Vem kunde tro att grafiten i en blyertspenna skulle kunna leda till en uppfinning som kan upptäcka och avlägsna farliga bakterier i vatten. Med det är precis vad vinnarna av Stockholm Junior Water Prize 2017 har åstadkommit. Läs om hur deras snabbverkande system skulle kunna förändra vårt sätt att testa och rena vatten.
Ryan Thorpe och Rachel Chang har känt varandra sedan förskoleåldern. I dag är de båda 17 år och har tilldelats Stockholm Junior Water Prize för ett system som använder biosensorer för att detektera enskilda kolonier av de fyra vanligaste patogena bakterierna i dricksvatten.
Thorpe och Chang går sista året på Manhasset Secondary School på Long Island i New York. Impeller intervjuade dem under World Water Week i Stockholm precis efter att de hade vunnit priset.
Hur känns det att vinna?
Chang: Det känns helt otroligt! Världens mäktigaste känsla. Framförallt när alla projekt här är så bra. Att det vi gjort visade sig vara bäst känns helt fantastiskt.
Thorpe: Det har varit en fantastisk vecka. Vi har haft så kul. Nästan svårt att ta in allt vi har varit med om. Det blir ett minne för livet. Jag kan inte tänka mig en bättre avslutning.
Kan ni förklara vad det är ert system gör?
Chang: Vi har skapat ett system som detekterar och renar vatten som är förorenat med bakterier. Vi har arbetat med E. coli, Shigella, Kolera, Salmonella och ytterligare några av de vanligaste vattenburna sjukdomarna i dag. Vi har skapat grafenbiosensorer som genererar en elektrisk signal när bakterier kommer i kontakt med dem. Genom att läsa av strömmen på en skärm kan vi se om det finns bakterier.
Vad är grafen?
Chang: Grafen är egentligen en form av kol. Vi hämtade vårt grafen från blyertsstift, grafiten i blyertspennor. Det är ett av de elementen i vårt projekt som gör det kostnadseffektivt, om det skulle implementeras i utvecklingsländer. Grafen har dessutom mycket god ledningsförmåga, vilket gör det möjligt för oss att upptäcka bakterier snabbt.
Thorpe: Sedan till reningen använde vi Arduino-mikoprocessorer, som är datorkomponenter man kan koda att utföra en mängd olika uppgifter. Vad som är så bra med Arduino-mikoprocessorer är att det är så många som använder dem. Det finns massor av information så man kan snabbt lära sig hur de fungerar. Vi kodade Arduino-processorerna att styra en motor så att kemikalier sprutas in i vattnet när vi detekterar bakterier för att säkert och effektivt eliminera närvaron av bakterier.
Ligger grafenbiosensorna direkt i vattnet?
Chang: Sensorn ser ut som en platt liten fyrkant. Eftersom vi arbetade med det här i skolans labb under hela processen var vi tvungna att använda en vattenbaserad färg i stället för den typiska silverbaserade färgen. Detta innebar att vi bara kunde droppa små vattenprover på sensorn. Om vi kan få arbeta vidare med det här i framtiden i ett mer professionellt labb skulle hela sensorn kunna sänkas ned i en vätska och på så vis skulle den bakteriella förekomsten kunna övervakas kontinuerligt.
Thorpe: Vår sensor är kopplad till en mätenhet som är ansluten till en dator som visar resultaten på en skärm. Man ser en tvådimensionell graf. Om det inte finns några bakterier i vattnet visas en röd linje som förblir konstant. Finns det bakterier i vattnet kommer strömmen att skifta.
Detekterar en och samma sensor alla fyra typerna av bakterier?
Thorpe: Vi har gjort fyra olika biosensorer. Varje biosensor detekterar modellorganismen för var och en av de fyra större bakteriella patogenerna. De bakteriella patogenerna producerar olika specifika analyter. Till exempel producerar E. coli D-laktat, till skillnad från Shigella som producerar glycerol. Så man kan alltså identifiera vilka bakterier det är och fastställa förekomsten av dem.
Hur snabbt fungerar det?
Chang: Detekteringen går på ett ögonblick. Så fort man placerar provet på biosensorn kommer strömmen att börja förändras om det finns bakterier i det. Det sker direkt. Reningsprocessen tar cirka tio sekunder innan bakterierna har eliminerats.
Vilka kemikalier använder ni för att eliminera bakterierna?
Thorpe: Vi använde natriumhydroxid och väteperoxid. Tidigare studier har visat att väteperoxid leder till en kraftigt ökad alkalitet. Det skapar hydroxylradikaler, som är föreningar som används i stället för klor. Klor kan utplåna en rad olika organismer, men kan i vissa fall vara problematiskt för människor vid konsumtion. Det som är så bra med hydroxylradikaler är att biprodukterna de bildar är helt säkra och de har mycket kort livslängd. De tar död på en rad olika organiska material mycket snabbt och därefter blir de inaktiva. Så de är inte farliga att konsumera.
Hur skulle ert system kunna användas i olika tillämpningar?
Thorpe: Enheten kan användas i processer för identifiering och omedelbar rening. Det har väldigt många användningsområden i både industriländer och utvecklingsländer. Det kan placeras såväl i en dricksvattentäkt i ett utvecklingsland som i ett rörsystem i ett industriland.
Vad skiljer er metod från de som man brukar använda?
Chang: För detektering är PCR den konventionella metoden som används. Den preciserar bakteriernas DNA och detekterar det, vilket kräver laboratorieexpertis och är ganska komplicerat och väldigt dyrt. Maskinen som krävs kostar omkring 5 000 dollar och man måste köpa in nytt material för att hålla i gång den. Vårt system är mycket användarvänligare. Det är dessutom mycket billigare och klarar av att detektera mycket mindre halter av bakterier direkt.
Hur kommer det sig att ni blev intresserade av vattenbehandling?
Chang: Jag har alltid haft ett stort intresse och engagemang för miljön. Jag läste en tidningsartikel om standardmetoderna för att detektera bakterier, vilket kan ta en till två dagar, ibland upp till en hel vecka. Dessa metoder ha dessutom detekteringsgränser på upp till 1 000 kolonier av bakterier. Men Världshälsoorganisationen har konstaterat att så lite som en enda koloni av bakterier i 100 ml vatten gör det osäkert att konsumera det. Så jag ville skapa ett system som kunde förbättra de här metoderna och kunna uppnå Världshälsoorganisationens standarder och bygga ut tillgången på rent vatten.
Thorpe: Jag var väldigt intresserad av vattenbrist och läste många artiklar om att vattenbristen kommer att bli nästa källa till globala konflikter. På vår skola ger vi ut en egen tidskrift varje år till vilken man kan skicka in sina egna forskningsabstrakt. Jag läste några äldre årgångar av tidskriften och såg att ordet ”biosensor” förekom flera gånger i texterna, men att ordet inte förekom i de nyare utgåvorna. Av den anledningen slog jag upp ordet. Vad en biosensor gör är att den tar något som vi inte kan se och omvandlar det till stimuli som kan vi se. Jag gillade verkligen den idén och det väckte mitt intresse för hur man skulle kunna lösa problemet med vattenrening.
Finns det något ni skulle vilja tillägga?
Chang: Alla kan faktiskt göra skillnad. Även om det bara handlar om att stänga av en kran och se till den inte droppar. Om alla gjorde så skulle vi spara miljontals liter. Tillsammans kan vi göra stor skillnad när det gäller vatten.
Thorpe: Lösningarna finns där, bara man vågar prova sig fram. Om du bara sätter dig ned och skriver en lista över alla tänkbara lösningar på ett problem och försöker ta reda på vilken som är den bästa så kommer du att kunna lösa det.
Chang: Hårt arbete och uthållighet lönar sig verkligen.