Forskere fra University of Missouri knækker koden for fjernelse af nanoplastik med 98% succes

I de senere år har bevidstheden om mikroplastik steget dramatisk, hvilket har fået videnskabsfolk og forskere til at undersøge måder at fjerne dem på. 

Mikroplastik findes overalt, også i havets dybder, hvor de ophobes stort set uopdaget. Ud over at forurene marine, polare og ferskvandsøkosystemer spreder nanoplastik sig også ind i og forurener jorden. Både planter og akvatiske systemer, som er væsentlige komponenter i den menneskelige kost, påvirkes.

Klassificeret som ‘nye forurenende stoffer’ er mikroplastik forurenende stoffer, der først siden 1990’erne er blevet anerkendt som sådanne. Det er først for nylig, at vi begyndte at skelne mellem mikroplastik, som har en størrelse på 1 mm – 1 µm, og nanoplastik, som er endnu mindre end 1 µm.

Nanopartikler er så små, at de ikke kan ses med det blotte øje; de er faktisk mindre end diameteren på et gennemsnitligt menneskehår. Denne mikroskopiske størrelse giver dem en usædvanligt høj evne til at trænge igennem biologiske membraner.

Disse nanoplastik er ikke kun fremstillet bevidst—normalt til brug i billige fyldmaterialer og findes i kosmetik, tandpasta og hudplejeprodukter—men de er også resultatet af plastaffald, der nedbrydes til små partikler. I lyset af den mængde plastaffald i miljøet, som forventes at nå 12 milliarder ton i 2050, er dette en grund til bekymring.

For ikke at nævne, at plastens molekylære struktur gør dem meget vedvarende, hvilket gør dem til en attraktiv ingrediens i forskellige produkter. Dette betyder dog også, at plastaffald forbliver i miljøet i lang tid. Plastik nedbrydes ikke; den fragmenteres i stedet.

Denne fragmentering foregår på flere måder, herunder fragmentering, cellulære processer, ultraviolet stråling og vandkraft. Som følge heraf har plast fortsat med at bestå og nedbrydes til mindre stykker i årtier. For eksempel kan et lille stykke polyethylen over tid fragmenteres til cirka 1.500 mikropartikler eller 150.000 nanoplastikpartikler.

Jo mindre partikler, jo større problem. Det skyldes, at nanopartikler let kan trænge ind i kroppens celler. Skøn antyder, at vi indtager op til 5 gram mikroplastik hver uge. Samtidig viste en undersøgelse ledet af en kandidatstuderende i kemi ved Columbia University, der brugte stimuleret Raman‑spredningsmikroskopi, at 90 % af partiklerne i populære amerikanske vandmærker er nanoplastik, primært bestående af polyethylenterephthalat (PET) og polyamid.

Desuden har disse nanoplastikpartikler egenskaber som fleksibilitet og modstandsdygtighed over for temperatur og korrosion, hvilket gør dem mere skadelige for miljøet end tidligere antaget.

Som vi har rapporteret tidligere gør deres lille størrelse det også lettere for dem at blive indtaget af vilde dyr og komme ind i fødekæden. Denne miljømæssige bevægelse af nanoplastik gennem fødekæden skaber betydelig toksicitet i levende væsener. 

I planter kan disse små partikler trænge gennem cellevæggen og blive indlejret i vævet, hvilket kan medføre negative konsekvenser for fødevaresikkerhed og økologisk funktion.

Hos mennesker er nanoplastik forbundet med hjerte- og lungesygdomme. En undersøgelse rapporterede at have opdaget polyethylen i plaque i halspulsåren hos 150 patienter. Desuden blev patienter, der havde mikroplastik og nanoplastik i deres aterom (plaque), fundet at have en højere risiko for at opleve en kombination af hjerteinfarkt, slagtilfælde eller død af enhver årsag.

De negative virkninger af nanoplastik omfatter desuden inflammation, immunotoksicitet, hæmning af vækst, oxidativ skade og ændringer i adfærdsevne. Faktisk er mikroplastik påvist selv i den menneskelige placenta. Dette viser, hvor gennemgribende denne menneskeskabte forurening er, og hvor skadelig den er for vores helbred.

I betragtning af både deres kort- og langsigtede virkninger på levende væsener er nanoplastikpartikler blevet en stor bekymring. Den lille størrelse af nanoplastik betyder dog, at almindelige fjernelsesmetoder som oxidation eller filtrering ikke er egnet til at håndtere dem.

En ny løsning til at fjerne nanoplastik fra vand

Senest har forskere fra University of Missouri formået at fjerne nanoplastik fra vand med mere end 98 % effektivitet.

Undersøgelsen, der blev offentliggjort i ACS Applied Engineering Materials denne måned, har til formål at udvikle en omkostningseffektiv løsning til at slippe af med disse små partikler, så vi kan få rent vand, hvilket stadig er en udfordring. For at opnå dette resultat skabte forskere fra Mizzou University en væskebaseret løsning, der kan fjerne langt de fleste af disse mikroskopiske plastpartikler fra vand. Ifølge studiets leder Piyuni Ishtaweera, en alumna, der udførte denne undersøgelse, mens hun tog sin doktorgrad i nano- og materialekemi ved Mizzou:

“Nanoplastik kan forstyrre akvatiske økosystemer og komme ind i fødekæden, hvilket udgør risici for både dyreliv og mennesker.”

Hun arbejder nu i US Food and Drug Administration (FDA) i St. Louis. Hun tilføjede:

“I almindelige termer udvikler vi bedre metoder til at fjerne forurenende stoffer såsom nanoplastik fra vand.”

Denne nye metode involverer brug af vandafvisende opløsningsmidler, som er fremstillet af naturlige, sikre og ikke-giftige ingredienser. Deres evne til at afvise vand, hvilket hjælper med at forhindre yderligere forurening af vandkilder, gør dem til en “meget bæredygtig løsning”.

Dette fungerer ved at lade opløsningsmidlet ligge på vandets overflade, ligesom olie. Når opløsningsmidlet dog er blandet med vand og får lov til at adskille sig igen, flyder det tilbage til overfladen og bærer nanoplastik i sin molekylære struktur.

Forskerteamet testede deres innovative metode for fem forskellige målinger af nanoplastik baseret på polystyren, en polymer, der bruges til at fremstille forskellige forbrugerprodukter, herunder Styrofoam‑kopper, som udgør 25‑35 % af alt lossepladsaffald. Verden producerer over 14 millioner ton Styrofoam årligt, og amerikanere alene smider omkring 25 milliarder Styrofoam‑kopper ud hvert år.

Resultaterne fra Mizzou‑undersøgelsen overgik tidligere studier, som primært var fokuseret på en enkelt størrelse af plastpartikler.

Nu, for at fjerne opløsningsmidlet fyldt med nanoplastik, brugte forskerne en pipette i laboratoriet, hvilket efterlod plastfri, rent vand. Dette blev udført i lille skala, men i fremtiden er idéen at opskalere hele processen, så metoden kan anvendes på store vandmasser, begyndende med søer og senere over på oceaner. Den nye metode er effektiv ikke kun i ferskvand men også i saltvand.

Ifølge studiets korresponderende forfatter, Gary Baker, som er lektor i kemiafdelingen ved Mizzou:

“Vores strategi bruger en lille mængde designer‑opløsningsmiddel til at absorbere plastpartikler fra et stort vandvolumen.”

Dog er kapaciteten af opløsningsmidlerne endnu ikke godt forstået, bemærkede Baker, som tilføjede, at de i deres fremtidige forskning vil sigte mod at fastslå netop dette — den maksimale kapacitet af opløsningsmidlet. Derudover vil de undersøge måder at genanvende opløsningsmidlerne på, så de kan bruges igen og igen “flere gange om nødvendigt”.

Samlet set tilbyder denne innovative løsning en praktisk tilgang til et kritisk problem, samtidig med at den baner vejen for yderligere forskning og udvikling inden for avancerede vandrensningsteknologier.

“Fra et videnskabeligt perspektiv fremmer skabelsen af effektive fjernelsesmetoder innovation inden for filtreringsteknologier, giver indsigt i nanomaterialers adfærd og understøtter udviklingen af velinformerede miljøpolitikker.”

– Ishtaweera

Andre innovative tilgange til nanoplastikforurening

Nanoplastik har i de seneste år tiltrukket stor opmærksomhed, og det med god grund. Som vi detaljeret beskrev ovenfor, skal deres tendens til at sprede sig i miljøet og udgøre en trussel mod alle organismer prioriteres. Dette er især vigtigt, da disse nanopartikler undslipper konventionelle procedurer for at fjerne makro- og mikroplastikpartikler, og dermed fortsætter med at stige i vandet og påvirke samfundet.

Gennem årene er flere metoder blevet eksperimenteret med for at tilbyde effektive løsninger til at fjerne specifikke nanopartikler. Disse omfatter fotokatalyse, membranseparation med en reaktor og mikroorganisme‑baseret nedbrydning, ud over traditionelle procedurer som tyngdekraftaflejring, flokkulering og centrifugering.

Filtrering med koagulation har faktisk vist fundet at give mere end 99 % effektivitet ved fjernelse af nanoplastik fra drikkevand. Men naturligvis vedvarer begrænsninger i forhold til løsningens skalerbarhed, resthåndtering og begrænset effektivitet for forskellige typer af nanoplastik.

Så lad os undersøge nogle tilgange, der er blevet introduceret gennem årene for at tackle dette problem som truer menneskelivet.

En sådan metode har været at bruge en krom‑baseret metal‑organisk ramme (MOF) til at fjerne polystyren‑nanoplastik (PSNP’er). Til dette blev Cr‑MOF syntetiseret via en hydrotermisk metode med kromnitratsalt og tereftalsyre, hvilket gav forskerne en 96 % fjernelse effektivitet.

For et par år siden brugte forskere ved FAU magneter til at fjerne forskellige størrelser og typer af plastpartikler. I demonstrationen brugte forskerne SPION’er, ikke‑giftige nanopartikler designet til at binde sig til plastoverflader og danne agglomerater. Disse blev derefter indsamlet med magneter, takket være en speciel belægning af jernoxid. Disse SPION’er var omkring 30 nm i diameter og fungerede som lim. Endnu vigtigere kunne overfladefunktionerne af SPION’er justeres til at binde til specifikke typer af plast.

Forskere fra Korea Institute of Science and Technology (KIST) brugte imidlertid ‘prøjsblå’ til at udføre denne opgave. Interessant nok bliver den samme substans brugt til at farve jeans en dyb blå farve. Så ved at udvikle et solidt flokkulant, kunne undersøgelsen effektivt indsamle nanoplastik under synligt lys. Denne metode kunne fjerne 99 % af mikroplastik og rense radioaktivt cesium uden at kræve yderligere udstyr, kun med flokkulanter.

For et par måneder siden introducerede forskere ved University of Waterloo også en ny metode. De brugte epoxy til at fjerne skadelige nanoplastik med 94 % effektivitet. Denne affaldspolymer, som ikke kan genprocesseres og har en tendens til at ende i vandforsyningsnetværk, blev omdannet til aktivt kul af teamet og derefter brugt til at behandle det forurenede vand.

Tizazu Mekonnen, professor i kemisk ingeniørvidenskab ved Waterloo, der ledede forskningen, sagde:

“For at afslutte plastaffaldskriserne og reducere den miljømæssige påvirkning af plastproduktion, skal vi implementere en cirkulær økonomi‑tilgang, der tager højde for hver fase af plastens rejse.”

Hun har også til hensigt at anvende proceduren på andre typer plast og forurenende stoffer samt opskalere den i kommunale spildevandsbehandlingsanlæg.

Endda kunstig intelligens (AI), som transformerer industrier, bliver brugt af forskere til at tackle problemet med nanopartikler. Et forskerteam fra University of Waterloo skabte et AI‑værktøj kaldet PlasticNet, der benytter dyb læring og spektroskopi til at identificere de unikke “fingeraftryk” af disse partikler. 

PlasticNet har vist sig at være et succesfuldt værktøj i et lokalt spildevandsbehandlingsanlæg, hvor det har demonstreret forbedret mikroplastikdetektion og fjernelse.

I betragtning af toksiciteten af disse nanopartikler er præcis identifikation af deres typer afgørende. Ikke alle plast er ens; de kan være polyethylen, Teflon, polystyren, polyvinylchlorid og mere. 

Internationale standarder anbefaler elektronmikroskopi (EM) til identifikation. EM producerer billeder af nanopartikler, hvilket muliggør identifikation baseret på størrelse. Dog bliver automatisk billedanalyse problematisk, når partikler forekommer som aggregater eller har komplekse former.

Så er en forbedret metode er blevet skabt for at hjælpe nanomaterialeindustrien såvel som miljø- og sundhedsbeskyttelsesagenturer. Ved at inkorporere en AI‑maskinlæringsfunktion kan POLLEN Metrology’s softwareværktøj nu “nøjagtigt identificere tusindvis af NP‑billeder på få sekunder på en automatisk, ikke‑subjektiv måde.” Smart3‑softwarepakken forventes at hjælpe med at fremskynde identifikationen af potentielt skadelige nanopartikler.

Udover al forskningen forsøger selv organisationer at finde metoder og udvikle teknologier til at tackle problemet med nanoplastik. 

For eksempel er Polymateria et firma, der laver innovative biologisk nedbrydelige plastmaterialer, så der fra starten ikke vil være mikroplastik og nanoplastik. 

PureCycle Technologies (PCT ) har taget en lignende tilgang til indirekte at reducere nanoplastikforurening. Virksomheden, der afsluttede 2. kvartal 2024 med $10,9 millioner i ubegrænset likviditet, fokuserer på genanvendelse af plast ved at skabe høj‑ren genanvendt polypropylen. 

Dens banebrydende genanvendelsesteknologi for polypropylen består af syv procestrin, herunder smeltning og filtrering (Polymer Extruder og Polymer Filter), udtræk (Polymer/Solvent Mixer og Extraction Column), blanding og sedimentering (Polymer Mixer og Large Particle Settler), filtrering (Candle Filters), rensning (Columns), separation (Polypropylene/Solvent og Product Decanter) samt ekstrudering & pelletisering (Polymer Extruder og Polymer Pelletizer).

Der er også initiativer som Ocean CleanUp, der fjerner plast fra oceanerne og undersøger metoder til at fange små plastpartikler fra store vandmasser. Samtidig udvikler Anfiro avancerede filtreringsmembraner til at fjerne et bredt spektrum af forurenende stoffer, herunder mikroplastik og nanoplastik. 

Wasser3.0 er et andet projekt‑omdannet firma, der bruger en hvirvel og specielt designet hybrid silikagel til at fjerne nanopartikler. Denne forbindelse, Wasser 3.0 PE‑X, fungerer som et klumpningsmiddel, der samler mikroplastik til klumper, som stiger til overfladen og bliver skrabet af med en sigte. 

Der findes mange flere sådanne virksomheder og projekter, der arbejder på at skabe bedre, omkostningseffektive og mere avancerede løsninger til at slippe af med nanopartikler og fjerne dem fuldstændigt fra vores økosystem med fokus på at gøre dem skalerbare.

Konklusion

Med lossepladser og havstrande fyldt med plastgenstande er nanoplastik (mindre end 0,001 mm) blevet allestedsnærværende og som følge heraf en fare for planter, fugle, havliv og mennesker. Eksponering for nanopartikler har vist sig at have negative virkninger på levende væsener, hvilket udgør en bekymring for miljøet og skaber et presserende behov for at løse denne nye fjende af menneskers sundhed.

Som følge heraf har forskere og organisationer undersøgt forskellige ikke‑traditionelle metoder til at slippe af med disse små partikler, som er kendt for deres vedholdenhed. Dog er alle disse eksperimenter indtil videre begrænset til laboratorier, og vi har endnu ikke fundet en skalerbar løsning.

Dog er disse nye metoder et betydningsfuldt skridt i den rigtige retning, da de tackler det gennemgribende problem med nanoplastikforurening. Desuden, i betragtning af den opmærksomhed, problemet får, og den fremgang vi ser, kan vi forvente at få en løsning i den nærmeste fremtid, som kan anvendes i stor skala og effektivt give os rent vand og sundere økosystemer.