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High Performance Ceramics
Une charge concentrée contre les germes de l'eau
L'élimination des agents pathogènes de l'eau potable est particulièrement difficile lorsque les germes sont trop petits pour être interceptés par les filtres classiques. Les équipes de recherche de l'Empa et de l'Eawag développent de nouveaux matériaux et procédés qui permettent d'éliminer de l'eau les microorganismes tenaces tels que les virus.
L'eau est la vie, la biologie nous l'enseigne. La réalité nous apprend autre chose : l'eau contaminée par des agents pathogènes provoque chaque année des centaines de milliers de décès dans des endroits où le traitement de l'eau est insuffisant ou ne fonctionne pas correctement. Pour y mettre un terme, la disponibilité d'eau propre pour tous les peuples fait partie du programme mondial de durabilité des Nations Unies (ONU) depuis 2015. C'est dans ce but que les équipes de recherche de l'Empa, en collaboration avec l'Institut fédéral pour l'aménagement, l'épuration et la protection des eaux (Eawag), développent de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies pour débarrasser l'eau potable des agents pathogènes qu'il était jusqu'à présent difficile ou impossible à éliminer par des moyens conventionnels, ou seulement par des procédés coûteux et complexes.
De minuscules agents pathogènes
Les chercheurs ciblent le plus petit des germes : De minuscules agents pathogènes qui - contrairement au coronavirus Sars-Cov-2 actuellement très répandu - se propagent avec l'eau potable et déclenchent ainsi diverses maladies d'origine hydrique telles que la polio, la diarrhée et l'hépatite. Ces agents pathogènes comprennent également le rotavirus, dont la taille n'est que de 70 nanomètres.
"Les filtres à eau traditionnels sont inefficaces contre les rotavirus", explique Thomas Graule, chercheur à l'Empa au laboratoire "Céramique haute performance" de Dübendorf. Cependant, ce sont précisément ces minuscules germes qui comptent parmi les agents pathogènes les plus courants à l'origine d'infections gastro-intestinales. Selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS), en 2016, environ 130 000 enfants dans le monde seraient morts d'une infection à rotavirus. Les chercheurs ont maintenant mis au point des stratégies pour les technologies de filtration basées sur de nouveaux matériaux qui contournent le problème de leur taille nanométrique. En effet, une propriété des particules virales peut être utilisée pour un nouveau type de filtre : la charge électrique souvent négative des particules virales.
Sur la base de cette idée, les chercheurs ont commencé à développer des matériaux appropriés qui permettent l'adsorption des surfaces virales chargées négativement.
Jusqu'alors, il était difficile de créer des surfaces chargées positivement et facilement régénérables avec une capacité d'adsorption élevée, et les études expérimentales systématiques étaient rares. Pour leurs recherches, les chercheurs ont donc choisi un virus modèle encore plus petit que le rotavirus : le bactériophage MS2, un bactériophage de seulement 27 nanomètres, un virus qui attaque les bactéries mais qui est inoffensif pour l'homme. En utilisant ce modèle de virus, les scientifiques ont pu montrer que les virus présents dans l'eau s'adsorbent à la surface du filtre avec des forces différentes selon la valeur du pH. "Il faut en tenir compte lors du développement de nouvelles technologies de traitement et de filtrage de l'eau", a déclaré Thomas Graule.
Nano-enrobage poreux
Afin de développer des technologies de filtrage capables de piéger des virus à l'échelle du nanomètre, Thomas Graule se concentre sur les matériaux composites qui sont fonctionnalisés de telle sorte qu'ils se lient spécifiquement aux virus. "Dans l'eau, la surface des particules virales est chargée négativement. Nous avons pu montrer comment les particules virales s'attachent à des surfaces chargées positivement", explique-t-il. Par exemple, le chercheur travaille dans une équipe internationale sur des granulés céramiques en oxyde d'aluminium, dont les fines particules sont recouvertes de couches d'oxyde de cuivre d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre. "Avec la céramique, la couche de cuivre très poreuse forme un matériau composite avec une surface spécifique chargée positivement et immensément grande", dit Thomas Graule. Les chercheurs ont également réussi à recouvrir de minuscules nanotubes de carbone multicouches d'oxyde de cuivre, permettant ainsi l'élimination des virus.
Afin de développer une technologie de filtrage rentable et durable, le chercheur utilise spécifiquement des matériaux qui peuvent être récupérés après usage dans le sens d'un cycle de matériaux fermé. Il est également important qu'aucun composant du filtre ne soit rejeté dans l'eau purifiée. À cette fin, des méthodes analytiques de nanosécurité doivent encore être mises au point afin de pouvoir déterminer le matériau composite optimal. À la fin du projet, une technologie de filtrage devrait être disponible, qui convient également au traitement de l'eau dans les pays en développement, où le nombre de cas de maladies à rotavirus et d'autres maladies transmises par l'eau est particulièrement élevé.
Les agents pathogènes dans l'eau potable
Dans le monde, environ 3,4 millions de personnes, principalement des enfants dans des pays structurellement faibles, meurent chaque année de maladies transmises par l'eau.
Parmi les agents pathogènes, on trouve des parasites unicellulaires tels que des amibes et des lamblias d'une taille pouvant atteindre 40 micromètres.
Les bactéries telles que la salmonelle, qui provoque la fièvre typhoïde, les germes d'E. coli et les agents pathogènes du choléra sont nettement plus petits (0,5 à 6 micromètres), mais tout aussi puissants.
Avec une taille de 25 à 80 nanomètres - c'est-à-dire environ 100 à 1000 fois plus petite - les virus sont les agents pathogènes les plus difficiles à filtrer de l'eau. La contamination de l'eau potable dans les pays en développement, par exemple, par les rotavirus est particulièrement importante. Elle est suivie par d'autres virus tels que les agents pathogènes responsables de l'hépatite et de la polio.
Image: Les rotavirus provoquent des infections intestinales par de l'eau potable contaminée. Illustration : CDC / Unsplash
NS Yüzbasi, PA Krawczyk, KW Domagała, A Englert, M Burkhardt, M Stuer, T Graule; Removal of MS2 and fr Bacteriophages Using MgAlDOI: 10.3390/membranes12050471O -Modified, Al O -Stabilized Porous Ceramic Granules for Drinking Water Treatment; Membranes (2022);
K Domagała, J Bell, NS Yuzbasi, B Sinnet, D Katab and T Graule; Virus removal from drinking water using modified activated carbon fibers; RSC Advances (2021); DOI: 10.1039/d1ra06373a
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