Universiteit van Missouri-wetenschappers kraken code voor verwijdering van nanoplastics met 98% succes

In de afgelopen jaren is de bewustwording van microplastics dramatisch toegenomen, waardoor wetenschappers en onderzoekers manieren gaan onderzoeken om ze te elimineren. 

Microplastics zijn overal, zelfs in de diepten van de oceaan, waar ze grotendeels onopgemerkt ophopen. Naast het vervuilen van mariene, pool- en zoetwater-ecosystemen, verspreiden nanoplastics zich ook in en vervuilen de bodem. Zowel planten als aquatische systemen, essentiële componenten van het menselijk dieet, worden beïnvloed.

Gekwalificeerd als ‘opkomende verontreinigende stoffen’, zijn microplastics vervuilende stoffen die pas sinds de jaren 1990 als zodanig worden erkend. Pas recent zijn we gaan onderscheiden tussen microplastics, die een grootte hebben van 1 mm – 1 µm, en nanoplastics, die nog kleiner zijn dan 1 µm.

Nanodeeltjes zijn zo klein dat ze met het blote oog niet kunnen worden gezien; ze zijn eigenlijk kleiner dan de diameter van een gemiddeld menselijk haar. Deze minuscule grootte geeft hen een uitzonderlijk hoge capaciteit om biologische membranen te doordringen.

Deze nanoplastics worden niet alleen opzettelijk gemaakt—meestal voor gebruik in goedkoop vulmateriaal en aangetroffen in cosmetica, tandpasta en huidverzorgingsproducten—maar ze zijn ook het resultaat van afbraak van plasticafval tot kleine deeltjes. Gezien het volume van plasticafval in het milieu, dat naar verwachting tegen 2050 12 miljard ton zal bedragen, is dit een zorgpunt.

Niet te vergeten maakt de moleculaire structuur van plastic ze zeer persistent, waardoor ze een aantrekkelijk ingrediënt zijn voor diverse producten. Dit betekent echter ook dat plasticafval lang in het milieu blijft. Plastic ontbindt niet; het desintegreert.

Deze desintegratie gebeurt op verschillende manieren, waaronder fragmentatie, cellulair proces, ultraviolette straling en de kracht van water. Daardoor blijft plastic decennialang bestaan en afbreken tot kleinere stukjes. Een klein stukje polyethyleen kan bijvoorbeeld na verloop van tijd uiteenvallen in ongeveer 1.500 micropartikels of 150.000 nanoplasticdeeltjes.

Hoe kleiner de deeltjes, hoe groter het probleem. Nanodeeltjes kunnen namelijk gemakkelijk de cellen van ons lichaam binnendringen. Schattingen suggereren dat we wekelijks tot 5 gram microplastics consumeren. Ondertussen ontdekte een studie onder leiding van een afgestudeerde chemie‑student aan Columbia University, met behulp van gestimuleerde Raman‑scattering‑microscopie, dat 90 % van de deeltjes in populaire Amerikaanse watermerken nanoplastics zijn, voornamelijk bestaande uit polyethyleentereftalaat (PET) en polyamide.

Bovendien hebben deze nanoplasticdeeltjes eigenschappen zoals flexibiliteit en weerstand tegen temperatuur en corrosie, waardoor ze gevaarlijker voor het milieu zijn dan eerder gedacht.

Zoals we eerder hebben gerapporteerd, maakt hun kleine formaat het ook makkelijker voor hen om door wildlife te worden ingenomen en de voedselketen binnen te dringen. Deze milieu‑beweging van nanoplastics door de voedselketen veroorzaakt aanzienlijke toxiciteit bij levende wezens. 

In planten kunnen deze kleine deeltjes hun celwand doordringen en in het weefsel worden ingebed, wat negatieve consequenties kan hebben voor voedselveiligheid en ecologische functie.

In mensen worden nanoplastics in verband gebracht met cardiovasculaire en respiratoire aandoeningen. Een studie meldde polyethyleen in carotisplaque bij 150 patiënten. Bovendien bleek dat patiënten met micro‑ en nanoplastics in hun atheroom (plaque) een hoger risico hadden op een combinatie van myocardinfarct, beroerte of overlijden aan welke oorzaak dan ook.

De negatieve effecten van nanoplastics omvatten bovendien ontsteking, immunotoxiciteit, groeiremming, oxidatieve schade en veranderingen in gedrag. In feite worden microplastics zelfs in de menselijke placenta gedetecteerd. Dit toont aan hoe alomtegenwoordig deze door de mens gemaakte vervuiling is en hoe schadelijk ze voor onze gezondheid is. 

Gezien zowel de korte‑ als langetermijneffecten op levende wezens, zijn nanoplasticdeeltjes een enorme zorg geworden. De kleine grootte van nanoplastics betekent echter dat gangbare verwijderingsmethoden zoals oxidatie of filtratie niet geschikt zijn om ze aan te pakken.

Een nieuwe oplossing om nanoplastics uit water te verwijderen

Recentelijk slaagden wetenschappers van de University of Missouri erin om nanoplastics uit water te verwijderen met meer dan 98 % efficiëntie.

De studie, deze maand gepubliceerd in ACS Applied Engineering Materials, heeft tot doel een kosteneffectieve oplossing te ontwikkelen om van deze kleine deeltjes af te komen zodat we schoon water kunnen hebben, wat nog steeds een uitdaging blijft. Om dit resultaat te bereiken, hebben onderzoekers van Mizzou University een vloeistofgebaseerde oplossing gecreëerd die het overgrote deel van deze microscopische plasticdeeltjes uit water kan verwijderen. Volgens de studie‑leider Piyuni Ishtaweera, een alumna die dit onderzoek uitvoerde tijdens haar doctoraat in nano‑ en materiaalkunde aan Mizzou:

“Nanoplastics kunnen aquatische ecosystemen verstoren en de voedselketen binnendringen, waardoor zowel wildlife als mensen risico’s lopen.”

Ze werkt nu bij de US Food and Drug Administration (FDA) in St. Louis. Ze voegde toe:

“In gewone mensentaal ontwikkelen we betere methoden om verontreinigingen zoals nanoplastics uit water te verwijderen.”

Deze nieuwe methode maakt gebruik van waterafstotende oplosmiddelen, die zijn gemaakt van natuurlijke, veilige en niet‑toxische ingrediënten. Bovendien maakt hun vermogen om water af te stoten, wat verdere verontreiniging van waterbronnen helpt voorkomen, ze tot een “hoogst duurzame oplossing”.

Dit werkt door het oplosmiddel op het wateroppervlak te laten drijven, net als olie. Zodra het oplosmiddel echter met water wordt gemengd en opnieuw mag scheiden, drijft het terug naar het oppervlak en draagt het nanoplastics binnen zijn moleculaire structuur.

Het onderzoeksteam testte hun innovatieve methode voor vijf verschillende metingen van nanoplastics gebaseerd op polystyreen, een polymeer dat wordt gebruikt om diverse consumentenproducten te maken, waaronder Styrofoam‑bekers, die 25‑35 % van al het stortafval uitmaken. De wereld produceert jaarlijks meer dan 14 miljoen ton Styrofoam, waarbij alleen Amerikanen jaarlijks ongeveer 25 miljard Styrofoam‑bekers weggooien.

De resultaten van de Mizzou‑studie presteerden beter dan eerdere studies, die voornamelijk gericht waren op één enkele grootte van plasticdeeltjes.

Nu, om het met nanoplastics beladen oplosmiddel te verwijderen, gebruikten de onderzoekers een pipet in het laboratorium, waardoor er plasticvrij, schoon water overbleef. Dit werd op kleine schaal uitgevoerd, maar in de toekomst is het idee om het hele proces op te schalen zodat de methode kan worden toegepast op grote waterlichamen, te beginnen met meren en uiteindelijk over te gaan op oceanen. De nieuwe methode is effectief niet alleen in zoet water maar ook in zout water.

Volgens de corresponderende auteur van de studie, Gary Baker, die universitair hoofddocent is in de afdeling Scheikunde aan Mizzou:

“Onze strategie gebruikt een kleine hoeveelheid ontworpen oplosmiddel om plasticdeeltjes uit een groot volume water te absorberen.”

Echter, de capaciteit van de oplosmiddelen is nog niet goed begrepen, merkte Baker op, die toevoegde dat ze in toekomstig onderzoek precies dit — de maximale capaciteit van het oplosmiddel — willen bepalen. Bovendien zullen ze manieren onderzoeken om de oplosmiddelen te recyclen zodat ze opnieuw kunnen worden gebruikt “meerdere keren indien nodig”.

Al met al biedt deze innovatieve oplossing een praktische aanpak voor een cruciaal probleem en effent ze de weg voor verder onderzoek en ontwikkeling van geavanceerde waterzuiveringstechnologieën.

“Vanuit wetenschappelijk perspectief stimuleert het creëren van effectieve verwijderingsmethoden innovatie in filtratietechnologieën, biedt het inzicht in nanomateriaalgedrag en ondersteunt het de ontwikkeling van onderbouwde milieubeleidsmaatregelen.”

– Ishtaweera

Andere innovatieve benaderingen van nanoplasticvervuiling

Nanoplastics trekken de afgelopen jaren veel aandacht en dat is terecht. Zoals hierboven uiteengezet, moet hun neiging om zich door het milieu te verspreiden en een bedreiging voor alle organismen te vormen, een prioriteit worden. Dit is vooral belangrijk omdat deze nanodeeltjes conventionele procedures om macro‑ en micro‑plasticdeeltjes te verwijderen omzeilen, waardoor ze blijven toenemen in water en de samenleving beïnvloeden. 

In de loop der jaren zijn verschillende methoden geëxperimenteerd om effectieve oplossingen te bieden voor het verwijderen van specifieke nanodeeltjes. Deze omvatten fotokatalyse, membraan‑scheiding met een reactor, en micro‑organisme‑gebaseerde afbraak, naast traditionele procedures zoals zwaartekracht‑settling, flocculatie en centrifugatie.

Filtratie met coagulatie is daadwerkelijk gebleken een efficiëntie van meer dan 99 % te bieden bij het verwijderen van nanoplastics uit drinkwater. Maar, uiteraard, blijven er beperkingen bestaan qua schaalbaarheid van de oplossing, residu‑beheer en beperkte effectiviteit voor verschillende typen nanoplastics.

Laten we dus enkele benaderingen onderzoeken die in de loop der jaren zijn geïntroduceerd om dit probleem aan te pakken dat het menselijk leven bedreigt.

Een dergelijke methode maakt gebruik van een chroom‑gebaseerd metal‑organic framework om polystyreen‑nanoplastics (PSNPs) te verwijderen. Hiervoor werd Cr‑MOF gesynthetiseerd via een hydrothermische methode met chroomnitraat en tereftaalzuur, wat onderzoekers een verwijderingsrendement van 96 % bood.

Een paar jaar geleden gebruikten onderzoekers van FAU magneten om verschillende groottes en typen plasticdeeltjes te verwijderen. In de demonstratie gebruikten ze SPIONs, niet‑toxische nanodeeltjes die ontworpen zijn om zich aan plasticoppervlakken te binden en agglomeraten te vormen. Deze werden vervolgens met magneten verzameld, dankzij een speciale coating van ijzeroxide. Deze SPIONs waren ongeveer 30 nm in diameter en functioneerden als lijm. Belangrijker nog, de oppervlakte‑functionaliteiten van SPIONs konden worden aangepast om te binden aan specifieke soorten plastic.

Onderzoekers van het Korea Institute of Science and Technology (KIST) gebruikten intussen ‘Prussian blue’ om deze taak te volbrengen. Interessant genoeg wordt dezelfde stof gebruikt om spijkerbroeken een diepe blauwe kleur te geven. Door een vast flocculant te ontwikkelen, kon de studie nanoplastics effectief verzamelen onder zichtbare lichtbestraling. Deze methode kon 99 % van de microplastics verwijderen en radioactief cesium opruimen zonder extra apparatuur, alleen met flocculanten.

Een paar maanden geleden introduceerden onderzoekers van de University of Waterloo ook een nieuwe aanpak. Ze gebruikten epoxy om schadelijke nanoplastics te verwijderen met een efficiëntie van 94 %. Deze afvalpolymeer, die niet kan worden hergebruikt en de neiging heeft om in waternetwerken terecht te komen, werd door het team omgezet in geactiveerde koolstof en vervolgens gebruikt om het verontreinigde water te behandelen.

Tizazu Mekonnen, professor in de Waterchemical Engineering aan Waterloo die het onderzoek leidde, zei:

“Om de plastic‑afvalcrisis te beëindigen en de milieueffecten van plasticproductie te verminderen, moeten we een circulaire‑economie‑benadering implementeren die elke fase van de plastic‑levenscyclus in overweging neemt.”

Ze is ook van plan de procedure toe te passen op andere soorten plastic en verontreinigingen en deze op te schalen in gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties.

Zelfs kunstmatige intelligentie (AI), die industrieën transformeert, wordt door onderzoekers ingezet om het probleem van nanodeeltjes aan te pakken. Een team van onderzoekers van de University of Waterloo creëerde een AI‑tool genaamd PlasticNet die deep learning en spectroscopie gebruikt om de unieke “vingerafdrukken” van deze deeltjes te identificeren. 

PlasticNet is aangetoond een succesvol instrument te zijn in een lokale afvalwaterzuiveringsinstallatie, waar het verbeterde detectie en verwijdering van microplastics liet zien.

Gezien de toxiciteit van deze nanodeeltjes is nauwkeurige identificatie van hun typen essentieel. Tenslotte zijn niet alle plastics gelijk; ze kunnen polyethyleen, Teflon, polystyreen, polyvinylchloride en meer zijn. 

Internationale normen bevelen elektronenmicroscopie (EM) aan voor identificatie. EM produceert beelden van nanodeeltjes, waardoor identificatie op basis van grootte mogelijk is. Automatische beeldanalyse wordt echter problematisch wanneer deeltjes voorkomen als aggregaten of complexe vormen hebben.

Dus, er is een verbeterde methode is gecreëerd om de nanomaterialindustrie evenals milieu‑ en gezondheidsbeschermingsinstanties te ondersteunen. Door een AI‑machine‑learning‑functie te integreren, kan de softwaretool van POLLEN Metrology nu “duizenden NP‑beelden in enkele seconden nauwkeurig identificeren op een automatische, niet‑subjectieve manier.” De Smart3‑software‑suite wordt verwacht de identificatie van potentieel schadelijke nanodeeltjes te versnellen.

Naast al het onderzoek proberen zelfs organisaties manieren te vinden en technologieën te ontwikkelen om het nanoplastic‑probleem aan te pakken. 

Zo is Polymateria een bedrijf dat innovatieve biologisch afbreekbare plastics maakt zodat er vanaf het begin geen micro‑ of nanoplastics ontstaan. 

PureCycle Technologies (PCT ) heeft een vergelijkbare benadering gekozen om indirect nanoplasticvervuiling te verminderen. Het bedrijf, dat het tweede kwartaal van 2024 eindigde met $10,9 miljoen ongebonden cash, richt zich op het recyclen van plastics door hoog‑zuiver gerecycled polypropyleen te produceren. 

De baanbrekende polypropyleen‑recyclingtechnologie bestaat uit zeven processtappen, waaronder smelten en filtreren (Polymer Extruder en Polymer Filter), extractie (Polymer/Solvent Mixer en Extraction Column), mengen en bezinken (Polymer Mixer en Large Particle Settler), filtreren (Candle Filters), zuivering (Columns), scheiding (Polypropylene/Solvent en Product Decanter), en Extruderen & Pelletiseren (Polymer Extruder en Polymer Pelletizer).

Er zijn ook initiatieven zoals Ocean CleanUp die plastic uit oceanen verwijderen en methoden onderzoeken om kleine plasticdeeltjes uit grote waterlichamen te vangen. Ondertussen ontwikkelt Anfiro geavanceerde filtratiemembranen om een breed scala aan verontreinigingen te verwijderen, inclusief micro‑ en nanoplastics. 

Wasser3.0 is een ander project‑dat‑een‑bedrijf is geworden en een draaikolk en speciaal ontworpen hybride silica‑gel gebruikt om nanodeeltjes te verwijderen. Deze verbinding, Wasser 3.0 PE‑X, werkt als een klonteringsmiddel om microplastics samen te laten komen tot klonten, die naar de oppervlakte stijgen en met een zeef worden afgehaald. 

Er zijn nog veel meer bedrijven en projecten die werken aan betere, kosteneffectieve en meer geavanceerde oplossingen om nanodeeltjes te verwijderen en volledig uit ons ecosysteem te elimineren, met een focus op schaalbaarheid.

Conclusie

Met stortplaatsen en oceaanstranden bezaaid met plastic, zijn nanoplastics (kleiner dan 0,001 mm) alomtegenwoordig geworden en vormen daardoor een gevaar voor planten, vogels, mariene levensvormen en mensen. Blootstelling aan nanodeeltjes is aangetoond schadelijke effecten te hebben op levende wezens, waardoor ze een milieuprobleem vormen en een dringende behoefte creëren om deze opkomende vijand van de menselijke gezondheid op te lossen.

Als gevolg hiervan hebben onderzoekers en organisaties verschillende niet‑traditionele manieren onderzocht om van deze kleine, hardnekkige deeltjes af te komen. Deze experimenten blijven echter voorlopig beperkt tot laboratoria, en we hebben nog geen schaalbare oplossing gevonden.

Deze nieuwe methoden vormen echter een belangrijke stap in de juiste richting, omdat ze het alomtegenwoordige probleem van nanoplasticvervuiling aanpakken. Bovendien, gezien de aandacht die dit probleem krijgt en de vooruitgang die we zien, kunnen we verwachten dat we in de nabije toekomst een oplossing krijgen die op grote schaal kan worden toegepast en effectief schoon water en gezondere ecosystemen voor ons zal leveren.