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ミズーリ大学の科学者たち、ナノプラスチック除去で98%の成功率を達成
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近年、マイクロプラスチックへの認識が劇的に高まってきました、それにより科学者や研究者はそれらを除去する方法の調査を始めています。
マイクロプラスチックは至る所に存在し、海の深部でもほとんど気付かれずに蓄積しています。海洋、極地、淡水生態系を汚染するだけでなく、ナノプラスチックは土壌にも広がり汚染しています。人間の食生活に不可欠な植物や水生システムも影響を受けています。
『新興汚染物質』として分類されるマイクロプラスチックは、1990年代になって初めて汚染物質として認識されました。最近になって、サイズが1 mm〜1 µmのマイクロプラスチックと、1 µm未満のナノプラスチックを区別し始めました。
ナノ粒子は非常に小さく、肉眼では見ることができません; 実際には平均的な人間の髪の直径よりも小さいです。この極小サイズにより、生体膜を透過する能力が非常に高くなります。
これらのナノプラスチックは、意図的に作られたわけではなく—通常は安価な充填材として使用され、化粧品、歯磨き粉、スキンケア製品に見られます—それらはプラスチック破片が微小な粒子に分解された結果でもあります。環境中のプラスチック破片の量は、2050年までに120億トンに達すると予測されており、これは懸念すべき事態です。
さらに、プラスチックの分子構造は非常に安定しており、さまざまな製品の成分として魅力的です。しかし、これはプラスチック廃棄物が環境中に長期間残留することを意味します。プラスチックは分解されず、むしろ細断します。
この細断は、破砕、細胞プロセス、紫外線、そして水の力など、さまざまな方法で起こります。その結果、プラスチックは何十年も持続し、より小さな破片に分解され続けます。例えば、ポリエチレンの小片は時間とともに約1,500個の微粒子または150,000個のナノプラスチック粒子に分解されます。
粒子が小さくなるほど問題は大きくなります。ナノ粒子は人体の細胞に容易に侵入できるためです。推定では、私たちは毎週最大5グラムのマイクロプラスチックを摂取しているとされています。一方、コロンビア大学の大学院生が刺激ラマン散乱顕微鏡を用いて調査したところ、米国の人気水ブランドの粒子の90％がナノプラスチックであり、主にポリエチレンテレフタレート（PET）とポリアミドで構成されていることが分かりました。
さらに、これらのナノプラスチック粒子は柔軟性や耐熱・耐腐食性を持ち、環境に対する危険性が以前考えられていたよりも高いことが判明しています。
以前に報告したように、その小ささは野生動物が摂取しやすくし、食物連鎖に入ることを容易にします。このナノプラスチックの食物連鎖を通じた環境移動は、生物に対して重大な毒性をもたらします。
植物において、これらの微小粒子は細胞壁を貫通し組織内に埋め込まれることがあり、食の安全性や生態機能に悪影響を及ぼす可能性があります。
人間において、ナノプラスチックは心血管疾患や呼吸器疾患と関連しています。ある研究では、150人の患者の頸動脈プラークにポリエチレンが発見されました。さらに、プラーク（アテローム）にマイクロプラスチックとナノプラスチックが含まれていた患者は、心筋梗塞、脳卒中、またはあらゆる原因による死亡の複合リスクが高いことが判明しました。
ナノプラスチックの負の影響は、炎症、免疫毒性、成長阻害、酸化損傷、行動能力の変化を含みます。実際、マイクロプラスチックは人間の胎盤でも検出されています。 これはこの人工的な汚染がいかに広範であり、私たちの健康にどれほど有害であるかを示しています。
短期的および長期的な影響を考えると、ナノプラスチック粒子は大きな懸念となっています。しかし、その極小サイズのため、酸化やろ過といった一般的な除去方法は適用できません。
水中のナノプラスチック除去の新たな解決策
最近、ミズーリ大学の科学者たちは、ナノプラスチックを水から除去することに、98%以上の効率で成功しました。
今月ACS Applied Engineering Materialsに掲載されたこの研究は、これらの微小粒子を除去し、清浄な水を得るためのコスト効果の高い解決策を開発することを目的としています。研究者らは、Mizzou大学で液体ベースの溶剤を作成し、水中の大部分の微小プラスチック粒子を除去できました。研究リーダーのPiyuni Ishtaweera氏（Mizzouでナノ・材料化学の博士号取得中の卒業生）によれば、
「ナノプラスチックは水生生態系を乱し、食物連鎖に入り込み、野生生物と人間の両方にリスクをもたらす可能性があります。」
彼女は現在、セントルイスの米国食品医薬品局（FDA）で働いています。彼女は付け加えました：
「一般的な言葉で言えば、私たちはナノプラスチックなどの汚染物質を水から除去するより良い方法を開発しています。」
この新しい方法は撥水性溶剤を使用することで、自然由来で安全かつ無毒な成分から作られています。さらに、水をはじく能力により水源のさらなる汚染を防ぎ、「高度に持続可能な解決策」となります。
この方法は、溶剤が油のように水面に浮かぶことで機能します。しかし、溶剤が水と混合され再分離させると、再び表面に浮かび上がり、分子構造内にナノプラスチックを取り込んで運び出します。
研究チームは、発泡スチロールカップなどの消費財に使用され、埋立ごみの25-35%を占めるポリスチレンに基づく5つの異なるナノプラスチック測定でこの革新的な方法をテストしました。世界では年間1,400万トン以上の発泡スチロールが生産され、米国だけでも年間約250億個の発泡スチロールカップが廃棄されています。
Mizzouの研究結果は、従来の研究が主に単一サイズのプラスチック粒子に焦点を当てていたのに対し、優れた成果を示しました。
現在、ナノプラスチックを含む溶剤を除去するために、研究者は実験室でピペットを使用し、プラスチックフリーの清浄な水を残しました。これは小規模で行われましたが、将来的にはこのプロセス全体を拡大し、湖から始めて最終的に海へと適用できるようにすることが目指されています。この新しい方法は淡水だけでなく塩水でも有効です。
研究の共同著者であるMizzou化学部准教授のGary Baker氏によれば：
「私たちの戦略は、少量の設計溶剤を使用して大量の水からプラスチック粒子を吸着させることです。」
しかし、溶剤の容量はまだ十分に解明されていないとBaker氏は指摘し、将来の研究では正確に—すなわち溶剤の最大容量—を明らかにすることを目指すと付け加えました。さらに、必要に応じて「何度でも」再利用できるように溶剤のリサイクル方法も検討します。
全体として、この革新的な解決策は重要な課題に対する実用的な解決策を提供し、先進的な水浄化技術のさらなる研究開発への道を開きます。
「科学的観点から見ると、効果的な除去方法の創出はろ過技術の革新を促し、ナノ材料の挙動に関する洞察を提供し、情報に基づく環境政策の策定を支援します。」
– Ishtaweera
ナノプラスチック汚染に対するその他の革新的アプローチ
ナノプラスチックは過去数年間で大きな注目を集めており、正当な理由があります。上記で詳述したように、環境中に拡散しすべての生物に脅威を与える傾向があるため、優先的に対処すべきです。これらのナノ粒子は従来のマクロ・マイクロプラスチック除去手法を回避し続け、水中で増加し社会に影響を与えているため、特に重要です。
これまでに、特定のナノ粒子を除去する効果的な解決策を提供するために、さまざまな方法が実験されてきました。これらには、光触媒、リアクター付き膜分離、微生物による分解が含まれ、従来の重力沈降、凝集、遠心分離といった手法もあります。
凝集を伴うろ過は、飲料水からナノプラスチックを除去する際に99％以上の効率を示すことが実際に発見されています。しかし、スケーラビリティ、残留物管理、異なる種類のナノプラスチックに対する効果の限界といった課題は依然として残ります。
それでは、これまでに提案されたいくつかのアプローチを検討しましょう 人類の生命を脅かす 問題。
そのような方法の一つは、クロムベースの金属有機フレームワーク（Cr-MOF）を使用してポリスチレンナノプラスチック（PSNP）を除去することです。このために、クロム硝酸塩とテレフタル酸を用いた水熱法でCr-MOFを合成し、研究者は96%の除去効率を得ました。
実証実験では、研究者はSPIONと呼ばれる、プラスチック表面と結合して凝集体を形成する無毒ナノ粒子を使用しました。これらは鉄酸化物で特別にコーティングされ、磁石で回収されました。SPIONは直径約30 nmで、接着剤のように機能しました。さらに、SPIONの表面機能は特定のプラスチックに合わせて調整可能でした。
韓国科学技術院（KIST）の研究者は、プルシアンブルーを使用してこの課題に取り組みました。興味深いことに、同じ物質はジーンズを濃い青色に染めるために使用されます。そのため、固体凝集剤を開発し、研究は可視光照射下でナノプラスチックを効果的に収集できました。この方法は、マイクロプラスチックの99%除去と放射性セシウムの除去を、追加装置なしでフロック剤だけで実現しました。
数か月前、ウォータールー大学の研究者は新しい方法を導入しました。彼らはエポキシ樹脂を使用して有害なナノプラスチックを除去し、94%の効率を達成しました。この廃棄ポリマーは、再加工できず水系ネットワークに流入しやすいため、チームはそれを活性炭に変換し、汚染水の処理に使用しました。
ウォータールー大学化学工学の教授でこの研究を主導したTizazu Mekonnen氏は次のように述べました：
「プラスチック廃棄物危機を終わらせ、プラスチック生産の環境影響を減らすためには、プラスチックのライフサイクル全体を考慮した循環型経済アプローチを実施する必要があります。」
彼女はこの手法を他の種類のプラスチックや汚染物質にも適用し、自治体の下水処理施設で規模拡大することを目指しています。
人工知能（AI）は産業を変革しているだけでなく、研究者がナノ粒子問題に取り組むためにも活用されています。ウォータールー大学の研究チームはPlasticNetというAIツールを作成し、ディープラーニングと分光法を利用してこれらの粒子の独自の「指紋」を特定しています。
PlasticNetは、地方の下水処理プラントで成功したツールであることが示され、マイクロプラスチックの検出と除去が強化されました。
これらのナノ粒子の毒性を考えると、正確な種類の特定が不可欠です。結局のところ、すべてのプラスチックが同じではなく、ポリエチレン、テフロン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルなどがあります。
国際標準は、同定のために電子顕微鏡（EM）を推奨しています。EMはナノ粒子の画像を生成し、サイズに基づいて同定できます。しかし、粒子が集合体として存在したり形状が複雑な場合、自動画像解析は問題になります。
したがって、改良された手法がナノ材料産業や環境・健康保護機関を支援するために作成されました。AI機械学習機能を組み込むことで、POLLEN Metrologyのソフトウェアツールは「数千のNP画像を数秒で自動かつ主観的でない方法で正確に識別」できるようになりました。Smart3ソフトウェアスイートは、潜在的に有害なナノ粒子の同定を迅速化することが期待されています。
研究だけでなく、組織もナノプラスチック問題に取り組む技術の開発に努めています。
例えば、Polymateriaは、最初からマイクロプラスチックやナノプラスチックが発生しないように、革新的な生分解性プラスチックを製造しています。
PureCycle Technologies (PCT ) も同様のアプローチで、ナノプラスチック汚染を間接的に削減しています。同社は2024年第2四半期に1,090万ドルの無制限現金を保有し、高純度リサイクルポリプロピレンの製造に注力しています。
その画期的なポリプロピレンリサイクル技術は、溶解と濾過（ポリマーエクストルーダーとポリマーフィルター）、抽出（ポリマー/溶媒ミキサーと抽出カラム）、混合と沈降（ポリマーミキサーと大型粒子沈降装置）、濾過（キャンドルフィルター）、精製（カラム）、分離（ポリプロピレン/溶媒と製品デカンター）、そして押出・ペレット化（ポリマーエクストルーダーとポリマーペレット化装置）という7つの工程で構成されています。
Ocean CleanUpのような取り組みも、海のプラスチック除去と大規模な水体から小さなプラスチック粒子を捕獲する方法を調査しています。一方、Anfiroはマイクロプラスチックやナノプラスチックを含む幅広い汚染物質を除去する高度なろ過膜を開発しています。
Wasser3.0は、渦流と特別に設計されたハイブリッドシリカゲルを使用してナノ粒子を除去するプロジェクトから会社へと転身しました。この化合物Wasser 3.0 PE-Xは、ナノ粒子を凝集させて塊にし、表面に浮上させ、ふるいで取り除くことができます。
このような企業やプロジェクトは多数あり、より良く、コスト効果が高く、先進的なナノ粒子除去ソリューションの開発に取り組んでおり、スケーラビリティを重視しています。
結論
埋立地や海岸のビーチがプラスチックで覆われる中、0.001 mm未満のナノプラスチックは遍在し、結果として植物、鳥類、海洋生物、そして人間に危険をもたらしています。ナノ粒子への曝露は生物に対して負の影響があることが判明しており、環境への懸念となり、この新たな人類の健康敵を解決する緊急の必要性が生じています。
その結果、研究者や組織はこれらの持続性で知られる微小粒子を除去するために、さまざまな非従来型の方法を模索しています。しかし、これらの実験は現在のところラボに限定されており、スケーラブルな解決策はまだ見つかっていません。
しかし、これらの新しい方法は正しい方向への重要な一歩であり、広範なナノプラスチック汚染問題に対処しています。また、この問題への関心と我々が見ている進展を考えると、近い将来、規模で適用可能かつ効果的に清浄な水とより健康な生態系を提供できる解決策が得られると期待できます。
