Universitetet i Missouri-forskere knekter koden for fjerning av nanoplast med 98% suksess

I de senere årene, bevisstheten om mikroplast har økt dramatisk, noe som får forskere og forskningspersonell til å undersøke måter å eliminere dem på. 

Mikroplast er overalt, inkludert havets dyp, hvor de samler seg stort sett umerket. I tillegg til å forurense marine, polare og ferskvannsekosystemer, sprer nanoplast også seg inn i og forurenser jorden. Både planter og akvatiske systemer, som er essensielle komponenter i menneskelig kosthold, påvirkes. 

Kategorisert som «fremvoksende forurensninger», er mikroplast forurensninger som først ble anerkjent som sådan på 1990-tallet. Det er først nylig vi begynte å skille mellom mikroplast, som har størrelsen 1 mm – 1 µm, og nanoplast, som er enda mindre enn 1 µm. 

Nanopartikler er så små at de ikke kan ses med det blotte øye; de er faktisk mindre enn diameteren på et gjennomsnittlig menneskehår. Denne mikroskopiske størrelsen gir dem en usedvanlig høy evne til å trenge gjennom biologiske membraner. 

Disse nanoplastene er ikke bare laget bevisst—vanligvis for bruk i billig fyllmateriale og finnes i kosmetikk, tannkrem og hudpleieprodukter—men de er også resultatet av plastavfall som brytes ned til små partikler. På bakgrunn av mengden plastavfall i miljøet, som forventes å nå 12 milliarder tonn innen 2050, er dette en grunn til bekymring. 

I tillegg gjør plastens molekylære struktur dem svært vedvarende, noe som gjør dem til et attraktivt ingrediens i ulike produkter. Dette betyr imidlertid også at plastavfall forblir i miljøet i lang tid. Plast dekomponerer ikke; den brytes i stedet ned. 

Denne nedbrytningen skjer på flere måter, inkludert fragmentering, cellulære prosesser, ultrafiolett stråling og vannkraft. Som følge av dette har plast fortsatt å vedvare og brytes ned i mindre biter i flere tiår. For eksempel kan et lite stykke polyetylen brytes ned til omtrent 1 500 mikropartikler eller 150 000 nanoplastpartikler over tid. 

Jo mindre partiklene er, desto større blir problemet. Dette skyldes at nanopartikler lett kan trenge inn i kroppens celler. Estimater antyder at vi inntar opptil 5 gram mikroplast hver uke. Samtidig brukte en studie ledet av en masterstudent i kjemi ved Columbia University stimulert Raman-spredningsmikroskopi for å oppdage at 90 % av partiklene i populære amerikanske vannmerker er nanoplast, hovedsakelig sammensatt av polyetylentereftalat (PET) og polyamid. 

I tillegg har disse nanoplastpartiklene egenskaper som fleksibilitet og motstand mot temperatur og korrosjon, noe som gjør dem mer farlige for miljøet enn tidligere antatt. 

Som vi har rapportert tidligere, gjør deres lille størrelse det også lettere for dem å bli inntatt av dyrelivet og komme inn i næringskjeden. Denne miljømessige bevegelsen av nanoplast gjennom næringskjeden skaper betydelig toksisitet i levende organismer. 

I planter kan disse små partiklene trenge gjennom celleveggen og bli innlemmet i vevet, noe som kan medføre negative konsekvenser for matsikkerhet og økologisk funksjon. 

Hos mennesker er nanoplast knyttet til hjerte- og karsykdommer samt luftveissykdommer. En studie rapporterte å ha oppdaget polyetylen i plakk i halspulsåren hos 150 pasienter. Dessuten ble pasienter som hadde mikroplast og nanoplast i sin aterom (plakk) funnet å ha høyere risiko for å få en kombinasjon av hjerteinfarkt, slag eller død av en eller annen årsak. 

De negative effektene av nanoplast inkluderer også betennelse, immunotoksisitet, veksthemming, oksidativ skade og endringer i atferdsevne. Faktisk blir mikroplast oppdaget selv i den menneskelige morkaken. Dette viser hvor gjennomgripende denne menneskeskapte forurensningen er og hvor skadelig den er for helsen vår. 

Gitt både deres kortsiktige og langsiktige effekter på levende organismer, har nanoplastpartikler blitt en stor bekymring. Den lille størrelsen på nanoplast gjør imidlertid at vanlige elimineringsmetoder som oksidasjon eller filtrering ikke er egnet for å håndtere dem.

En ny løsning for å fjerne nanoplast fra vann

Nylig klarte forskere fra University of Missouri å oppnå fjerning av nanoplast fra vann med mer enn 98 % effektivitet.

Studien publisert i ACS Applied Engineering Materials denne måneden har som mål å utvikle en kostnadseffektiv løsning for å bli kvitt disse små partiklene slik at vi kan ha rent vann, noe som fortsatt er en utfordring. For å oppnå dette resultatet utviklet forskere fra Mizzou University en væskebasert løsning som kan fjerne det store flertallet av disse mikroskopiske plastpartiklene fra vann. Ifølge studielederen Piyuni Ishtaweera, en alumna som gjennomførte studien mens hun tok doktorgrad i nano- og materialkjemi ved Mizzou:

“Nanoplast kan forstyrre akvatiske økosystemer og komme inn i næringskjeden, og utgjør risiko for både dyreliv og mennesker.”

Hun jobber nå i US Food and Drug Administration (FDA) i St. Louis. Hun la til:

“På enkle termer utvikler vi bedre metoder for å fjerne forurensninger som nanoplast fra vann.”

Denne nye metoden innebærer bruk av vannavstøtende løsningsmidler, som er laget av naturlige, trygge og ikke-giftige ingredienser. I tillegg gjør deres evne til å avstøte vann, som bidrar til å forhindre ytterligere forurensning av vannkilder, dem til en “svært bærekraftig løsning.” 

Dette fungerer ved at løsningsmiddelet får sitte på vannoverflaten, akkurat som olje. Når løsningsmiddelet imidlertid blandes med vann og får tid til å separeres igjen, flyter det tilbake til overflaten og bærer med seg nanoplast innen sin molekylære struktur.

Forskerteamet testet deres innovative metode for fem ulike målinger av nanoplast basert på polystyren, et polymer som brukes til å lage ulike forbrukerprodukter, inkludert Styrofoam-kopper, som utgjør 25-35% av alt deponiavfall. Verden produserer over 14 millioner tonn Styrofoam årlig, og amerikanere alene kaster bort rundt 25 milliarder Styrofoam‑kopper hvert år.

Resultatene fra Mizzou-studien overgikk tidligere studier, som primært fokuserte på en enkelt størrelse av plastpartikler.

Nå, for å fjerne løsningsmiddelet lastet med nanoplast, brukte forskerne en pipette i laboratoriet, noe som etterlot plastfritt, rent vann. Dette ble gjort i liten skala, men i fremtiden er planen å skalere opp hele prosessen slik at metoden kan anvendes på store vannmasser, begynner med innsjøer og etter hvert over til hav. Den nye metoden er effektiv ikke bare i ferskvann, men også i saltvann.

Ifølge studiens korresponderende forfatter, Gary Baker, som er førsteamanuensis ved Institutt for kjemi ved Mizzou:

“Strategien vår bruker en liten mengde designerløsningsmiddel for å absorbere plastpartikler fra et stort volum vann.”

Imidlertid er kapasiteten til løsningsmidlene ennå ikke godt forstått, bemerket Baker, som la til at de i fremtidig forskning vil ha som mål å fastslå akkurat dette — den maksimale kapasiteten til løsningsmiddelet. Videre vil de utforske måter å resirkulere løsningsmidlene på slik at de kan brukes igjen og igjen “flere ganger om nødvendig.” 

Alt i alt gir denne innovative løsningen en praktisk tilnærming til et kritisk problem, samtidig som den baner vei for videre forskning og utvikling innen avanserte vannrensingsteknologier.

“Fra et vitenskapelig perspektiv fremmer utviklingen av effektive fjerningsmetoder innovasjon innen filtreringsteknologier, gir innsikt i nanomaterialers oppførsel, og støtter utviklingen av informerte miljøpolitikker.”

– Ishtaweera

Andre innovative tilnærminger til nanoplastforurensning

Nanoplast har fått mye oppmerksomhet de siste årene, og med god grunn. Som vi detaljert ovenfor, må deres tendens til å spre seg i miljøet og true alle organismer prioriteres. Dette er spesielt viktig ettersom disse nanopartiklene unngår konvensjonelle prosedyrer for å fjerne makro- og mikroplastpartikler, og dermed fortsetter å øke i vann og påvirke samfunnet. 

Gjennom årene har flere metoder blitt eksperimentert med for å tilby effektive løsninger for å fjerne spesifikke nanopartikler. Disse inkluderer fotokatalyse, membranseparasjon med en reaktor, og mikroorganismebasert nedbrytning, i tillegg til tradisjonelle prosedyrer som gravitasjonsavsetning, flokkulering og sentrifugering.

Filtrering med koagulering har faktisk vist seg å gi over 99 % effektivitet ved fjerning av nanoplast fra drikkevann. Men, selvfølgelig, vedvarer begrensninger når det gjelder løsningens skalerbarhet, håndtering av restprodukter, og begrenset effektivitet for ulike typer nanoplast.

Så, la oss undersøke noen tilnærminger introdusert gjennom årene for å håndtere dette problemet som truer menneskelivet.

En slik metode har vært bruk av et krombasert metall-organisk rammeverk for å fjerne polystyren-nanoplast (PSNPs). For dette ble Cr-MOF syntetisert via en hydrotermisk metode ved bruk av kromnitratsalt og tereftalsyre, noe som ga forskerne en 96 % fjerningsgrad.

For noen år siden brukte forskere ved FAU magneter for å fjerne ulike størrelser og typer plastpartikler. I demonstrasjonen brukte forskerne SPIONs, ikke-giftige nanopartikler designet for å binde seg til plastoverflater og danne agglomerater. Disse ble deretter samlet inn med magneter, takket være en spesiell belegg av jernoksid. Disse SPIONs var omtrent 30 nm i diameter og fungerte som lim. Viktigere var at overflatefunksjonene til SPIONs kunne justeres for å binde seg til spesifikke typer plast.

Forskere fra Korea Institute of Science and Technology (KIST) brukte imidlertid ‘Prussian blue’ for å oppnå dette. Interessant nok brukes samme stoff til å farge jeans i en dyp blå farge. Så, ved å utvikle et solid flokkulant, klarte studien å samle nanoplast effektivt under synlig lysirradiasjon. Denne metoden kunne fjerne 99 % av mikroplast og rense radioaktivt cesium uten behov for ekstra utstyr, kun med flokkulanter.

For noen måneder siden introduserte forskere ved University of Waterloo også en ny metode. De brukte epoksy for å fjerne skadelige nanoplast med 94 % effektivitet. Denne avfallspolymeren, som ikke kan gjenvinnes og har en tendens til å ende opp i vannsystemer, ble omgjort til aktivt kull av teamet og deretter brukt til å behandle det forurensede vannet.

Tizazu Mekonnen, professor i kjemisk ingeniørfag ved Waterloo som ledet forskningen, sa:

“For å avslutte plastavfallskrisen og redusere den miljømessige påvirkningen fra plastproduksjon, må vi implementere en sirkulær økonomi-tilnærming som tar hensyn til alle stadier av plastens livssyklus.”

Hun har også som mål å anvende prosedyren på andre typer plast og forurensninger og skalere den opp i kommunale avløpsvannbehandlingsanlegg.

Selv kunstig intelligens (AI), som transformerer industrier, blir brukt av forskere for å takle problemet med nanopartikler. Et forskerteam fra University of Waterloo utviklet et AI-verktøy kalt PlasticNet som bruker dyp læring og spektroskopi for å identifisere de unike «fingeravtrykkene» til disse partiklene.

PlasticNet har vist seg å være et vellykket verktøy i et lokalt avløpsvannbehandlingsanlegg, hvor det har demonstrert forbedret mikroplastdeteksjon og fjerning.

Gitt toksisiteten til disse nanopartiklene, er nøyaktig identifikasjon av deres typer essensiell. Tross alt er ikke all plast den samme; den kan være polyetylen, Teflon, polystyren, polyvinylklorid og mer.

Internasjonale standarder anbefaler elektronmikroskopi (EM) for identifikasjon. EM produserer bilder av nanopartikler, som gjør det mulig å identifisere dem basert på størrelse. Imidlertid blir automatisk bildeanalyse problematisk når partikler forekommer som aggregater eller har komplekse former.

Dermed er en forbedret metode blitt utviklet for å hjelpe nanomaterialindustrien samt miljø- og helsesikkerhetsbyråer. Ved å innlemme en AI-maskinlæringsfunksjon, kan POLLEN Metrology sitt programvareverktøy nå «nøyaktig identifisere tusenvis av NP-bilder på noen sekunder på en automatisk, ikke-subjektiv måte». Smart3-programvaresuiten forventes å bidra til å fremskynde identifikasjonen av potensielt skadelige nanopartikler.

I tillegg til all forskningen prøver også organisasjoner å finne løsninger og utvikler teknologier for å takle problemet med nanoplast.

For eksempel er Polymateria et selskap som lager innovative biologisk nedbrytbare plastprodukter slik at det fra starten av ikke vil være mikroplast og nanoplast.

PureCycle Technologies (PCT ) har tatt en lignende tilnærming for indirekte å redusere nanoplastforurensning. Selskapet, som avsluttet Q2 2024 med 10,9 millioner dollar i ubegrenset kontanter, fokuserer på resirkulering av plast ved å lage høyrennet resirkulert polypropylen.

Den banebrytende polypropylen-resirkuleringsteknologien består av syv prosessstadier, inkludert smelting og filtrering (Polymer Extruder og Polymer Filter), ekstraksjon (Polymer/Solvent Mixer og Extraction Column), blanding og sedimentering (Polymer Mixer og Large Particle Settler), filtrering (Candle Filters), rensing (Columns), separasjon (Polypropylene/Solvent og Product Decanter), samt ekstrudering og pelletisering (Polymer Extruder og Polymer Pelletizer).

Det finnes også initiativer som Ocean CleanUp som fjerner plast fra havene og undersøker metoder for å fange små plastpartikler fra store vannmasser. Samtidig utvikler Anfiro avanserte filtreringsmembraner for å fjerne et bredt spekter av forurensninger, inkludert mikroplast og nanoplast.

Wasser3.0 er et annet prosjekt som har blitt selskap og bruker en virvelstrøm og spesialdesignet hybrid silikagel for å fjerne nanopartikler. Denne forbindelsen, Wasser 3.0 PE‑X, fungerer som et klumpemiddel som samler mikroplast til klumper, som stiger til overflaten og blir skummet av med en sil.

Det finnes mange flere slike selskaper og prosjekter som arbeider med å skape bedre, kostnadseffektive og mer avanserte løsninger for å bli kvitt nanopartikler og fjerne dem fullstendig fra økosystemet vårt, med fokus på å gjøre dem skalerbare.

Konklusjon

Med søppelfyllinger og havstrender fylt med plastgjenstander har nanoplast (mindre enn 0,001 mm) blitt allestedsnærværende og dermed en fare for planter, fugler, marine livsformer og mennesker. Eksponering for nanopartikler har vist seg å ha negative effekter på levende organismer, noe som blir en miljøbekymring og skaper et presserende behov for å løse denne fremvoksende fienden av menneskers helse.

Som et resultat har forskere og organisasjoner utforsket ulike ikke-tradisjonelle metoder for å bli kvitt disse små partiklene, som er kjent for sin vedvarende natur. Imidlertid er alle disse eksperimentene foreløpig begrenset til laboratorier, og vi har ennå ikke funnet en skalerbar løsning. 

Likevel er disse nye metodene et betydelig skritt i riktig retning, og adresserer det gjennomgripende problemet med nanoplastforurensning. I tillegg, gitt den oppmerksomheten saken får og fremgangen vi ser, kan vi forvente å få en løsning i nær fremtid som kan anvendes i stor skala og effektivt gi oss rent vann og sunnere økosystemer.