of ~105 CFU/mL and 20 mg/L for the biocolloids and the graphene oxide suspension, respectively.
Mathematical modeling of the experimental transport data was performed with the ColloidFit fitting software and appropriate breakthrough curves were constructed to describe the transport and co-transport experiments. Mass recovery and temporal moment calculations were also performed. The differences in the recovered mass of the bacteria breakthrough curves in the presence and absence of GO suspension were used for evaluation of the influence of GO nanoparticles on the transport behavior of bacteria, as well as for indirect evaluation of the potential inactivation capacity and potential anti-bacterial action of GO. In addition, collision efficiencies were calculated using the classical filtering theory (CFT). Finally, the interaction energy profiles between GO-bacteria, GO-quartz sand, bacteria-quartz sand, bacterium-bacterium were constructed for the given experimental conditions by applying the classical DLVO and XDLVO theories, using the measured values of hydrodynamic diameter, and z-potential values of bacteria, GO and coarse quartz sand.