Filtermembraan maakt virussen onschadelijk

Virussen kunnen zich niet alleen via druppeltjes of aerosolen zoals het nieuwe coronavirus verspreiden, maar ook in water. Sommige potentieel gevaarlijke pathogenen van gastro-intestinale ziekten zijn in feite door water overgedragen virussen.

Tot op heden zijn dergelijke virussen uit water verwijderd met behulp van nanofiltratie of omgekeerde osmose, maar tegen hoge kosten en met ernstige gevolgen voor het milieu. Zo worden nanofilters voor virussen gemaakt van op aardolie gebaseerde grondstoffen, terwijl omgekeerde osmose relatief veel energie kost.

Milieuvriendelijk membraan ontwikkeld

Nu heeft een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Raffaele Mezzenga, hoogleraar Food & Soft Materials aan de ETH Zürich, een nieuw waterfiltermembraan ontwikkeld dat zowel zeer effectief als milieuvriendelijk is. Voor de vervaardiging ervan gebruikten de onderzoekers natuurlijke grondstoffen.

Het filtermembraan werkt volgens hetzelfde principe dat Mezzenga en zijn collega’s ontwikkelden voor het verwijderen van zware of edele metalen uit water. Ze creëren het membraan met behulp van gedenatureerde wei-eiwitten die zich assembleren tot minuscule filamenten die amyloïde fibrillen worden genoemd. In dit geval hebben de onderzoekers deze fibrilsteiger gecombineerd met nanodeeltjes van ijzerhydroxide (Fe-O-HO).

Het vervaardigen van het membraan is relatief eenvoudig. Om de fibrillen te produceren, worden wei-eiwitten afkomstig van melkverwerking toegevoegd aan zuur en verwarmd tot 90 graden Celsius. Dit zorgt ervoor dat de eiwitten zich uitstrekken en aan elkaar hechten, waardoor fibrillen worden gevormd. De nanodeeltjes kunnen worden geproduceerd in hetzelfde reactievat als de fibrillen: de onderzoekers verhogen de pH en voegen ijzerzout toe, waardoor het mengsel uiteenvalt in ijzerhydroxide nanodeeltjes, die zich hechten aan de amyloïde fibrillen. Voor deze toepassing gebruikten Mezzenga en zijn collega’s cellulose om het membraan te ondersteunen.

Deze combinatie van amyloïde fibrillen en ijzerhydroxide-nanodeeltjes maakt het membraan tot een zeer effectieve en efficiënte val voor verschillende virussen die in water aanwezig zijn. Het positief geladen ijzeroxide trekt elektrostatisch de negatief geladen virussen aan en inactiveert ze. Amyloïde fibrillen alleen zouden dit niet kunnen, omdat ze, net als de virale deeltjes, ook negatief geladen zijn bij neutrale pH. De fibrillen zijn echter de ideale matrix voor de ijzeroxide-nanodeeltjes.

Verschillende virussen zeer efficiënt geëlimineerd

Het membraan elimineert een breed scala aan watergedragen virussen, waaronder niet-omhulde adenovirussen, retrovirussen en enterovirussen. Deze derde groep kan gevaarlijke gastro-intestinale infecties veroorzaken, waaraan jaarlijks ongeveer een half miljoen mensen overlijden, vaak jonge kinderen in ontwikkelingslanden en opkomende landen. Enterovirussen zijn extreem taai en zuurbestendig en blijven heel lang in het water, dus het filtermembraan zou vooral aantrekkelijk moeten zijn voor armere landen om dergelijke infecties te helpen voorkomen.

Bovendien verwijdert het membraan ook H1N1-griepvirussen en zelfs het nieuwe SARS-CoV-2-virus met grote efficiëntie uit het water. In gefilterde monsters lag de concentratie van de twee virussen onder de detectielimiet, wat overeenkomt met bijna volledige eliminatie van deze pathogenen.

“We zijn ons ervan bewust dat het nieuwe coronavirus voornamelijk via druppeltjes en aerosolen wordt overgedragen, maar zelfs op deze schaal moet het virus worden omringd door water. Het feit dat we het zeer efficiënt uit water kunnen verwijderen, onderstreept op indrukwekkende wijze de brede toepasbaarheid van ons membraan”, zegt Mezzenga.

Hoewel het membraan in de eerste plaats is ontworpen voor gebruik in afvalwaterzuiveringsinstallaties of voor drinkwaterbehandeling, kan het ook worden gebruikt in luchtfiltratiesystemen of zelfs in maskers. Omdat het uitsluitend uit ecologisch verantwoorde materialen bestaat, kan het na gebruik eenvoudig worden gecomposteerd – en de productie ervan vereist minimale energie. Door deze eigenschappen heeft het een uitstekende ecologische voetafdruk, zo stellen de onderzoekers ook in hun onderzoek. Omdat de filtratie passief is, is er geen extra energie nodig, wat de werking ervan CO2-neutraal maakt en bruikbaar is in elke sociale context, van stedelijke tot landelijke gemeenschappen.