Missouri Üniversitesi Bilim İnsanları Nanoplastik Gideriminde Kodu Çözdü, %98 Başarıyla

Son yıllarda, mikroplastik farkındalığı büyük ölçüde artmıştır, bilim insanlarını ve araştırmacıları onları ortadan kaldırmanın yollarını araştırmaya yönlendirdi. 

Mikroplastikler her yerde, okyanusun derinlikleri de dahil olmak üzere, büyük ölçüde fark edilmeden birikiyor. Deniz, kutup ve tatlı su ekosistemlerini kirletmenin yanı sıra, nanoplastikler de toprağa yayılıyor ve onu kirletiyor. Hem bitkiler hem de sucul sistemler, insan diyetinin temel bileşenleri, etkileniyor.

‘Yeni ortaya çıkan kirleticiler’ olarak sınıflandırılan mikroplastikler, 1990’lardan beri ancak o zaman tanınan kirleticilerdir. Yakın zamanda, 1 mm – 1 µm boyutundaki mikroplastikler ile 1 µm’den daha küçük olan nanoplastikler arasında ayrım yapmaya başladık. 

Nanopartiküller o kadar küçüktür ki çıplak gözle görülmez; aslında ortalama bir insan saçının çapından daha küçüktür. Bu minik boyut, biyolojik membranları geçme konusunda olağanüstü yüksek bir kapasite sağlar.

Bu nanoplastikler sadece kasıtlı olarak üretilmez—genellikle ucuz dolgu malzemesi olarak kullanılır ve kozmetik, diş macunu ve cilt bakım ürünlerinde bulunur—aynı zamanda plastik enkazının küçük parçacıklara ayrılmasının bir sonucudur. Çevredeki plastik enkazının miktarının 2050 yılına kadar 12 milyar ton ulaşması öngörülürken, bu durum endişe kaynağıdır.

Ayrıca, plastiklerin moleküler yapısı onları son derece kalıcı kılar, bu da çeşitli ürünler için çekici bir bileşen yapar. Ancak bu aynı zamanda plastik atıklarının çevrede uzun süre kalması anlamına gelir. Plastik parçalanmaz; daha çok dağılır.

Bu dağılma birkaç şekilde gerçekleşir; parçalanma, hücresel süreçler, ultraviyole ışınımı ve suyun gücü dahil. Sonuç olarak, plastik on yıllardır varlığını sürdürerek daha küçük parçalara ayrılıyor. Örneğin, küçük bir polietilen parçası zamanla yaklaşık 1.500 mikropartikül ya da 150.000 nanoplastik parçacığa dağılabilir.

Parçacıklar ne kadar küçükse sorun o kadar büyük olur. Bunun nedeni, nanopartiküllerin vücudumuzun hücrelerine kolayca nüfuz edebilmesidir. Tahminler, haftada 5 gram mikroplastik tükettiğimizi gösteriyor. Bu arada, Columbia Üniversitesi’nde kimya yüksek lisans öğrencisi tarafından yürütülen bir çalışma, uyarılmış Raman saçılım mikroskopisi kullanarak popüler ABD su markalarındaki parçacıkların %90’ının nanoplastik olduğunu, ağırlıklı olarak polietilen tereftalat (PET) ve poliamidden oluştuğunu keşfetti.

Ayrıca, bu nanoplastik parçacıklar esneklik ve sıcaklık ve korozyona karşı direnç gibi özelliklere sahiptir, bu da onları çevreye daha önce düşünülenden daha tehlikeli kılıyor.

Daha önce rapor ettiğimiz gibi, onların küçük boyutu aynı zamanda vahşi yaşam tarafından yutulmasını kolaylaştırır ve gıda zincirine girmesine neden olur. Nanoplastiklerin gıda zinciri boyunca bu çevresel hareketi, canlılarda önemli toksisite yaratır. 

Bitkilerde, bu küçük parçacıklar hücre duvarını geçerek doku içinde gömülebilir, bu da gıda güvenliği ve ekolojik fonksiyonlar için olumsuz sonuçlar doğurabilir.

İnsanlarda, nanoplastikler kardiyovasküler ve solunum hastalıklarıyla ilişkilidir. Bir çalışma, 150 hastada karotis arter plakında polietilen bulunduğunu rapor etti. Ayrıca, ateromalarında (plak) mikroplastik ve nanoplastik bulunan hastaların bulunmuştur daha yüksek bir risk taşıdığı; bu risk miyokard enfarktüsü, inme veya herhangi bir nedenden ölüm kombinasyonunu içerir.

Nanoplastiklerin olumsuz etkileri ayrıca inflamasyon, immünotoksisite, büyüme inhibisyonu, oksidatif hasar ve davranış yeteneğinde değişiklikleri içerir. Aslında, mikroplastikler insan plasentasında bile tespit edilmiştir. Bu, bu insan yapımı kirliliğin ne kadar yaygın olduğunu ve sağlığımıza ne kadar zararlı olduğunu gösterir. 

Hem kısa vadeli hem de uzun vadeli etkileri göz önüne alındığında, nanoplastik parçacıklar büyük bir endişe kaynağı haline gelmiştir. Ancak nanoplastiklerin çok küçük boyutu, oksidasyon veya filtrasyon gibi yaygın yok etme yöntemlerinin onları ele almak için uygun olmadığı anlamına gelir.

Suyu Nanoplastiklerden Temizlemek İçin Yeni Bir Çözüm

En son, Missouri Üniversitesi bilim insanları, nanoplastikleri sudan %98’den fazla verimlilikle kaldırmayı başardılar.

Bu ay ACS Applied Engineering Materials dergisinde yayınlanan çalışma, bu küçük parçacıkları ortadan kaldırmak için maliyet etkin bir çözüm geliştirmeyi amaçlıyor, böylece temiz su elde edebiliriz; bu hâlâ bir zorluk. Bu sonuca ulaşmak için, Mizzou Üniversitesi araştırmacıları, bu mikroskobik plastik parçacıkların büyük çoğunluğunu sudan çıkarabilen sıvı bazlı bir çözüm yarattılar. Çalışmanın lideri, Mizzou’da nano ve malzeme kimyası doktorasını yaparken bu çalışmayı yürüten mezun Piyuni Ishtaweera’ya göre:

“Nanoplastikler su ekosistemlerini bozabilir ve gıda zincirine girebilir, hem vahşi yaşam hem de insanlar için risk oluşturur.”

Şu anda St. Louis’ta ABD Gıda ve İlaç İdaresi (FDA) bünyesinde çalışıyor. Şöyle ekledi:

“Halkın anlayacağı bir dille, suyun içindeki nanoplastikler gibi kirleticileri kaldırmanın daha iyi yollarını geliştiriyoruz.”

Bu yeni yöntem, suyu iten çözücülerin kullanılmasını içerir, bu çözücüler doğal, güvenli ve toksik olmayan bileşenlerden yapılmıştır. Ayrıca, suyu itme yetenekleri, su kaynaklarının daha fazla kirlenmesini önlemeye yardımcı olur ve onları “son derece sürdürülebilir bir çözüm” yapar.

Bu, çözücünün suyun yüzeyinde yağ gibi durmasına izin vererek çalışır. Ancak, çözücü suyla karıştırıldıktan ve yeniden ayrılmaya bırakıldıktan sonra, tekrar yüzeye çıkar ve nanoplastikleri moleküler yapısı içinde taşır.

Araştırmacı ekibi, farklı tüketici ürünleri yapmak için kullanılan bir polimer olan polistiren bazlı nanoplastiklerin beş farklı ölçümünde yenilikçi yöntemlerini test etti; bu polimer, Styrofoam bardaklar dahil olmak üzere çeşitli ürünlerde kullanılır ve çöp sahalarının 25-35%‘ını oluşturur. Dünya yılda 14 milyon tondan fazla Styrofoam üretmekte, Amerikalılar ise yalnızca yılda yaklaşık 25 milyar Styrofoam bardak atmaktadır.

Mizzou çalışmasının sonuçları, önceki çalışmaları geride bıraktı; bu çalışmalar öncelikle tek bir plastik parçacık boyutuna odaklanmıştı.

Şimdi, nanoplastik yüklü çözücüyü kaldırmak için araştırmacılar laboratuvarda bir pipet kullandılar, bu da plastik içermeyen temiz su bıraktı. Bu küçük ölçekte yapıldı, ancak gelecekte, yöntemin göllerle başlayıp sonunda okyanuslara kadar büyük su kütlelerine uygulanabilmesi için tüm sürecin ölçeklendirilmesi planlanıyor. Yeni yöntem sadece tatlı suda değil, tuzlu suda da etkilidir.

Çalışmanın ilgili yazarı, Mizzou Kimya Bölümü’nde doçent olan Gary Baker’a göre:

“Stratejimiz, büyük bir su hacminden plastik parçacıkları emmek için az miktarda tasarım çözücü kullanır.”

Ancak, çözücülerin kapasitesi henüz tam olarak anlaşılmamış, Baker ekledi ki, gelecekteki araştırmalarında tam olarak bu — çözücünün maksimum kapasitesini — belirlemeyi hedefleyecekler. Ayrıca, çözücüleri geri dönüştürmenin yollarını araştıracaklar, böylece çözücüler tekrar tekrar kullanılabilir “gerekirse birden fazla kez”.

Genel olarak, bu yenilikçi çözüm, kritik bir soruna pratik bir çözüm sunarken, ileri su arıtma teknolojilerinde daha fazla araştırma ve geliştirme için yolu açıyor.

“Bilimsel bir bakış açısından, etkili kaldırma yöntemleri oluşturmak, filtrasyon teknolojilerinde yeniliği teşvik eder, nanomalzeme davranışı hakkında içgörüler sağlar ve bilinçli çevre politikalarının geliştirilmesini destekler.”

– Ishtaweera

Nanoplastik Kirliliğine Yönelik Diğer Yenilikçi Yaklaşımlar

Nanoplastikler son birkaç yılda çok fazla dikkat çekti ve bunun iyi bir nedeni var. Yukarıda detaylandırdığımız gibi, çevrede yayılma eğilimleri ve tüm organizmalara tehdit oluşturması öncelik haline gelmelidir. Bu özellikle bu nanopartiküllerin makro ve mikro plastik parçacıklarını kaldıran geleneksel prosedürlerden kaçması nedeniyle su içinde artmaya ve toplumu etkilemeye devam etmesi açısından önemlidir. 

Yıllar içinde, belirli nanopartikülleri kaldırmak için etkili çözümler sunmak amacıyla çeşitli yöntemler denendi. Bunlar arasında fotokataliz, reaktörlü membran ayırma ve mikroorganizma temelli bozunma yer alırken, geleneksel prosedürler arasında yerçekimi çökeltme, flokülasyon ve santrifüj de bulunur.

Koagülasyonla filtrasyon aslında olmuştur bulunmuştur içme suyundan nanoplastikleri %99’dan fazla verimlilikle kaldırmak için. Ancak, elbette, çözümün ölçeklenebilirliği, artık yönetimi ve farklı nanoplastik türleri için sınırlı etkinliği konusunda sınırlamalar devam etmektedir.

O halde, yıllar içinde bu soruna çözüm getiren bazı yaklaşımları inceleyelim tehdit eden insan yaşamını.

Bu yöntemlerden biri, polistiren nanoplastiklerini (PSNP’ler) kaldırmak için krom bazlı bir metal-organik çerçeve (MOF) kullanmaktır. Bunun için, Cr-MOF sentezlenmiştir krom nitrat ve tereftalik asit kullanılarak hidrotermal bir yöntemle ve araştırmacılara 96% removal verimliliği sağlamıştır.

Birkaç yıl önce, FAU’daki araştırmacılar çeşitli boyut ve tipteki plastik parçacıkları kaldırmak için manyetikler kullandı. Demonstrasyonda, araştırmacılar plastik yüzeylerine bağlanıp aglomeratlar oluşturan toksik olmayan nanopartiküller olan SPION’ları kullandılar. Bu parçacıklar, özel olarak demir oksit kaplaması sayesinde manyetiklerle toplandı. Bu SPION’lar yaklaşık 30 nm çapındaydı ve yapıştırıcı gibi davrandı. Daha da önemlisi, SPION’ların yüzey fonksiyonları belirli plastik türlerine bağlanacak şekilde ayarlanabiliyordu. 

Korea Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KIST) araştırmacıları bu görevi yerine getirmek için ‘Prusya mavisi’ kullandı. İlginç bir şekilde, aynı madde kullanılır kotonları derin mavi renge boyamak için. Böylece, katı bir flokülant geliştirerek, çalışma görünür ışık ışınımı altında nanoplastikleri etkili bir şekilde topladı. Bu yöntem, mikroplastiklerin %99’unu kaldırabildi ve ek bir ekipman gerektirmeden sadece flokülantlarla radyoaktif sezyumu temizledi.

Birkaç ay önce, Waterloo Üniversitesi araştırmacıları da yeni bir yöntem tanıttı. Onlar zararlı nanoplastikleri kaldırmak için epoksi kullandı %94 verimlilikle. Bu atık polimer, yeniden işlenemez ve su sistemlerine girmeye eğilimlidir, ekip tarafından aktif kömüre dönüştürülüp kirli suyun arıtımında kullanıldı.

Araştırmayı yöneten Waterloo Kimya Mühendisliği profesörü Tizazu Mekonnen şöyle dedi:

“Plastik atık krizini sona erdirmek ve plastik üretiminin çevresel etkisini azaltmak için, plastik yolculuğunun her aşamasını dikkate alan bir döngüsel ekonomi yaklaşımını uygulamamız gerekiyor.”

Ayrıca, prosedürü diğer plastik ve kirletici türlerine uygulamayı ve belediye atık su arıtma tesislerinde ölçeklendirmeyi hedefliyor.

Endüstrileri dönüştüren yapay zeka (AI) bile araştırmacılar tarafından nanopartikül sorununu çözmek için kullanılmaktadır. Waterloo Üniversitesi araştırmacı ekibi PlasticNet adlı bir AI aracı yarattı, bu araç derin öğrenme ve spektroskopi kullanarak bu parçacıkların benzersiz “parmak izlerini” tanımlıyor. 

PlasticNet, gösterilmiştir yerel bir atık su arıtma tesisinde başarılı bir araç olarak; burada mikroplastik tespiti ve kaldırma konusunda geliştirilmiş performans sergilemiştir.

Bu nanopartiküllerin toksisitesi göz önüne alındığında, türlerinin doğru tespiti esastır. Sonuçta, tüm plastikler aynı değildir; polietilen, Teflon, polistiren, polivinil klorür ve daha fazlası olabilir. 

Uluslararası standartlar, tanımlama için elektron mikroskopisi (EM) önerir. EM, nanopartikül görüntüleri üretir ve boyuta göre tanımlamayı mümkün kılar. Ancak, parçacıklar agregat olarak bulunduğunda veya karmaşık şekillere sahip olduğunda otomatik görüntü analizi sorunlu hale gelir.

Bu yüzden, bir geliştirilmiş yöntem oluşturulmuşturolmuştur nanomalzeme endüstrisine ve çevre ve sağlık koruma ajanslarına yardımcı olmak için. AI makine öğrenimi işlevi eklenerek, POLLEN Metrology’nin yazılım aracı artık “binlerce NP görüntüsünü birkaç saniye içinde otomatik, nesnel olmayan bir şekilde doğru bir şekilde tanımlayabiliyor.” Smart3 yazılım paketi beklenmektedir potansiyel olarak zararlı nanopartiküllerin tanımlanmasını hızlandırmak için.

Tüm araştırmaların yanı sıra, organizasyonlar bile nanoplastik sorununu çözmek için yollar bulmaya ve teknolojiler geliştirmeye çalışıyor. 

Örneğin, Polymateria baştan mikroplastik ve nanoplastik olmayacak yenilikçi biyobozunur plastikler üreten bir şirkettir. 

PureCycle Technologies (PCT ) nanoplastik kirliliğini dolaylı olarak azaltmak için benzer bir yaklaşım benimsemiştir. Şirket, 2024’ün ikinci çeyreğini 10,9 milyon dolar sınırsız nakit ile tamamladı ve yüksek saflıkta geri dönüştürülmüş polipropilen oluşturarak plastikleri geri dönüştürmeye odaklanmaktadır. 

Bu çığır açan polipropilen geri dönüşüm teknolojisi, erime ve filtrasyon (Polymer Extruder ve Polymer Filter), ekstraksiyon (Polymer/Solvent Mixer ve Extraction Column), karıştırma ve çökeltme (Polymer Mixer ve Large Particle Settler), filtrasyon (Candle Filters), arıtma (Columns), ayırma (Polypropylene/Solvent ve Product Decanter) ve Ekstrüzyon & Pelletizing (Polymer Extruder ve Polymer Pelletizer) dahil olmak üzere yedi işlem aşamasından oluşur.

Ocean CleanUp gibi okyanuslardan plastikleri kaldıran ve büyük su kütlelerinden küçük plastik parçacıkları yakalama yöntemlerini araştıran çabalar da vardır. Bu arada, Anfiro, mikroplastikler ve nanoplastikler dahil geniş bir kirletici yelpazesini kaldırmak için gelişmiş filtrasyon membranları geliştirmektedir. 

Wasser3.0 bir girdap ve özel tasarlanmış hibrit silika jel kullanarak nanopartikülleri kaldıran bir proje-şirketidir. Bu bileşik, Wasser 3.0 PE-X, mikroplastikleri toplu hâle getirerek yüzeye çıkmasını ve süzgeçle alınmasını sağlayan bir toplama ajanı olarak çalışır. 

Daha iyi, maliyet etkin ve daha gelişmiş çözümler üretmek, nanopartikülleri ortadan kaldırmak ve ekosistemimizden tamamen temizlemek için ölçeklenebilirliğe odaklanan birçok şirket ve proje daha bulunmaktadır.

Sonuç

Çöp sahaları ve okyanus plajları plastik eşyalarla dolu olduğunda, 0.001 mm’den daha küçük nanoplastikler yaygın hâle gelmiş ve bunun sonucunda bitkilere, kuşlara, okyanus yaşam formlarına ve insanlara tehlike oluşturmuştur. Nanopartiküllere maruz kalmanın bulunmuştur canlılar üzerinde olumsuz etkileri olduğu, çevre için bir endişe yarattığı ve insan sağlığının bu yeni düşmanını çözmek için acil bir ihtiyaç doğurduğu bulunmuştur.

Sonuç olarak, araştırmacılar ve organizasyonlar, bu kalıcı olduğu bilinen küçük parçacıkları ortadan kaldırmak için çeşitli gelenek dışı yollar araştırıyor. Ancak, tüm bu deneyler şu an için laboratuvarlarla sınırlı ve henüz ölçeklenebilir bir çözüm bulamadık.

Ancak, bu yeni yöntemler doğru yönde önemli bir adım, nanoplastik kirliliğinin yaygın sorununu ele alıyor. Ayrıca, konunun aldığı ilgi ve gördüğümüz ilerleme göz önüne alındığında, biz bekleyebiliriz yakın gelecekte ölçekli ve etkili bir şekilde temiz su ve daha sağlıklı ekosistemler sağlayabilecek bir çözüm elde etmeyi.