Ilmuwan Universitas Missouri Memecahkan Kode Penghilangan Nanoplastik dengan Keberhasilan 98%

Dalam beberapa tahun terakhir, kesadaran tentang mikroplastik telah meningkat secara dramatis, mendorong ilmuwan dan peneliti untuk menyelidiki cara menghilangkannya. 

Mikroplastik ada di mana-mana, termasuk kedalaman laut, di mana mereka terakumulasi hampir tak terlihat. Selain mencemari ekosistem laut, kutub, dan air tawar, nanoplastik juga menyebar ke tanah dan mencemarinya. Baik tanaman maupun sistem perairan, yang merupakan komponen penting dalam diet manusia, terpengaruh.

Dikategorikan sebagai ‘kontaminan baru muncul’, mikroplastik adalah polutan yang baru diakui sebagai demikian sejak tahun 1990-an. Baru-baru ini kami mulai membedakan antara mikroplastik, yang berukuran 1 mm – 1 µm, dan nanoplastik, yang bahkan lebih kecil dari 1 µm.

Nanopartikel begitu kecil sehingga tidak dapat dilihat dengan mata telanjang; mereka sebenarnya lebih kecil dari diameter rambut manusia rata-rata. Ukuran yang sangat kecil ini memberi mereka kemampuan luar biasa untuk menembus membran biologis.

Nanoplastik ini tidak hanya dibuat secara sengaja—biasanya untuk digunakan sebagai bahan pengisi murah dan ditemukan dalam kosmetik, pasta gigi, serta produk perawatan kulit—tetapi juga merupakan hasil dari puing plastik yang terurai menjadi partikel-partikel kecil. Mengingat volume puing plastik di lingkungan, yang diproyeksikan mencapai 12 miliar ton pada tahun 2050, hal ini menjadi sumber kekhawatiran.

Belum lagi, struktur molekul plastik membuatnya sangat tahan lama, sehingga menjadi bahan menarik untuk berbagai produk. Namun, hal ini juga berarti limbah plastik tetap berada di lingkungan untuk waktu yang lama. Plastik tidak terdegradasi; melainkan, ia terurai.

Proses penguraian ini terjadi dalam beberapa cara, termasuk fragmentasi, proses seluler, radiasi ultraviolet, dan gaya air. Akibatnya, plastik terus bertahan dan terurai menjadi potongan yang lebih kecil selama beberapa dekade. Misalnya, sepotong kecil polietilena dapat terurai menjadi sekitar 1.500 mikropartikel atau 150.000 partikel nanoplastik seiring waktu.

Semakin kecil partikel, semakin besar masalahnya. Hal ini karena nanopartikel dapat dengan mudah menembus sel tubuh kita. Perkiraan menunjukkan bahwa kita mengonsumsi hingga 5 gram mikroplastik setiap minggu. Sementara itu, sebuah studi yang dipimpin oleh seorang mahasiswa pascasarjana kimia di Columbia University menggunakan mikroskopi Raman scattering terstimulasi menemukan bahwa 90% partikel dalam merek air populer di AS adalah nanoplastik, yang sebagian besar terdiri dari poliester tereftalat (PET) dan poliamida.

Selain itu, partikel nanoplastik ini memiliki sifat seperti fleksibilitas serta ketahanan terhadap suhu dan korosi, menjadikannya lebih berbahaya bagi lingkungan daripada yang diperkirakan sebelumnya.

Seperti yang kami laporkan sebelumnya, ukuran kecil mereka juga memudahkan ditelan oleh satwa liar dan masuk ke rantai makanan. Pergerakan lingkungan nanoplastik melalui rantai makanan ini menciptakan toksisitas yang signifikan pada makhluk hidup. 

Pada tanaman, partikel kecil ini dapat menembus dinding sel mereka dan tertanam dalam jaringan, yang dapat menimbulkan konsekuensi negatif bagi keamanan pangan dan fungsi ekologi.

Pada manusia, nanoplastik terkait dengan penyakit kardiovaskular dan pernapasan. Sebuah studi melaporkan penemuan polietilena dalam plak arteri karotid pada 150 pasien. Selain itu, pasien yang memiliki mikroplastik dan nanoplastik dalam ateroma (plak) ditemukan memiliki risiko lebih tinggi mengalami kombinasi infark miokard, stroke, atau kematian karena penyebab apapun.

Dampak negatif nanoplastik lebih melibatkan peradangan, imunotoksisitas, penghambatan pertumbuhan, kerusakan oksidatif, dan perubahan kemampuan perilaku. Faktanya, mikroplastik terdeteksi bahkan di plasenta manusia. Ini menunjukkan betapa meratanya polusi buatan manusia ini dan betapa berbahayanya bagi kesehatan kita. 

Mengingat efek jangka pendek dan jangka panjangnya pada makhluk hidup, partikel nanoplastik telah menjadi kekhawatiran besar. Namun, ukuran kecil nanoplastik berarti metode eliminasi umum seperti oksidasi atau filtrasi tidak cocok untuk mengatasinya.

Solusi Baru untuk Menghilangkan Nanoplastik dari Air

Baru-baru ini, ilmuwan dari University of Missouri berhasil menghilangkan nanoplastik dari air dengan efisiensi lebih dari 98%.

Studi yang diterbitkan dalam ACS Applied Engineering Materials bulan ini bertujuan mengembangkan solusi biaya-efektif untuk menghilangkan partikel kecil ini sehingga kita dapat memiliki air bersih, yang masih menjadi tantangan. Untuk mencapai hasil ini, peneliti dari Mizzou University menciptakan solusi berbasis cairan yang dapat menghilangkan sebagian besar partikel plastik mikroskopis ini dari air. Menurut pemimpin studi, Piyuni Ishtaweera, seorang alumni yang melakukan studi ini sambil meraih gelar doktor dalam kimia nano dan material di Mizzou:

“Nanoplastik dapat mengganggu ekosistem perairan dan masuk ke rantai makanan, menimbulkan risiko bagi satwa liar dan manusia.”

Dia kini bekerja di US Food and Drug Administration (FDA) di St. Louis. Dia menambahkan:

“Dalam istilah sederhana, kami mengembangkan cara yang lebih baik untuk menghilangkan kontaminan seperti nanoplastik dari air.”

Metode baru ini melibatkan penggunaan pelarut yang menolak air, yang dibuat dari bahan alami, aman, dan tidak beracun. Selain itu, kemampuan mereka menolak air, yang membantu mencegah kontaminasi lebih lanjut pada sumber air, menjadikannya “solusi sangat berkelanjutan”.

Ini bekerja dengan membiarkan pelarut mengapung di permukaan air, seperti minyak. Namun, setelah pelarut dicampur dengan air dan dibiarkan terpisah kembali, ia mengapung kembali ke permukaan dan membawa nanoplastik dalam struktur molekulnya.

Tim peneliti menguji metode inovatif mereka pada lima ukuran nanoplastik yang berbeda berdasarkan polistirena, sebuah polimer yang digunakan untuk membuat berbagai produk konsumen, termasuk gelas Styrofoam, yang menyumbang 25-35% dari semua limbah tempat pembuangan. Dunia menghasilkan lebih dari 14 juta ton Styrofoam setiap tahun, dengan warga Amerika saja membuang sekitar 25 miliar gelas Styrofoam setiap tahun.

Hasil studi Mizzou melampaui studi sebelumnya, yang utama berfokus pada satu ukuran partikel plastik.

Sekarang, untuk menghilangkan pelarut yang dipenuhi nanoplastik, peneliti menggunakan pipet di laboratorium, yang meninggalkan air bersih bebas plastik. Ini dilakukan dalam skala kecil, tetapi di masa depan, ide tersebut adalah memperbesar seluruh proses sehingga metode ini dapat diterapkan pada badan air besar, dimulai dari danau dan akhirnya ke laut. Metode baru ini efektif tidak hanya di air tawar tetapi juga di air asin.

Menurut penulis korespondensi studi tersebut, Gary Baker, yang merupakan profesor associate di Departemen Kimia di Mizzou:

“Strategi kami menggunakan sejumlah kecil pelarut khusus untuk menyerap partikel plastik dari volume air yang besar.”

Namun, kapasitas pelarut belum dipahami sepenuhnya, catat Baker, yang menambahkan bahwa dalam penelitian mereka di masa depan, mereka akan berusaha menentukan hal ini — kapasitas maksimum pelarut. Selain itu, mereka akan mengeksplorasi cara mendaur ulang pelarut sehingga dapat digunakan berulang kali “beberapa kali jika diperlukan.”

Secara keseluruhan, solusi inovatif ini menawarkan solusi praktis untuk masalah kritis sekaligus membuka jalan bagi penelitian dan pengembangan lebih lanjut dalam teknologi pemurnian air canggih.

“Dari perspektif ilmiah, menciptakan metode penghilangan yang efektif mendorong inovasi dalam teknologi filtrasi, memberikan wawasan tentang perilaku nanomaterial, dan mendukung pengembangan kebijakan lingkungan yang berinformasi.”

– Ishtaweera

Pendekatan Inovatif Lainnya terhadap Pencemaran Nanoplastik

Nanoplastik telah menarik banyak perhatian selama beberapa tahun terakhir dan dengan alasan yang tepat. Seperti yang kami jelaskan di atas, kecenderungan mereka menyebar di seluruh lingkungan dan mengancam semua organisme perlu menjadi prioritas. Hal ini terutama penting karena nanopartikel ini meloloskan prosedur konvensional untuk menghilangkan partikel makro- dan mikro-plastik, sehingga terus meningkat di air dan memengaruhi masyarakat. 

Selama bertahun-tahun, beberapa metode telah diuji coba untuk menawarkan solusi efektif menghilangkan nanopartikel tertentu. Ini termasuk fotokatalisis, pemisahan membran dengan reaktor, dan degradasi berbasis mikroorganisme, selain prosedur tradisional seperti sedimentasi gravitasi, flokulasi, dan sentrifugasi.

Filtrasi dengan koagulasi sebenarnya telah ditemukan memberikan efisiensi lebih dari 99% dalam menghilangkan nanoplastik dari air minum. Namun, tentu saja, masih ada keterbatasan terkait skalabilitas solusi, pengelolaan residu, dan efektivitas terbatas untuk berbagai jenis nanoplastik.

Jadi, mari memeriksa beberapa pendekatan yang diperkenalkan selama bertahun-tahun untuk mengatasi masalah ini yang mengancam kehidupan manusia.

Salah satu metode tersebut menggunakan kerangka logam-organik berbasis kromium untuk menghilangkan nanoplastik polistirena (PSNP). Untuk ini, Cr-MOF disintesis melalui metode hidrotermal menggunakan nitrat kromium dan asam tereftalat, yang memberikan peneliti efisiensi penghilangan 96%.

Beberapa tahun lalu, peneliti di FAU menggunakan magnet untuk menghilangkan berbagai ukuran dan jenis partikel plastik. Dalam demonstrasi, peneliti menggunakan SPION, nanopartikel non-toksik yang dirancang untuk berikatan dengan permukaan plastik membentuk aglomerat. Kemudian aglomerat ini dikumpulkan menggunakan magnet, berkat lapisan khusus dengan besi oksida. SPION ini berdiameter sekitar 30 nm dan berfungsi seperti lem. Lebih penting lagi, fungsi permukaan SPION dapat disesuaikan untuk terhubung dengan jenis plastik tertentu. 

Peneliti dari Korea Institute of Science and Technology (KIST) di sisi lain menggunakan ‘Prussian blue’ untuk menyelesaikan tugas ini. Menariknya, zat yang sama digunakan untuk mewarnai jeans menjadi biru tua. Jadi, dengan mengembangkan flokulan padat, studi berhasil mengumpulkan nanoplastik secara efektif di bawah iradiasi cahaya tampak. Metode ini dapat menghilangkan 99% mikroplastik dan membersihkan cesium radioaktif tanpa memerlukan peralatan tambahan, hanya menggunakan flokulan saja.

Beberapa bulan lalu, peneliti di University of Waterloo juga memperkenalkan cara baru. Mereka menggunakan epoksi untuk menghilangkan nanoplastik berbahaya dengan efisiensi 94%. Polimer limbah ini, yang tidak dapat diproses ulang dan cenderung masuk ke jaringan sistem air, diubah menjadi karbon aktif oleh tim dan kemudian digunakan untuk mengolah air yang terkontaminasi.

Tizazu Mekonnen, seorang profesor di Waterloo Chemical Engineering yang memimpin penelitian, berkata:

“Untuk mengakhiri krisis limbah plastik dan mengurangi dampak lingkungan dari produksi plastik, kita perlu menerapkan pendekatan ekonomi sirkular yang mempertimbangkan setiap tahap perjalanan plastik.”

Dia juga berencana menerapkan prosedur ini pada jenis plastik dan kontaminan lain serta memperbesarnya di fasilitas pengolahan air limbah kota.

Bahkan kecerdasan buatan (AI), yang mengubah industri, sedang dimanfaatkan oleh peneliti untuk mengatasi masalah nanopartikel. Tim peneliti dari University of Waterloo menciptakan alat AI bernama PlasticNet yang memanfaatkan pembelajaran mendalam dan spektroskopi untuk mengidentifikasi “sidik jari” unik partikel ini. 

PlasticNet telah terbukti menjadi alat yang berhasil di sebuah instalasi pengolahan air limbah lokal, di mana ia menunjukkan peningkatan deteksi dan penghilangan mikroplastik.

Mengingat toksisitas nanopartikel ini, identifikasi yang akurat mengenai jenisnya sangat penting. Bagaimanapun, tidak semua plastik sama; mereka dapat berupa polietilena, Teflon, polistirena, polivinil klorida, dan lainnya. 

Standar internasional merekomendasikan mikroskopi elektron (EM) untuk identifikasi. EM menghasilkan gambar nanopartikel, memungkinkan identifikasi berdasarkan ukuran. Namun, analisis gambar otomatis menjadi bermasalah ketika partikel hadir sebagai agregat atau memiliki bentuk kompleks.

Jadi, sebuah metode yang ditingkatkan telah dibuat untuk membantu industri nanomaterial serta lembaga perlindungan lingkungan dan kesehatan. Dengan mengintegrasikan fungsi pembelajaran mesin AI, alat perangkat lunak POLLEN Metrology kini dapat “mengidentifikasi secara akurat ribuan gambar NP dalam beberapa detik secara otomatis dan tidak subjektif.” Suite perangkat lunak Smart3 diperkirakan akan membantu mempercepat identifikasi nanopartikel yang berpotensi berbahaya.

Selain semua penelitian, bahkan organisasi berusaha menemukan cara dan mengembangkan teknologi untuk mengatasi masalah nanoplastik. 

Misalnya, Polymateria adalah perusahaan yang membuat plastik biodegradable inovatif sehingga tidak akan ada mikroplastik dan nanoplastik sejak awal. 

PureCycle Technologies (PCT ) telah mengambil pendekatan serupa untuk secara tidak langsung mengurangi polusi nanoplastik. Perusahaan, yang menutup Q2 2024 dengan $10,9 juta kas tak terbatas, berfokus pada daur ulang plastik dengan menciptakan polipropilena daur ulang berkemurnian tinggi. 

Teknologi daur ulang polipropilena yang mengubah permainan ini terdiri dari tujuh tahap proses, termasuk pelelehan dan filtrasi (Polymer Extruder dan Polymer Filter), ekstraksi (Polymer/Solvent Mixer dan Extraction Column), pencampuran dan pengendapan (Polymer Mixer dan Large Particle Settler), filtrasi (Candle Filters), pemurnian (Columns), pemisahan (Polypropylene/Solvent dan Product Decanter), serta Extruding & Pelletizing (Polymer Extruder dan Polymer Pelletizer).

Ada juga upaya seperti Ocean CleanUp yang menghilangkan plastik dari lautan dan menyelidiki metode untuk menangkap partikel plastik kecil dari badan air besar. Sementara itu, Anfiro sedang mengembangkan membran filtrasi canggih untuk menghilangkan berbagai kontaminan, termasuk mikroplastik dan nanoplastik. 

Wasser3.0 adalah proyek yang menjadi perusahaan yang menggunakan pusaran dan gel silika hibrida khusus untuk menghilangkan nanopartikel. Senyawa ini, Wasser 3.0 PE-X, berfungsi sebagai agen penggumpalan untuk mengumpulkan mikroplastik menjadi gumpalan, yang naik ke permukaan dan disaring menggunakan saringan. 

Masih banyak perusahaan dan proyek serupa yang bekerja menciptakan solusi yang lebih baik, biaya-efektif, dan lebih maju untuk menghilangkan nanopartikel serta menghapusnya sepenuhnya dari ekosistem kita dengan fokus pada skalabilitas.

Kesimpulan

Dengan tempat pembuangan akhir dan pantai laut dipenuhi barang plastik, nanoplastik (lebih kecil dari 0,001 mm) telah menjadi tersebar luas dan, akibatnya, menjadi bahaya bagi tanaman, burung, makhluk hidup laut, dan manusia. Paparan nanopartikel telah ditemukan memiliki efek negatif pada makhluk hidup, menjadi kekhawatiran bagi lingkungan dan menciptakan kebutuhan mendesak untuk mengatasi musuh baru ini terhadap kesehatan manusia.

Akibatnya, peneliti dan organisasi telah mengeksplorasi berbagai cara non-tradisional untuk menghilangkan partikel kecil ini, yang dikenal karena ketahanannya. Namun, semua percobaan ini masih terbatas pada laboratorium, dan kami belum menemukan solusi yang dapat diskalakan.

Namun, metode baru ini merupakan langkah signifikan ke arah yang benar, menangani masalah luas pencemaran nanoplastik. Juga, mengingat perhatian yang diberikan pada isu ini dan kemajuan yang kami lihat, kami dapat mengharapkan solusi dalam waktu dekat yang dapat diterapkan secara skala dan efektif untuk menyediakan air bersih dan ekosistem yang lebih sehat bagi kita.