علماء جامعة ميسوري يكتشفون طريقة لإزالة النانوبلاستيك بنسبة نجاح 98٪

في السنوات الأخيرة، ارتفعت الوعي بالميكروبلاستيك بشكل كبير، مما دفع العلماء والباحثين إلى استكشاف طرق للقضاء عليها. 

الميكروبلاستيك موجود في كل مكان، بما في ذلك أعماق المحيط حيث يتراكم غالبًا دون أن يُلاحظ. إلى جانب تلوثه للأنظمة البيئية البحرية والقطبية ومياه العذبة، ينتشر النانوبلاستيك أيضًا ويتسبب في تلوث التربة. يتأثر كل من النباتات والأنظمة المائية، وهما مكوّنات أساسية في النظام الغذائي البشري. 

تم تصنيف الميكروبلاستيك كـ ‘ملوثات ناشئة’، وهي ملوثات لم يُعترف بها على هذا النحو إلا منذ التسعينيات. مؤخرًا فقط بدأنا نميز بين الميكروبلاستيك، الذي يتراوح حجمه بين 1 مم – 1 ميكرومتر، والنانوبلاستيك الذي أصغر من 1 ميكرومتر. 

الجسيمات النانوية صغيرة جدًا لدرجة أنها لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة؛ فهي أصغر فعليًا من قطر شعرة الإنسان المتوسطة. يمنحها هذا الحجم الضئيل قدرة استثنائية على اختراق الأغشية البيولوجية.

هذه النانوبلاستيك ليست مجرد منتجات تُصنع عمدًا—عادةً لاستخدامها كمواد تعبئة رخيصة وتوجد في مستحضرات التجميل ومعجون الأسنان ومنتجات العناية بالبشرة—بل هي أيضًا نتيجة تحلل حطام البلاستيك إلى جسيمات صغيرة. في ظل حجم حطام البلاستيك في البيئة، المتوقع أن يصل إلى 12 مليار طن بحلول عام 2050، فإن ذلك يثير القلق.

وبالإضافة إلى ذلك، تجعل البنية الجزيئية للبلاستيك منه مادة مستدامة للغاية، مما يجعله مكوّنًا جذابًا للعديد من المنتجات. ومع ذلك، يعني ذلك أيضًا أن نفايات البلاستيك تبقى في البيئة لفترة طويلة. البلاستيك لا يتحلل؛ بل يتفتت.

يحدث هذا التفكك بطرق متعددة، بما في ذلك التجزئة، والعمليات الخلوية، والأشعة فوق البنفسجية، وقوة الماء. وبالتالي، استمر البلاستيك في البقاء وتفككه إلى قطع أصغر على مدى عقود. على سبيل المثال، يمكن لقطعة صغيرة من البولي إيثيلين أن تتفتت إلى حوالي 1,500 جسيم ميكرو أو 150,000 جسيم نانوبلاستيك مع مرور الوقت.

كلما صغر حجم الجسيمات، زاد حجم المشكلة. ذلك لأن الجسيمات النانوية يمكنها اختراق خلايا أجسامنا بسهولة. تشير التقديرات إلى أننا نستهلك ما يصل إلى 5 جرامات من الميكروبلاستيك كل أسبوع. في الوقت نفسه، أظهرت دراسة قادها طالب دراسات عليا في الكيمياء بجامعة كولومبيا باستخدام مجهر التشتت رامان المحفز أن 90٪ من الجسيمات في العلامات التجارية الشائعة للمياه في الولايات المتحدة هي نانوبلاستيك، تتكون أساسًا من بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) والبولي أميد.

علاوة على ذلك، تتمتع هذه الجسيمات النانوية بخصائص مثل المرونة ومقاومة الحرارة والتآكل، مما يجعلها أكثر خطورة على البيئة مما كان يُعتقد سابقًا.

كما أبلغنا سابقًا، فإن صغر حجمها يسهل ابتلاعها من قبل الحياة البرية ودخولها السلسلة الغذائية. ينتج عن هذا الانتقال البيئي للنانوبلاستيك عبر السلسلة الغذائية سمية كبيرة في الكائنات الحية. 

في النباتات، يمكن لهذه الجسيمات الصغيرة اختراق جدار الخلية لتتغلغل داخل الأنسجة، مما قد يترتب عليه عواقب سلبية على سلامة الغذاء والوظيفة البيئية.

في البشر، تم ربط النانوبلاستيك بأمراض القلب والجهاز التنفسي. أفادت دراسة باكتشاف بولي إيثيلين في لويحات الشريان السباتي لدى 150 مريضًا. علاوة على ذلك، وُجد أن المرضى الذين كان لديهم ميكروبلاستيك ونانوبلاستيك في اللويحة (الترسب) كانوا أكثر عرضة لتعرضهم لمجموعة من النوبات القلبية أو السكتة الدماغية أو الوفاة من أي سبب.

تشمل الآثار السلبية للنانوبلاستيك أيضًا الالتهاب، السمية المناعية، تثبيط النمو، الضرر التأكسدي، وتغيّر القدرة السلوكية. في الواقع، تم اكتشاف الميكروبلاستيك حتى في المشيمة البشرية. وهذا يوضح مدى انتشار هذا التلوث الصناعي ومدى ضرره على صحتنا. 

نظرًا لتأثيراتهما القصيرة والطويلة الأمد على الكائنات الحية، أصبحت جسيمات النانوبلاستيك مصدر قلق كبير. ومع ذلك، فإن صغر حجم النانوبلاستيك يعني أن طرق الإزالة الشائعة مثل الأكسدة أو الترشيح غير مناسبة للتعامل معها.

حل جديد لإزالة النانوبلاستيك من الماء

في الآونة الأخيرة، تمكن العلماء من جامعة ميسوري من تحقيق إزالة النانوبلاستيك من الماء بأكثر من 98٪ كفاءة.

نشر الدراسة في مجلة ACS Applied Engineering Materials هذا الشهر بهدف تطوير حل منخفض التكلفة للتخلص من هذه الجسيمات الصغيرة حتى نتمكن من الحصول على ماء نظيف، وهو ما لا يزال تحديًا. لتحقيق هذه النتيجة، أنشأ الباحثون من جامعة ميسوري محلولًا سائلًا يمكنه إزالة الغالبية العظمى من هذه الجسيمات البلاستيكية الدقيقة من الماء. وفقًا لقائدة الدراسة بيوني إشتاويرا، الخريجة التي أجرت هذه الدراسة أثناء حصولها على درجة الدكتوراه في الكيمياء النانوية ومواد الكيمياء في ميسوري:

“يمكن للنانوبلاستيك أن يخل ببيئات المياه ويدخل السلسلة الغذائية، مما يشكل مخاطر على كل من الحياة البرية والبشر.”

تعمل الآن في إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) في سانت لويس. وأضافت:

“بعبارات بسيطة، نحن نطور طرقًا أفضل لإزالة الملوثات مثل النانوبلاستيك من الماء.”

تنطوي هذه الطريقة الجديدة على استخدام مذيبات طاردة للماء، مصنوعة من مكونات طبيعية وآمنة وغير سامة. بالإضافة إلى ذلك، فإن قدرتها على طرد الماء، مما يساعد على منع أي تلوث إضافي لمصادر المياه، يجعلها “حلًا عالي الاستدامة”.

تعمل هذه الطريقة عن طريق السماح للمذيب بالاستقرار على سطح الماء، مثل الزيت. ومع ذلك، بمجرد خلط المذيب بالماء وتركه لإعادة الانفصال، يطفو مرة أخرى إلى السطح ويحمل النانوبلاستيك داخل تركيبه الجزيئي.

اختبر فريق الباحثين طريقتهم المبتكرة على خمس قياسات مختلفة للنانوبلاستيك بناءً على البوليسترين، وهو بوليمر يُستخدم لصنع منتجات استهلاكية مختلفة، بما في ذلك أكواب الفوم (Styrofoam) التي تمثل 25-35% من جميع نفايات المدافن. ينتج العالم أكثر من 14 مليون طن من الفوم سنويًا، حيث يتخلص الأمريكيون وحدهم من حوالي 25 مليار كوب فوم كل عام.

تفوقت نتائج دراسة ميسوري على الدراسات السابقة، التي كانت تركز أساسًا على حجم واحد من الجسيمات البلاستيكية.

الآن، لإزالة المذيب المحمل بالنانوبلاستيك، استخدم الباحثون ماصة في المختبر، مما ترك ماءً نظيفًا خاليًا من البلاستيك. تم ذلك على نطاق صغير، لكن في المستقبل، الفكرة هي توسيع العملية بأكملها لتطبيق الطريقة على مسطحات مائية كبيرة، بدءًا بالبحيرات ثم الانتقال إلى المحيطات. الطريقة الجديدة فعّالة ليس فقط في المياه العذبة بل أيضًا في المياه المالحة.

وفقًا للمؤلف المشارك في الدراسة، غاري بيكر، أستاذ مشارك في قسم الكيمياء بجامعة ميسوري:

“استراتيجيتنا تستخدم كمية صغيرة من المذيب المصمم لامتصاص الجسيمات البلاستيكية من حجم كبير من الماء.”

ومع ذلك، لا يزال سعة المذيبات غير مفهومة جيدًا، كما أشار بيكر، مضيفًا أنه في أبحاثهم المستقبلية سيهدفون إلى تحديد ذلك بالضبط — الحد الأقصى لسعة المذيب. علاوة على ذلك، سيستكشفون طرقًا لإعادة تدوير المذيبات بحيث يمكن استخدامها مرارًا وتكرارًا “عدة مرات إذا لزم الأمر”.

بشكل عام، يقدم هذا الحل المبتكر حلاً عمليًا لمشكلة حاسمة مع تمهيد الطريق لمزيد من البحث والتطوير في تقنيات تنقية المياه المتقدمة.

“من منظور علمي، فإن إنشاء طرق إزالة فعّالة يعزز الابتكار في تقنيات الترشيح، ويوفر رؤى حول سلوك النانومواد، ويدعم تطوير سياسات بيئية مستنيرة.”

– إشتاويرا

نهج مبتكرة أخرى لتلوث النانوبلاستيك

لقد حظي النانوبلاستيك باهتمام كبير خلال السنوات القليلة الماضية ولأسباب وجيهة. كما أوضحنا أعلاه، فإن ميله للانتشار عبر البيئة وتشكيل تهديد لجميع الكائنات يجب أن يكون أولوية. وهذا مهم بشكل خاص لأن هذه الجسيمات النانوية تتجاوز الإجراءات التقليدية لإزالة الجسيمات البلاستيكية الكبيرة والميكروية، وبالتالي تستمر في الزيادة في المياه وتأثيرها على المجتمع. 

على مر السنين، تم تجربة عدة طرق لتقديم حلول فعّالة لإزالة الجسيمات النانوية المحددة. تشمل هذه الطرق التحفيز الضوئي، وفصل الأغشية باستخدام مفاعل، والتحلل القائم على الكائنات الدقيقة، بالإضافة إلى الإجراءات التقليدية مثل الترسيب بالجمود، والتعليق، والطرد المركزي.

لقد ثبت أن الترشيح مع التجلط يوفر كفاءة تزيد عن 99٪ في إزالة النانوبلاستيك من مياه الشرب. ولكن، بالطبع، لا تزال هناك قيود من حيث قابلية توسيع الحل، وإدارة المخلفات، والفعالية المحدودة لأنواع مختلفة من النانوبلاستيك.

لذا، دعونا نستعرض بعض الأساليب التي تم تقديمها على مر السنين لمعالجة هذه المشكلة التي تهدد حياة الإنسان.

إحدى هذه الطرق هي استخدام إطار معدني عضوي قائم على الكروم لإزالة نانوبلاستيك البوليسترين (PSNPs). لهذا، تم تحضير Cr-MOF عبر طريقة هيدروحرارية باستخدام نترات الكروم وحمض التيريفثاليك، مما وفر للباحثين كفاءة إزالة تبلغ 96٪.

قبل بضع سنوات، استخدم الباحثون في جامعة FAU المغناطيسات لإزالة أحجام وأنواع مختلفة من الجسيمات البلاستيكية. في العرض التجريبي، استخدم الباحثون جسيمات SPIONs، وهي جسيمات نانوية غير سامة صُممت للارتباط بسطوح البلاستيك لتكوين تكتلات. ثم تم جمعها باستخدام المغناطيسات، بفضل تغليفها بطبقة من أكسيد الحديد. كان قطر هذه الجسيمات حوالي 30 نانومتر وتعمل كغراء. والأهم من ذلك، يمكن تعديل وظائف سطح SPIONs للارتباط بأنواع محددة من البلاستيك.

في الوقت نفسه، استخدم الباحثون من معهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا (KIST) “الأزرق البروسي” لتحقيق هذه المهمة. ومن المثير للاهتمام أن نفس المادة تُستخدم لصبغ الجينز بلون أزرق عميق. لذا، من خلال تطوير مادة ملبدة صلبة، تمكنت الدراسة من جمع النانوبلاستيك بفعالية تحت إشعاع الضوء المرئي. تمكنت هذه الطريقة من إزالة 99٪ من الميكروبلاستيك وتنقية السيزيوم المشع دون الحاجة إلى أي معدات إضافية، بل باستخدام الملبدات فقط.

قبل بضعة أشهر، قدم الباحثون في جامعة واترلو طريقة جديدة. استخدموا الإيبوكسي لإزالة النانوبلاستيك الضار بكفاءة 94٪. تم تحويل هذا البوليمر النفاية، الذي لا يمكن إعادة معالجته ويميل إلى الوصول إلى شبكات المياه، إلى كربون منشط من قبل الفريق ثم استخدموه لمعالجة المياه الملوثة.

قالت تيازازو ميكونن، أستاذة الهندسة الكيميائية في واترلو والتي قادت البحث:

“لإنهاء أزمة نفايات البلاستيك وتقليل الأثر البيئي لإنتاج البلاستيك، نحتاج إلى تطبيق نهج الاقتصاد الدائري الذي يأخذ في الاعتبار كل مرحلة من رحلة البلاستيك.”

كما تهدف إلى تطبيق الإجراء على أنواع أخرى من البلاستيك والملوثات وتوسيعه في مرافق معالجة مياه الصرف الصحي البلدية.

حتى الذكاء الاصطناعي (AI)، الذي يغيّر الصناعات، يُستَخدم من قبل الباحثين لمعالجة مشكلة الجسيمات النانوية. أنشأ فريق من الباحثين في جامعة واترلو أداة ذكاء اصطناعي تُدعى PlasticNet تستخدم التعلم العميق والطيف لتحديد “البصمات” الفريدة لهذه الجسيمات.

ثبت أن PlasticNet أداة ناجحة في محطة معالجة مياه الصرف المحلي، حيث أظهر تحسينًا في اكتشاف وإزالة الميكروبلاستيك.

نظرًا لسُمية هذه الجسيمات النانوية، فإن التعرف الدقيق على أنواعها أمر أساسي. فليس كل البلاستيك متشابهًا؛ قد يكون بولي إيثيلين، تيفلون، بوليسترين، بولي كلوريد الفينيل، وغيرها.

توصي المعايير الدولية باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني (EM) للتحديد. ينتج EM صورًا للجسيمات النانوية، مما يسمح بالتحديد بناءً على الحجم. ومع ذلك، يصبح التحليل الآلي للصور مشكلة عندما تكون الجسيمات موجودة على شكل تجميعات أو ذات أشكال معقدة.

لذا، تم إنشاء طريقة محسّنة لمساعدة صناعة النانومواد وكذلك وكالات حماية البيئة والصحة. من خلال دمج وظيفة تعلم آلي للذكاء الاصطناعي، أصبح أداة برنامج POLLEN Metrology الآن قادرة على “تحديد آلاف صور الجسيمات النانوية بدقة في بضع ثوانٍ بطريقة تلقائية وغير ذاتية”. من المتوقع أن تساعد مجموعة برامج Smart3 في تسريع تحديد الجسيمات النانوية المحتملة الضارة.

إلى جانب جميع الأبحاث، تحاول المنظمات أيضًا إيجاد طرق وتطوير تقنيات لمعالجة مشكلة النانوبلاستيك.

على سبيل المثال، Polymateria هي شركة تصنع بلاستيكات قابلة للتحلل الحيوي مبتكرة بحيث لا يكون هناك ميكروبلاستيك أو نانوبلاستيك من البداية.

اتبعت PureCycle Technologies (PCT ) نهجًا مشابهًا لتقليل تلوث النانوبلاستيك بشكل غير مباشر. الشركة، التي أنهت الربع الثاني من عام 2024 بمبلغ 10.9 مليون دولار من النقد غير المقيد، تركز على إعادة تدوير البلاستيك من خلال إنشاء بولي بروبلين معاد تدويره عالي النقاء.

تتكون تقنية إعادة تدوير بولي بروبلين الثورية من سبع مراحل عملية، تشمل الصهر والترشيح (مكبس البوليمر ومرشح البوليمر)، الاستخلاص (خلاط البوليمر/المذيب وعمود الاستخلاص)، الخلط والترسيب (خلاط البوليمر ومُستقر الجسيمات الكبيرة)، الترشيح (مرشحات الشمعة)، التنقية (الأعمدة)، الفصل (بولي بروبلين/المذيب ومُفصل المنتج)، والضغط وتشكيل الحبيبات (مكبس البوليمر ومُشكل الحبيبات).

هناك أيضًا جهود مثل Ocean CleanUp التي تزيل البلاستيك من المحيطات وتبحث عن طرق لالتقاط الجسيمات البلاستيكية الصغيرة من مسطحات مائية كبيرة. وفي الوقت نفسه، تطور Anfiro أغشية ترشيح متقدمة لإزالة مجموعة واسعة من الملوثات، بما في ذلك الميكروبلاستيك والنانوبلاستيك.

Wasser3.0 هو مشروع تحول إلى شركة يستخدم دوامة وجيل سيليكا هجين مصمم خصيصًا لإزالة الجسيمات النانوية. يعمل هذا المركب، Wasser 3.0 PE-X، كعامل تجميع لجمع الميكروبلاستيك إلى كتل، التي ترتفع إلى السطح وتُزال باستخدام منخل.

هناك العديد من الشركات والمشاريع الأخرى التي تعمل على إنشاء حلول أفضل، منخفضة التكلفة، وأكثر تقدمًا للتخلص من الجسيمات النانوية وإزالتها تمامًا من نظامنا البيئي مع التركيز على جعلها قابلة للتوسع.

الخلاصة

مع وجود المدافن وشواطئ المحيطات المملوءة بقطع البلاستيك، أصبح النانوبلاستيك (أصغر من 0.001 مم) شائعًا، وبالتالي خطرًا على النباتات والطيور والكائنات البحرية والبشر. وقد تبين أن التعرض للجسيمات النانوية يسبب آثارًا سلبية على الكائنات الحية، مما يصبح مصدر قلق للبيئة ويخلق حاجة ملحة لحل هذا العدو الناشئ لصحة الإنسان.

وبالتالي، استكشف الباحثون والمنظمات طرقًا غير تقليدية مختلفة للتخلص من هذه الجسيمات الصغيرة، المعروفة بمتانتها. ومع ذلك، تقتصر جميع هذه التجارب حاليًا على المختبرات، ولم نتمكن بعد من العثور على حل قابل للتوسع.

ومع ذلك، تُعد هذه الأساليب الجديدة خطوة مهمة في الاتجاه الصحيح، حيث تعالج مشكلة تلوث النانوبلاستيك المنتشرة. أيضًا، نظرًا للانتباه الذي تحظى به هذه المشكلة والتقدم الذي نراه، يمكننا أن نتوقع الحصول على حل في المستقبل القريب يمكن تطبيقه على نطاق واسع وبفعالية لتزويدنا بمياه نظيفة ونظم إيكولوجية أكثر صحة.