Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej łączą siły z wrocławskim start-upem Techsy, MPWiK i Wodami Polskimi, by wspólnie stworzyć 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, wykrywamy już wszędzie – nawet w tak niedostępnych miejscach jak dno Rowu Mariańskiego czy szczyt Mount Everest. Jest obecny także w wodzie - i tak np. badania z 2021 r. pokazały, że stężenia mikroplastiku w analizowanych wodach powierzchniowych w Europie wahały się w zakresie od 1 do 100 cząstek w metrze sześciennym.

W każdym razie 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 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 – opowiada dr Bartosz Krajnik z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr, naukowiec zajmujący się metodami spektroskopii i mikroskopii optycznej pojedynczych molekuł i nanocząstek.

Potrzebujemy jednak rozwiązania, które pozwoli nam 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.

Wspólne badania i prace technologiczne poprowadzą wrocławski start-up Techsy, naukowcy z Politechniki Wrocławskiej (z dwóch jednostek – Katedry Biologii Środowiskowej i Ochrony Atmosfery na Wydziale Inżynierii Środowiska oraz z Katedry Inżynierii Materiałów Półprzewodnikowych na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki) oraz wrocławskie MPWiK i PGW Wody Polskie.

– 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.

Pomogą barwniki

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.

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 będą mówiły nam, 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

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 – wyjaśnia badaczka. – 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 MPWiK i Wodami Polskimi – zostaną zainstalowane w kilku lokalizacjach, a skuteczność ich działania będzie analizowana przez pół roku.

System gotowy za trzy lata

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 – 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 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.

Projekt „System zbierania i przetwarzania w czasie rzeczywistym danych o obecności mikroplastików i substancji ropopochodnych w wodzie” zyskał dofinansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach Rządowego Programu Strategicznego Hydrostrateg „Innowacje dla gospodarki wodnej i żeglugi śródlądowej”. Był jedynym ocenionym pozytywnie i rekomendowanym do finansowania spośród 18 zgłoszonych z całego kraju. Przyznana kwota to prawie 13,7 mln zł.

Hydrostrateg to rządowa inicjatywa, 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.

Nad projektem na Politechnice Wrocławskiej będą pracowały dwa zespoły – na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki: prof. Robert Kudrawiec, dr Bartosz Krajnik i dr inż. Filip Dybała oraz na Wydziale Inżynierii Środowiska: prof. Justyna Rybak, dr Beata Hanus- Lorenz, dr inż Magdalena Wróbel i dr hab. inż Mirela Wolf- Baca, prof. uczelni.

Lucyna Róg