Wróg, którego nie widać. Polacy mają broń na mikroplastik
Czy da się szybko i skutecznie wykrywać mikroplastik w wodzie? We Wrocławiu właśnie powstaje system, który odpowiada: tak, i to w czasie rzeczywistym.
Mikroplastik to słowo coraz częściej przewija się w raportach naukowych, wiadomościach i rozmowach. Te mikroskopijne cząsteczki tworzyw sztucznych są dziś dosłownie wszędzie: w powietrzu, wodzie, glebie, a nawet w naszych organizmach. Badania pokazują, że przeciętny człowiek może tygodniowo zjadać i wdychać nawet 5 g mikroplastiku. To tyle, ile waży karta kredytowa.
Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej razem z lokalnym start-upem Techsy, MPWiK Wrocław oraz Wodami Polskimi rozpoczynają właśnie pionierski projekt. Wspólnie tworzą inteligentny system do monitorowania obecności mikroplastiku i substancji ropopochodnych w wodzie.
Projekt ma być prawdziwą rewolucją w badaniu jakości wody, zarówno w wodociągach, jak i w rzekach. To rozwiązanie ma działać całodobowo, bez potrzeby wożenia próbek do laboratoriów i czekania godzinami na wyniki. Dane będą zbierane i analizowane na bieżąco. Urządzenia będą analizować próbki bez udziału człowieka, automatycznie i precyzyjnie.
Mikroplastik: wróg, którego nie widać
Mikroplastik to cząsteczki plastiku o wielkości mniejszej niż 5 mm, często o średnicy od zaledwie 5 do 300 mikrometrów. Dla porównania: ludzki włos ma średnicę ok. 70 mikrometrów. Te maleńkie fragmenty pochodzą głównie z rozkładu większych plastikowych przedmiotów: butelek, opakowań, ubrań z tworzyw sztucznych, kosmetyków czy opon samochodowych. Trafiają do wody i powietrza, a stamtąd do naszych organizmów.
Problem w tym, że mikroplastik jest trudny do wykrycia. Istnieje w wielu postaciach, kształtach i składach chemicznych, może zawierać różne polimery, być zanieczyszczony substancjami toksycznymi i ukrywać się wśród naturalnych cząstek. Same metody wykrywania są, co gorsza, skomplikowane i wymagają zastosowania wyspecjalizowanych urządzeń.
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 – opowiada dr Bartosz Krajnik z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr, naukowiec zajmujący się metodami spektroskopii i mikroskopii optycznej pojedynczych molekuł i nanocząstek.
Jak działać ma nowy system?
Wrocławskie rozwiązanie ma być inne. Przede wszystkim działać będzie na miejscu i natychmiastowo.
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 – opowiada 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.
Konsorcjum 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 będzie zaznaczał kolorem wszystkie polimery albo np. konkretne ich rodzaje, sprawiając, że będą nie do przeoczenia w próbce, a do tego będzie to robił szybko.
Więcej na Spider's Web:
Cztery twarze mikroplastiku
Naszym zadaniem będzie opisanie markerów optycznych, czyli tych wskaźników, jakie pozyskamy na podstawie danych z badań spektroskopowych, które będą mówiły nam, że w próbce występuje mikroplastik – tłumaczy dr Krajnik.
Prof. Rybak dodaje, że konsorcjanci koncentrują się 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. Zakładamy, że nasze urządzenia będą w stanie wykrywać obecność cząsteczek o średnicy od 5 do 300 mikrometrów, bo takie głównie występują w środowisku wodnym – wyjaśnia badaczka.
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.
Prawdziwe wyzwanie
Prace nad projektem potrwają trzy lata. Piotr Kunicki ze spółki Techsy, która jest liderem całego przedsięwzięcia, podkreśla, że stworzenie takiego systemu jest dużym wyzwaniem naukowym i inżynieryjnym.
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. 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 – mówi Piotr Kunicki.
Gotowy system będzie produktem oferowanym na rynku przez spółkę Techsy. Będzie go 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.
