Patogeny przenoszone przez żywność, wodę, powietrze i bezpośredni kontakt z powierzchnią powodują ponad 15 milionów zgonów rocznie na całym świecie. Wraz ze zwiększaniem się populacji ludzkiej i jej mobilności, oraz zachodzącymi zmianami klimatu (globalne ocieplenie i liczne powodzie) zagrożenie związane z ich niekontrolowanym rozprzestrzenianiem się wciąż rośnie, zwłaszcza ryzyko zakażenia wirusami przenoszonymi przez wodę i powietrze. 

W ostatnich czasach głośno było o grupie wirusów SARS-CoV (w tym SARS-CoV wywołującym ostrą chorobę układu oddechowego COVID-19), podtypie wirusa grypy typu A H1N (wywołuje różne rodzaje grypy, w tym świńską, ptasią i hiszpankę) i MERS-CoV (wywołuje ciężką chorobę zakaźną; bliskowschodni zespół oddechowy)

W walce z wirusami przenoszonymi przez wodę tradycyjne stosuje się trzy metody: sterylizację światłem UV, mechaniczną przez zastosowanie filtrów i membran oraz chemiczną. Podobnie w przypadku powietrza, jednak tam dodatkowo stosuje się sterylizację termalną i plazmową. Wszystkie te metody mają swoje wady: część wirusów jest odporna na UV, sterylizacja przy pomocy filtrów i membran jest zbyt czasochłonna i kosztowna, termalna i plazmowa niepraktyczna i mało efektywna a chemiczna podlega restrykcjom związanym z użyciem toksycznych substancji. Stąd też potrzeba nowych, efektywnych, ekologicznych  i opłacalnych metod sterylizacji.

Jedną z nich jest wykorzystanie w zaawansowanych procesach utleniania (AOP) fotokatalizy półprzewodnikowej. W procesach tych powstają wysoce reaktywne wolne rodniki (ROS) *OH, *O2- i HO2* których właściwości utleniające pozwalają przekształcać materię organiczną do CO2, wiązać trujące związki i przekształcać je do nieaktywnych chemicznie substancji i dezaktywować mikroorganizmy bez powstawania niebezpiecznych pochodnych. Efekt po naświetleniu utrzymuje się aż do momentu wyczerpania ROS.

W wyniku fotokatalizy na półprzewodnikach powstają z wody lub pary wodnej właśnie te wolne rodniki. Potrzeba jedynie zapewnić im dostęp do światła o odpowiednim widmie (sztucznego lub naturalnego).

Jednym z najlepiej opisanych materiałów wykorzystywanych jako fotokatalizator jest tlenek tytanu TiO2. Występuje on głównie w dwóch odmianach polimorficznych: rutylu i anatazu.

Czysty TiO2 to półprzewodnik typu n o przerwie wzbronionej wynoszącej około 3 eV odpowiadającej energii fali światła o długości około 413 nm. Położenie dolnego skraju pasma przewodnictwa zależy od odmiany polimorficznej. Dzięki jego domieszkowaniu można przesunąć pasma i uzyskać efekt fotokatalityczny także dla światła z zakresu widzialnego. Dodatkowo nowe badania pokazują, że najefektywniej fotokataliza zachodzi gdy używana jest mieszanina proszków rutylu i anatazu.

Co ważne bakterie i wirusy nie są w stanie uodpornić się na powstające wolne rodniki jak to się dzieje w ostatnich latach z tak powszechnie wprowadzonymi cząstkami srebra. Pokryte TiO2 powierzchnie będą więc ulegały samoistnej sterylizacji za każdym razem, gdy oświetli się je odpowiednim promieniowaniem. Mając na uwagę szeroką paletę możliwości nanoszenia tlenku tytanu (zarówno w postaci proszku dodawanego do polimerów, jak i nanoszonego poprzez metody zol-żel, PVD i CVD) można przypuszczać, że jest to dobre rozwiązanie.

Zainteresowanie tym materiałem rośnie, i to nie tylko ze względu na właściwości antybakteryjne i antywirusowe. Warstwą tlenku tytanu pokryła swoje buty marka Pepe Jeans. Mają przyczyniać się do redukcji tlenków azotu. Również firma Converse użyła TiO2 do stworzenia muralu, który ma oczyszczać powietrze w Warszawie. Według jego twórców ma on być ekwiwalentem 720 drzew. W tym przypadku z naukowego punktu widzenia niewiele jeszcze wiadomo, ale będziemy się pilnie przyglądać zamieszczanym informacjom. Jak bowiem wiadomo, nie wszystkie tego typu projekty okazują się sukcesem.

Literatura:

• Artykuł: Review on heterogeneous photocatalytic disinfection of waterborne, airborne, and foodborne viruses: Can we win against pathogenic viruses?
• Habibi-Yangjeh A., Asadzadeh-Khaneghah S., Feizpoor S., Rouhi A.
• Artykuł o eko butach Pepe Jeans oczyszczających powietrze
• Artykuł o muralu converse

Zdjęcia:

• fot. 1: Robert Kamalov, Irina Dorosheva, Alexander Vokhmintsev, Ilya Weinstein / CC BY-SA
• fot. 2: Solid State / CC BY-SA