University of Missouri-forskare knäcker koden för borttagning av nanoplaster med 98% framgång

Under de senaste åren har medvetenheten om mikroplaster ökat dramatiskt, vilket har fått forskare och forskningspersoner att undersöka sätt att eliminera dem. 

Mikroplaster finns överallt, även i havets djup där de samlas mestadels utan att märkas. Förutom att förorena marina, polära och sötvattens ekosystem sprider nanoplaster sig även in i och förorenar marken. Både växter och akvatiska system, som är viktiga komponenter i människors kost, påverkas.

Klassificerade som ‘framväxande föroreningar’ är mikroplaster föroreningar som först erkändes som sådana på 1990-talet. Det är först nyligen som vi började skilja på mikroplaster, som har storleken 1 mm – 1 µm, och nanoplaster, som är ännu mindre än 1 µm.

Nanopartiklar är så små att de inte kan ses med blotta ögat; de är faktiskt mindre än diametern på ett genomsnittligt människohår. Denna mikroskopiska storlek ger dem en exceptionellt hög förmåga att tränga igenom biologiska membran.

Dessa nanoplaster tillverkas inte bara avsiktligt—vanligtvis för användning i billigt fyllnadsmaterial och finns i kosmetika, tandkräm och hudvårdsprodukter—utan de också är resultatet av plastavfall som bryts ner till små partiklar. Mot bakgrund av den stora mängden plastavfall i miljön, som beräknas nå 12 miljarder ton år 2050, är detta en oroskälla.

För att inte tala om att plastens molekylstruktur gör dem mycket beständiga, vilket gör dem till en attraktiv ingrediens i olika produkter. Detta innebär dock också att plastavfall förblir i miljön under lång tid. Plast bryts inte ner; den sönderfaller snarare.

Denna sönderfall sker på flera sätt, inklusive fragmentering, cellulära processer, ultraviolett strålning och vattenkraft. Följaktligen har plast fortsatt att bestå och brytas ner till mindre bitar i årtionden. Till exempel kan en liten bit polyeten sönderfalla till ungefär 1 500 mikropartiklar eller 150 000 nanoplastpartiklar över tid.

Ju mindre partiklarna är, desto större blir problemet. Detta beror på att nanopartiklar lätt kan tränga in i våra kroppsceller. Uppskattningar tyder på att vi konsumerar upp till 5 gram mikroplaster varje vecka. Samtidigt använde en studie ledd av en doktorand i kemi vid Columbia University stimulerad Raman-spridningsmikroskopi för att upptäcka att 90 % av partiklarna i populära amerikanska vattenmärken är nanoplaster, främst bestående av polyetentereftalat (PET) och polyamid.

Dessutom har dessa nanoplastpartiklar egenskaper som flexibilitet och motståndskraft mot temperatur och korrosion, vilket gör dem mer farliga för miljön än tidigare antagit.

Som vi tidigare rapporterat, gör deras lilla storlek det också lättare för dem att intagas av vilda djur och komma in i näringskedjan. Denna miljömässiga förflyttning av nanoplaster genom näringskedjan skapar betydande toxicitet i levande organismer. 

I växter kan dessa små partiklar tränga igenom cellväggen och bli inbäddade i vävnaden, vilket kan innebära negativa konsekvenser för livsmedelssäkerhet och ekologisk funktion.

I människor, nanoplaster är kopplade till hjärt- och lungsjukdomar. En studie rapporterade att polyeten upptäcktes i karotidartärplack hos 150 patienter. Dessutom, patienter som hade mikroplaster och nanoplaster i sin aterom (plack) visades ha en högre risk för en kombination av hjärtinfarkt, stroke eller död av någon orsak.

De negativa effekterna av nanoplaster innefattar dessutom inflammation, immunotoxisk verkan, tillväxthämning, oxidativ skada och förändringar i beteendeförmåga. Faktum är att mikroplaster upptäcks även i den mänskliga placentan. Detta visar hur genomgripande denna mänskligt skapade förorening är och hur skadlig den är för vår hälsa. 

Med tanke på både kort- och långsiktiga effekter på levande varelser har nanoplastpartiklar blivit en enorm oro. Den lilla storleken på nanoplaster gör dock vanliga eliminationsmetoder som oxidation eller filtrering olämpliga för att hantera dem.

En ny lösning för att avlägsna nanoplaster från vatten

Senast har forskare från University of Missouri lyckats med att avlägsna nanoplaster från vatten med mer än 98 % effektivitet.

Studien som publicerades i ACS Applied Engineering Materials den här månaden syftar till att utveckla en kostnadseffektiv lösning för att bli av med dessa små partiklar så att vi kan få rent vatten, vilket fortfarande är en utmaning. För att uppnå detta resultat skapade forskare från Mizzou University en vätskelösning som kan avlägsna den stora majoriteten av dessa mikroskopiska plastpartiklar från vatten. Enligt studiens ledare Piyuni Ishtaweera, en alumna som genomförde studien medan hon tog sin doktorsexamen i nano- och materialkemi vid Mizzou:

„Nanoplaster kan störa akvatiska ekosystem och komma in i näringskedjan, vilket innebär risker för både djurlivet och människor.“

Hon arbetar nu på US Food and Drug Administration (FDA) i St. Louis. Hon tillade:

„På ett enkelt sätt utvecklar vi bättre metoder för att avlägsna föroreningar såsom nanoplaster från vatten.“

Denna nya metod innebär användning av vattenavstötande lösningsmedel, som tillverkas av naturliga, säkra och giftfria ingredienser. Dessutom gör deras förmåga att avvisa vatten, vilket hjälper till att förhindra ytterligare förorening av vattenkällor, dem till en ”mycket hållbar lösning”.

Detta fungerar genom att låta lösningsmedlet ligga på vattenytan, precis som olja. Men när lösningsmedlet blandas med vatten och får återseparera, flyter det tillbaka till ytan och bär med sig nanoplaster inom sin molekylära struktur.

Forskarteamet testade deras innovativa metod för fem olika mängder nanoplaster baserade på polystyren, ett polymer som används för att tillverka olika konsumentprodukter, inklusive Styrofoamkoppar, som står för 25-35% av allt deponiavfall. Världen producerar över 14 miljoner ton Styrofoam årligen, och enbart amerikanerna slänger omkring 25 miljarder Styrofoamkoppar varje år.

Resultaten från Mizzou-studien överträffade tidigare studier, som främst fokuserade på en enda storlek av plastpartiklar.

Nu, för att avlägsna det nanoplastbelastade lösningsmedlet, använde forskarna en pipett i laboratoriet, vilket lämnade plastfritt, rent vatten. Detta gjordes i liten skala, men i framtiden är tanken att skala upp hela processen så att metoden kan tillämpas på stora vattenmassor, med början i sjöar och så småningom gå vidare till hav. Den nya metoden är effektiv inte bara i sötvatten utan även i saltvatten.

Enligt studiens korresponderande författare, Gary Baker, som är docent i kemiska institutionen vid Mizzou:

„Vår strategi använder en liten mängd skräddarsytt lösningsmedel för att absorbera plastpartiklar från en stor volym vatten.“

Dock är kapaciteten hos lösningsmedlen ännu inte väl förstådd, noterade Baker, som tillade att i deras framtida forskning kommer de att försöka fastställa exakt detta — den maximala kapaciteten hos lösningsmedlet. Dessutom kommer de att undersöka sätt att återvinna lösningsmedlen så att de kan användas om och om igen ”flera gånger om nödvändigt”.

Sammanfattningsvis erbjuder denna innovativa lösning ett praktiskt svar på ett kritiskt problem samtidigt som den banar väg för vidare forskning och utveckling inom avancerade vattenreningstekniker.

„Ur ett vetenskapligt perspektiv främjar skapandet av effektiva avlägsningsmetoder innovation inom filtreringsteknik, ger insikter i nanomaterialbeteende och stödjer utvecklingen av välgrundade miljöpolicys.“

– Ishtaweera

Andra innovativa metoder för nanoplastförorening

Nanoplaster har under de senaste åren fått mycket uppmärksamhet, och med goda skäl. Som vi detaljerade ovan, måste deras benägenhet att spridas i miljön och utgöra ett hot mot alla organismer prioriteras. Detta är särskilt viktigt eftersom dessa nanopartiklar undkommer konventionella metoder för att avlägsna makro- och mikroplastpartiklar, vilket gör att de fortsätter öka i vatten och påverka samhället. 

Under årens lopp har flera metoder testats för att erbjuda effektiva lösningar för att avlägsna specifika nanopartiklar. Dessa inkluderar fotokatalys, membranseparation med en reaktor och mikroorganismbaserad nedbrytning, förutom traditionella metoder som gravitationssättning, flockning och centrifugering.

Filtrering med koagulation har faktiskt visat siguppvisat att erbjuda mer än 99 % effektivitet vid borttagning av nanoplaster från dricksvatten. Men naturligtvis kvarstår begränsningar när det gäller lösningens skalbarhet, hantering av restprodukter och begränsad effektivitet för olika typer av nanoplaster.

Så, låt oss undersöka några metoder som introducerats under åren för att hantera detta problem som hotar mänskligt liv.

En sådan metod har varit att använda ett krombaserat metall-organiskt ramverk för att avlägsna polystyren-nanoplaster (PSNPs). För detta syntetiserades Cr-MOF via en hydrotermisk metod med kromnitrat och tereftalsyra, vilket gav forskarna en 96 % borttagning.

För några år sedan använde forskare vid FAU magneter för att avlägsna olika storlekar och typer av plastpartiklar. I demonstrationen, använde forskarna SPIONs, icke-toxiska nanopartiklar designade för att binda till plastytor och bilda agglomerat. Dessa samlades sedan med hjälp av magneter, tack vare en speciell beläggning av järnoxid. Dessa SPIONs var cirka 30 nm i diameter och fungerade som lim. Viktigare är att ytfunktionerna hos SPIONs kunde justeras för att kopplas till specifika plasttyper. 

Forskare från Korea Institute of Science and Technology (KIST) använde under tiden ‘Prussian blue’ för att utföra detta. Intressant nog används för att färga jeans en djupblå färg. Så, genom att utveckla ett fast flockningsmedel, studien kunde samla nanoplaster effektivt under synligt ljus. Denna metod kunde avlägsna 99 % av mikroplaster och rena upp radioaktiv cesium utan att kräva någon extra utrustning, bara med flockningsmedel.

För några månader sedan introducerade forskare vid University of Waterloo också ett nytt sätt. De använde epoxi för att avlägsna skadliga nanoplaster med 94 % effektivitet. Detta avfallspolymer, som inte kan återvinnas och tenderar att hamna i vattensystem, omvandlades av teamet till aktivt kol och användes sedan för att behandla det förorenade vattnet.

Tizazu Mekonnen, professor i kemiteknik vid Waterloo som ledde forskningen, sade:

„För att avsluta plastavfallskrisen och minska den miljömässiga påverkan av plastproduktion måste vi implementera ett cirkulärt ekonomiskt tillvägagångssätt som beaktar varje steg i plastens resa.“

Hon avser också att tillämpa processen på andra typer av plaster och föroreningar samt skala upp den i kommunala avloppsreningsanläggningar.

Till och med artificiell intelligens (AI), som omvandlar industrier, används av forskare för att tackla problemet med nanopartiklar. Ett forskarlag från University of Waterloo skapade ett AI-verktyg kallat PlasticNet som använder djupinlärning och spektroskopi för att identifiera de unika ”fingeravtrycken” hos dessa partiklar. 

PlasticNet har visat sig vara ett framgångsrikt verktyg i en lokal avloppsreningsanläggning, där det har demonstrerat förbättrad upptäckt och borttagning av mikroplaster.

Med tanke på toxiciteten hos dessa nanopartiklar är en exakt identifiering av deras typer avgörande. Trots allt är inte alla plaster lika; de kan vara polyeten, Teflon, polystyren, polyvinylklorid och mer. 

Internationella standarder rekommenderar elektronmikroskopi (EM) för identifiering. EM producerar bilder av nanopartiklar, vilket möjliggör identifiering baserat på storlek. Automatisk bildanalys blir dock problematisk när partiklar förekommer som aggregat eller har komplexa former.

Så, en förbättrad metod har skapats för att hjälpa nanomaterialindustrin samt miljö- och hälsoskyddsmyndigheter. Genom att integrera en AI-maskininlärningsfunktion kan POLLEN Metrologys mjukvaruverktyg nu ”exakt identifiera tusentals NP-bilder på några sekunder på ett automatiskt, icke‑subjektivt sätt.” Smart3-mjukvarusviten förväntas hjälpa till att påskynda identifieringen av potentiellt skadliga nanopartiklar.

Förutom all forskning försöker även organisationer hitta sätt och utveckla teknologier för att hantera problemet med nanoplaster. 

Till exempel är Polymateria ett företag som tillverkar innovativa biologiskt nedbrytbara plaster så att det från början inte blir några mikroplaster eller nanoplaster. 

PureCycle Technologies (PCT ) har tagit ett liknande tillvägagångssätt för att indirekt minska nanoplastföroreningar. Företaget, som avslutade Q2 2024 med 10,9 miljoner dollar i orestrikterat kapital, fokuserar på återvinning av plaster genom att skapa högrenat återvunnet polypropen. 

Dess banbrytande återvinningsteknik för polypropen består av sju processsteg, inklusive smältning och filtrering (Polymer Extruder och Polymer Filter), extraktion (Polymer/Solvent Mixer och Extraction Column), blandning och sedimentering (Polymer Mixer och Large Particle Settler), filtrering (Candle Filters), rening (Columns), separation (Polypropylene/Solvent och Product Decanter) samt extrudering & pelletisering (Polymer Extruder och Polymer Pelletizer).

Det finns också insatser som Ocean CleanUp som tar bort plast från haven och undersöker metoder för att fånga små plastpartiklar från stora vattenmassor. Samtidigt utvecklar Anfiro avancerade filtreringsmembran för att avlägsna ett brett spektrum av föroreningar, inklusive mikroplaster och nanoplaster. 

Wasser3.0 är ett annat projekt‑till‑företag som använder en virvel och speciellt designad hybridsilicagel för att avlägsna nanopartiklar. Denna förening, Wasser 3.0 PE‑X, fungerar som ett klumpningsmedel som samlar mikroplaster till klumpar, som stiger till ytan och skummas av med en sil. 

Det finns många fler sådana företag och projekt som arbetar med att skapa bättre, kostnadseffektiva och mer avancerade lösningar för att bli av med nanopartiklar och helt avlägsna dem från vårt ekosystem med fokus på att göra dem skalbara.

Slutsats

Med soptippar och havsstränder fyllda med plastföremål har nanoplaster (mindre än 0,001 mm) blivit allestädes närvarande och därmed en fara för växter, fåglar, havsliv och människor. Exponering för nanopartiklar har visat sig ha negativa effekter på levande varelser, vilket blir en oro för miljön och skapar ett akut behov av att lösa denna framväxande fiende mot människors hälsa.

Som ett resultat har forskare och organisationer utforskat olika icke‑traditionella sätt att bli av med dessa små partiklar, som är kända för sin beständighet. Dock är alla dessa experiment för närvarande begränsade till laboratorier, och vi har ännu inte hittat en skalbar lösning.

Dessa nya metoder är dock ett betydande steg i rätt riktning, som tacklar det genomgripande problemet med nanoplastförorening. Dessutom, med tanke på den uppmärksamhet problemet får och den framsteg vi ser, vi kan förvänta oss en lösning inom en snar framtid som kan tillämpas i skala och effektivt förse oss med rent vatten och hälsosammare ekosystem.