2024. április 29.

A mikroműanyagok és nanoműanyagok lebontási lehetőségei, eltávolításuk a környezetből

A mikroműanyagokra az utóbbi évtizedek egyik környezeti és globális problémájaként tekinthetünk, figyelembe véve a műanyag és a mikroműanyag részecskék egyre növekvő mennyiségét, a bennük rejlő toxicitást és a természetes úton való vándorlásukat. A mikroműanyagok lehetséges mellékhatásai miatt, beleértve az emberekre és a vízi élőlényekre jelentett veszélyeket, a lebontásuk az egyik legsürgetőbb környezeti kihívássá vált. Az utóbbi években tudományos körökben felmerült az a nézet is, hogy nanoműanyagok valószínűleg sokkal veszélyesebbek az élő szervezetekre, mint a mikroműanyagok, mivel nagyobb mennyiségben fordulnak elő és reakcióképesebbek. Cikkünkben ezeket a kérdéseket tárgyaljuk részletesebben.

A mikroműanyagokat általában két típusba sorolják: elsődleges és másodlagos mikroműanyagok. Az elsődleges mikroműanyagoknak azokat az apró részecskéket nevezzük, amelyeket kis méretben, speciális alkalmazásokhoz gyártottak. Ezzel szemben a másodlagos mikroműanyagok a nagyméretű műanyagok (pl. műanyag palackok, kötözők, arcmaszkok) széttöredezésének eredményeként jönnek létre különböző környezeti tényezők, például a szél, az árapály, a tengervíz okozta degradáció, a fénysugárzás (fotooxidáció), a hősugárzás, a mikrobiális lebomlás és mechanikai behatások hatására.

A műanyagok és a mikroműanyagok két fontos okból jelentős környezetvédelmi problémát jelentenek. Először is a széllel és a vízáramlatokkal könnyen eljutnak a légkörbe, a szárazföldre, a tengerekbe, melyeket különböző módon szennyeznek, másrészt a mikroműanyagok jelenléte káros és hosszú távú következményekkel jár, amelyek veszélyeztetik az élővilág egészségét.

A MIKROMŰANYAGOK ELTÁVOLÍTÁSA ÉS LEBONTÁSA

Az elmúlt években a kutatói közösség jelentős erőfeszítéseket tett a műanyagalapú anyagok eltávolítására, lebontására szolgáló hatékony módszerek kidolgozására. Annak ellenére, hogy számos esettanulmány és áttekintő cikk foglalkozik az alkalmazható módszerek széles skálájával, az eltávolítás és a lebontás molekuláris mechanizmusa még mindig nem teljesen világos.

1. ábra: Mikroműanyagok előfordulása és ökológiai veszélyei a vízi kultúrákban

A vízben lévő mikroműanyagok eltávolítási módszerei a mikroműanyagok lerakódásán és agglomerálódásán alapulnak, melynek során elkülönülnek a kezelt víztől. Az eltávolítási technikák nem bontják le a mikroműanyag részecskéket, hanem a hatékony eltávolítás érdekében megváltoztatják azok felületi kémiáját és a részecskék közötti kölcsönhatásokat. A lebontási
módszerek a mikroműanyagok fizikai és kémiai tulajdonságait változtatják meg. Számos tényező, többek között a polimerek típusa, kémiai szerkezete és mérete, valamint a folyamat körülményei jelentősen befolyásolhatják a végeredményt.

KÉMIAI TECHNOLÓGIÁK

A mikroműanyagok kémiai módszerekkel való eltávolításának leggyakrabban alkalmazott módjai a koaguláció, az agglomeráció és a hab flotáció vagy hab úsztatás.

A koaguláció egy töltésalapú eltávolítás, amelyet a mikroműanyagok közötti elektrosztatikus kölcsönhatások irányítanak. A töltésalapú folyamat arra a mechanizmusra utal, amelyben kémiai koagulánsok hozzáadásával a taszító erők csökkennek, ennek eredményeként a mikroműanyagok kolloidjai destabilizálódnak és a hatékony eltávolításhoz szükséges vizes közeget alkotnak. A mikroműanyagok felületi töltése befolyásolja stabilitásukat és szuszpenziójukat a vizes közegben. Egy másik gyakori módszer a mikroműanyagok eltávolítására az agglomeráció, amikor nagyobb méretű részecskék – agglomerátumok – képződnek, amelyek összegyűjtése és eltávolítása könnyebb, mint a kisebb méretűeké. A habflotáció egyfajta fizikai elválasztás, amelyet a mikroműanyagok felületi kémiája szabályoz. Mivel a legtöbb mikroműanyag hidrofób, a habflotáció során keletkező buborékok könynyen rátapadhatnak a mikroműanyagra, megkönnyítve a mikroműanyag részecskék vízből való eltávolítását.

A mikroműanyagok kémiai lebontási módszerei, amelyek fizikai-kémiai tulajdonságaik megváltoztatásához köthetők, magukban foglalják a hidrolízist, a kavitációt, a fejlett oxidációs folyamatokat, a hidrotermikus karbonizációt, a hővel aktivált perszulfátos kezeléseket, az ózonkezelést, a klórozást és az UV-indukciót. A hidrolízis egyfajta olcsó lebontási módszer, amely a mikroműanyagok lebontása során környezetbarát termékeket állít elő. Általában megkülönböztetünk savas, semleges és lúgos hidrolízist. Míg a savas hidrolízist tömény kénsavval végzik nyomás nélküli készülékben, addig a semleges hidrolízisnél vizet és gőzt használnak. A lúgos hidrolízist NaOH-oldattal végzik 1,4-2 MPa üzemi nyomáson. Bár a lúgos hidrolízis képes a mikroműanyagok teljes depolimerizációjára, ez a folyamat magas hőmérsékletet és hosszú időt igényel.

2. ábra: A mikroműanyagok eltávolításának és lebontásának lehetőségei

A kavitáció általában olyan fizikai jelenség, amely a folyadékban lévő nyomáskülönbség miatt létrejövő, hatalmas mennyiségű energiát tartalmazó, végtelenül kicsi gőzbuborékok keletkezésén alapul. Különböző mechanikai hatások, mint például a nyírás és a lökéshullámok felelősek a hidroxilgyökök keletkezéséért, amelyek a kavitációs módszerrel történő mikroműanyag lebontás mechanizmusának meghatározó lépése.

A fejlett oxidációs eljárások széles körben alkalmazhatók a szennyvíztisztításban, valamint a mikroműanyagok lebontásában. A lényeget tekintve reaktív oxigén csoportok, például hidroxilgyökök, szuperoxidok és peroxid-anionok jelenlétében zajlanak. Ezek a reaktív csoportok nagy lebontási potenciállal rendelkeznek és különböző módon, például Fenton módszer, hidrotermikus karbonizáció, hővel aktivált perszulfátos kezelések, ozonizálás, klórozás és UV-indukció révén állíthatók elő.

FOTOKATALITIKUS LEBONTÁS

A vizes közegben lévő mikroműanyagok fotokatalitikus lebontási módszerekkel is eltávolíthatók. A fotokatalizátor elsődleges funkciója a redoxireakciók felgyorsítása fényforrás jelenlétében. A mikroműanyagok fotokatalitikus lebontásának hatékonyságát befolyásolja az oldat pH-ja, a rekombináció és oxidoredukció útján történő lebontás sebessége, valamint a szabad gyökök könnyű keletkezése, amelyek kulcsszerepet játszanak a hidrogénatomok kivonásában a polimerláncokból.

BIOLÓGIAI LEBONTÁS

A biológiai úton történő lebontás során baktériumkultúrákat, baktériumtelepeket, gombakultúrákat és enzimeket használnak. A biodegradáció és a biokármentesítés számos előnnyel jár, beleértve a minimális energiafelhasználást, a környezetbarát technológiát és a megfizethetőséget. A lebontás lassúsága és a technológia szükséges izolációja azonban eddig korlátozta az alkalmazását.

A mikroorganizmusok legelterjedtebb csoportja, a baktériumok mindenféle környezetben, például a talajban, a vízben és a légkörben megtalálhatók, képesek a mikroműanyagok lebontására. A mikroműanyagok biodegradációs kezelésének négy fő lépése a mikrobiális biofilmképződés, a biodegradáció, a biofragmentáció és a mineralizáció (ásványosodás). E lépések közül a biodegradáció a meghatározó lépés, amely a mikroorganizmusok sejten belüli kiválasztására és sejten kívüli enzimjeire egyaránt támaszkodik.

A műanyag biológiai lebomlása négy egymást követő lépésen keresztül történik: kolonizáció (a mikrobák megtelepedése), depolimerizáció, asszimiláció és mineralizáció. Annak ellenére, hogy a biológiai lebontási módszerek rendelkeznek bizonyos előnyökkel, van néhány alapvető korlátjuk, mint például a lassú lebontási sebesség és a lebontási sebesség eléréséhez szükséges hosszú idő. A mikroműanyagok és az azokat benépesítő mikroorganizmusok közötti kölcsönhatások tanulmányozásával megtervezhetők és módosíthatók a mikroműanyagok fizikai és kémiai jellemzői a jobb lebontás érdekében.

HIBRID MEMBRÁN

A hibrid membrán rendszerek a mikroműanyagok egyidejű eltávolítására és lebontására alkalmas hatékony technikák. Alapvetően a membrántechnológiákat széles körben használják a szennyező anyagok eltávolítására a víz- és szennyvízkezelésben olyan kiemelkedő tulajdonságaik miatt, mint az alacsony költség, a nagy stabilitás, mechanikai szilárdság és rugalmasság. A legújabb tanulmányok kimutatták, hogy a membránok szűrő hatásuknak és beállítható tulajdonságaiknak köszönhetően rendkívül hatékonyak lehetnek a mikroműanyagok eltávolításában. Egy önálló membránrendszer nem képes lebontani a mikroműanyagokat, viszont ezek a problémák kezelhetők a membrán és a koagulálásból, fotokatalitikus vagy biológiai kezelésből álló hibrid rendszer alkalmazásával. A membránrendszerek legnagyobb hátránya az elszennyeződésük, amelyet a részecskék lerakódása a membrán felületén vagy a membrán pórusainak eltömődése okoz. A szennyeződés csökkenti a membrán teljesítményét és élettartamát, növeli a folyamat üzemeltetési költségeit, ezért a hibrid rendszerekben a membránok elszennyeződését és a mikroműanyagok jelenlétének a teljesítményükre gyakorolt hatását még a fejlesztések előtt tanulmányozni kell.

A NANOMŰANYAGOK POTENCIÁLISAN VESZÉLYESEBBEK, MINT A MIKROMŰANYAGOK?

Az utóbbi években tudományos körökben felmerült az a nézet, hogy nanoműanyagok veszélyesebbek lehetnek az élő szervezetekre, mint a mikroműanyagok. Ezeket a kis műanyagdarabokat átmérőjük alapján 5000 μm felett makroműanyagként, 1 és 5000 μm közötti mikroműanyagként és 1 μm alatt nanoműanyagként osztályozzák. A napfény sugárzása, az időjárási folyamatok és a természetes enzimek azok a tényezők, amelyek a tömegműanyagokat mikroműanyagokká, majd nanoműanyagokká alakítják. A részecskék fizikai és kémiai tulajdonságai, például méretük, kristályosságuk, polaritásuk és felületi töltésük módosulnak a lebomlási folyamatok során, amelyek befolyásolják a mikroműanyagok és nanoműanyagok sorsát és viselkedését a környezetben. Bár a szakirodalomban gyakran együtt tárgyalják a mikroműanyagokat és a nanoműanyagokat, különböző környezetben eltérő mobilitással és toxicitással rendelkeznek. A 3. ábra összefoglalja a mikroműanyagok és nanoműanyagok megkülönböztető viselkedését. Összességében a nanoműanyagok reaktívabbak, nagyobb mennyiségben fordulnak elő, távolabbi helyekre is eljuthatnak és könnyebben behatolhatnak az élő sejtekbe.

3. ábra: A mikroműanyagok a környezetben több ezer kisebb méretű

A mesterséges nanorészecskék olyan kemikáliákra vagy anyagokra utalnak, amelyek 1 és 100 nm közötti részecskeméretűek. A mesterséges nanorészecskékkel kapcsolatos több évtizedes tanulmányok tapasztalatai rávilágítanak a nanoműanyagok környezeti viselkedésére. Ugyanakkor a nanoműanyagok és a mesterséges nanorészecskék eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. Először is, a nanoműanyagok mérettartománya 1 μm-ig terjed, míg a mesterséges nanorészecskék az 1-100 nm-es mérettartományba esnek. Másodszor, a környezetben előforduló nanoműanyagok
a műanyag hulladékok lebontásából keletkeznek, míg a mesterséges nanorészecskéket a vegyipar állítja elő.

A környezetben megtalálható nanoműanyagok lényegesen heterogénebbek, mint a mesterséges nanorészecskék. Polidiszperzek, különböző részecskeméretekkel, reakcióképességgel és felületi tulajdonságokkal rendelkeznek. A nanoműanyagok abban is különböznek a mesterséges nanorészecskéktől, hogy kölcsönhatásba lépnek a fénnyel és a természetes szerves anyagokkal, amelyek befolyásolják mobilitásukat és lebomlásukat. Ugyanakkor a műanyagok általában adalékanyagokat is tartalmaznak és ezek kioldódása gyakran megtörténik. A nanoműanyagok élő szervezetekre gyakorolt hatásáról és a környezetben való viselkedéséről azonban jelenleg még nagyon keveset tudunk.

A mikroműanyagok és a nanoműanyagok egyidejűleg lehetnek a környezetszennyező anyagok forrásai, hordozói és elnyelői. A kis és nagy sűrűségű polietilén, a poliamid és a PET eredeti monomerjei, például az etilén és a tereftálsav, kikerülhetnek a környezetbe. A mikro- és nanoműanyagok lebomlása során olyan adalékanyagok is felszabadulhatnak, mint a ftalátok, égésgátlók, szerves ónvegyületek, triklozán és biszfenol. Ezen adalékanyagok némelyike rákkeltő és endokrin károsító anyag, ezért aggodalomra ad okot az emberek és az ökoszisztémák egészsége szempontjából. Fennáll a toxikus fémek adszorpciójának valószínűsége a mikro- és nanoműanyagok felületén is. A szerves szennyeződések szorpciója, elnyelése a vízi környezet fokozott szennyeződését okozhatja. A környezetben tartósan megmaradó szerves szennyező anyagok koncentrációja a mikroműanyagokon sokkal magasabb, mint a környező természetes vizekben. A szervetlen és szerves szennyező anyagok mikroműanyagokkal és nanoműanyagokkal való kölcsönhatása potenciálisan növeli a műanyag részecskék lenyelésével kapcsolatos kockázatokat. A mikro- és nanoműanyagok szerepet játszhatnak a szennyező anyagok hosszú távú megkötésében a talajban és az üledékekben.

1. táblázat: A mikroműanyagokon való biofilm képződését befolyásoló tényezők

A mikroműanyagok és nanoműanyagok másik potenciális kockázata a mikroorganizmusok általi kolonizációjuk, például biofilmek képződése (3. ábra, 1. táblázat). A gombák, algák és baktériumok általában megtalálhatók a biofilmekben. A műanyag felületeken kialakuló biofilm elősegíti a mikroorganizmusok kötődését, a sejten kívüli extracelluláris makromolekulák felszabadulását és a mikroorganizmusok biofilmben történő szaporodását. Az extracelluláris makromolekulák, például fehérjék, nukleinsavak, szénhidrátok és lipidek védik a biofilmben lévő mikroorganizmusokat a fotodegradációtól, a víz általi nyírástól és a fizikai kopástól. A műanyag felületi funkciós csoportjai és az érdesség befolyásolhatják a mikrobiális növekedést a biofilmekben, például a durva felületek megkönnyítik a mikrobák tapadását. A részecskeméret a biofilm képződésének egyik fő befolyásoló tényezője, ennek következtében a nanoműanyagok és a mikroműanyagok esetében ez különbözik, mivel a nanoműanyagok mérete és felülete kevésbé alkalmas a mikrobák kolonizációjára. Ehelyett a nanoműanyagok megtapadhatnak a mikroorganizmusok felületén és a mikroműanyagoktól eltérő módon hatnak a mikrobákra. Kisebb méretük miatt a nanoműanyagok inkább molekuláris szennyező anyagként működnek, amelyek a mikrobákhoz kötődnek, azokba bejutnak és toxicitást okoznak.

ÖSSZEFOGLALÁS

A kihívások és jövőbeli kilátások tekintetében az eddigi számos kutatás ellenére még mindig sok a tudományos kérdőjel a mikroműanyagok eltávolításának/lebontásának módszereivel és mechanizmusaival kapcsolatban. A mikroműanyagot illetően a rendelkezésre álló technológiák még nem eléggé nagy hatékonyságúak és fejlesztésre várnak. Kevés tanulmány foglalkozik azoknak a fotokatalizátoroknak a hatásával, amelyeket a mikroműanyagok lebontásában használnak. A biológiai lebontás mechanizmusa sem világos még pontosan, így ennek vizsgálata fontos tudományos feladat. A rendelkezésre álló módszerek ipari méretekben történő alkalmazása is a kezdeti lépéseknél tart, ami még több környezetvédelmi aggályt vet fel a vízi és szárazföldi forrásokban lévő mikroműanyagok egyre növekvő mennyisége miatt. A különböző kutatások ellenére még mindig nem tudható, hogy melyik módszer a legjobb a mikroműanyagok eltávolítására, mivel számos tényező, többek között a mikroműanyag típusa és mérete, a lebontási/eltávolítási idő, a környezeti feltételek, amelyek között a mikroműanyag keletkezik, befolyásolhatják az eltávolítási módszer működését.

Dr. Lehoczki László

FELHASZNÁLT FORRÁSOK

Molecular mechanisms of microplastics degradation: A review. Separation and Purification Technology, 309, 122906 (2023).
Nanoplastics are potentially more dangerous than microplastics. Environmental Chemistry Letters, 21,1933-1936 (2023).
Removing microplastics from aquatic environments: A critical review. Environmental Science and Ecotechnology, 13, 100222 (2023).
Microplastics in aquaculture systems: Occurrence, ecological threats and control strategies. Chemosphere, 340, 139924 (2023).
Microplastics in the environment: A critical overview on its fate, toxicity, implications, management, and bioremediation strategies. Journal of Environmental Management, 349,119433 (2024).