Фильтрующая мембрана обезвреживает вирусы

Вирусы могут распространяться не только через капли или аэрозоли, как новый коронавирус, но и через воду. Некоторые потенциально опасные возбудители желудочно-кишечных заболеваний являются водными вирусами.

До сих пор такие вирусы удаляли из воды с помощью нанофильтрации или обратного осмоса, но с высокой стоимостью и серьёзным воздействием на окружающую среду. Например, нанофильтры для вирусов изготавливаются из сырья на основе нефти, а обратный осмос требует относительно большого количества энергии.

Разработана экологичная мембрана

Международная группа исследователей под руководством профессора ETH Zurich Раффаэле Мецценги разработала новую фильтрующую мембрану для воды, которая одновременно высокоэффективна и экологична. Для её изготовления использовались природные сырьевые материалы.

Мембрана работает по тому же принципу, который исследователи ранее разработали для удаления тяжёлых или драгоценных металлов из воды. Они создают мембрану из денатурированных белков сыворотки, которые собираются в микроскопические нити — амилоидные фибриллы. В данном случае исследователи объединили этот фибриллярный каркас с наночастицами гидроксида железа (Fe-O-HO).

Производство мембраны относительно простое. Для получения фибрилл белки сыворотки, полученные при переработке молока, добавляют в кислоту и нагревают до 90 °C. Это заставляет белки разворачиваться и соединяться друг с другом, образуя фибриллы. Наночастицы можно производить в том же реакторе, что и фибриллы: исследователи повышают pH и добавляют соль железа, что приводит к образованию наночастиц гидроксида железа, которые прикрепляются к амилоидным фибриллам. Для поддержки мембраны использовалась целлюлоза.

Такое сочетание амилоидных фибрилл и наночастиц гидроксида железа делает мембрану высокоэффективной ловушкой для различных вирусов, присутствующих в воде. Положительно заряженный оксид железа электростатически притягивает отрицательно заряженные вирусы и инактивирует их. Одни только амилоидные фибриллы не смогли бы этого сделать, потому что они, как и вирусные частицы, также имеют отрицательный заряд при нейтральном pH. Однако фибриллы являются идеальной матрицей для наночастиц оксида железа.

Высокоэффективное удаление различных вирусов

Мембрана устраняет широкий спектр водных вирусов, включая безоболочечные аденовирусы, ретровирусы и энтеровирусы. Последняя группа может вызывать опасные желудочно-кишечные инфекции, от которых ежегодно умирает около полумиллиона человек — часто маленьких детей в развивающихся странах и странах с формирующимся рынком. Энтеровирусы чрезвычайно устойчивы и кислотоустойчивы и остаются в воде очень долго, поэтому фильтрующая мембрана должна быть особенно привлекательна для более бедных стран как способ предотвращения таких инфекций.

Кроме того, мембрана также с высокой эффективностью удаляет из воды вирусы гриппа H1N1 и даже новый вирус SARS-CoV-2. В профильтрованных образцах концентрация двух вирусов была ниже предела обнаружения, что эквивалентно почти полному устранению этих патогенов.

«Мы знаем, что новый коронавирус передаётся преимущественно через капли и аэрозоли, но на самом деле даже в этом случае вирус окружён водой. Тот факт, что мы можем очень эффективно удалить его из воды, впечатляюще подчёркивает широкую применимость нашей мембраны», — говорит Мецценга.

Хотя мембрана в первую очередь предназначена для использования на очистных сооружениях или для очистки питьевой воды, её также можно использовать в системах фильтрации воздуха или даже в масках. Поскольку она состоит исключительно из экологически чистых материалов, после использования её можно просто компостировать — а для её производства требуется минимум энергии. Эти характеристики обеспечивают ей отличный экологический след. Поскольку фильтрация пассивна, она не требует дополнительной энергии, что делает её работу углеродно-нейтральной и пригодной для использования в любом социальном контексте — от городских до сельских сообществ.