Filtermembran macht Viren harmlos

Von Peter Rüegg

Forscher der ETH Zürich entwickeln eine neue Filtermembran, die eine Vielzahl vongetragen und Wasser-übertragenen Viren. Hergestellt aus umweltverträglichen Materialien, hat die Membran eine entsprechend guteronmentalen Fußabdruck.

Viren können sich nicht nur über Tröpfchen oder Aerosole wie das neue Coronavirus ausbreiten, sondern auch im Wasser. Tatsächlich sind einige potenziell gefährliche Krankheitserreger von Magen-Darm-Erkrankungen durch Wasser übertragene Viren.

Bis heute wurden solche Viren mit Nanofiltration oder Umkehrosmose aus dem Wasser entfernt, jedoch mit hohen Kosten und schweren Auswirkungen auf die Umwelt. Nanofilter für Viren werden beispielsweise aus erdölbasierten Rohstoffen hergestellt, während die Umkehrosmose relativ viel Energie erfordert.

Umweltfreundliche Membran entwickelt
Nun hat ein internationales Forscherteam um Raffaele Mezzenga, Professor für Food & Soft Materials an der ETH Zürich, eine neue Wasserfiltermembran entwickelt, die sowohl hochwirksam als auch umweltfreundlich ist. Zur Herstellung verwendeten die Forscher natürliche Rohstoffe.

Die Filtermembran arbeitet nach dem gleichen Prinzip, das Mezzenga und seine Kollegen entwickelt haben, um Schwere- oder Edelmetalle aus Wasser zu entfernen. Sie erzeugen die Membran mit denaturierten Molkenproteinen, die sich zu winzigen Filamenten, sogenannten Amyloidfibrillen, zusammensetzen. In diesem Fall haben die Forscher dieses fibrilGerüst mit Nanopartikeln aus Eisenhydroxid (Fe-O-HO) kombiniert.

Die Herstellung der Membran ist relativ einfach. Zur Herstellung der Fibrillen werden Molkenproteine aus der Milchverarbeitung zu Säure hinzugefügt und auf 90 Grad Celsius erhitzt. Dadurch dehnen sich die Proteine aus und haften sich aneinander und bilden Fibrillen. Die Nanopartikel können im selben Reaktionsgefäß wie die Fibrillen produziert werden: Die Forscher erhöhen den pH-Wert und fügen Eisensalz hinzu, wodurch sich das Gemisch in Eisenhydroxid-Nanopartikel "auflöst", die sich an den Amyloidfibrillen anheften. Für diese Anwendung verwendeten Mezzenga und seine Kollegen Zellulose, um die Membran zu unterstützen.

Diese Kombination aus Amyloidfibrillen und Eisenhydroxid-Nanopartikeln macht die Membran zu einer hochwirksamen und effizienten Falle für verschiedene Viren, die im Wasser vorkommen. Das positiv geladene Eisenoxid zieht die negativ geladenen Viren elektrostatisch an und inaktiviert sie. Amyloidfibrillen allein wären dazu nicht in der Lage, weil sie, wie die viralen Partikel, auch negativ bei neutralem pH-Wert geladen sind. Die Fibrillen sind jedoch die ideale Matrix für die Eisenoxid-Nanopartikel.

Verschiedene Viren hocheffizient eliminiert
Die Membran eliminiert eine breite Palette von wasserübertragenen Viren, einschließlich nicht umhüllter Adenoviren, Retroviren und Enteroviren. Diese dritte Gruppe kann gefährliche Magen-Darm-Infektionen verursachen, die jedes Jahr etwa eine halbe Million Menschen – oft kleine Kinder in Entwicklungs- und Schwellenländern – töten. Enteroviren sind extrem zäh und säurebeständig und bleiben sehr lange im Wasser, daher sollte die Filtermembran für ärmere Länder besonders attraktiv sein, um solche Infektionen zu verhindern.

Darüber hinaus eliminiert die Membran auch H1N1-Grippeviren und sogar das neue SARS-CoV-2-Virus mit großer Effizienz aus dem Wasser. In gefilterten Proben lag die Konzentration der beiden Viren unter der Nachweisgrenze, was einer nahezu vollständigen Eliminierung dieser Krankheitserreger entspricht.

"Wir sind uns bewusst, dass das neue Coronavirus überwiegend über Tröpfchen und Aerosole übertragen wird, aber in der Tat muss das Virus auch in dieser Größenordnung von Wasser umgeben sein. Dass wir es sehr effizient aus dem Wasser entfernen können, unterstreicht eindrucksvoll die breite Anwendbarkeit unserer Membran", sagt Mezzenga.

Während die Membran in erster Linie für den Einsatz in Kläranlagen oder zur Trinkwasseraufbereitung konzipiert ist, könnte sie auch in Luftfiltersystemen oder sogar in Masken eingesetzt werden. Da es ausschließlich aus umweltverträglichen Materialien besteht, könnte es nach Gebrauch einfach kompostiert werden – und seine Produktion erfordert minimale Energie. Diese Eigenschaften verleihen ihm einen ausgezeichneten ökologischen Fußabdruck, wie die Forscher auch in ihrer Studie betonen. Da die Filtration passiv ist, benötigt sie keine zusätzliche Energie, die ihren Betrieb CO2-neutral macht und in jedem sozialen Kontext, von städtischen bis zu ländlichen Gemeinden, genutzt werden kann.

Neben dem Labor von Mezzenga waren Wissenschaftler mehrerer Schweizer Universitäten an der Arbeit beteiligt, darunter Virenspezialisten der Universitäten Zürich, Lausanne und Genf, der EPFL, der Universität Cagliari und des ETH-Spin-offs BluAct, das das Patent für diese neue Technologie besitzt.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich