Scienziati dell’Università del Missouri Decifrano il Codice per la Rimozione dei Nanoplastiche con il 98% di Successo

Negli ultimi anni, la consapevolezza delle microplastiche è aumentata drasticamente, spingendo scienziati e ricercatori a indagare modi per eliminarle. 

Le microplastiche sono ovunque, comprese le profondità dell’oceano, dove si accumulano quasi inosservate. Oltre a inquinare gli ecosistemi marini, polari e d’acqua dolce, le nanoplastiche si stanno anche diffondendo e contaminando il suolo. Sia le piante che i sistemi acquatici, componenti essenziali della dieta umana, ne sono colpiti.

Classificate come ‘contaminanti emergenti’, le microplastiche sono inquinanti riconosciuti come tali solo dagli anni ’90. È solo di recente che abbiamo iniziato a distinguere tra microplastiche, di dimensioni comprese tra 1 mm e 1 µm, e nanoplastiche, ancora più piccole di 1 µm.

Le nanoparticelle sono così piccole da non poter essere viste a occhio nudo; sono in realtà più piccole del diametro di un capello umano medio. Questa dimensione minuscola conferisce loro una capacità eccezionalmente elevata di permeare le membrane biologiche.

Queste nanoplastiche non sono solo prodotte deliberatamente — solitamente per l’uso in materiali di riempimento economici e presenti in cosmetici, dentifrici e prodotti per la cura della pelle — ma sono anche il risultato di detriti plastici che si frantumano in particelle minuscole. In considerazione del volume di detriti plastici nell’ambiente, previsto raggiungere i 12 miliardi di tonnellate entro il 2050, ciò è motivo di preoccupazione.

Per non parlare del fatto che la struttura molecolare delle plastiche le rende altamente persistenti, il che le rende un ingrediente attraente per vari prodotti. Tuttavia, ciò significa anche che i rifiuti plastici rimangono nell’ambiente per molto tempo. La plastica non si decompone; piuttosto, si disintegra.

Questa disintegrazione avviene in diversi modi, tra cui frammentazione, processi cellulari, radiazione ultravioletta e la forza dell’acqua. Di conseguenza, la plastica ha continuato a persistere e a frammentarsi in pezzi più piccoli per decenni. Per esempio, un piccolo frammento di polietilene può disintegrarsi in circa 1.500 microparticelle o 150.000 particelle nanoplastiche nel tempo.

Più piccole sono le particelle, più grande è il problema. Questo perché le nanoparticelle possono penetrare facilmente le cellule del nostro corpo. Le stime suggeriscono che consumiamo fino a 5 grammi di microplastiche ogni settimana. Nel frattempo, uno studio guidato da una studentessa laureata in chimica presso la Columbia University ha utilizzato la microscopia a scattering Raman stimolato per scoprire che il 90 % delle particelle nelle marche d’acqua statunitensi più popolari sono nanoplastiche, prevalentemente composte da polietilene tereftalato (PET) e poliammide.

Inoltre, queste particelle nanoplastiche possiedono proprietà come flessibilità e resistenza a temperatura e corrosione, rendendole più pericolose per l’ambiente di quanto si pensasse.

Come abbiamo riportato in precedenza, la loro piccola dimensione facilita anche l’ingestione da parte della fauna selvatica e l’ingresso nella catena alimentare. Questo spostamento ambientale delle nanoplastiche attraverso la catena alimentare genera una tossicità significativa negli organismi viventi.

Nelle piante, queste minuscole particelle possono penetrare la parete cellulare per incorporarsi nel tessuto, il che può comportare conseguenze negative per la sicurezza alimentare e la funzione ecologica.

Negli esseri umani, le nanoplastiche sono associate a malattie cardiovascolari e respiratorie. Uno studio ha riportato la scoperta di polietilene nella placca dell’arteria carotide in 150 pazienti. Inoltre, i pazienti che presentavano microplastiche e nanoplastiche nella loro ateroma (placca) sono risultati a maggior rischio di avere una combinazione di infarto miocardico, ictus o morte per qualsiasi causa.

Gli effetti negativi delle nanoplastiche includono inoltre infiammazione, immunotossicità, inibizione della crescita, danni ossidativi e cambiamenti nella capacità comportamentale. Infatti, le microplastiche sono rilevate anche nella placenta umana. Questo dimostra quanto sia pervasiva questa inquinamento artificiale e quanto sia dannosa per la nostra salute.

Considerati i loro effetti sia a breve che a lungo termine sugli esseri viventi, le particelle nanoplastiche sono diventate una grande preoccupazione. Tuttavia, la loro piccola dimensione rende i metodi di eliminazione comuni come l’ossidazione o la filtrazione non adatti a contrastarle.

Una Soluzione Innovativa per Rimuovere le Nanoplastiche dall’Acqua

Di recente, gli scienziati dell’Università del Missouri sono riusciti a rimuovere le nanoplastiche dall’acqua con più del 98 % di efficienza.

Lo studio pubblicato questo mese su ACS Applied Engineering Materials mira a sviluppare una soluzione economica per eliminare queste minuscole particelle, così da ottenere acqua pulita, che rimane una sfida. Per raggiungere questo risultato, i ricercatori dell’Università di Mizzou hanno creato una soluzione liquida in grado di rimuovere la stragrande maggioranza di queste particelle plastiche microscopiche dall’acqua. Secondo la responsabile dello studio, Piyuni Ishtaweera, un’alumna che ha condotto la ricerca mentre conseguiva il dottorato in chimica nano e dei materiali a Mizzou:

“Le nanoplastiche possono disturbare gli ecosistemi acquatici e entrare nella catena alimentare, comportando rischi sia per la fauna selvatica sia per gli esseri umani.”

Ora lavora presso la Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti a St. Louis. Ha aggiunto:

“In termini semplici, stiamo sviluppando modi migliori per rimuovere contaminanti come le nanoplastiche dall’acqua.”

Questo nuovo metodo prevede l’uso di solventi idrofobici, realizzati con ingredienti naturali, sicuri e non tossici. Inoltre, la loro capacità di respingere l’acqua, che aiuta a prevenire ulteriori contaminazioni delle fonti idriche, li rende una “soluzione altamente sostenibile”.

Questo funziona permettendo al solvente di rimanere sulla superficie dell’acqua, proprio come l’olio. Tuttavia, una volta mescolato con l’acqua e lasciato separare nuovamente, risale in superficie trasportando le nanoplastiche nella sua struttura molecolare.

Il team di ricercatori ha testato il loro metodo innovativo su cinque diverse concentrazioni di nanoplastiche a base di polistirene, un polimero usato per produrre vari prodotti di consumo, inclusi i bicchieri di polistirene espanso, che rappresentano il 25-35% di tutti i rifiuti in discarica. Il mondo produce oltre 14 milioni di tonnellate di polistirene espanso all’anno, con gli americani che da soli buttano via circa 25 miliardi di bicchieri di polistirene all’anno.

I risultati dello studio di Mizzou hanno superato quelli di studi precedenti, che si concentravano principalmente su una singola dimensione di particelle plastiche.

Ora, per rimuovere il solvente carico di nanoplastiche, i ricercatori hanno usato una pipetta in laboratorio, lasciando acqua pulita e priva di plastica. Questo è stato fatto su piccola scala, ma in futuro l’idea è di ampliare l’intero processo affinché il metodo possa essere applicato a grandi corpi d’acqua, iniziando dai laghi e poi passando agli oceani. Il nuovo metodo è efficace non solo in acqua dolce ma anche in acqua salata.

Secondo l’autore corrispondente dello studio, Gary Baker, professore associato del Dipartimento di Chimica di Mizzou:

“La nostra strategia utilizza una piccola quantità di solvente progettato per assorbire le particelle plastiche da un grande volume d’acqua.”

Tuttavia, la capacità dei solventi non è ancora ben compresa, ha osservato Baker, aggiungendo che nelle loro ricerche future mireranno a determinare esattamente questo — la capacità massima del solvente. Inoltre, esploreranno modi per riciclare i solventi in modo che possano essere riutilizzati più volte “se necessario”.

Nel complesso, questa soluzione innovativa offre una risposta pratica a una questione critica, aprendo la strada a ulteriori ricerche e sviluppi nelle tecnologie avanzate di purificazione dell’acqua.

“Da una prospettiva scientifica, creare metodi di rimozione efficaci favorisce l’innovazione nelle tecnologie di filtrazione, fornisce approfondimenti sul comportamento dei nanomateriali e supporta lo sviluppo di politiche ambientali informate.”

– Ishtaweera

Altri Approcci Innovativi all’Inquinamento da Nanoplastiche

Le nanoplastiche hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni e per buone ragioni. Come abbiamo dettagliato sopra, la loro propensione a diffondersi nell’ambiente e a rappresentare una minaccia per tutti gli organismi deve diventare una priorità. Questo è particolarmente importante poiché queste nanoparticelle sfuggono alle procedure convenzionali per rimuovere particelle macro e microplastiche, continuando così ad aumentare nell’acqua e a influenzare la società.

Negli anni, sono stati sperimentati diversi metodi per offrire soluzioni efficaci alla rimozione di specifiche nanoparticelle. Questi includono fotocatalisi, separazione a membrana con reattore e degradazione basata su microrganismi, oltre a procedure tradizionali come sedimentazione gravitazionale, flocculazione e centrifugazione.

La filtrazione con coagulazione è stata trovata in grado di offrire un’efficienza superiore al 99 % nella rimozione delle nanoplastiche dall’acqua potabile. Tuttavia, naturalmente, persistono limitazioni riguardo alla scalabilità della soluzione, alla gestione dei residui e all’efficacia limitata per diversi tipi di nanoplastiche.

Quindi, esaminare alcuni approcci introdotti negli anni per affrontare questo problema che minaccia la vita umana.

Uno di questi metodi ha previsto l’uso di un framework metal-organico a base di cromo per rimuovere le nanoplastiche di polistirene (PSNP). Per questo, il Cr-MOF è stato sintetizzato mediante un metodo idrotermale usando nitrato di cromo e acido tereftalico, offrendo ai ricercatori un’efficienza di rimozione del 96%.

Qualche anno fa, i ricercatori della FAU hanno usato magneti per rimuovere varie dimensioni e tipologie di particelle plastiche. Nella dimostrazione, i ricercatori hanno impiegato SPION, nanoparticelle non tossiche progettate per legarsi alle superfici plastiche formando agglomerati. Questi sono stati poi raccolti con magneti, grazie al rivestimento speciale di ossido di ferro. Gli SPION erano circa 30 nm di diametro e agivano come colla. Ancora più importante, le funzionalità superficiali degli SPION potevano essere regolate per connettersi a specifici tipi di plastica.

I ricercatori del Korea Institute of Science and Technology (KIST) hanno invece utilizzato il ‘blu di Prussia’ per svolgere questo compito. Curiosamente, la stessa sostanza è usata per tingere i jeans di un colore blu intenso. Così, sviluppando un flocculante solido, lo studio è riuscito a raccogliere efficacemente le nanoplastiche sotto irradiazione di luce visibile. Questo metodo è stato in grado di rimuovere il 99 % delle microplastiche e di depurare il cesio radioattivo senza necessità di attrezzature aggiuntive, ma solo con flocculanti.

Qualche mese fa, i ricercatori dell’Università di Waterloo hanno introdotto un metodo innovativo. Hanno usato l’epossidica per rimuovere le nanoplastiche nocive con un’efficienza del 94 %. Questo polimero di scarto, che non può essere riciclato e tende a finire nelle reti idriche, è stato convertito in carbone attivo dal team e poi utilizzato per trattare l’acqua contaminata.

Tizazu Mekonnen, professore di Ingegneria Chimica a Waterloo che ha guidato la ricerca, ha dichiarato:

“Per porre fine alla crisi dei rifiuti plastici e ridurre l’impatto ambientale della produzione di plastica, dobbiamo implementare un approccio di economia circolare che consideri ogni fase del ciclo della plastica.”

Intende anche applicare la procedura ad altri tipi di plastica e contaminanti e scalarla nelle strutture municipali di trattamento delle acque reflue.

Anche l’intelligenza artificiale (IA), che sta trasformando le industrie, viene utilizzata dai ricercatori per affrontare il problema delle nanoparticelle. Un team di ricercatori dell’Università di Waterloo ha creato uno strumento IA chiamato PlasticNet che utilizza deep learning e spettroscopia per identificare le “impronte digitali” uniche di queste particelle.

PlasticNet si è dimostrato uno strumento efficace in un impianto locale di trattamento delle acque reflue, dove ha mostrato un miglioramento nella rilevazione e rimozione delle microplastiche.

Data la tossicità di queste nanoparticelle, è essenziale identificare con precisione i loro tipi. Dopotutto, non tutte le plastiche sono uguali; possono essere polietilene, Teflon, polistirene, cloruro di polivinile e altro.

Gli standard internazionali raccomandano la microscopia elettronica (EM) per l’identificazione. L’EM produce immagini di nanoparticelle, consentendo l’identificazione basata sulla dimensione. Tuttavia, l’analisi automatica delle immagini diventa problematica quando le particelle sono presenti come aggregati o hanno forme complesse.

Quindi, è stato sviluppato un metodo migliorato per aiutare l’industria dei nanomateriali così come le agenzie di protezione ambientale e della salute. Incorporando una funzione di apprendimento automatico IA, lo strumento software di POLLEN Metrology è ora in grado di “identificare accuratamente migliaia di immagini di NP in pochi secondi in modo automatico e non soggettivo”. Si prevede che la suite software Smart3 aiuti ad accelerare l’identificazione di nanoparticelle potenzialmente dannose.

Oltre a tutta la ricerca, anche le organizzazioni stanno cercando di trovare soluzioni e sviluppare tecnologie per affrontare il problema delle nanoplastiche.

Ad esempio, Polymateria è un’azienda che produce plastica biodegradabile innovativa in modo che non ci siano microplastiche e nanoplastiche fin dall’inizio.

PureCycle Technologies (PCT ) ha adottato un approccio simile per ridurre indirettamente l’inquinamento da nanoplastiche. L’azienda, che ha concluso il secondo trimestre del 2024 con 10,9 milioni di dollari di liquidità non vincolata, si concentra sul riciclo della plastica creando polipropilene riciclato ad alta purezza.

La sua tecnologia rivoluzionaria di riciclo del polipropilene comprende sette fasi di processo, tra cui fusione e filtrazione (Estrusore Polimero e Filtro Polimero), estrazione (Miscelatore Polimero/Solvente e Colonna di Estrazione), miscelazione e sedimentazione (Miscelatore Polimero e Sedimentatore di Grandi Particelle), filtrazione (Filtri a Candela), purificazione (Colonne), separazione (Polipropilene/Solvente e Decanter del Prodotto) e Estrusione & Pelletizzazione (Estrusore Polimero e Pelletizzatore Polimero).

Ci sono anche iniziative come Ocean CleanUp che rimuovono la plastica dagli oceani e stanno investigando metodi per catturare piccole particelle di plastica da grandi corpi d’acqua. Nel frattempo, Anfiro sta sviluppando membrane di filtrazione avanzate per rimuovere un’ampia gamma di contaminanti, incluse microplastiche e nanoplastiche.

Wasser3.0 è un altro progetto trasformato in azienda che utilizza un vortice e un gel di silice ibrido appositamente progettato per rimuovere le nanoparticelle. Questo composto, Wasser 3.0 PE-X, funziona come agente di aggregazione per raccogliere le microplastiche in grumi, che poi salgono in superficie e vengono rimosse con un setaccio.

Ci sono molte altre aziende e progetti che lavorano per creare soluzioni migliori, più economiche e più avanzate per eliminare le nanoparticelle e rimuoverle completamente dal nostro ecosistema, con un’attenzione particolare alla scalabilità.

Conclusione

Con discariche e spiagge oceaniche invase da oggetti di plastica, le nanoplastiche (più piccole di 0,001 mm) sono diventate ubiquitarie e, di conseguenza, una minaccia per piante, uccelli, forme di vita oceanica e esseri umani. L’esposizione alle nanoparticelle è stata trovata avere effetti negativi sugli esseri viventi, diventando una preoccupazione per l’ambiente e creando un urgente bisogno di risolvere questo nemico emergente della salute umana.

Di conseguenza, ricercatori e organizzazioni hanno esplorato vari metodi non tradizionali per eliminare queste minuscole particelle, note per la loro persistenza. Tuttavia, tutti questi esperimenti sono finora limitati ai laboratori, e non abbiamo ancora trovato una soluzione scalabile.

Tuttavia, questi nuovi metodi rappresentano un passo significativo nella giusta direzione, affrontando il problema pervasivo dell’inquinamento da nanoplastiche. Inoltre, dato l’interesse che la questione sta suscitando e i progressi che stiamo osservando, possiamo aspettarci di ottenere una soluzione nel prossimo futuro che possa essere applicata su larga scala e in modo efficace per fornirci acqua pulita e ecosistemi più sani.