Forse non avreste mai immaginato che la grafite contenuta all’interno di una matita potesse portare a un’invenzione in grado di individuare ed eliminare i batteri nocivi dall’acqua, ma è esattamente quello che hanno fatto i vincitori dello Stockholm Junior Water Prize 2017. Ecco come il loro sistema ad azione rapida potrebbe rivoluzionare il modo in cui viene testata e trattata l’acqua.
Ryan Thorpe e Rachel Chang si conoscono fin dai tempi dell’asilo. Ora hanno compiuto 17 anni e recentemente si sono aggiudicati lo Stockholm Junior Water Prize per un sistema che prevede l’uso di biosensori per individuare le singole colonie di quattro dei batteri patogeni più comunemente presenti nell’acqua.
Attualmente, Thorpe e Chang frequentano l’ultimo anno alla Manhasset Secondary School di Long Island (New York, USA). Impeller li ha intervistati in occasione della World Water Week di Stoccolma, immediatamente dopo la consegna del premio.
Come vi sentite?
Chang: È veramente incredibile, è il riconoscimento più prestigioso al mondo, soprattutto per il livello dei progetti candidati. È veramente una sensazione straordinaria.
Thorpe: È stata una settimana straordinaria, divertente e ricca di esperienze che ricorderò per tutta la vita. Non avrei mai potuto desiderare di meglio.
Potreste spiegarci come funziona il sistema?
Chang: Abbiamo creato un sistema in grado di individuare e purificare l’acqua contaminata con batteri come e. coli, shigella, colera e salmonella, che causano alcune delle malattie a trasmissione idrica più diffuse. Abbiamo sviluppato dei biosensori in grafene che generano un segnale elettrico quando entrano in contatto con i batteri e, verificando la corrente sul monitor, possiamo individuare di quale batterio si tratta.
Che cosa è il grafene?
Chang: In realtà, il grafene è una forma di carbonio. Per il nostro progetto abbiamo utilizzato la grafite presente nelle matite ed è anche per questo che è così economico e quindi ideale per i Paesi in via di sviluppo. Inoltre, il grafene presenta un’ottima conduttività elettrica e di conseguenza permette di individuare rapidamente i batteri.
Thorpe: Per la purificazione abbiamo utilizzato i microprocessori Arduino, cioè elaboratori computerizzati in grado di svolgere una varietà di applicazioni. Il vantaggio principale di questi microprocessori è il fatto che sono utilizzati da una comunità di programmatori decisamente estesa e di conseguenza sono disponibili numerose informazioni e si può imparare ad utilizzarli piuttosto rapidamente. Abbiamo programmato i processori Arduino per controllare un motore affinché, dopo aver rilevato la presenza di un batterio, inietti determinate sostanze chimiche nell’acqua per eliminarlo in modo sicuro ed efficiente.
Il biosensore in grafene è immerso direttamente nell’acqua?
Chang: Il sensore ha l’aspetto di un piccolo quadrato sottilissimo. Poiché a tutto il progetto abbiamo potuto lavorare solamente nel laboratorio del nostro istituto scolastico, abbiamo dovuto utilizzare una vernice a base d’acqua e non la tipica vernice a base di argento. Di conseguenza, potevamo applicare solamente alcuni campioni d’acqua sul sensore. In futuro, se avremo la possibilità di proseguire il progetto in un laboratorio più professionale, potremo immergere tutto il sensore in una fonte d’acqua e monitorare costantemente l’eventuale presenza di batteri.
Thorpe: Il nostro sensore è collegato a un dispositivo di misurazione, a sua volta collegato a un computer che visualizza i risultati su uno schermo sotto forma di grafico bidimensionale. In assenza di batteri nell’acqua appare solamente una linea rossa continua, mentre in presenza di batteri la corrente inizia a oscillare.
Un unico sensore è in grado di individuare tutti i quattro tipi di batteri?
Thorpe: Abbiamo realizzato quattro biosensori differenti. Ogni biosensore è in grado di individuare l’organismo tipo dei quattro patogeni batterici principali. Poiché questi patogeni batterici producono analiti specifici differenti, ad esempio l’e. coli produce il D-lattato e la shigella produce il glicerolo, è possibile identificare di quale batterio si tratta e determinarne la presenza.
Quanto è veloce il sistema?
Chang: Il rilevamento è immediato. Non appena si applica il campione sul biosensore, la corrente inizia a oscillare se sono presenti i batteri. La purificazione richiede circa 10 secondi per eliminare i batteri.
Che cosa avete deciso di utilizzare per eliminare i batteri?
Thorpe: Idrossido di sodio e perossido di idrogeno. Infatti, gli studi effettuati in precedenza dimostrano che il perossido di idrogeno comporta un aumento significativo di alcalinità e la formazione di radicali ossidrili, prodotti sostitutivi del cloro. Sebbene il cloro sia in grado di eliminare numerosi organismi, in certi casi rimane problematico per il consumo da parte dell’uomo. Il vantaggio principale dei radicali ossidrili è che i loro sottoprodotti sono perfettamente sicuri, e hanno una brevissima durata. Infatti, sono in grado di eliminare una varietà di materiali organici in tempi rapidissimi, e una volta inattivati possono essere consumati in tutta sicurezza.
Quali sono le potenziali applicazioni del vostro sistema?
Thorpe: Il nostro dispositivo potrà essere utilizzato per scopi di individuazione e purificazione rapida, ma in realtà potrà trovare molte altre applicazioni sia nei Paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo. Ad esempio, potrà essere installato nei pressi delle fonti di acqua potabile nei Paesi in via di sviluppo o direttamente all’interno delle condutture in quelli sviluppati.
In che cosa differisce il vostro metodo rispetto a quelli convenzionali?
Chang: Per quanto riguarda il rilevamento, il metodo convenzionale attualmente impiegato è la PCR, che amplifica il DNA dei batteri e li rileva, ma richiede una certa esperienza di laboratorio ed è estremamente difficile e costosa. Infatti, il costo dei macchinari può superare 5.000 dollari ed è necessario acquistare continuamente nuovi materiali per mantenerli in funzione. Il nostro sistema è molto più facile da usare ed economico, e allo stesso tempo è in grado di rilevare i batteri in quantità decisamente inferiori.
Da dove è nato il vostro interesse per il trattamento dell’acqua?
Chang: Sono sempre stata interessata e appassionata alle tematiche ambientali. Ricordo di aver letto un articolo di giornale sulle metodologie standard per il rilevamento dei batteri, che potevano richiedere 1 o 2 giorni o addirittura fino a 1 settimana. Inoltre, queste metodologie presentavano limiti di rilevamento fino a 1.000 colonie di batteri, ma l’Organizzazione Mondiale della Sanità afferma che anche una singola colonia di batteri in 100 ml d’acqua è pericolosa per il consumo. È per questo che desideravo veramente sviluppare un sistema in grado di migliorare queste metodologie, raggiungere gli standard prefissati dall’OMS e contribuire a una maggiore accessibilità all’acqua potabile in tutto il mondo.
Thorpe: Un aspetto che mi ha sempre interessato è la scarsità dell’acqua e ho letto numerosi articoli sul fatto che sarà la causa del prossimo conflitto globale. Mi sono interessato a questo argomento in particolare perché ogni anno la nostra scuola realizza una sorta di giornale in cui gli studenti pubblicano i risultati delle proprie ricerche. In un vecchio numero del giornale mi ha colpito il termine “biosensore”, di cui tuttavia non si è più parlato nei numeri successivi, allora ho deciso di interessarmi maggiormente. In pratica, un biosensore prende qualcosa che non possiamo vedere e lo converte in uno stimolo che possiamo vedere e questo è molto affascinate.
Volete aggiungere qualcosa?
Chang: Ognuno di noi può fare la differenza. Ad esempio, chiudendo semplicemente un rubinetto che sgocciola, potremmo risparmiare milioni di litri d’acqua. Insieme, possiamo fare la differenza per una risorsa fondamentale come l’acqua.
Thorpe: Le soluzioni esistono già, se si è disposti a provarle. Sarebbe sufficiente soffermarsi per un attimo ed elencare tutte le possibili soluzioni a un problema, quindi individuare la migliore per risolverlo.
Chang: Il duro lavoro e la perseveranza si ripagano sempre.