Condurre, arsenico, e altri metalli pesanti sono sempre più presenti nei sistemi idrici di tutto il mondo a causa delle attività umane, come l'uso di pesticidi e, più recentemente, lo smaltimento inadeguato dei rifiuti elettronici. L'esposizione cronica a livelli anche in tracce di questi contaminanti, a concentrazioni di parti per miliardo, può causare condizioni di salute debilitanti nelle donne in gravidanza, figli, e altre popolazioni vulnerabili.

Il monitoraggio dell'acqua per i metalli pesanti è un compito arduo, però, in particolare per le regioni con risorse limitate dove i lavoratori devono raccogliere molti litri d'acqua e conservare chimicamente i campioni prima di trasportarli in laboratori distanti per l'analisi.

Per semplificare il processo di monitoraggio, I ricercatori del MIT hanno sviluppato un approccio chiamato SEPSTAT, per l'estrazione in fase solida, preservazione, Conservazione, trasporto, e analisi dei contaminanti in tracce. Il metodo si basa su un piccolo, dispositivo di facile utilizzo sviluppato dal team, che assorbe tracce di contaminanti nell'acqua e li conserva in uno stato asciutto in modo che i campioni possano essere facilmente lasciati cadere nella posta e spediti a un laboratorio per ulteriori analisi.

Il dispositivo assomiglia a un piccolo, elica flessibile, o frusta, che si inserisce all'interno di una tipica bottiglia di campionamento. Quando fatto roteare all'interno della bottiglia per diversi minuti, lo strumento può assorbire la maggior parte dei contaminanti in tracce nel campione d'acqua. Un utente può asciugare il dispositivo all'aria o asciugarlo con un pezzo di carta, poi appiattirlo e spedirlo in una busta a un laboratorio, dove gli scienziati possono immergerlo in una soluzione di acido per rimuovere i contaminanti e raccoglierli per ulteriori analisi in laboratorio.

"Inizialmente abbiamo progettato questo per l'uso in India, ma mi ha insegnato molto sui nostri problemi idrici e sulle tracce di contaminanti negli Stati Uniti, ", afferma la designer di dispositivi Emily Hanhauser, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Ad esempio, qualcuno che ha sentito parlare della crisi idrica a Flint, Michigan, che ora vuole sapere cosa c'è nella loro acqua, potrebbe un giorno ordinare qualcosa di simile online, fai il test da solo, e inviarlo a un laboratorio."

Hanhauser e i suoi colleghi hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista Scienze e tecnologie ambientali . I suoi coautori del MIT sono Chintan Vaishnav del Tata Center for Technology and Design e della MIT Sloan School of Management; John Hart, professore associato di ingegneria meccanica; e Rohit Karnik, professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento associato per l'istruzione, insieme a Michael Bono della Boston University.

Dalle bustine di tè alle fruste

Inizialmente il team si era proposto di comprendere l'infrastruttura di monitoraggio dell'acqua in India. Milioni di campioni d'acqua vengono raccolti dai lavoratori nei laboratori locali in tutto il paese, che sono attrezzati per eseguire analisi di base della qualità dell'acqua. Però, per analizzare tracce di contaminanti, i lavoratori di questi laboratori locali devono conservare chimicamente un gran numero di campioni d'acqua e trasportare le navi, spesso per centinaia di chilometri, alle capitali di stato, dove i laboratori centralizzati dispongono di strutture per analizzare correttamente i contaminanti in tracce.

"Se stai raccogliendo molti di questi campioni e stai cercando di portarli in un laboratorio, è un lavoro piuttosto oneroso, e c'è una significativa barriera di trasporto, " dice Hanhauser.

Nel tentativo di semplificare la logistica del monitoraggio dell'acqua, lei e i suoi colleghi si chiedevano se potevano evitare la necessità di trasportare l'acqua, e invece trasportano i contaminanti da soli, allo stato secco.

Alla fine trovarono ispirazione nelle macchie di sangue secco, una tecnica semplice che consiste nel pungere il dito di una persona e raccogliere una goccia di sangue su un cartoncino di cellulosa. Quando essiccato, le sostanze chimiche nel sangue sono stabili e conservate, e le carte possono essere spedite per un'ulteriore analisi, evitando la necessità di conservare e spedire grandi volumi di sangue.

Il team ha iniziato a pensare a un sistema di raccolta simile per i metalli pesanti, e ha esaminato la letteratura alla ricerca di materiali in grado sia di assorbire tracce di contaminanti dall'acqua sia di mantenerli stabili una volta asciutti.

Alla fine si stabilirono sulle resine a scambio ionico, una classe di materiale che si presenta sotto forma di piccole perle polimeriche, larghe diverse centinaia di micron. Queste perle contengono gruppi di molecole legate a uno ione idrogeno. Quando immerso in acqua, l'idrogeno si stacca e può essere scambiato con un altro ione, come un catione di metalli pesanti, che prende il posto dell'idrogeno sul tallone. In questo modo, le perle possono assorbire metalli pesanti e altri contaminanti in tracce dall'acqua.

I ricercatori hanno quindi cercato modi per immergere le perline in acqua, e per la prima volta considerato un design simile a una bustina di tè. Hanno riempito una tasca a rete con perline e l'hanno inzuppata nell'acqua che hanno riempito di metalli pesanti. Hanno trovato, anche se, che ci volevano giorni perché le perline assorbissero adeguatamente i contaminanti se lasciavano semplicemente la bustina di tè nell'acqua. Quando hanno mescolato la bustina di tè, la turbolenza ha accelerato un po' il processo, ma ci volle ancora troppo tempo per le perline, confezionato in una grande bustina di tè, per assorbire i contaminanti.

In definitiva, Hanhauser ha scoperto che un design di agitazione portatile funzionava meglio per assorbire i contaminanti metallici nell'acqua entro un ragionevole lasso di tempo. Il dispositivo è costituito da una rete polimerica tagliata in diversi pannelli simili a eliche. All'interno di ogni pannello, Tasche Hanhauser cucite a mano, che ha riempito con perline di polimero. Ha quindi cucito ogni pannello attorno a un bastoncino di polimero per assomigliare a una sorta di frullino per le uova o frusta.

Testare le acque

I ricercatori hanno fabbricato molti dei dispositivi, poi li hanno testati su campioni di acqua naturale raccolti intorno a Boston, compresi i fiumi Charles e Mystic. Hanno corretto i campioni con vari contaminanti di metalli pesanti, come il piombo, rame, nichel, e cadmio, poi infilato un dispositivo nel flacone di ogni campione, e lo fece roteare a mano per catturare e assorbire i contaminanti. Hanno quindi posizionato i dispositivi su un bancone ad asciugare durante la notte.

Per recuperare i contaminanti dal dispositivo, hanno immerso il dispositivo in acido cloridrico. L'idrogeno nella soluzione elimina efficacemente tutti gli ioni attaccati alle perline polimeriche, compresi i metalli pesanti, che possono poi essere raccolti e analizzati con strumenti come gli spettrometri di massa.

I ricercatori hanno scoperto che mescolando il dispositivo nel campione d'acqua, il dispositivo è stato in grado di assorbire e conservare circa il 94 percento dei contaminanti metallici in ciascun campione. Nelle loro recenti prove, hanno scoperto che potevano ancora rilevare i contaminanti e prevedere le loro concentrazioni nei campioni d'acqua originali, con un intervallo di precisione dal 10 al 20 percento, anche dopo aver immagazzinato il dispositivo in uno stato asciutto per un massimo di due anni.

Con un costo inferiore a $2, i ricercatori ritengono che il dispositivo potrebbe facilitare il trasporto di campioni a laboratori centralizzati, raccolta e conservazione dei campioni per analisi future, e acquisizione di dati sulla qualità dell'acqua in modo centralizzato, quale, a sua volta, potrebbe aiutare a identificare le fonti di contaminazione, guidare le politiche, e consentire una migliore gestione della qualità dell'acqua.