Neue Materialien und Verfahren zur Reinigung pathogener Mikroorganismen von Wasser

Empa-Forscher entwickeln neuartige Filtersysteme aus Verbundwerkstoffen wie Keramikgranulat mit einer hier dargestellten Kupfernanobeschichtung (Elektronenmikroskopie, farbig). Bildnachweis: Sena Yüzbasi / Empa

Wasser ist Leben, lehrt uns die Biologie. Die Realität lehrt uns etwas anderes: Mit Krankheitserregern kontaminiertes Wasser verursacht jedes Jahr Hunderttausende Todesfälle an Orten, an denen die Wasseraufbereitung fehlt oder schlecht funktioniert. Um dem ein Ende zu setzen, ist die Verfügbarkeit von sauberem Wasser für die gesamte Menschheit seit 2015 in der globalen Nachhaltigkeitsagenda der Vereinten Nationen (UN) enthalten. Entsprechend diesem Ziel entwickeln sich Empa-Forscher in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen bei Eawag neue Materialien und Technologien zur Entfernung von Krankheitserregern aus dem Trinkwasser, die bisher mit herkömmlichen Maßnahmen oder nur mit teuren und komplexen Verfahren kaum beseitigt werden konnten.

Winzige Krankheitserreger

Die Forscher zielen auf die kleinsten Keime ab: Winzige Krankheitserreger, die sich – anders als das derzeit zirkulierende Coronavirus SARS-Cov-2 – über kontaminiertes Wasser ausbreiten und so verschiedene durch Wasser übertragene Krankheiten wie Polio, Durchfall und Hepatitis verursachen. Zu diesen Krankheitserregern gehört das Rotavirus, das nur etwa 70 Nanometer groß ist.

“Herkömmliche Wasserfilter sind gegen Rotaviren unwirksam”, erklärt Empa-Forscher Thomas Graule vom Empa-Hochleistungskeramiklabor in Dübendorf. Es sind jedoch genau diese winzigen Keime, die zu den häufigsten Krankheitserregern gehören, die Magen-Darm-Infektionen verursachen. Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) starben 2016 weltweit rund 130.000 Kinder an Rotavirus-Infektionen. Die Forscher haben nun Strategien für Filtrationstechnologien entwickelt, die auf neuen Materialien basieren und das Problem der Genauigkeit geschickt umgehen. Dies liegt daran, dass eine Eigenschaft der Viruspartikel für einen neuen Filtertyp verwendet werden kann: die negative elektrische Ladung der Viruspartikel.

Basierend auf dieser Idee begannen die Forscher, geeignete Materialien zu entwickeln, die die Adsorption negativ geladener Virusoberflächen ermöglichen. Bisher war es schwierig, leicht regenerierbare positiv geladene Oberflächen mit hoher Adsorptionskapazität zu erzeugen, und systematische experimentelle Studien waren rar. Für ihre Untersuchungen wählten die Forscher daher ein Modellvirus, das noch kleiner als das Rotavirus ist: den nur 27 Nanometer großen Bakteriophagen MS2 – ein Virus, das Bakterien angreift, aber für den Menschen harmlos ist. Mit diesem Modellvirus konnten die Wissenschaftler zeigen, dass Viren in Wasser je nach pH-Wert des Wassers in unterschiedlichem Maße an der Filteroberfläche adsorbieren. “Dies muss bei der Entwicklung neuer Wasseraufbereitungs- und Filtertechnologien berücksichtigt werden”, sagt Graule.

Poröse Nanobeschichtung

Um Filtertechnologien zu entwickeln, mit denen Viren im Nanometerbereich erfasst werden können, konzentriert sich Graule auf Verbundwerkstoffe, die so funktionalisiert sind, dass sie spezifisch Viren binden. “In Wasser ist die Oberfläche der Viruspartikel negativ geladen. Wir konnten zeigen, wie sich die Viruspartikel an positiv geladenen Oberflächen anlagern”, erklärt er. Beispielsweise arbeitet der Forscher in einem internationalen Team an Keramikgranulaten aus Aluminiumoxid, deren feines Granulat mit nanometerdünnen Kupferoxidschichten beschichtet ist. “Zusammen mit der Keramik bildet die hochporöse Kupferschicht ein Verbundmaterial mit einer positiv geladenen und immens großen spezifischen Oberfläche”, sagt Graule. Die Forscher konnten auch winzige mehrschichtige Kohlenstoffnanoröhren mit Kupferoxid beschichten und so die Viruseliminierung ermöglichen.

Um eine kostengünstige und nachhaltige Filtertechnologie zu entwickeln, verwenden die Forscher gezielt Materialien, die nach Gebrauch im Sinne eines geschlossenen Materialkreislaufs zurückgewonnen werden können. Es ist auch wichtig, dass keine Filterkomponenten in das gereinigte Wasser ausgewaschen werden. Zu diesem Zweck müssen noch Analysemethoden für die Nanosicherheit entwickelt werden, damit das am besten geeignete Verbundmaterial bestimmt werden kann. Am Ende des Projekts wird voraussichtlich eine Filtertechnologie verfügbar sein, die auch für die Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern mit ihrer besonders hohen Anzahl an Rotaviren und anderen durch Wasser übertragenen Krankheiten geeignet ist.

Um eine kostengünstige und nachhaltige Filtertechnologie zu entwickeln, verwenden die Forscher gezielt Materialien, die nach Gebrauch im Sinne eines geschlossenen Materialkreislaufs zurückgewonnen werden können. Es ist auch wichtig, dass keine Filterkomponenten in das gereinigte Wasser ausgewaschen werden. Zu diesem Zweck müssen noch Analysemethoden für die Nanosicherheit entwickelt werden, damit das am besten geeignete Verbundmaterial bestimmt werden kann. Am Ende des Projekts wird voraussichtlich eine Filtertechnologie verfügbar sein, die auch für die Wasseraufbereitung in Entwicklungsländern mit ihrer besonders hohen Anzahl an Rotaviren und anderen durch Wasser übertragenen Krankheiten geeignet ist.

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