Att ta bort patogener från dricksvatten är särskilt svårt när bakterierna är för små för att fångas upp av konventionella filter. Forskare vid Empa och Eawag utvecklar nya material och processer för att frigöra vatten från patogena mikroorganismer som virus.

Vatten är liv, biologin lär oss. Verkligheten lär oss något annat:Vatten som är förorenat med patogener orsakar hundratusentals dödsfall varje år på platser där vattenrening saknas eller fungerar dåligt. För att få ett slut på detta, tillgången på rent vatten för hela mänskligheten har inkluderats i FN:s globala hållbarhetsagenda sedan 2015. I enlighet med detta mål, Empa -forskare, i samarbete med sina kollegor på Eawag, utvecklar nya material och tekniker för att avlägsna patogener från dricksvatten, som hittills knappast kunde elimineras med konventionella åtgärder, eller bara med dyra och komplexa processer.

Små patogener

Forskarna siktar på de minsta bakterierna:Små patogener som-till skillnad från det nuvarande cirkulerande coronaviruset SARS-Cov-2-sprids via förorenat vatten och orsakar därmed olika vattenburna sjukdomar som polio, diarré och hepatit. Bland dessa patogener finns rotavirus, som bara är cirka 70 nanometer stor.

"Konventionella vattenfilter är ineffektiva mot rotavirus, "förklarar Empa -forskaren Thomas Graule från Empas High Performance Ceramics lab i Dübendorf. Men det är just dessa små bakterier som är bland de vanligaste patogenerna som orsakar mag -tarminfektioner. Enligt Världshälsoorganisationen (WHO), 2016 cirka 130, 000 barn världen över dog av rotavirusinfektioner. Forskarna har nu utvecklat strategier för filtreringsteknologier baserade på nya material som på ett smart sätt kringgår problemet med minutitet. Detta beror på att en egenskap hos viruspartiklarna kan användas för en ny typ av filter:viruspartiklarnas negativa elektriska laddning.

Baserat på denna idé, forskarna började utveckla lämpliga material som möjliggör adsorption av negativt laddade virusytor. Tills nu, det har varit svårt att skapa lätt regenererade positivt laddade ytor med hög adsorptionskapacitet, och systematiska experimentella studier har varit knappa. För deras undersökningar, forskarna valde därför ett modellvirus som är ännu mindre än rotaviruset:bakteriofagen MS2, som bara är 27 nanometer stor - ett virus som angriper bakterier men är ofarligt för människor. Med denna modellvirus, forskarna kunde visa att virus i vatten adsorberas till filterytan i varierande grad beroende på vattnets pH. "Detta måste beaktas när man utvecklar nya vattenrenings- och filtertekniker, säger Graule.

Porös nanocoating

För att utveckla filterteknik som kan fånga virus i nanometerskala, Graule fokuserar på kompositmaterial som är funktionaliserade på ett sådant sätt att de specifikt binder virus. "I vatten, viruspartiklarnas yta är negativt laddad. Vi kunde visa hur viruspartiklarna fäster sig vid positivt laddade ytor, "förklarar han. Till exempel, forskaren arbetar i ett internationellt team om keramiska granulat av aluminiumoxid, vars fina granuler är belagda med nanometer-tunna lager av kopparoxid. "Tillsammans med keramiken, det mycket porösa kopparskiktet bildar ett kompositmaterial med en positivt laddad och oerhört stor specifik yta, "säger Graule. Forskarna kunde också belägga små flerskikts kolnanorör med kopparoxid, vilket möjliggör eliminering av virus.

För att utveckla en kostnadseffektiv och hållbar filterteknik, forskarna använder specifikt material som kan återvinnas efter användning i betydelsen av en sluten materialcykel. Det är också viktigt att inga filterkomponenter tvättas ut i det renade vattnet. För detta ändamål, analytiska metoder för nanosäkerhet behöver fortfarande utvecklas så att det mest lämpliga kompositmaterialet kan bestämmas. I slutet av projektet, en filterteknik förväntas finnas tillgänglig som också är lämplig för vattenrening i utvecklingsländer med deras särskilt höga antal rotavirus och andra vattenburna sjukdomar.

Över hela världen, cirka 3,4 miljoner människor, mestadels barn i strukturellt underutvecklade länder, dör varje år av vattenburna sjukdomar. Bland patogenerna finns encelliga parasiter, såsom amöbor och lamblia med en storlek på upp till 40 mikrometer. Bakterier som salmonella, som orsakar tyfus, E. coli -bakterier och kolerapatogener är betydligt mindre (0,5 till 6 mikrometer), men lika potenta patogener. Med en storlek på 25 till 80 nanometer - cirka 100 till 1000 gånger mindre - är virus de svåraste patogenerna att filtrera ur vatten. I utvecklingsländer är förorening av dricksvatten med rotavirus särskilt utbredd, följt av andra virus som de patogener som orsakar hepatit och polio.