Algele brune – o soluție pentru depoluarea apelor contaminate cu metale grele: o cercetare UAIC realizată cu ajutorul unui accelerator de particule

Metalele grele, precum cadmiul — cel investigat de cercetătorii ieșeni — sunt extrem de toxice, atât pentru mediu cât și pentru om. Din acest motiv, acesta nu poate fi prezent decât în limite foarte reduse în apă, aer sau sol. Atunci când concentrația sa depășește aceste limite, cadmiul devine periculos și trebuie îndepărtat. Dintre metodele folosite în prezent cele mai multe generează la rândul lor deșeuri toxice. Echipa de cercetători de la Universitatea „Alexandru Ioan Cuza” din Iași, coordonați în cercetare de Dr. Loredana Brînză Țepeș, din cadrul Departamentului de Științe Exacte și Științe ale Naturii, caută metode de epurare a apelor poluate cu metale toxice care să fie mai prietenoase pentru mediu.

Studiile anterioare au arătat că speciile de alge brune au capacități de reținere a metalelor și respectiv curățare a apei, printr-un proces numit adsorbție, fiind mai eficiente decât speciile verzi și roșii sau mulți adsorbanți sintetizați chimic și care ulterior pot genera deșeuri toxice  Dar, pentru ca acești adsorbanți de metale toxice să treacă din laborator în lumea reală, trebuie investigată capacitatea de reținere pentru poluanți sau metale în diferite condiții de mediu (cum ar fi temperatura, aciditatea, concentrația poluantului, prezenta altor compuși) și condiții diferite de proces tehnologic. De asemenea, trebuie înțelese mecanismele prin care se formează legăturile la nivel atomic. Acesta a fost și scopul echipei de cercetători din Iași, care au oferit, prin studiul lor, informații esențiale pentru a favoriza reutilizarea algelor în mai multe cicluri și optimizarea procesului, extinderea testelor pilot și ulterior implementarea unei biotehnologii curate și ecologice pentru depoluarea apelor uzate.

„Ne-am concentrat pe algele marine deoarece au un potențial de adsorbție extraordinar pentru depoluare a apelor contaminate cu metale grele”, explică dr. Brînză Țepeș. „Algele sunt deja adaptate la apele de suprafață și/sau marine, pot fi utilizate în mai multe cicluri de adsorbție și în final, după ultima folosire, spălare și recuperare a metalelor, acestea pot fi folosite ca fertilizanți sau depozitate în siguranță, până când se biodegradează.”

Cu ajutorul sincrotronului Diamond Light Source, au reușit să observe cum se realizează interacțiunea dintre ionii de cadmiu si suprafața algelor, mai precis care sunt vecinii ionilor de cadmiu, distanța legăturilor chimice, numărul de legături chimice. Astfel, echipa a putut determina la un nivel extrem de detaliat cum se formează aceste legături dintre cadmiu și suprafața alegelor și cum are loc efectiv mecanismul de adsorbție.

Înțelegerea mecanismului de adsorbție a metalelor toxice la suprafața algelor permite inginerilor chimici și de proces să folosească algele într-un mod foarte eficient. Pe baza acestor informații, ei pot alege mai departe soluția optimă pentru a îndepărta cadmiul de pe alge și a le reutiliza.

Acest accelerator de particule, „un microscop gigantic, de mărimea a zece stadioane de fotbal, cu rezoluție spațială și analitică extremă”, este alcătuit dintr-un generator de electroni de ultimă generație, un accelerator de particule liniar și unul circular urmate de un inel de stocare imens. Electronii sunt apoi accelerați până aproape de viteza luminii, devenind capabili să producă o lumină de 10 miliarde de ori mai strălucitoare decât soarele. Lumina este apoi folosită în stații de cercetare, unde oamenii de știință folosesc aceste fascicule de dimensiuni până la 100.000 de ori mai subțiri decât o foaie de hârtie pentru a studia orice, la un nivel extrem de detaliat – cel al moleculei sau chiar cel al atomului. Acesta a fost și procedeul folosit de echipa din Iași pentru a studia potențialul algelor marine de a ne proteja sănătatea prin eliminarea metalelor grele din apă. Pentru a vedea procesul atât de detaliat, echipa a folosit raze X în fascicule extrem de fine prin tehnici de spectroscopie. Razele X sunt produse de electronii care sunt accelerați în acest sincrotron, având o viteză apropiată de viteza luminii. Acești electroni emit un flux mare de raze X cu intensitate și frecvență foarte mare, atunci când sunt frânați. Aceste fascicule fine rezultate au fost direcționate spre algele păstrate la o temperatură foarte scăzută, de -200°C, pentru a nu fi distruse în timpul analizei.

„Cu ajutorul acestui fascicul extrem de mic dar foarte puternic de raze X, putem identifica ce elemente chimice sunt în materialul analizat, distanța dintre atomi, precum și distanța dintre un element de interes și vecinii acestuia. Astfel se poate determina cum se găsește legat fiecare element în structura materialului analizat, ca într-o hartă foarte precisă, la scara unui atom”, explică dr. ing. Loredana Brînză Țepeș. Accesul la acceleratoarele de particule disponibile în lume la ora actuală se face prin competiție de propuneri de proiecte de cercetare, care sunt evaluate din punct de vedere tehnic și științific de un panel internațional, compus din experți în domeniu. Dr. ing. Loredana Brînză Țepeș a câștigat astfel de proiecte de cercetare ce au permis aceste cercetări.

Rezultatele cercetărilor au arătat că aceste alge brune irlandeze uscate au o capacitate superioară de reținere a cadmiului din apele reziduale, în comparație cu alte metode chimice sau biologice, utilizate în prezent. Echipa a demonstrat, de asemenea, că algele marine pot fi reutilizate de mai multe ori. În studii anterioare, cercetătorii UAIC au constatat rezultate similare în ceea ce privește adsorbția zincului de către algele brune irlandeze din ape cu conținut ridicat de zinc.

 

Acest studiu al algelor irlandeze va putea fi folosit, mai departe, pentru realizarea unor biotehnologii prietenoase cu mediul folosite în depoluarea apelor uzate.

„Această algă marină brună, Fucus vesiculosus, nu se găsește și în Marea Neagră”, susține dr. Loredana Brînză Țepeș, „însă este prezentă din abundență pe malurile multor mări și oceane în lume. Speciile de alge brune din Marea Neagră au potențial asemănător, dar au fost foarte puțin studiate în acest sens, și datorită prezenței lor reduse.”