Goedkope methode verwijdert micro- en nanoplastics uit water

Onderzoekers van de Universiteit van São Paulo (USP) in Brazilië hebben een nieuwe, op nanotechnologie gebaseerde oplossing ontwikkeld voor de verwijdering van micro- en nanoplastics uit water. Hun onderzoek is gepubliceerd in het journaal Micron.

Kleine plasticdeeltjes zijn tegenwoordig alomtegenwoordig in de wereld en kunnen momenteel een van de belangrijkste milieuproblemen zijn, na de klimaatcrisis en het steeds sneller uitsterven van soorten en ecosystemen.

Microplastics zitten in de bodem, het water en de lucht, en in de lichamen van dieren en mensen. Ze zijn afkomstig van alledaagse consumptiegoederen en van slijtage van grotere materialen. Ze zijn overal en in elke omgeving te vinden. Een belangrijke bron is het water dat wordt gebruikt voor het wassen van kleding gemaakt van synthetische vezels. Microplastics kunnen momenteel niet uit afvalwater worden gefilterd en dringen uiteindelijk door in de bodem, het grondwaterpeil, rivieren, oceanen en de atmosfeer.

Microplastics, gedefinieerd als fragmenten van maximaal 1 millimeter, vormen een goed geïdentificeerd en zichtbaar probleem. Nanoplastics zijn echter duizend keer kleiner en vormen een nog verraderlijker gevaar, omdat ze belangrijke biologische barrières kunnen passeren en vitale organen kunnen bereiken. A recente studiehebben bijvoorbeeld hun aanwezigheid in het menselijk brein gedetecteerd.

“Nanodeeltjes zijn niet zichtbaar voor het blote oog of detecteerbaar met conventionele microscopen, dus ze zijn erg moeilijk te identificeren en te verwijderen uit waterbehandelingssystemen”, zegt Henrique Eisi Toma, professor aan het Institute of Chemistry (IQ-USP) en laatste auteur van de Micron artikel.

De procedure die bij USP is ontwikkeld, maakt gebruik van magnetische nanodeeltjes die zijn gefunctionaliseerd met polydopamine, een polymeer afgeleid van dopamine, een neurotransmitter die aanwezig is in het menselijk organisme. Deze nanodeeltjes kunnen zich binden aan micro- en nanoplastic afval en de gecombineerde deeltjes kunnen vervolgens uit het water worden verwijderd door het aanleggen van een magnetisch veld.

“Polydopamine is een stof die de klevende eigenschappen nabootst van mosselen, die zich heel hardnekkig aan veel oppervlakken hechten. Het hecht zich stevig aan stukjes plastic in water en zorgt ervoor dat de magnetische nanodeeltjes deze kunnen vangen. Dit ongewenste materiaal kan vervolgens met behulp van het water uit het water worden verwijderd. een magneet,’ zei Toma.

Het proces is al effectief gebleken voor het verwijderen van micro- en nanoplastics uit water, vooral in zuiveringssystemen. De onderzoeksgroep wil ze echter ook afbreken met specifieke enzymen zoals lipase, dat polyethyleentereftalaat (PET) kan afbreken tot de basiscomponenten. Toepassing van de enzymen ontleedt PET en andere veelgebruikte kunststoffen in kleinere moleculen, die kunnen worden hergebruikt om plastic materialen te produceren.

“Ons doel is niet alleen om plastic uit water te verwijderen, maar ook om op een duurzame manier bij te dragen aan de recycling ervan”, aldus Toma.

PET is een grondstof voor plastic flessen en andere artikelen. Het is een belangrijke vervuiler, niet in de laatste plaats omdat bij de afbraak ervan tereftaalzuur (C₆H₄(COOH)₂) en ethyleenglycol (C₂H₄(OH)₂), die beide giftig zijn.

“Lipase breekt PET af in deze initiële monomere vormen, die kunnen worden hergebruikt om nieuwe PET’s te synthetiseren. Onze studie concentreerde zich op PET, maar andere onderzoekers kunnen andere specifieke enzymen gebruiken om verschillende kunststoffen te verwerken, zoals bijvoorbeeld polyamide of nylon,” hij gezegd.

In het onderzoek onder leiding van Toma zijn magnetische nanodeeltjes van ijzer (II, III) oxide of zwart ijzeroxide (Fe₃O₄), werden gesynthetiseerd door co-precipitatie en later gecoat met polydopamine (PDA) door dopamine gedeeltelijk te oxideren in een mild alkalische oplossing om Fe te vormen₃O₄@PDA. Lipase werd op dit substraat geïmmobiliseerd. Hyperspectrale Raman-microscopie werd gebruikt om de opslag en afbraak van het plastic in realtime te volgen.

Complex probleem

De term ‘plastics’ verwijst naar een breed scala aan synthetische of semi-synthetische polymeren, waarvan de meeste zijn afgeleid van fossiele brandstoffen. Hun kneedbaarheid, flexibiliteit, lichte gewicht, duurzaamheid en lage kosten hebben ervoor gezorgd dat ze aanwezig zijn in talloze producten die in het dagelijks leven worden gebruikt. Bezorgdheid over de residuen en het afval dat door dit zeer intensieve gebruik wordt geproduceerd, heeft geleid tot een zoektocht naar alternatieven, zoals bioplastics. In plaats van niet-hernieuwbare petrochemicaliën zijn bioplastics afkomstig van hernieuwbare en biologisch afbreekbare bronnen.

“Het is een goed idee, maar voordat ze volledig worden afgebroken, fragmenteren bioplastics ook en vormen ze micro- of nanoplastics. Omdat ze biocompatibel zijn, zijn ze zelfs nog verraderlijker omdat ze directer kunnen interageren met onze organismen en biologische reacties kunnen veroorzaken,” zei Toma.

Een ander verontrustend stukje informatie van Toma is dat mineraalwater in flessen zelfs nog meer vervuild kan zijn door bioplastics dan het behandelde drinkwater dat we thuis consumeren.

“Behandeld drinkwater ondergaat processen zoals filtratie, coagulatie en flotatie om de meeste residuen te verwijderen, terwijl mineraalwater, dat in sommige opzichten beter is (het is bijvoorbeeld lichter, bevat meer zouten en smaakt beter bijvoorbeeld), in geen van deze processen wordt verwerkt. omdat dat de eigenschappen ervan zou vernietigen. Als de omgeving waaruit het wordt verzameld vervuild is door bioplastics, zullen deze deeltjes de consument bereiken”, zei hij.

Kortom, de uitdaging is ontmoedigend en er zijn geen voor de hand liggende antwoorden. De nanotechnologie gepresenteerd door Toma en medewerkers biedt een veelbelovende oplossing voor een probleem waarvan de volledige omvang nog maar net begint te worden begrepen. Hij spoort andere onderzoekers aan om door te gaan met het zoeken naar oplossingen en doet een beroep op bestuurders om het probleem serieus te nemen.