Missourin yliopiston tutkijat murtautuivat nanoplastien poistokoodiin 98%:n onnistumisella

Viime vuosina mikromuovien tietoisuus on kasvanut dramaattisesti, mikä on saanut tutkijat ja tutkimusryhmät etsimään keinoja niiden poistamiseksi. 

Mikromuovit ovat kaikkialla, myös meren syvyyksissä, missä ne kerääntyvät pitkälti huomaamatta. Mikromuovien lisäksi nanomuovit leviävät myös maaperään ja saastuttavat sitä. Sekä kasvit että vesiekosysteemit, jotka ovat olennaisia ihmisen ruokavaliossa, vaikuttavat. 

Luokiteltuna ‘tulevina saasteina’ mikromuovit ovat saasteita, jotka on tunnistettu vasta 1990‑luvulta lähtien. Vasta hiljattain aloitimme erottamaan mikromuoveja, joiden koko on 1 mm – 1 µm, ja nanomuoveja, jotka ovat pienempiä kuin 1 µm. 

Nanohiukkaset ovat niin pieniä, etteivät ne näy paljain silmin; ne ovat itse asiassa pienempiä kuin keskimääräisen ihmisen hiuksen halkaisija. Tämä miniatyyri koko antaa niille poikkeuksellisen korkean kyvyn tunkeutua biologisiin kalvoihin.

Nämä nanomuovit eivät ole vain tahallisesti valmistettuja – yleensä halpojen täyteaineiden käyttöön ja niitä löytyy kosmeettisissa, hammastahna- ja ihonhoitotuotteissa – vaan ne ovat myös muovijätteen hajoamisen tulosta pieniksi hiukkasiksi. Kun otetaan huomioon ympäristössä oleva muovijätteen määrä, jonka arvioidaan nousevan 12 miljardiin tonniin vuoteen 2050 mennessä, tämä on huolenaihe.

Lisäksi muovien molekyylirakenne tekee niistä erittäin pysyviä, mikä tekee niistä houkuttelevan ainesosan erilaisissa tuotteissa. Tämä kuitenkin tarkoittaa, että muovijäte pysyy ympäristössä pitkään. Muovi ei hajoa; se hajottaa.

Tämä hajoaminen tapahtuu useilla tavoilla, mukaan lukien fragmentoituminen, soluprosessit, ultraviolettisäteily ja veden voima. Tämän seurauksena muovi on jatkanut pysymistään ja hajoamista pienemmiksi paloiksi vuosikymmeniä. Esimerkiksi pieni polyeteenikappale voi hajota noin 1 500 mikropartikkeliksi tai 150 000 nanomuovipartikkeleksi ajan myötä.

Mitä pienemmät hiukkaset, sitä suurempi ongelma. Tämä johtuu siitä, että nanopartikkelit voivat helposti tunkeutua kehomme soluihin. Arvioiden mukaan kulutamme jopa 5 grammaa mikromuoveja viikossa. Samaan aikaan Columbia Universityn kemian tohtoriopiskelijan johdolla tehty tutkimus käytti stimuloitua Ramanin sirontamikroskopiaa ja havaitsi, että 90 % suosituista Yhdysvaltain vesimerkeistä koostuu nanomuoveista, pääasiassa polyeteenitereftalaatista (PET) ja polyamidista.

Lisäksi näillä nanomuovipartikkeleilla on ominaisuuksia, kuten joustavuus ja lämpö‑ sekä korroosionkestävyys, mikä tekee niistä ympäristölle vaarallisempia kuin aiemmin oletettiin.

Kuten olemme aiemmin raportoineet, niiden pieni koko tekee niistä myös helpommin syötäväksi villieläimille ja ne päätyvät ravintoketjuun. Tämä nanomuovien siirtyminen ravintoketjussa aiheuttaa merkittävää toksisuutta elollisille olennoille. 

Kasveissa nämä pienet hiukkaset voivat tunkeutua soluseinään ja upota kudokseen, mikä voi aiheuttaa negatiivisia seurauksia elinturvallisuudelle ja ekosysteemin toiminnalle.

Ihmisissä nanomuoveja on yhdistetty sydän- ja hengityssairauksiin. Yksi tutkimus raportoi polyeteenin löytyneen kaulavaltimon plakkista 150 potilaalla. Lisäksi potilaat, joilla oli mikro‑ ja nanomuoveja ateroomassassa (plakissa), havaittiin olevan suuremmassa riskissä kärsiä sydäninfarktin, aivohalvauksen tai minkä tahansa syynä kuoleman yhdistelmästä.

Nanomuovien negatiiviset vaikutukset sisältävät myös tulehduksen, immunotoksisuuden, kasvun estymisen, oksidatiivisen vaurion ja käyttäytymiskyvyn muutokset. Itse asiassa mikromuoveja on havaittu jopa ihmisen istukassa. Tämä osoittaa, kuinka läpäisevää tämä ihmisen luoma saaste on ja kuinka haitallista se on terveydellemme. 

Kun otetaan huomioon niiden sekä lyhyen että pitkän aikavälin vaikutukset elollisiin olentoihin, nanomuovipartikkelit ovat muodostuneet suureksi huolenaiheeksi. Nanomuovien pieni koko kuitenkin tarkoittaa, että tavalliset poistomenetelmät, kuten hapettaminen tai suodatus, eivät sovellu niiden käsittelemiseen.

Uusi ratkaisu nanomuovien poistamiseksi vedestä

Viime aikoina Missourin yliopiston tutkijat onnistuivat poistamaan nanomuoveja vedestä yli 98 %:n tehokkuudella.

Tässä kuussa ACS Applied Engineering Materials -lehdessä julkaistu tutkimus pyrkii kehittämään kustannustehokkaan ratkaisun näiden pienten hiukkasten poistamiseksi, jotta voimme saada puhdasta vettä, mikä on edelleen haaste. Saavuttaakseen tämän tuloksen Mizzou-yliopiston tutkijat loivat nestemäisen ratkaisun, joka voi poistaa suurimman osan näistä mikroskooppisista muovipartikkeleista vedestä. Tutkimuksen johtajan, Piyuni Ishtaweeran, mukaan, joka suoritti tutkimuksen tohtorintutkintonsa aikana nano- ja materiaalikemiassa Mizzoussa:

“Nanomuovit voivat häiritä vesiekosysteemejä ja päästä ravintoketjuun, aiheuttaen riskejä sekä villieläimille että ihmisille.”

Hän työskentelee nyt Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirastossa (FDA) St. Louisissa. Hän lisäsi:

“Yksinkertaisilla sanoilla kehitämme parempia tapoja poistaa epäpuhtauksia, kuten nanomuoveja, vedestä.”

Tämä uusi menetelmä käyttää vettä hylkiviä liuottimia, jotka on valmistettu luonnollisista, turvallisista ja myrkyttömistä aineista. Lisäksi niiden veden hylkivä kyky, joka auttaa estämään lisäsateen saastuttamista, tekee niistä “erittäin kestävän ratkaisun”.

Tämä toimii siten, että liuotin pysyy veden pinnalla, aivan kuin öljy. Kun liuotin kuitenkin sekoitetaan veteen ja annetaan sen erottua uudelleen, se nousee takaisin pinnalle ja kuljettaa nanomuoveja molekyylirakenteensa sisällä.

Tutkijatiimi testasi innovatiivista menetelmäänsä viidellä eri nanomuovimittauksella, jotka perustuivat polystyreeniin, polymeriin, jota käytetään erilaisiin kuluttajatuotteisiin, mukaan lukien styroksikupit, jotka muodostavat 25‑35 % kaikesta kaatopaikkajätteestä. Maailma tuottaa yli 14 miljoonaa tonnia styroksia vuosittain, ja amerikkalaiset heittävät yksinään pois noin 25 miljardia styroksikuppia vuodessa.

Mizzou-tutkimuksen tulokset ylittivät aiemmat tutkimukset, jotka keskittyivät pääasiassa yhteen muovipartikkelin kokoon.

Nyt, poistaakseen nanomuoveilla kuormitetun liuottimen, tutkijat käyttivät laboratoriossa pipettiä, mikä jätti jälkeensä muovittoman, puhtaan veden. Tämä tehtiin pienessä mittakaavassa, mutta tulevaisuudessa tavoitteena on skaalata koko prosessi niin, että menetelmää voidaan soveltaa suuriin vesialueisiin, alkaen järvistä ja lopulta siirtyen meriin. Uusi menetelmä on tehokas paitsi makeassa vedessä myös suolaisessa vedessä.

Tutkimuksen yhteyshenkilön, Gary Bakerin, mukaan, joka on apulaisprofessori Mizzoun kemian laitoksessa:

“Strategiamme käyttää pientä määrää suunniteltua liuotinta muovipartikkeleiden imeytymiseen suuresta vesimäärästä.”

Kuitenkin liuottimien kapasiteettia ei vielä ymmärretä hyvin, Baker totesi, ja lisäsi, että tulevassa tutkimuksessaan he pyrkivät tarkasti määrittämään tämän — liuottimen enimmäiskapasiteetin. Lisäksi he tutkivat keinoja kierrättää liuottimia, jotta ne voidaan käyttää uudelleen ja uudelleen “useita kertoja tarvittaessa”.

Kaiken kaikkiaan tämä innovatiivinen ratkaisu tarjoaa käytännöllisen ratkaisun kriittiseen ongelmaan ja raivaa tietä lisätutkimukselle ja kehitykselle kehittyneissä vedenpuhdistusteknologioissa.

“Tieteellisestä näkökulmasta tehokkaiden poistomenetelmien luominen edistää suodatusteknologioiden innovaatiota, tarjoaa näkemyksiä nanomateriaalien käyttäytymisestä ja tukee tietoisten ympäristöpolitiikkojen kehittämistä.”

– Ishtaweera

Muut innovaattorit lähestymistavat nanomuovisaasteeseen

Nanomuoveja on viime vuosina kiinnitetty paljon huomiota ja hyvistäkin syistä. Kuten yllä on kerrottu, niiden taipumus levitä ympäristöön ja uhata kaikkia organismeja on tehtävä prioriteetiksi. Tämä on erityisen tärkeää, koska nämä nanopartikkelit pystyvät ohittamaan perinteiset menetelmät makro- ja mikro‑muovipartikkeleiden poistamiseksi, ja näin ne jatkavat lisääntymistään vedessä ja vaikuttavat yhteiskuntaan. 

Vuosien varrella on kokeiltu useita menetelmiä, jotka tarjoavat tehokkaita ratkaisuja tiettyjen nanopartikkelien poistamiseen. Näihin kuuluvat fotokatalyysi, kalvosuodatus reaktorilla ja mikro‑organismeihin perustuva hajoitus, perinteisten menetelmien kuten painovoimapohjaisen laskeutumisen, flokulaation ja sentrifugoinnin ohella.

Filtraatiota koagulaation kanssa on todellakin todettulöydetty tarjoamaan yli 99 %:n tehokkuuden nanomuovien poistamisessa juomavedestä. Mutta tietysti rajoitteita on edelleen ratkaisun skaalautuvuudessa, jäännösten hallinnassa ja erilaisten nanomuovien rajoitetussa tehokkuudessa.

Joten, tarkastellaan joitakin vuosien varrella esiteltyjä lähestymistapoja, jotka käsittelevät tätä ongelmaa uhkaavaa ihmisen elämää.

Yksi tällainen menetelmä on käyttää kromipohjaista metalli‑orgaanista kehystä polystyreenin nanomuovien (PSNP) poistamiseen. Tässä Cr-MOF syntetisoitiin hydrotermisen menetelmän avulla käyttäen krominitraattia ja tereftaalihappoa, mikä tarjosi tutkijoille 96 % poistotehon tehokkuuden.

Muutama vuosi sitten FAU:n tutkijat käyttivät magneetteja erilaisten kokoisten ja tyyppisten muovipartikkeleiden poistamiseen. näytöksessä, tutkijat käyttivät SPIONeja, myrkyttömiä nanopartikkeleita, jotka on suunniteltu sitoutumaan muovipintoihin muodostamaan agglomeraatteja. Nämä kerättiin sitten magneeteilla, kiitos erityisen rautaoksidipinnoitteen. Nämä SPIONit olivat noin 30 nm halkaisijaltaan ja toimivat kuin liima. Vielä tärkeämpää, SPIONien pinnatoiminnot voitiin säätää siten, että ne yhdistyvät tiettyihin muovityyppeihin. 

Korea Institute of Science and Technology (KIST) -tutkijat puolestaan käyttivät ‘prussiaansin sinistä’ tämän tehtävän suorittamiseen. Mielenkiintoista on, että samaa ainetta käytetään farkkujen värjäämiseen syvän siniseksi. Kehittämällä kiinteän flokulaattorin, tutkimus pystyi keräämään nanomuoveja tehokkaasti näkyvän valon säteilyssä. Tämä menetelmä pystyi poistamaan 99 % mikromuoveista ja puhdistamaan radioaktiivisen cesiumin ilman lisälaitteita, pelkästään flokulaattoreilla.

Muutama kuukausi sitten Waterloo-yliopiston tutkijat esittelivät myös uuden tavan. He käyttivät epoksia haitallisten nanomuovien poistamiseen 94 %:n tehokkuudella. Tämä jätetuote, jota ei voida kierrättää ja joka pyrkii päätymään vesijärjestelmiin, muutettiin tiimissä aktivoiduksi hiileksi ja käytettiin saastuneen veden käsittelyyn.

Tizazu Mekonnen, Waterloo Chemical Engineering -professori, joka johti tutkimusta, sanoi:

“Lopettaaksemme muovijätekrisin ja vähentääksemme muovituotannon ympäristövaikutuksia, meidän on toteutettava kiertotalouslähestymistapa, joka huomioi jokaisen muovin elinkaaren vaiheen.”

Hän aikoo myös soveltaa menettelyä muihin muovityyppeihin ja epäpuhtauksiin sekä skaalata sen kunnan jätevedenpuhdistuslaitoksiin.

Jopa tekoäly (AI), joka muuttaa toimialoja, otetaan käyttöön tutkijoiden toimesta nanohiukkasten ongelman ratkaisemiseksi. Waterloo-yliopiston tutkijaryhmä loi AI-työkalun nimeltä PlasticNet joka hyödyntää syväoppimista ja spektroskopiaa näiden hiukkasten ainutlaatuisten “sormenjälkien” tunnistamiseen. 

PlasticNet on todistettu menestyväksi työkaluksi paikallisessa jätevedenpuhdistamossa, jossa se on osoittanut parantaneensa mikromuovien havaitsemista ja poistamista.

Kun otetaan huomioon näiden nanopartikkelien toksisuus, niiden tyypin tarkka tunnistaminen on olennaista. Kaiken kaikkiaan kaikki muovit eivät ole samanlaisia; ne voivat olla polyeteeniä, teflonia, polystyreeniä, polyvinyylikloridia ja muita.

Kansainväliset standardit suosittelevat elektronimikroskopiaa (EM) tunnistamiseen. EM tuottaa nanopartikkelien kuvia, jolloin tunnistus perustuu kokoon. Kuitenkin automaattinen kuvananalyysi on ongelmallista, kun hiukkaset esiintyvät aggregaateina tai niillä on monimutkaisia muotoja.

Joten, parannettu menetelmä on luotu auttamaan nanomateriaaliteollisuutta sekä ympäristö- ja terveysviranomaisia. Sisällyttämällä AI‑koneoppimistoiminnon, POLLEN Metrologyn ohjelmistotyökalu pystyy nyt “tunnistamaan tarkasti tuhansia NP‑kuvia muutamassa sekunnissa automaattisesti, objektiivisesti.” Smart3‑ohjelmistopaketti odotetaan auttavan nopeuttamaan mahdollisesti haitallisten nanopartikkelien tunnistamista.

Kaiken tutkimuksen lisäksi myös organisaatiot pyrkivät löytämään keinoja ja kehittämään teknologioita nanomuovien ongelman ratkaisemiseksi.

Esimerkiksi Polymateria on yritys, joka valmistaa innovatiivisia biohajoavia muoveja, jotta alusta alkaen ei syntyisi mikro‑ tai nanomuoveja.

PureCycle Technologies (PCT ) on ottanut samanlaisen lähestymistavan vähentääkseen epäsuorasti nanomuovisaastetta. Yritys, joka päätti vuoden 2024 toisen neljänneksen 10,9 miljoonaan dollariin rajoittamattomalla käteisellä, keskittyy muovin kierrättämiseen luomalla erittäin puhdasta kierrätettyä polypropeenia.

Sen mullistava polypropeenin kierrätysteknologia koostuu seitsemästä prosessivaiheesta, mukaan lukien sulatus ja suodatus (Polymer Extruder ja Polymer Filter), uutotus (Polymer/Solvent Mixer ja Extraction Column), sekoitus ja laskeutuminen (Polymer Mixer ja Large Particle Settler), suodatus (Candle Filters), puhdistus (Columns), erotus (Polypropylene/Solvent ja Product Decanter) sekä Extruding & Pelletizing (Polymer Extruder ja Polymer Pelletizer).

On myös pyrkimyksiä kuten Ocean CleanUp, jotka poistavat muovia meristä ja tutkivat menetelmiä pienten muovipartikkeleiden keräämiseksi suurista vesialueista. Samaan aikaan Anfiro kehittää edistyneitä suodatuskalvoja, jotka poistavat laajan valikoiman epäpuhtauksia, mukaan lukien mikro‑ ja nanomuovit.

Wasser3.0 on toinen projekti, joka on muuttunut yritykseksi ja käyttää pyörremyrskyä sekä erityisesti suunniteltua hybridisilikageeliä nanopartikkelien poistamiseen. Tämä yhdiste, Wasser 3.0 PE‑X, toimii ryppyain aineena, joka kerää mikrohiukkaset ryppyihin, jotka nousevat pinnalle ja kerätään siivilän avulla.

On monia lisää tällaisia yrityksiä ja projekteja, jotka työskentelevät kehittääkseen parempia, kustannustehokkaita ja kehittyneempiä ratkaisuja nanopartikkelien poistamiseksi ja niiden täydelliseen poistamiseen ekosysteemistämme, keskittyen skaalautuvuuteen.

Yhteenveto

Kun kaatopaikat ja merirannat ovat täynnä muoviesineitä, nanomuovit (pienempiä kuin 0,001 mm) ovat tulleet kaikkialle levinneiksi ja siten vaaraksi kasveille, linnuille, merieläimille ja ihmisille. Nanopartikkelien altistuminen on todettu aiheuttavan negatiivisia vaikutuksia elollisille olennoille, mikä on huolenaihe ympäristölle ja luo kiireellisen tarpeen ratkaista tämä nouseva ihmisterveyden vihollinen.

Tämän seurauksena tutkijat ja organisaatiot ovat tutkineet erilaisia perinteettömiä tapoja poistaa nämä pienet, pysyvyytensä vuoksi tunnetut hiukkaset. Kuitenkin kaikki nämä kokeet ovat toistaiseksi rajoittuneet laboratorioihin, emmekä ole vielä löytäneet skaalautuvaa ratkaisua.

Kuitenkin nämä uudet menetelmät ovat merkittävä askel oikeaan suuntaan, sillä ne käsittelevät laajalle levinnyttä nanomuovisaasteen ongelmaa. Lisäksi, kun otetaan huomioon, että asia saa yhä enemmän huomiota ja näemme edistystä, voimme odottaa saavuttavamme ratkaisun lähitulevaisuudessa, joka voidaan skaalata ja toteuttaa tehokkaasti, jotta saamme puhdasta vettä ja terveempiä ekosysteemejä.