Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej stworzą system, który w czasie rzeczywistym będzie monitorował występowanie mikroplastiku, np. w punktach kontrolnych sieci wodociągowych czy w rzekach. Projekt zyskał dofinansowanie z Rządowego Programu Strategicznego Hydrostrateg.
Mikroplastik, czyli maleńkie cząsteczki tworzyw sztucznych, wykrywany jest już wszędzie – nawet w tak niedostępnych miejscach jak dno Rowu Mariańskiego czy szczyt Mount Everestu. Badania z 2021 r. pokazały, że jego stężenia mikroplastiku w analizowanych wodach powierzchniowych w Europie wahały się w zakresie od 1 do 100 cząstek w metrze sześciennym. To o tyle niepokojące, że mikropastik nie pozostaje bez skutków dla naszego zdrowia. Badacze wskazują, że może m.in. wpływać na rozwój chorób związanych z układem krążenia czy nowotworów.
Dlatego właśnie Unia Europejska wdraża regulacje dotyczące wykorzystywania mikroplastików, by ograniczyć ich emisję do środowiska. Wprowadziła także przepisy zobowiązujące unijne kraje do monitorowania obecności mikroplastików w wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
Szybkie analizy na miejscu
Wykrywanie takich cząsteczek nie jest jednak łatwym zadaniem – ze względu na ich ogromną różnorodność. Mają rozmaite kształty, skład i wielkość, a do tego może je tworzyć nawet kilka połączonych polimerów. Dlatego ich badania wymagają skomplikowanych procedur i czasu.
Obecnie mikroplastik w wodzie identyfikuje się, korzystając z mikrospektroskopii optycznej w podczerwieni lub ramanowskiej, ewentualnie z wykorzystaniem metod termoanalitycznych. Takie analizy trwają od kilku do kilkunastu godzin. Konieczne jest pobranie próbki na miejscu, przewiezienie do laboratorium i tam przeprowadzenie badania przez wykwalifikowanego pracownika – opisuje dr Bartosz Krajnik z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej, zajmujący się metodami spektroskopii i mikroskopii optycznej pojedynczych molekuł i nanocząstek.
Potrzeba rozwiązań, które pozwoliłyby na szybkie wykrywanie i reakcję, jeśli zanieczyszczenie wody cząsteczkami tworzyw sztucznych będzie wysokie. Prace nad takim systemem zbierania danych o obecności mikroplastiku (i substancji ropopochodnych) w wodzie i przetwarzania ich w czasie rzeczywistym właśnie rozpoczynają się we Wrocławiu.
Zamierzamy stworzyć rozwiązanie, które pozwoli na badania obecności mikroplastiku w sposób zautomatyzowany. Opracowane przez nas urządzenia będą same, na miejscu, analizować próbki wody i przesyłać od razu dane z wynikami, przez całą dobę, także w nocy i w dni wolne – zapowiada prof. Justyna Rybak z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr, specjalistka od biomonitoringu i bioindykacji środowiska. – Wykorzystanie takiego systemu monitoringu na większą skalę w przyszłości mogłoby pozwolić na prowadzenie stałej kontroli jakości wody pod kątem występowania mikroplastiku, podobnie jak dzisiaj monitorujemy, poprzez cały system stacji pomiarowych, na bieżąco, jakość powietrza w kontekście zanieczyszczeń związanych z pyłami zawieszonymi, tlenkiem węgla czy benzenem – dodaje.
Pomogą barwniki
Konsorcjum z udziałem badaczy PWr planuje opracować system złożony z zestawu tzw. hydrocyklonów (czyli urządzeń do poboru próbki wody i selekcji cząstek), układu mikrofluidycznego (z modułem barwienia, rozcieńczania i analizy) oraz pomp, układu spektroskopowego i odpowiednich zbiorników.
Najpierw hydrocyklony pobiorą wodę do badania i przygotują preparat do badania, odrzucając z niego materiały biologiczne, czyli np. glony, fragmenty drobnych roślin i inną materię organiczną, która utrudniałaby analizę. Dalej próbka będzie już poddawana płukaniu, barwieniu i analizie. Naukowcy zamierzają bowiem opracować metody barwienia selektywnego, które ułatwią identyfikowanie mikroplastiku. Chodzi o to, by wybrać taki barwnik, który „zaznaczy kolorem” wszystkie polimery albo np. konkretne ich rodzaje – sprawiając, że będą nie do przeoczenia w próbce. I zrobi to szybko. Następnie system przeanalizuje wodę, wykorzystując proste techniki spektroskopii optycznej.
Naszym zadaniem będzie opisanie „markerów optycznych”, czyli tych wskaźników, jakie pozyskamy na podstawie danych z badań spektroskopowych, które powiedzą, że w próbce występuje mikroplastik – tłumaczy dr Krajnik. – Spektroskopia absorpcyjna czy emisyjna nie jest tak czuła jak ramanowska, dlatego będziemy testować, jakie cechy widmowe powinniśmy obserwować oraz modyfikować drogę optyczną tak, żeby uzyskać jak najwięcej danych. Będziemy też testować wykorzystanie luminescencji, która wydaje się najlepszą metodą w kontekście barwienia mikroplastiku, i próbować znaleźć różne strategie jej wzbudzania.
Kluczowe polimery
Uwaga naukowców skupiona będzie na czterech kluczowych polimerach: PE, PP, PS i PET, a zatem polietylenie, polipropylenie, polistyrenie i politereftalanie etylenu.
To są te tworzywa sztuczne, które stanowią niemal 80 proc. mikroplastiku wykrywanego w wodzie – wyjaśnia prof. Rybak. – Zakładamy, że nasze urządzenia będą w stanie wykrywać obecność cząsteczek o średnicy od 5 do 300 mikrometrów, bo takie głównie występują w środowisku wodnym.
Cały system – złożony z kilku urządzeń – będzie wielkości mniej więcej szafy. Uczestnicy projektu zakładają, że przebadanie w nim próbki zajmie około godziny – proces będzie jednak przebiegał w sposób ciągły, a dane w czasie rzeczywistym będą trafiały do komputerów instytucji, które wyposażą się w taki system monitoringu wody. Prototypy przejdą testy terenowe we współpracy z wrocławskim MPWiK i Wodami Polskimi – zostaną zainstalowane w kilku lokalizacjach, a skuteczność ich działania będzie analizowana przez pół roku.
System za trzy lata
Prace nad projektem potrwają trzy lata. Liderem przedsięwzięcia jest start-up Techsy.
Musimy nie tylko opracować niezawodne metody szybkiego wykrywania mikroplastików na bieżąco i przy wykorzystaniu połączenia nowych sposobów analiz, co samo w sobie jest ambitnym zadaniem – zastrzega. – Konieczne jest także połączenie ich w jeden system, czyli np. dopasowanie prędkości przepływów wody. W hydrocyklonach będzie się ona przemieszczać z prędkością 1 litra na sekundę, z kolei układ mikrofluidyczny wymaga dostarczenia próbek z prędkością 10 mikrolitrów na sekundę. Choćby tylko z tych powodów przygotowanie takiego systemu wiąże się miesiącami pracy kilku zespołów specjalistów. A to tylko jeden z aspektów wymagających opracowania szczegółów.
Gotowy system będzie można instalować, np. w wodzie płynącej w rzekach, ciekach powierzchniowych, sieciach wodociągowych czy na ujściach z oczyszczalni ścieków, co pozwoli na bieżącą ocenę poziomu zanieczyszczenia bezpośrednio w miejscu poboru. Będzie mógł także zostać zaadaptowany do zastosowań w zakładach produkcyjnych branży spożywczej, w których woda stanowi składnik produktów.
Na realizację projektu konsorcjum otrzymało 13,7 mln zł z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach Rządowego Programu Strategicznego Hydrostrateg „Innowacje dla gospodarki wodnej i żeglugi śródlądowej”. To jedyny projekt oceniony pozytywnie i rekomendowany do finansowania spośród 18 zgłoszonych.
Hydrostrateg jest rządową inicjatywą, która wspiera wdrażanie nowych rozwiązań poprawiających efektywność użytkowania i zarządzania zasobami wody w Polsce, w tym m.in. nowych metod badania, obserwacji i narzędzi wspomagających monitoring i ocenę stanu ekosystemów wodnych i ekosystemów zależnych od wód.
Lucyna Róg, źródło: PWr