La rimozione degli agenti patogeni dall'acqua potabile è particolarmente difficile quando i germi sono troppo piccoli per essere catturati dai filtri convenzionali. I ricercatori dell'Empa e dell'Eawag stanno sviluppando nuovi materiali e processi per liberare l'acqua da microrganismi patogeni come i virus.

L'acqua è vita, la biologia ci insegna. La realtà ci insegna qualcosa di diverso:l'acqua contaminata da agenti patogeni provoca centinaia di migliaia di morti ogni anno in luoghi dove il trattamento dell'acqua è carente o mal funzionante. Per porre fine a questo, la disponibilità di acqua pulita per tutta l'umanità è stata inclusa nell'agenda globale di sostenibilità delle Nazioni Unite (ONU) dal 2015. In conformità con questo obiettivo, Ricercatori dell'Empa, in collaborazione con i colleghi di Eawag, stanno sviluppando nuovi materiali e tecnologie per rimuovere i patogeni dall'acqua potabile, che fino ad ora difficilmente potevano essere eliminati con misure convenzionali, o solo con processi costosi e complessi.

Piccoli agenti patogeni

I ricercatori stanno mirando al più piccolo dei germi:minuscoli agenti patogeni che, a differenza del coronavirus SARS-Cov-2 attualmente in circolazione, si stanno diffondendo attraverso l'acqua contaminata e quindi causano varie malattie trasmesse dall'acqua come la poliomielite, diarrea ed epatite. Tra questi patogeni c'è il rotavirus, che ha una dimensione di soli 70 nanometri.

"I filtri per l'acqua convenzionali sono inefficaci contro i rotavirus, " spiega il ricercatore Empa Thomas Graule del laboratorio Empa High Performance Ceramics a Dübendorf. Tuttavia, sono proprio questi minuscoli germi che sono tra i patogeni più comuni che causano infezioni gastrointestinali. Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), nel 2016 circa 130, 000 bambini in tutto il mondo sono morti a causa di infezioni da rotavirus. I ricercatori hanno ora sviluppato strategie per le tecnologie di filtrazione basate su nuovi materiali che aggirano abilmente il problema della minuzia. Questo perché una proprietà delle particelle virali può essere utilizzata per un nuovo tipo di filtro:la carica elettrica negativa delle particelle virali.

Sulla base di questa idea, i ricercatori hanno iniziato a sviluppare materiali idonei che consentono l'assorbimento di superfici virali caricate negativamente. Fino ad ora, è stato difficile creare superfici caricate positivamente facilmente rigenerabili con elevata capacità di adsorbimento, e gli studi sperimentali sistematici sono stati scarsi. Per le loro indagini, i ricercatori hanno quindi scelto un virus modello ancora più piccolo del rotavirus:il batteriofago MS2, che ha una dimensione di soli 27 nanometri, un virus che attacca i batteri ma è innocuo per l'uomo. Usando questo virus modello, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che i virus nell'acqua si adsorbono sulla superficie del filtro a vari livelli a seconda del pH dell'acqua. "Questo deve essere preso in considerazione quando si sviluppano nuove tecnologie di trattamento e filtraggio dell'acqua, "dice Graule.

Nanorivestimento poroso

Al fine di sviluppare tecnologie di filtraggio in grado di catturare virus su scala nanometrica, Graule si sta concentrando su materiali compositi funzionalizzati in modo tale da legare specificamente i virus. "In acqua, la superficie delle particelle virali è caricata negativamente. Siamo stati in grado di mostrare come le particelle virali si attaccano a superfici caricate positivamente, " spiega. Ad esempio, il ricercatore sta lavorando in un team internazionale su granuli ceramici a base di ossido di alluminio, i cui granuli fini sono rivestiti con strati sottilissimi di nanometri di ossido di rame. "Insieme alla ceramica, lo strato di rame altamente poroso forma un materiale composito con una superficie specifica carica positivamente e immensamente grande, " dice Graule. I ricercatori sono stati anche in grado di rivestire minuscoli nanotubi di carbonio multistrato con ossido di rame, consentendo così l'eliminazione del virus.

Al fine di sviluppare una tecnologia di filtraggio economica e sostenibile, i ricercatori utilizzano specificamente materiali che possono essere recuperati dopo l'uso nel senso di un ciclo materiale chiuso. È anche importante che nessun componente del filtro venga lavato nell'acqua purificata. A tal fine, devono ancora essere sviluppati metodi analitici per la nanosicurezza in modo da poter determinare il materiale composito più adatto. Al termine del progetto, si prevede che sarà disponibile una tecnologia di filtraggio adatta anche per il trattamento dell'acqua nei paesi in via di sviluppo con un numero particolarmente elevato di rotavirus e altre malattie trasmesse dall'acqua.

In tutto il mondo, circa 3,4 milioni di persone, per lo più bambini in paesi strutturalmente sottosviluppati, muoiono ogni anno per malattie trasmesse dall'acqua. Tra i patogeni ci sono parassiti unicellulari, come amebe e lamblie con una dimensione fino a 40 micrometri. Batteri come la salmonella, che causano la febbre tifoide, I germi di E. coli e i patogeni del colera sono significativamente più piccoli (da 0,5 a 6 micrometri), ma ugualmente potenti agenti patogeni. Con una dimensione da 25 a 80 nanometri, circa da 100 a 1000 volte più piccola, i virus sono i patogeni più difficili da filtrare fuori dall'acqua. Nei paesi in via di sviluppo la contaminazione dell'acqua potabile da rotavirus è particolarmente diffusa, seguito da altri virus come i patogeni che causano l'epatite e la poliomielite.