Wissenschaftler der University of Missouri knacken den Code zur Entfernung von Nanoplastik mit 98% Erfolg

In den letzten Jahren hat das Bewusstsein für Mikroplastik stark zugenommen, was Wissenschaftler und Forscher dazu veranlasst, Wege zu untersuchen, sie zu beseitigen. 

Mikroplastik ist überall, auch in den Tiefen des Ozeans, wo es weitgehend unbemerkt akkumuliert. Neben der Verschmutzung von Meeres-, Polargebieten und Süßwasserökosystemen breiten sich Nanoplastik ebenfalls aus und kontaminieren den Boden. Sowohl Pflanzen als auch aquatische Systeme, die wesentliche Bestandteile der menschlichen Ernährung sind, werden beeinträchtigt.

Als ‘aufkommende Kontaminanten’ kategorisiert, sind Mikroplastik‑Verunreinigungen, die erst seit den 1990er‑Jahren als solche erkannt werden. Erst kürzlich begannen wir, zwischen Mikroplastik (Größe 1 mm – 1 µm) und Nanoplastik (kleiner als 1 µm) zu unterscheiden. 

Nanopartikel sind so winzig, dass sie nicht mit bloßem Auge gesehen werden können; sie sind tatsächlich kleiner als der Durchmesser eines durchschnittlichen menschlichen Haares. Diese winzige Größe verleiht ihnen eine außergewöhnlich hohe Fähigkeit, biologische Membranen zu durchdringen.

Diese Nanoplastik wird nicht nur absichtlich hergestellt – meist für den Einsatz in billigen Füllmaterialien und zu finden in Kosmetika, Zahnpasta und Hautpflegeprodukten – sondern entsteht auch durch den Zerfall von Plastikabfällen zu winzigen Partikeln. Angesichts des erwarteten Umfangs von Plastikabfällen in der Umwelt, der bis 2050 voraussichtlich 12 Milliarden Tonnen erreichen wird, ist dies ein Grund zur Besorgnis.

Ganz zu schweigen davon, dass die molekulare Struktur von Kunststoffen sie hochbeständig macht, was sie zu einem attraktiven Bestandteil für verschiedene Produkte macht. Das bedeutet jedoch auch, dass Plastikabfälle lange in der Umwelt verbleiben. Plastik zersetzt sich nicht, sondern zerfällt.

Diese Zersetzung erfolgt auf verschiedene Weise, darunter Fragmentierung, zelluläre Prozesse, ultraviolette Strahlung und die Kraft des Wassers. Infolgedessen bleibt Kunststoff über Jahrzehnte erhalten und zerfällt in immer kleinere Stücke. Zum Beispiel kann ein kleines Stück Polyethylen im Laufe der Zeit in etwa 1.500 Mikropartikel oder 150.000 Nanoplastik‑Partikel zerfallen.

Je kleiner die Partikel, desto größer das Problem. Das liegt daran, dass Nanopartikel leicht in die Zellen unseres Körpers eindringen können. Schätzungen zufolge nehmen wir wöchentlich bis zu 5 Gramm Mikroplastik zu uns. Eine Studie, die von einer Doktorandin der Chemie an der Columbia University geleitet wurde, nutzte die stimulierte Raman‑Streuspektroskopie und stellte fest, dass 90 % der Partikel in beliebten US‑Wasser Marken Nanoplastik sind, hauptsächlich bestehend aus Polyethylenterephthalat (PET) und Polyamid.

Zudem besitzen diese Nanoplastik‑Partikel Eigenschaften wie Flexibilität und Beständigkeit gegenüber Temperatur und Korrosion, was sie umweltgefährlicher macht als bisher angenommen.

As haben wir bereits berichtet, macht ihre geringe Größe es auch leichter, dass sie von Wildtieren aufgenommen werden und in die Nahrungskette gelangen. Diese umweltbezogene Verbreitung von Nanoplastik durch die Nahrungskette erzeugt erhebliche Toxizität bei Lebewesen. 

In Pflanzen können diese winzigen Partikel ihre Zellwand durchdringen und sich im Gewebe einbetten, was negative Folgen für die Lebensmittelsicherheit und die ökologische Funktion haben kann.

In Menschen stehen Nanoplastik in Verbindung mit kardiovaskulären und Atemwegserkrankungen. Eine Studie berichtete, dass bei 150 Patienten Polyethylen in der Plaque der Halsschlagader gefunden wurde. Darüber hinaus wurde bei Patienten, die Mikro‑ und Nanoplastik in ihrer Atherom‑Plaque hatten, ein höheres Risiko für ein Auftreten von Herzinfarkt, Schlaganfall oder Tod aus jeglicher Ursache festgestellt.

Die negativen Auswirkungen von Nanoplastik umfassen zudem Entzündungen, Immunotoxizität, Wachstumshemmung, oxidative Schäden und Veränderungen der Verhaltensfähigkeit. Tatsächlich werden Mikroplastik sogar in der menschlichen Plazenta nachgewiesen. Das zeigt, wie allgegenwärtig diese von Menschen gemachte Verschmutzung ist und wie schädlich sie für unsere Gesundheit ist. 

Angesichts ihrer sowohl kurzfristigen als auch langfristigen Auswirkungen auf Lebewesen sind Nanoplastik‑Partikel zu einer großen Sorge geworden. Die winzige Größe von Nanoplastik bedeutet jedoch, dass gängige Eliminationsmethoden wie Oxidation oder Filtration nicht geeignet sind, sie zu bewältigen.

Eine neuartige Lösung zur Entfernung von Nanoplastik aus Wasser

Kürzlich konnten Wissenschaftler der University of Missouri die Entfernung von Nanoplastik aus Wasser mit mehr als 98 % Effizienz erreichen.

Die in diesem Monat in ACS Applied Engineering Materials veröffentlichte Studie zielt darauf ab, eine kostengünstige Lösung zu entwickeln, um diese winzigen Partikel zu entfernen, damit wir sauberes Wasser erhalten können, was nach wie vor eine Herausforderung darstellt. Um dieses Ergebnis zu erzielen, entwickelten Forscher der Mizzou University eine flüssigkeitsbasierte Lösung, die den Großteil dieser mikroskopischen Plastikpartikel aus Wasser entfernen kann. Laut Studienleiterin Piyuni Ishtaweera, einer Absolventin, die diese Studie während ihrer Promotion in Nano‑ und Materialchemie an der Mizzou durchführte:

„Nanoplastik kann aquatische Ökosysteme stören und in die Nahrungskette gelangen, was sowohl für die Tierwelt als auch für Menschen Risiken darstellt.“

Sie arbeitet jetzt bei der US Food and Drug Administration (FDA) in St. Louis. Sie fügte hinzu:

„Einfach ausgedrückt entwickeln wir bessere Methoden, um Kontaminanten wie Nanoplastik aus Wasser zu entfernen.“

Diese neue Methode verwendet wasserabweisende Lösungsmittel, die aus natürlichen, sicheren und ungiftigen Bestandteilen hergestellt werden. Zusätzlich macht ihre Fähigkeit, Wasser abzuweisen, was hilft, weitere Kontamination von Wasserquellen zu verhindern, sie zu einer „hochgradig nachhaltigen Lösung“.

Dies funktioniert, indem das Lösungsmittel auf der Wasseroberfläche liegen bleibt, ähnlich wie Öl. Sobald das Lösungsmittel jedoch mit Wasser gemischt wird und sich wieder trennt, steigt es zurück an die Oberfläche und transportiert Nanoplastik in seiner molekularen Struktur.

Das Forscherteam testete ihre innovative Methode für fünf unterschiedliche Messungen von Nanoplastik, basierend auf Polystyrol, einem Polymer, das zur Herstellung verschiedener Konsumgüter, einschließlich Styroporbecher, verwendet wird, die 25‑35 % des gesamten Deponieabfalls ausmachen. Die Welt produziert jährlich über 14 Millionen Tonnen Styropor, wobei allein die Amerikaner etwa 25 Milliarden Styroporbecher pro Jahr wegwerfen.

Die Ergebnisse der Mizzou‑Studie übertrafen frühere Studien, die sich hauptsächlich auf eine einzige Größe von Plastikpartikeln konzentrierten.

Um das mit Nanoplastik beladene Lösungsmittel zu entfernen, verwendeten die Forscher im Labor eine Pipette, wodurch plastikfreies, sauberes Wasser zurückblieb. Dies wurde im kleinen Maßstab durchgeführt, aber zukünftig soll der gesamte Prozess skaliert werden, sodass die Methode auf große Gewässer angewendet werden kann, beginnend mit Seen und schließlich auf Ozeane übergehend. Die neue Methode ist nicht nur in Süßwasser, sondern auch in Salzwasser wirksam.

Laut dem korrespondierenden Autor der Studie, Gary Baker, einem außerordentlichen Professor der Chemieabteilung an der Mizzou:

„Unsere Strategie verwendet eine kleine Menge speziell entwickelter Lösungsmittel, um Plastikpartikel aus einem großen Wasservolumen zu absorbieren.“

Allerdings ist die Kapazität der Lösungsmittel noch nicht gut verstanden, bemerkte Baker, der hinzufügte, dass sie in zukünftigen Forschungen genau das – die maximale Kapazität des Lösungsmittels – bestimmen wollen. Darüber hinaus werden sie Wege erforschen, die Lösungsmittel zu recyceln, sodass sie „mehrfach, falls nötig, wiederverwendet werden können“.

Insgesamt bietet diese innovative Lösung einen praktischen Ansatz für ein kritisches Problem und ebnet den Weg für weitere Forschung und Entwicklung im Bereich fortschrittlicher Wasseraufbereitungstechnologien.

„Aus wissenschaftlicher Sicht fördert die Entwicklung effektiver Entfernungsmethoden Innovationen in Filtrationstechnologien, liefert Einblicke in das Verhalten von Nanomaterialien und unterstützt die Entwicklung fundierter Umweltpolitiken.“

– Ishtaweera

Weitere innovative Ansätze zur Nanoplastikverschmutzung

Nanoplastik zieht seit mehreren Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich und das aus gutem Grund. Wie wir oben ausgeführt haben, muss ihre Neigung, sich in der Umwelt zu verbreiten und eine Bedrohung für alle Organismen darzustellen, Priorität erhalten. Dies ist besonders wichtig, da diese Nanopartikel konventionellen Verfahren zur Entfernung von Makro‑ und Mikroplastikpartikeln entgehen, wodurch sie im Wasser weiter zunehmen und die Gesellschaft beeinflussen. 

Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Methoden erprobt, um effektive Lösungen zur Entfernung bestimmter Nanopartikel zu bieten. Dazu gehören Photokatalyse, Membrantrennung mit Reaktor und mikroorganismusbasierte Degradation, zusätzlich zu traditionellen Verfahren wie Schwerkraftabscheidung, Flockung und Zentrifugation.

Filtration mit Koagulation hat sich tatsächlich als erwiesen, dass sie >99 % effizient bei der Entfernung von Nanoplastik aus Trinkwasser ist. Natürlich bestehen jedoch weiterhin Einschränkungen hinsichtlich der Skalierbarkeit der Lösung, des Reststoffmanagements und der begrenzten Wirksamkeit für verschiedene Arten von Nanoplastik.

So, lass uns einige im Laufe der Jahre vorgestellte Ansätze untersuchen, um dieses Problem anzugehen, das bedroht das menschliche Leben.

Eine solche Methode verwendet ein chrombasiertes Metall‑organisches Gerüst, um Polystyrol‑Nanoplastik (PSNPs) zu entfernen. Dafür wurde Cr‑MOF synthetisiert mittels einer hydrothermalen Methode unter Verwendung von Chromnitrat und Terephthalsäure, was den Forschern eine 96 % Entfernungseffizienz ermöglichte.

Vor einigen Jahren nutzten Forscher der FAU Magnete, um verschiedene Größen und Arten von Plastikpartikeln zu entfernen. In der Demonstration verwendeten die Forscher SPIONs, ungiftige Nanopartikel, die dafür entwickelt wurden, an Plastikoberflächen zu binden und Agglomerate zu bilden. Diese wurden anschließend mit Magneten gesammelt, da sie speziell mit Eisenoxid beschichtet waren. Diese SPIONs hatten einen Durchmesser von etwa 30 nm und wirkten wie Klebstoff. Noch wichtiger war, dass die Oberflächenfunktionalitäten der SPIONs angepasst werden konnten, um sich an bestimmte Kunststoffarten zu binden. 

Forscher des Korea Institute of Science and Technology (KIST) nutzten hingegen „Preußisch Blau“, um diese Aufgabe zu erfüllen. Interessanterweise wird dieselbe Substanz verwendet, um Jeans eine tiefblaue Farbe zu geben. Durch die Entwicklung eines festen Flockungsmittels konnte die Studie Nanoplastik effektiv unter sichtbarer Lichtbestrahlung sammeln. Diese Methode konnte 99 % des Mikroplastiks entfernen und radioaktives Cäsium säubern, ohne zusätzliche Ausrüstung, nur mit Flockungsmitteln.

Vor einigen Monaten stellten Forscher der University of Waterloo ebenfalls einen neuartigen Ansatz vor. Sie verwendeten Epoxid, um schädliches Nanoplastik mit 94 % Effizienz zu entfernen. Dieses Abfallpolymer, das nicht wiederaufbereitet werden kann und dazu neigt, in Wassersysteme zu gelangen, wurde vom Team in Aktivkohle umgewandelt und dann zur Behandlung des kontaminierten Wassers eingesetzt.

Tizazu Mekonnen, Professor für Chemieingenieurwesen an der Waterloo, der die Forschung leitete, sagte:

„Um die Plastikabfallkrise zu beenden und die Umweltauswirkungen der Plastikproduktion zu reduzieren, müssen wir einen Ansatz der Kreislaufwirtschaft umsetzen, der jede Phase des Plastiklebenszyklus berücksichtigt.“

Sie beabsichtigt außerdem, das Verfahren auf andere Kunststoff- und Kontaminantenarten anzuwenden und es in kommunalen Abwasseraufbereitungsanlagen zu skalieren.

Selbst künstliche Intelligenz (KI), die Industrien transformiert, wird von Forschern genutzt, um das Problem der Nanopartikel anzugehen. Ein Forscherteam der University of Waterloo entwickelte ein KI‑Tool namens PlasticNet, das Deep Learning und Spektroskopie nutzt, um die einzigartigen „Fingerabdrücke“ dieser Partikel zu identifizieren. 

PlasticNet hat sich als erfolgreiches Werkzeug in einer lokalen Abwasseraufbereitungsanlage erwiesen, wo es eine verbesserte Mikroplastik‑Erkennung und -Entfernung demonstrierte.

Angesichts der Toxizität dieser Nanopartikel ist eine genaue Identifizierung ihrer Typen unerlässlich. Schließlich sind nicht alle Kunststoffe gleich; sie können Polyethylen, Teflon, Polystyrol, Polyvinylchlorid und mehr sein. 

Internationale Standards empfehlen die Elektronenmikroskopie (EM) zur Identifizierung. EM erzeugt Bilder von Nanopartikeln, die eine Identifizierung anhand der Größe ermöglichen. Allerdings wird die automatische Bildanalyse problematisch, wenn Partikel als Aggregate vorliegen oder komplexe Formen haben.

So wurde eine verbesserte Methode entwickelt, um der Nanomaterialindustrie sowie Umwelt- und Gesundheitsschutzbehörden zu helfen. Durch die Integration einer KI‑Maschinelles‑Lernen‑Funktion kann das Software‑Tool von POLLEN Metrology nun „tausende von NP‑Bildern in wenigen Sekunden automatisch und nicht‑subjektiv genau identifizieren.“ Die Smart3‑Software‑Suite wird voraussichtlich die Identifizierung potenziell schädlicher Nanopartikel beschleunigen.

Neben all der Forschung versuchen sogar Organisationen, Wege zu finden und Technologien zu entwickeln, um das Problem der Nanoplastik zu bewältigen. 

Zum Beispiel ist Polymateria ein Unternehmen, das innovative biologisch abbaubare Kunststoffe herstellt, sodass von Anfang an keine Mikro‑ und Nanoplastik entstehen. 

PureCycle Technologies (PCT ) hat einen ähnlichen Ansatz gewählt, um die Nanoplastikverschmutzung indirekt zu reduzieren. Das Unternehmen, das das zweite Quartal 2024 mit 10,9 Millionen $ uneingeschränktem Cash abschloss, konzentriert sich auf das Recycling von Kunststoffen durch die Herstellung von hochreinem recyceltem Polypropylen. 

Ihre bahnbrechende Polypropylen‑Recycling‑Technologie besteht aus sieben Prozessstufen, darunter Schmelzen und Filtern (Polymer‑Extruder und Polymer‑Filter), Extraktion (Polymer‑/Lösungsmittel‑Mischer und Extraktionssäule), Mischen und Sedimentation (Polymer‑Mischer und Grob‑Partikel‑Sedimentator), Filtration (Kerzenfilter), Reinigung (Säulen), Trennung (Polypropylen/Lösungsmittel und Produkt‑Dekanter) sowie Extrudieren & Pelletieren (Polymer‑Extruder und Polymer‑Pelletierer).

Es gibt auch Initiativen wie Ocean CleanUp, die Plastik aus den Ozeanen entfernen und Methoden untersuchen, um kleine Plastikpartikel aus großen Gewässern zu erfassen. Gleichzeitig entwickelt Anfiro fortschrittliche Filtrationsmembranen, um ein breites Spektrum von Kontaminanten, einschließlich Mikro‑ und Nanoplastik, zu entfernen. 

Wasser3.0 ist ein weiteres Projekt‑zu‑Unternehmen, das einen Wirbel und speziell entwickeltes hybrides Silikagel nutzt, um Nanopartikel zu entfernen. Diese Verbindung, Wasser 3.0 PE‑X, wirkt als Agglutinans, um Mikroplastik zu Klumpen zu verbinden, die an die Oberfläche steigen und mit einem Sieb abgeschöpft werden. 

Es gibt viele weitere Unternehmen und Projekte, die daran arbeiten, bessere, kostengünstige und fortschrittlichere Lösungen zu entwickeln, um Nanopartikel zu beseitigen und sie vollständig aus unserem Ökosystem zu entfernen, wobei der Fokus auf Skalierbarkeit liegt.

Fazit

Da Deponien und Strände von Plastikgegenständen übersät sind, sind Nanoplastik (kleiner als 0,001 mm) allgegenwärtig geworden und stellen dadurch eine Gefahr für Pflanzen, Vögel, marine Lebewesen und Menschen dar. Die Exposition gegenüber Nanopartikeln hat sich als schädlich für Lebewesen erwiesen, was zu einer Besorgnis für die Umwelt führt und einen dringenden Bedarf schafft, diesen aufkommenden Feind der menschlichen Gesundheit zu bekämpfen.

Infolgedessen haben Forscher und Organisationen verschiedene unkonventionelle Methoden untersucht, um diese hartnäckigen winzigen Partikel zu entfernen. Allerdings sind all diese Experimente bisher auf Labore beschränkt, und wir haben noch keine skalierbare Lösung gefunden.

Diese neuen Methoden stellen jedoch einen bedeutenden Schritt in die richtige Richtung dar und gehen das allgegenwärtige Problem der Nanoplastikverschmutzung an. Außerdem, angesichts der Aufmerksamkeit, die das Thema erhält, und des Fortschritts, den wir sehen, können wir erwarten, dass wir in naher Zukunft eine Lösung erhalten, die skalierbar und effektiv ist, um uns sauberes Wasser und gesündere Ökosysteme zu bieten.