Los investigadores de Empa están desarrollando nuevos sistemas de filtros hechos de materiales compuestos como gránulos de cerámica con un nano revestimiento de cobre como se muestra aquí (microscopía electrónica, de colores). Crédito:Sena Yüzbasi / Empa
Eliminar los patógenos del agua potable es especialmente difícil cuando los gérmenes son demasiado pequeños para ser capturados por filtros convencionales. Los investigadores de Empa y Eawag están desarrollando nuevos materiales y procesos para liberar el agua de microorganismos patógenos como los virus.
El agua es vida la biología nos enseña. La realidad nos enseña algo diferente:el agua contaminada con patógenos causa cientos de miles de muertes cada año en lugares donde el tratamiento del agua falta o funciona mal. Para poner fin a esto La disponibilidad de agua potable para toda la humanidad está incluida en la Agenda de Sostenibilidad Global de las Naciones Unidas (ONU) desde 2015. De acuerdo con este objetivo, Investigadores de Empa, en colaboración con sus colegas de Eawag, están desarrollando nuevos materiales y tecnologías para eliminar patógenos del agua potable, que hasta ahora difícilmente podría eliminarse con medidas convencionales, o solo con procesos costosos y complejos.
Pequeños patógenos
Los investigadores apuntan al más pequeño de los gérmenes:pequeños patógenos que, a diferencia del coronavirus SARS-Cov-2 que circula actualmente, se propagan a través del agua contaminada y, por lo tanto, causan diversas enfermedades transmitidas por el agua, como la poliomielitis. diarrea y hepatitis. Entre estos patógenos se encuentra el rotavirus, que tiene un tamaño de solo 70 nanómetros.
Los gránulos de cerámica hechos de óxido de aluminio se recubrieron con una capa nanométrica de óxido de cobre, como se muestra aquí en 5, 000 aumentos (microscopía electrónica, de colores). Crédito:Sena Yüzbasi / Empa
"Los filtros de agua convencionales son ineficaces contra los rotavirus, "explica el investigador de Empa, Thomas Graule, del laboratorio de cerámica de alto rendimiento de Empa en Dübendorf. Sin embargo, Son precisamente estos pequeños gérmenes los que se encuentran entre los patógenos más comunes que causan infecciones gastrointestinales. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), en 2016 alrededor de 130, 000 niños en todo el mundo murieron a causa de infecciones por rotavirus. Los investigadores ahora han desarrollado estrategias para tecnologías de filtración basadas en nuevos materiales que eluden hábilmente el problema de la minuciosidad. Esto se debe a que una propiedad de las partículas de virus se puede utilizar para un nuevo tipo de filtro:la carga eléctrica negativa de las partículas de virus.
Basado en esta idea, los investigadores comenzaron a desarrollar materiales adecuados que permitan la adsorción de superficies de virus con carga negativa. Hasta ahora, Ha sido difícil crear superficies cargadas positivamente fácilmente regenerables con alta capacidad de adsorción, y los estudios experimentales sistemáticos han sido escasos. Por sus investigaciones, Por lo tanto, los investigadores eligieron un virus modelo que es incluso más pequeño que el rotavirus:el bacteriófago MS2, que tiene sólo 27 nanómetros de tamaño, un virus que ataca a las bacterias pero es inofensivo para los humanos. Usando este modelo de virus, los científicos pudieron demostrar que los virus en el agua se adsorben en la superficie del filtro en diversos grados dependiendo del pH del agua. "Esto debe tenerse en cuenta al desarrollar nuevas tecnologías de filtrado y tratamiento de agua, "dice Graule.
Rotavirus. Crédito:CDC / Unsplash
Nano revestimiento poroso
Para desarrollar tecnologías de filtrado que puedan capturar virus a escala nanométrica, Graule se centra en materiales compuestos que están funcionalizados de tal manera que se unen específicamente a los virus. "En agua, la superficie de las partículas del virus está cargada negativamente. Pudimos mostrar cómo las partículas de virus se adhieren a superficies cargadas positivamente, ", explica. Por ejemplo, el investigador trabaja en un equipo internacional en gránulos cerámicos de óxido de aluminio, cuyos finos gránulos están recubiertos con capas nanométricas de óxido de cobre. "Junto con la cerámica, la capa de cobre altamente porosa forma un material compuesto con una superficie específica inmensamente grande y cargada positivamente, ", dice Graule. Los investigadores también pudieron recubrir diminutos nanotubos de carbono multicapa con óxido de cobre, permitiendo así la eliminación del virus.
Para desarrollar una tecnología de filtrado rentable y sostenible, los investigadores utilizan específicamente materiales que pueden recuperarse después de su uso en el sentido de un ciclo de material cerrado. También es importante que no se eliminen los componentes del filtro con el agua purificada. Para tal fin, Todavía es necesario desarrollar métodos analíticos para la nano-seguridad para poder determinar el material compuesto más adecuado. Al final del proyecto, Se espera que esté disponible una tecnología de filtrado que también sea adecuada para el tratamiento del agua en los países en desarrollo con su número particularmente alto de rotavirus y otras enfermedades transmitidas por el agua.
En todo el mundo, alrededor de 3,4 millones de personas, en su mayoría niños en países estructuralmente subdesarrollados, mueren cada año por enfermedades transmitidas por el agua. Entre los patógenos se encuentran los parásitos unicelulares, como amebas y lamblia con un tamaño de hasta 40 micrómetros. Bacterias como la salmonela, que causan fiebre tifoidea, Los gérmenes de E. coli y los patógenos del cólera son significativamente más pequeños (0,5 a 6 micrómetros), pero patógenos igualmente potentes. Con un tamaño de 25 a 80 nanómetros, alrededor de 100 a 1000 veces más pequeño, los virus son los patógenos más difíciles de filtrar fuera del agua. En los países en desarrollo, la contaminación del agua potable con rotavirus está particularmente extendida, seguido de otros virus como los patógenos que causan la hepatitis y la poliomielitis.
