Vědci Univerzity Palackého v Olomouci a Technické univerzity v Liberci se zapojili do boje za záchranu znečištěných vodních zdrojů. V dubnu 2012 s partnery z Mikrobiologického ústavu AV ČR a pěti velkými sanačními firmami působícími v ČR vytvořili společně národní Centrum kompetence ekologicky šetrných nanotechnologií a biotechnologií pro čištění vod a půd – Nanobiowat. Osmiletý projekt podpořený Technologickou agenturou ČR se zaměřuje na vývoj a rychlé implementace nových technologií čištění vod na evropské a světové trhy. Česká republika by se tak mohla v této oblasti stát evropským lídrem.
„Nám se zdá, že je vody všude dost, ale z celkového množství zhruba 1,4 miliardy km3 kilometrů vody jsou jen méně než dvě procenta vhodná pro využívání člověkem. Jsou oblasti, kde lidé doslova trpí žízní,“ říká docent Miroslav Černík z Technické univerzity v Liberci. Připomíná, že s rostoucí poptávkou po vodě se zvyšuje i znečištění vodních zdrojů. „Jedná se o vysoce toxické látky, jako jsou chlorované uhlovodíky, těžké kovy, radioaktivní sloučeniny, arsen, kyanidy, fosfor, herbicidy, bojové chemické látky, sinice. Nově se k nim přidávají hormonálně aktivní látky (tzv. endokrinní disruptory) a léčiva, které se do vod dostávají v důsledku rozsáhlého používání zejména hormonální antikoncepce a analgetik,“ upřesňuje profesor Radek Zbořil z Univerzity Palackého v Olomouci, ředitel centra Nanobiowat. Zabezpečení dostatečného množství nezávadné vody je celosvětovou prioritou. Liberečtí a olomoučtí vědci se při vývoji nových, ekonomicky přijatelných a přitom účinných a ekologicky šetrných technologií a biotechnologií pro čištění vod zaměřují především na využití nanomateriálů. Akademická pracoviště v Olomouci, Liberci a Praze představují evropskou špičku v oblasti nanotechnologií, environmentálních technologií a biotechnologií. Jejich spolupráce s velkými sanačními firmami, které každoročně investují značné prostředky do výzkumu a vývoje na evropském trhu, slibuje zajímavý synergický efekt.
NETUŠENÉ APLIKACE NANOMATERIÁLŮ Specifické vlastnosti nanomateriálů, jejichž hlavní složky mají rozměry menší než viry, slibují dosud netušené množství aplikací. „Například povrchově upravené nanočástice železa vyvolají ve vodě bouřlivou reakci. Uvolní se při ní spousta radikálů a vodík, které jsou schopny redukovat a rozkládat jedovaté látky rozpuštěné ve vodě. Mimořádné antibakteriální a antifungální vlastnosti stříbra v nanorozměrech lze zase využívat při odstraňování mikroorganismů z vod nebo při antimikrobiální úpravě filtračních zařízení a membrán. Nanovlákna jsou schopna ve formě membrán odstranit z vody toxiny, které jsou jen stěží nebo velmi nákladně odstranitelné konkurenčními technologiemi. Nanočásticové katalyzátory a fotokatalyzátory na bázi oxidů železa, titanu či zinku zase dokážou díky velmi malým rozměrům a velké ploše povrchu výrazně urychlit řadu degradačních a čisticích procesů. Zajímavým materiálem jsou také porézní uhlíkové nanostruktury vykazující obrovskou sorpční kapacitu, díky níž snadno naváží toxiny. Do pórů těchto materiálů lze navíc snadno zabudovat chemicky aktivní nanočástice, které čisticí proces dokončí,“ konstatuje Radek Zbořil. Největší perspektivu vidí vědci v technologiích kombinujících unikátní vlastnosti nanomateriálů. Podle Miroslava Černíka mají velkou budoucnost technologie využívající chemickou reaktivitu nanomateriálů v kombinaci s metodami bioremediace a biodegradace. „Například použití laktátů, solí kyseliny mléčné, vyvolá v podzemních vodách bakteriální rozklad, při kterém se uvolňuje vodík a dochází k odbourání toxických látek. Při následném použití nanomateriálů na bázi železa nebo nanouhlíku má taková kombinovaná technologie rekordní účinnost při odstranění halogenovaných uhlovodíků,“ vysvětluje Miroslav Černík. V centru Nanobiowat se vědci věnují také využití magnetických nanočástic jako nosičů chemicky aktivních látek a sorbentů. Po skončení čisticího procesu tak lze nanočástice separovat pomocí magnetických polí a opětovně použít, čímž se technologie výrazně zlevňují.
NOVÝ PROBLÉM: ZNEČIŠTĚNÍ HORMONÁLNÍMI LÁTKAMI Vědecké týmy národního centra Nanobiowat se věnují také vývoji metod odbourání hormonálně aktivních látek, tzv. endokrinních disruptorů. Vysoce toxické umělé hormony se do povrchových vod dostávají z antikoncepce a stávající čističky nejsou vybaveny technologiemi umožňujícími jejich odstranění. „V našem ústavu jsme nedávno vyvinuli metodu biodegradace endokrinních disruptorů pomocí ligninolytických hub, které dokážou hormony odstranit i ve velmi nízkých koncentracích,“ konstatuje docent Tomáš Cajthaml z Mikrobiologického ústavu AV ČR. Podle něj je již prokázáno, že tyto látky negativně ovlivňují pohlavní vývoj a rozmnožovací schopnosti vodních organismů. „ Není vyloučeno, že souvisejí i s výskytem karcinomů prsu, prostaty a varlat a podílejí se i na stále se snižující potenci u lidí,“ dodal Tomáš Cajthaml.
PŘÍNOSY A RIZIKA NOVÝCH NANOTECHNOLOGIÍ Vědci nezapomínají ani na studium toxicity nanomateriálů a srovnávají přínosy a rizika. „Pomocí nanoželeza odstraňujeme z vody vysoce toxické těžké kovy, radioaktivní uran nebo chlorované uhlovodíky. Nanoželezo se přitom mění na netoxický oxid železitý, který se běžně vyskytuje v přírodě. To je určitě přínos,“ tvrdí Miroslav Černík. Při studiu toxicity lze navíc odhalit další unikátní vlastnosti nanomateriálů. Olomoučtí a brněnští vědci tak společně vyvinuli a patentovali technologii, při které nanoželezo funguje jako multifunkční a selektivní zbraň v boji s toxickými sinicemi. „Nanoželezo dokáže nejen zabít buňky sinic, ale i navázat na povrch vnikajícího oxidu jedovatý mikrocystin uvolněný rozkladem buněk. Toxiny sinic se tak nedostávají do vodního sloupce,“ říká vedoucí projektu Radek Zbořil. Podstatné je, že v koncentracích, u nichž nanoželezo zabíjí sinice, je téměř netoxické k vyšším vodním organismům. Tím, že je schopno vyvázat z vody fosfor jako klíčovou živnou substanci sinic, plní i preventivní roli. Nanoželezo se speciální povrchovou modifikací se již používá jako reaktivní bariéra pro odstranění halogenovaných uhlovodíků z podzemních vod. Ověřuje se také použití nanostříbra pro antimikrobiální úpravu filtračních jednotek. Očekávaným efektem je i prodloužení životnosti membrán a filtrů.
VĚDCI A SANAČNÍ FIRMY SPOJUJÍ SÍLY Technologie využívající chemickou reaktivitu nanomateriálů mají v oblasti čištění kontaminovaných vod velkou budoucnost. Kombinaci biotechnologií a nanotechnologií například úspěšně využívá společnost Mega při sanaci v lokalitě u řeky Svratky. Pilotní testování kompozit na bázi nanouhlíku pro čištění odpadních vod provádí GEOtest Brno. Velkým přínosem je, že firmy nejen testují vyvíjené technologie, ale také spolupracují na jejich vývoji. Společnost Dekonta například pilotně testuje vyvíjené technologie a připravuje se na jejich implementaci na trh. Olomoučtí a liberečtí vědci a odborníci společnosti Aquatest a Nano Iron se rovněž zapojili do evropského projektu zaměřeného na aplikace nanomateriálů v technologiích čištění podzemních vod. Projekt s dotací téměř 10 milionů eur koordinuje univerzita ve Stuttgartu a podílí se na něm 27 špičkových evropských vědeckých pracovišť. Role olomouckých a libereckých vědců je zcela zásadní: jsou zodpovědní za vývoj nanomateriálů a jejich aplikaci ve vybraných evropských lokalitách. „Projekt je pro nás ideálním platformou jak ověřit v České republice vyvíjené nanotechnologie v jiném prostředí, tj. v dalších evropských lokalitách s jiným charakterem vod a složením polutantů,“ uzavírá Miroslav Černík.
Jaroslava Kočárková