Cientistas da University of Missouri Decifram Código para Remoção de Nanoplásticos com 98% de Sucesso

Nos últimos anos, a conscientização sobre microplásticos aumentou drasticamente, levando cientistas e pesquisadores a investigar maneiras de eliminá-los. 

Microplásticos estão em toda parte, inclusive nas profundezas dos oceanos, onde se acumulam quase despercebidos. Além de poluir ecossistemas marinhos, polares e de água doce, os nanoplásticos também se espalham e contaminam o solo. Tanto plantas quanto sistemas aquáticos, componentes essenciais da dieta humana, são afetados.

Classificados como “contaminantes emergentes”, os microplásticos são poluentes reconhecidos como tais apenas a partir da década de 1990. Só recentemente começamos a diferenciar microplásticos, que têm tamanho de 1 mm a 1 µm, e nanoplásticos, que são ainda menores que 1 µm.

Nanopartículas são tão pequenas que não podem ser vistas a olho nu; são, na verdade, menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano. Esse tamanho diminuto lhes confere uma capacidade excepcionalmente alta de permear membranas biológicas.

Esses nanoplásticos não são apenas produzidos deliberadamente — geralmente para uso em materiais de enchimento baratos e encontrados em cosméticos, cremes dentais e produtos de cuidados com a pele — mas também são resultado da degradação de detritos plásticos em partículas minúsculas. Diante do volume de detritos plásticos no ambiente, projetado para alcançar 12 bilhões de toneladas até 2050, isso é motivo de preocupação.

Além disso, a estrutura molecular dos plásticos os torna altamente persistentes, o que os torna um ingrediente atraente para diversos produtos. Contudo, isso também significa que o lixo plástico permanece no ambiente por muito tempo. O plástico não se decompõe; ele se desintegra.

Essa desintegração ocorre de várias formas, incluindo fragmentação, processos celulares, radiação ultravioleta e a força da água. Consequentemente, o plástico continua a persistir e a se quebrar em pedaços menores por décadas. Por exemplo, um pequeno fragmento de polietileno pode se desintegrar em aproximadamente 1.500 micropartículas ou 150.000 partículas de nanoplástico ao longo do tempo.

Quanto menores as partículas, maior o problema. Isso porque nanopartículas podem penetrar facilmente nas células do nosso corpo. Estimativas sugerem que consumimos até 5 gramas de microplásticos por semana. Enquanto isso, um estudo liderado por um estudante de pós‑graduação em química na Columbia University usou microscopia de espalhamento Raman estimulado para descobrir que 90 % das partículas em marcas populares de água dos EUA são nanoplásticos, predominantemente compostos de tereftalato de polietileno (PET) e poliamida.

Além disso, essas partículas de nanoplástico possuem propriedades como flexibilidade e resistência a temperatura e corrosão, tornando-as mais perigosas ao meio ambiente do que se pensava anteriormente.

Como relatamos anteriormente, seu pequeno tamanho também facilita que sejam ingeridas por animais selvagens e entrem na cadeia alimentar. Esse movimento ambiental de nanoplásticos através da cadeia alimentar cria toxicidade substancial em seres vivos. 

Em plantas, essas minúsculas partículas podem penetrar a parede celular e ficar incorporadas ao tecido, o que pode acarretar consequências negativas para a segurança alimentar e a função ecológica.

Em humanos, nanoplásticos estão ligados a doenças cardiovasculares e respiratórias. Um estudo relatou a descoberta de polietileno em placas de artéria carótida em 150 pacientes. Além disso, pacientes que apresentavam microplásticos e nanoplásticos em sua ateroma (placa) foram encontrados com risco maior de sofrer um conjunto de infarto do miocárdio, AVC ou morte por qualquer causa.

Os efeitos negativos dos nanoplásticos ainda incluem inflamação, imunotoxicidade, inibição do crescimento, danos oxidativos e alterações na capacidade comportamental. Na verdade, microplásticos são detectados até na placenta humana. Isso demonstra o quão onipresente é essa poluição artificial e o quão prejudicial ela é à nossa saúde. 

Dado seus efeitos tanto de curto quanto de longo prazo sobre os seres vivos, as partículas de nanoplástico tornaram‑se uma grande preocupação. O tamanho diminuto dos nanoplásticos, porém, significa que métodos comuns de eliminação como oxidação ou filtração não são adequados para combatê‑los.

Uma Solução Inovadora para Remover Nanoplásticos da Água

Mais recentemente, cientistas da University of Missouri conseguiram remover nanoplásticos da água com mais de 98 % de eficiência.

O estudo publicado na ACS Applied Engineering Materials este mês tem como objetivo desenvolver uma solução de baixo custo para eliminar essas minúsculas partículas, permitindo que tenhamos água limpa, o que ainda é um desafio. Para alcançar esse resultado, pesquisadores da Mizzou University criaram uma solução líquida que pode remover a grande maioria dessas partículas plásticas microscópicas da água. Segundo a líder do estudo, Piyuni Ishtaweera, uma ex‑aluna que conduziu a pesquisa enquanto fazia seu doutorado em química nano e de materiais na Mizzou:

“Nanoplásticos podem perturbar ecossistemas aquáticos e entrar na cadeia alimentar, representando riscos tanto para a vida selvagem quanto para os humanos.”

Ela agora trabalha na Food and Drug Administration (FDA) dos EUA em St. Louis. Ela acrescentou:

“Em termos simples, estamos desenvolvendo maneiras melhores de remover contaminantes como nanoplásticos da água.”

Esse novo método envolve o uso de solventes repelentes à água, que são feitos a partir de ingredientes naturais, seguros e não tóxicos. Além disso, sua capacidade de repelir água, o que ajuda a prevenir qualquer contaminação adicional das fontes de água, os torna uma “solução altamente sustentável”.

Isso funciona permitindo que o solvente permaneça na superfície da água, como o óleo. Contudo, uma vez que o solvente é misturado com água e deixado para se separar novamente, ele flutua de volta à superfície e carrega os nanoplásticos dentro de sua estrutura molecular.

A equipe de pesquisadores testou seu método inovador em cinco medições diferentes de nanoplásticos baseadas em poliestireno, um polímero usado para fabricar diversos produtos de consumo, incluindo copos de isopor, que representam 25‑35 % de todo o lixo em aterros sanitários. O mundo produz mais de 14 milhões de toneladas de isopor anualmente, e apenas os americanos descartam cerca de 25 bilhões de copos de isopor por ano.

Os resultados do estudo da Mizzou superaram estudos anteriores, que se concentravam principalmente em um único tamanho de partículas plásticas.

Agora, para remover o solvente carregado de nanoplásticos, os pesquisadores usaram uma pipeta no laboratório, que deixou água limpa, livre de plástico. Isso foi feito em pequena escala, mas no futuro a ideia é ampliar todo o processo para que o método possa ser aplicado a grandes corpos d’água, começando por lagos e eventualmente avançando para oceanos. O novo método é eficaz não apenas em água doce, mas também em água salgada.

De acordo com o autor correspondente do estudo, Gary Baker, professor associado do Departamento de Química da Mizzou:

“Nossa estratégia usa uma pequena quantidade de solvente projetado para absorver partículas plásticas de um grande volume de água.”

Entretanto, a capacidade dos solventes ainda não é bem compreendida, observou Baker, que acrescentou que em pesquisas futuras eles buscarão determinar exatamente isso — a capacidade máxima do solvente. Além disso, eles explorarão formas de reciclar os solventes para que possam ser reutilizados várias vezes “se necessário”.

No geral, essa solução inovadora oferece uma resposta prática a um problema crítico, ao mesmo tempo que abre caminho para mais pesquisas e desenvolvimento em tecnologias avançadas de purificação de água.

“Do ponto de vista científico, criar métodos eficazes de remoção estimula a inovação em tecnologias de filtração, fornece insights sobre o comportamento de nanomateriais e apoia o desenvolvimento de políticas ambientais informadas.”

– Ishtaweera

Outras Abordagens Inovadoras para a Poluição por Nanoplásticos

Nanoplásticos têm atraído muita atenção nos últimos anos e por boas razões. Como detalhamos acima, sua propensão a se espalhar pelo ambiente e ameaçar todos os organismos precisa ser prioridade. Isso é especialmente importante, pois essas nanopartículas escapam dos procedimentos convencionais de remoção de partículas macro‑ e microplásticas, continuando a aumentar na água e a influenciar a sociedade. 

Ao longo dos anos, vários métodos foram experimentados para oferecer soluções eficazes na remoção de nanopartículas específicas. Estes incluem fotocatálise, separação por membrana com reator e degradação baseada em microrganismos, além de procedimentos tradicionais como sedimentação gravitacional, floculação e centrifugação.

A filtração com coagulação tem, na verdade, sido encontrada como capaz de oferecer mais de 99 % de eficiência na remoção de nanoplásticos da água potável. Mas, claro, persistem limitações quanto à escalabilidade da solução, ao manejo de resíduos e à eficácia limitada para diferentes tipos de nanoplásticos.

Então, vamos examinar algumas abordagens introduzidas ao longo dos anos para enfrentar esse problema que ameaça a vida humana.

Um desses métodos tem sido o uso de uma estrutura metal‑orgânica baseada em cromo para remover nanoplásticos de poliestireno (PSNPs). Para isso, o Cr‑MOF foi sintetizado via método hidrotérmico usando nitrato de cromo e ácido tereftálico, oferecendo aos pesquisadores uma eficiência de remoção de 96 %.

Há alguns anos, pesquisadores da FAU usaram ímãs para remover vários tamanhos e tipos de partículas plásticas. Na demonstração, os pesquisadores usaram SPIONs, nanopartículas não tóxicas projetadas para se ligar a superfícies plásticas formando aglomerados. Esses aglomerados foram então coletados com ímãs, graças ao revestimento especial de óxido de ferro. Esses SPIONs tinham cerca de 30 nm de diâmetro e agiam como cola. Mais importante ainda, as funcionalidades de superfície dos SPIONs podiam ser ajustadas para se conectar a tipos específicos de plásticos. 

Pesquisadores do Korea Institute of Science and Technology (KIST) usaram, por sua vez, “azul de Prússia” para cumprir essa tarefa. Curiosamente, a mesma substância é usada para tingir jeans de cor azul profunda. Assim, ao desenvolver um floculante sólido, o estudo conseguiu coletar nanoplásticos de forma eficaz sob irradiação de luz visível. Esse método foi capaz de remover 99 % dos microplásticos e limpar césio radioativo sem necessidade de equipamento adicional, apenas com floculantes.

Há alguns meses, pesquisadores da University of Waterloo também apresentaram uma abordagem nova. Eles usaram epóxi para remover nanoplásticos nocivos com 94 % de eficiência. Esse polímero residual, que não pode ser reprocessado e tende a acabar em redes de sistemas hídricos, foi convertido em carvão ativado pela equipe e então usado para tratar a água contaminada.

Tizazu Mekonnen, professor de Engenharia Química da Waterloo que liderou a pesquisa, disse:

“Para acabar com a crise de resíduos plásticos e reduzir o impacto ambiental da produção de plásticos, precisamos implementar uma abordagem de economia circular que considere todas as etapas da jornada do plástico.”

Ela também pretende aplicar o procedimento a outros tipos de plásticos e contaminantes e ampliá‑lo em instalações municipais de tratamento de águas residuais.

Até a inteligência artificial (IA), que está transformando indústrias, está sendo utilizada por pesquisadores para enfrentar o problema das nanopartículas. Uma equipe de pesquisadores da University of Waterloo criou uma ferramenta de IA chamada PlasticNet que utiliza aprendizado profundo e espectroscopia para identificar as “impressões digitais” únicas dessas partículas. 

PlasticNet tem sido demonstrado como uma ferramenta bem‑sucedida em uma estação local de tratamento de águas residuais, onde demonstrou detecção e remoção aprimoradas de microplásticos.

Dada a toxicidade dessas nanopartículas, a identificação precisa de seus tipos é essencial. Afinal, nem todos os plásticos são iguais; podem ser polietileno, Teflon, poliestireno, cloreto de polivinila e mais. 

Normas internacionais recomendam microscopia eletrônica (EM) para identificação. A EM produz imagens de nanopartículas, permitindo a identificação baseada no tamanho. Contudo, a análise automática de imagens torna‑se problemática quando as partículas estão presentes como agregados ou têm formas complexas.

Portanto, um método aprimorado foi criado para ajudar a indústria de nanomateriais, bem como agências de proteção ambiental e de saúde. Ao incorporar uma função de aprendizado de máquina de IA, a ferramenta de software da POLLEN Metrology agora pode “identificar com precisão milhares de imagens de NP em poucos segundos de forma automática e não subjetiva.” A suíte de software Smart3 deve acelerar a identificação de nanopartículas potencialmente nocivas.

Além de toda a pesquisa, até organizações estão tentando encontrar maneiras e desenvolver tecnologias para enfrentar a questão dos nanoplásticos. 

Por exemplo, Polymateria é uma empresa que está criando plásticos biodegradáveis inovadores para que não haja microplásticos nem nanoplásticos desde o início. 

PureCycle Technologies (PCT ) adotou uma abordagem semelhante para reduzir indiretamente a poluição por nanoplásticos. A empresa, que encerrou o segundo trimestre de 2024 com US$ 10,9 milhões em caixa não restrita, foca na reciclagem de plásticos criando polipropileno reciclado de alta pureza. 

Sua tecnologia revolucionária de reciclagem de polipropileno consiste em sete estágios de processo, incluindo fusão e filtragem (Extrusora de Polímero e Filtro de Polímero), extração (Misturador Polímero/Solvente e Coluna de Extração), mistura e decantação (Misturador de Polímero e Decantador de Partículas Grandes), filtragem (Filtros de Vela), purificação (Colunas), separação (Polipropileno/Solvente e Decantador de Produto) e Extrusão & Pelletização (Extrusora de Polímero e Pelletizador de Polímero).

Existem também esforços como Ocean CleanUp que removem plástico dos oceanos e investigam métodos para capturar pequenas partículas plásticas de grandes corpos d’água. Enquanto isso, a Anfiro está desenvolvendo membranas de filtração avançadas para remover uma ampla gama de contaminantes, incluindo microplásticos e nanoplásticos. 

Wasser3.0 é outro projeto‑transformado‑em‑empresa que usa um redemoinho e um gel de sílica híbrido especialmente projetado para remover nanopartículas. Este composto, Wasser 3.0 PE‑X, funciona como agente aglutinante para reunir microplásticos em aglomerados, que sobem à superfície e são retirados com uma peneira. 

Existem muitas outras empresas e projetos que trabalham na criação de soluções melhores, mais econômicas e mais avançadas para eliminar nanopartículas e removê‑las completamente do nosso ecossistema, com foco em torná‑las escaláveis.

Conclusão

Com aterros e praias oceânicas repletas de itens plásticos, os nanoplásticos (menores que 0,001 mm) tornaram‑se onipresentes e, como resultado, um perigo para plantas, aves, formas de vida oceânicas e humanos. A exposição a nanopartículas tem sido encontrada como tendo efeitos negativos em seres vivos, tornando‑se uma preocupação ambiental e criando uma necessidade premente de resolver esse inimigo emergente da saúde humana.

Como resultado, pesquisadores e organizações têm explorado diversas formas não tradicionais de eliminar essas minúsculas partículas, conhecidas por sua persistência. Contudo, todos esses experimentos ainda estão limitados a laboratórios, e ainda não encontramos uma solução escalável.

Entretanto, esses novos métodos são um passo significativo na direção correta, abordando a questão onipresente da poluição por nanoplásticos. Além disso, dado a atenção que o problema está recebendo e o progresso que estamos vendo, nós podemos esperar obter uma solução em um futuro próximo que possa ser aplicada em escala e de forma eficaz para nos proporcionar água limpa e ecossistemas mais saudáveis.