Nature’s toolkit voor het doden van virussen en bacteriën

Ze barsten uit toiletbellen, zwemmen over drinkwater en verspreiden zich door hoest. Kleine besmettelijke microben – van het virus dat COVID-19 veroorzaakt tot bacteriën in het water – doden jaarlijks miljoenen mensen over de hele wereld. Nu bestuderen ingenieurs hoe zinkoxide-oppervlakken en natuurlijk hydrodynamisch karnen de kracht hebben om eerst ziekteverwekkers te doden.

“Bacteriële besmetting van gemeenschappelijke oppervlakken en van drinkwater zijn van oudsher de belangrijkste infectieroutes voor de overdracht van ernstige ziekten, die vaak tot sterfte leiden”, zegt Abinash Tripathy, een onderzoeker in mechanische en procestechniek aan de ETH Zürich. “Ons doel was om een ​​oppervlak te ontwerpen dat beide problemen kan aanpakken.”

Zijn groep dompelde 24 uur lang schoon zink onder in heet water, wat een zinkoxide-oppervlak vormde dat bedekt was met scherpe naalden. Daarna introduceerden ze E. coli-bacteriën.

Het oppervlak doodt bijna alle bacteriën die erop worden gekweekt zeer efficiënt. En de grootste verrassing? Als je in vervuild water zit, doodt het oppervlak alle in het water aanwezige E. coli binnen drie uur, zelfs bacteriën die het niet heeft aangeraakt.

Deze waterdesinfectie op afstand werkt omdat het proces een reactieve zuurstofsoort genereert die de celwanden van bacteriën beschadigt. De groep van ETH Zürich, IIT Ropar India en Empa, Zwitserland, presenteerde hun eerste bevindingen tijdens de 73e jaarlijkse bijeenkomst van de divisie Fluid Dynamics van de American Physical Society.

In Zuidoost-Aziatische en Afrikaanse landen waar schoon drinkwater schaars is, duren de huidige desinfectiemethoden voor zonne-water tot 48 uur en is een minimale intensiteit van zonlicht vereist. Het nieuwe zinkoxide-oppervlak versnelt het desinfectieproces en heeft geen licht nodig.

“Dit oppervlak kan tegen zeer lage kosten worden gebruikt om water in afgelegen gebieden te desinfecteren”, aldus Tripathy. “De fabricagetechniek is milieuvriendelijk, eenvoudig en economisch.”

Ziekteverwekkers via het oppervlak en het water zijn niet de enige moordenaars. Aangezien de COVID-19-pandemie is toegenomen, vormen virussen en bacteriën in de lucht een serieuze wereldwijde uitdaging voor desinfectie.

Juist de druppeltjes die ziekteverwekkers door de lucht dragen, kunnen een rol spelen bij de vernietiging ervan. In de microseconden die druppeltjes nodig hebben om zich te vormen, herschikken hun vloeistoffen zich snel, waardoor de microben binnenin onder druk komen te staan.

“Denk aan een emmer met een vis erin. Je kunt je voorstellen dat als je de vloeistof in de emmer te snel gaat karnen, de vis niet erg gelukkig zal zijn”, zegt Oliver McRae, een werktuigbouwkundig ingenieur. ‘Het is iets soortgelijks – zij het op een veel, veel kleinere schaal – als je bijvoorbeeld een ziekteverwekker in een druppel hebt. Uiteindelijk zal de vloeistof te veel agiteren om die bacterie of dat virus niet te laten overleven.’

McRae en een team van de Boston University en de Centers for Disease Control and Prevention bestudeerden hoe hydrodynamische agitatie werkt wanneer omgevingsbellen druppeltjes produceren. Na het begin van de pandemie begonnen ze druppeltjes te modelleren die vergelijkbaar waren met die geproduceerd door de longen en de luchtwegen.

Met behulp van computationele vloeistofdynamica voorspelde het team hoe agitatie werkt tijdens aerosolvorming. Ze ontdekten dat stressfactoren erg gevoelig zijn voor de druppelgrootte. Als de druppel met een orde van grootte krimpt of groeit, veranderen de stressoren met twee en een halve grootteorde.

Het onderzoek zou kunnen helpen verklaren waarom ziekteverwekkers in sommige druppeltjes overleven en niet in andere.

“Onze focus lag op het kwantificeren van de stressfactoren in deze druppeltjes”, zei McRae. “Hopelijk zal dit in de toekomst worden gebruikt als onderdeel van een groter model om op aerosol gebaseerde overdracht van ziekten te voorspellen.”