Het verwijderen van ziekteverwekkers uit drinkwater is vooral moeilijk wanneer de kiemen te klein zijn om door conventionele filters te worden opgevangen. Onderzoekers van Empa en Eawag ontwikkelen nieuwe materialen en processen om water te bevrijden van pathogene micro-organismen zoals virussen.

Water is leven, biologie leert ons. De realiteit leert ons iets anders:water dat besmet is met ziekteverwekkers veroorzaakt jaarlijks honderdduizenden doden op plaatsen waar waterbehandeling ontbreekt of slecht functioneert. Om hier een einde aan te maken, de beschikbaarheid van schoon water voor de hele mensheid is sinds 2015 opgenomen in de Global Sustainability Agenda van de Verenigde Naties (VN). Empa-onderzoekers, in samenwerking met hun collega's bij Eawag, nieuwe materialen en technologieën ontwikkelen om ziekteverwekkers uit drinkwater te verwijderen, die tot nu toe nauwelijks met conventionele maatregelen konden worden geëlimineerd, of alleen bij dure en complexe processen.

Kleine ziekteverwekkers

De onderzoekers mikken op de kleinste ziektekiemen:kleine ziekteverwekkers die zich – in tegenstelling tot het momenteel circulerende coronavirus SARS-Cov-2 – via besmet water verspreiden en zo verschillende door water overgedragen ziekten veroorzaken, zoals polio, diarree en hepatitis. Een van deze pathogenen is het rotavirus, die slechts ongeveer 70 nanometer groot is.

"Conventionele waterfilters zijn niet effectief tegen rotavirussen, ", legt Empa-onderzoeker Thomas Graule van Empa's High Performance Ceramics-lab in Dübendorf uit. het zijn precies deze kleine ziektekiemen die tot de meest voorkomende pathogenen behoren die gastro-intestinale infecties veroorzaken. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO), in 2016 rond de 130, Wereldwijd stierven 000 kinderen aan rotavirusinfecties. De onderzoekers hebben nu strategieën ontwikkeld voor filtratietechnologieën op basis van nieuwe materialen die het probleem van kleinheid slim omzeilen. Een eigenschap van de virusdeeltjes kan namelijk gebruikt worden voor een nieuw type filter:de negatieve elektrische lading van de virusdeeltjes.

Op basis van dit idee, de onderzoekers begonnen geschikte materialen te ontwikkelen die de adsorptie van negatief geladen virusoppervlakken mogelijk maken. Tot nu, het was moeilijk om gemakkelijk geregenereerde positief geladen oppervlakken met een hoge adsorptiecapaciteit te creëren, en systematische experimentele studies waren schaars. Voor hun onderzoeken de onderzoekers kozen daarom voor een modelvirus dat nog kleiner is dan het rotavirus:de bacteriofaag MS2, dat slechts 27 nanometer groot is - een virus dat bacteriën aanvalt maar onschadelijk is voor mensen. Met behulp van dit modelvirus, de wetenschappers konden aantonen dat virussen in water in verschillende mate aan het filteroppervlak adsorberen, afhankelijk van de pH van het water. "Hiermee moet rekening worden gehouden bij de ontwikkeling van nieuwe waterbehandelings- en filtertechnologieën, ' zegt Graul.

Poreuze nanocoating

Om filtertechnologieën te ontwikkelen die virussen op nanometerschaal kunnen opvangen, Graule richt zich op composietmaterialen die zo gefunctionaliseerd zijn dat ze specifiek virussen binden. "In water, het oppervlak van de virusdeeltjes is negatief geladen. We konden laten zien hoe de virusdeeltjes zich hechten aan positief geladen oppervlakken, " legt hij uit. Bijvoorbeeld de onderzoeker werkt in een internationaal team aan keramische korrels van aluminiumoxide, waarvan de fijne korrels zijn bedekt met nanometer dunne laagjes koperoxide. "Samen met het keramiek, de zeer poreuze koperlaag vormt een composietmateriaal met een positief geladen en immens groot specifiek oppervlak, ", zegt Graule. De onderzoekers waren ook in staat om kleine meerlaagse koolstofnanobuisjes te coaten met koperoxide, waardoor virusverwijdering mogelijk wordt.

Om een ​​kosteneffectieve en duurzame filtertechnologie te ontwikkelen, de onderzoekers gebruiken specifiek materialen die na gebruik kunnen worden teruggewonnen in de zin van een gesloten materiaalkringloop. Ook is het belangrijk dat er geen filtercomponenten in het gezuiverde water worden weggespoeld. Hiertoe, analytische methoden voor nanoveiligheid moeten nog worden ontwikkeld om het meest geschikte composietmateriaal te bepalen. Aan het einde van het project, Er wordt verwacht dat er een filtertechnologie beschikbaar komt die ook geschikt is voor waterzuivering in ontwikkelingslanden met hun bijzonder hoge aantallen rotavirussen en andere door water overgedragen ziekten.

Wereldwijd, ongeveer 3,4 miljoen mensen, meestal kinderen in structureel onderontwikkelde landen, sterven elk jaar aan door water overgedragen ziekten. Onder de pathogenen zijn eencellige parasieten, zoals amoeben en lamblia met een grootte tot 40 micrometer. Bacteriën zoals salmonella, die buiktyfus veroorzaken, E. coli-bacteriën en cholera-pathogenen zijn aanzienlijk kleiner (0,5 tot 6 micrometer), maar even krachtige pathogenen. Met een grootte van 25 tot 80 nanometer - ongeveer 100 tot 1000 keer kleiner - zijn virussen de moeilijkste ziekteverwekkers om uit water te filteren. In ontwikkelingslanden is de besmetting van drinkwater met rotavirussen bijzonder wijdverbreid, gevolgd door andere virussen zoals de ziekteverwekkers die hepatitis en polio veroorzaken.