[미국] 환경 오염물질을 제거할 수 있는 새로운 방법


인간들이 만든 많은 오염 물질들은 자연적인 과정으로 분해되고, 포유류와 기타 동물의 호르몬과 기타 시스템을 방해하는 역할을 한다. 기존의 방법으로는 이런 독성 물질들을 제거하는데 많은 비용과 시간이 소모된다. 저널 Nature Communications에 게재된 최근 연구에서, MIT와 고이아스 연방대학(Federal University of Goiás)의 연구진은 나노입자와 자외선을 사용하는 새로운 방법이 토양과 물속의 다양한 오염물질을 빠르게 분리하고 추출할 수 있다는 것을 증명했다.

이번 연구진은 이 연구결과를 우연하게 발견했다. 그들은 암 세포에 약물을 전달하는 나노입자를 개발하다가 이 나노입자가 물과 토양 속의 오염물질을 추출할 수 있다는 것을 발견했다. 이번 연구진은 자외선 광에 노출하면 벽개되는 폴리머를 이전에 합성했다. 그러나 자외선 광이 조직과 세포에 손상을 주기 때문에 약물 전달에 적합하지 않다고 생각했다. 이번 연구진은 자외선 광이 물을 소독하는데 사용된다는 것을 알게 되었을 때, 이것을 다른 분야에 적용하기 위해서 노력했다.

“우리는 자외선 광을 사용한다면 이 입자들을 다른 분야에 사용할 수 있다고 생각했다”고 Brandl이 말했다. “그 후에 우리는 자외선 광을 조사했을 때 입자들이 응집한다는 것을 관찰했기 때문에 물속의 독성 화학 물질, 오염 물질, 호르몬을 제거하는데 우리의 입자들을 사용했다”고 Brandl이 언급했다. 

이번 연구진은 폴리에틸렌글리콜(치약 등에 폭넓게 사용되고 있는 화합물), 폴리락트산(유리 등에 사용되는 생분해성 플라스틱)으로 폴리머를 합성했다. 이런 폴리머로 만들어진 나노입자들은 소수성 코어와 친수성 쉘을 가지고 있다. 분자 크기의 힘 때문에, 소수성 오염 분자들은 소수성 나노입자를 향해서 움직이고, 그들을 효율적으로 포집할 수 있는 표면 위에 흡수된다.

이런 나노물질들은 물속에 균일하게 분산되어 있다. 그러나 자외선 광에 노출될 때, 입자의 안정화된 외부 쉘이 사라짐으로써 여과, 침전을 통해서 제거될 수 있는 더 큰 응집체를 형성한다. 이번 연구진은 폐수로부터 프탈레이트(phthalate, 호르몬을 교란하는 화학물질), BPA, 다륜성 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon) 등을 추출하는데 이 방법을 사용했다. 이 프로세스는 비가역적이고 폴리머는 생분해성을 가지고 있기 때문에 독성을 가진 2차 생성물을 남기지 않는다.

이번 연구진에 따르면, 이 연구결과는 작은 분자들이 나노입자 표면 위에 수동적으로 흡수할 수 있다는 것을 보여주었다. “우리가 아는 한, 이것은 미리 형성된 나노입자와 작은 분자들의 상호작용을 직접적으로 측정할 수 있다는 것을 보여준 최초의 사례”라고 이번 연구진은 말했다.

더 흥미로운 것은 환경적인 개선에서부터 의료적 분석까지 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있다는 점이다. 폴리머는 상온에서 합성되고, 특정 화합물을 대상으로 특별하게 제조될 필요가 없다. 그들은 모든 종류의 소수성 화학물질과 분자들에 폭넓게 적용될 수 있다. “우리가 오염물질을 제거하는데 사용된 상호작용은 비-특이성을 가진다”고 Brandl이 말했다. “우리는 동일한 샘플 속에 존재하는 호르몬, BPA, 농약을 제거할 수 있고, 이것은 한 단계로 수행할 수 있다”고 Brandl이 덧붙였다. 

나노입자의 높은 표면적 대 부피 비율은 작은 양으로 많은 오염물질을 제거할 수 있다는 것을 의미한다. 이 기술은 오염된 물과 토양을 비용 효율적으로 정화시키는데 큰 잠재력을 가지고 있다. 이 연구는 나노크기 약물 전달 기술과 환경적 개선 기술에도 적용될 수 있을 것이다. “우리는 제약 산업을 위한 매우 정교한 고정밀 툴에 이것을 적용하려고 노력하고 있고, 제약 분야에 이 기술을 사용할 수 있는 방법을 조사하고 있다”고 Frank Gu 교수가 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Nanoparticles with photoinduced precipitation for the extraction of pollutants from water and soil”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms8765).

그림. 물과 토양 속의 오염물질을 추출하는데 사용되는 나노입자.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 27일]

 

 

Many human-made pollutants in the environment resist degradation through natural processes, and disrupt hormonal and other systems in mammals and other animals. Removing these toxic materials — which include pesticides and endocrine disruptors such as bisphenol A (BPA) — with existing methods is often expensive and time-consuming.

In a new paper published this week in Nature Communications ("Nanoparticles with photoinduced precipitation for the extraction of pollutants from water and soil"), researchers from MIT and the Federal University of Goiás in Brazil demonstrate a novel method for using nanoparticles and ultraviolet (UV) light to quickly isolate and extract a variety of contaminants from soil and water.

Ferdinand Brandl and Nicolas Bertrand, the two lead authors, are former postdocs in the laboratory of Robert Langer, the David H. Koch Institute Professor at MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research. (Eliana Martins Lima, of the Federal University of Goiás, is the other co-author.) Both Brandl and Bertrand are trained as pharmacists, and describe their discovery as a happy accident: They initially sought to develop nanoparticles that could be used to deliver drugs to cancer cells.

Brandl had previously synthesized polymers that could be cleaved apart by exposure to UV light. But he and Bertrand came to question their suitability for drug delivery, since UV light can be damaging to tissue and cells, and doesn’t penetrate through the skin. When they learned that UV light was used to disinfect water in certain treatment plants, they began to ask a different question.

“We thought if they are already using UV light, maybe they could use our particles as well,” Brandl says. “Then we came up with the idea to use our particles to remove toxic chemicals, pollutants, or hormones from water, because we saw that the particles aggregate once you irradiate them with UV light.”

The researchers synthesized polymers from polyethylene glycol, a widely used compound found in laxatives, toothpaste, and eye drops and approved by the Food and Drug Administration as a food additive, and polylactic acid, a biodegradable plastic used in compostable cups and glassware.

Nanoparticles made from these polymers have a hydrophobic core and a hydrophilic shell. Due to molecular-scale forces, in a solution hydrophobic pollutant molecules move toward the hydrophobic nanoparticles, and adsorb onto their surface, where they effectively become “trapped.” This same phenomenon is at work when spaghetti sauce stains the surface of plastic containers, turning them red: In that case, both the plastic and the oil-based sauce are hydrophobic and interact together.

If left alone, these nanomaterials would remain suspended and dispersed evenly in water. But when exposed to UV light, the stabilizing outer shell of the particles is shed, and — now “enriched” by the pollutants — they form larger aggregates that can then be removed through filtration, sedimentation, or other methods.

The researchers used the method to extract phthalates, hormone-disrupting chemicals used to soften plastics, from wastewater; BPA, another endocrine-disrupting synthetic compound widely used in plastic bottles and other resinous consumer goods, from thermal printing paper samples; and polycyclic aromatic hydrocarbons, carcinogenic compounds formed from incomplete combustion of fuels, from contaminated soil.

The process is irreversible and the polymers are biodegradable, minimizing the risks of leaving toxic secondary products to persist in, say, a body of water. “Once they switch to this macro situation where they’re big clumps,” Bertrand says, “you won’t be able to bring them back to the nano state again.”

The fundamental breakthrough, according to the researchers, was confirming that small molecules do indeed adsorb passively onto the surface of nanoparticles.

“To the best of our knowledge, it is the first time that the interactions of small molecules with pre-formed nanoparticles can be directly measured,” they write in Nature Communications.

Even more exciting, they say, is the wide range of potential uses, from environmental remediation to medical analysis.

The polymers are synthesized at room temperature, and don’t need to be specially prepared to target specific compounds; they are broadly applicable to all kinds of hydrophobic chemicals and molecules.

And the nanoparticles’ high surface-area-to-volume ratio means that only a small amount is needed to remove a relatively large quantity of pollutants. The technique could thus offer potential for the cost-effective cleanup of contaminated water and soil on a wider scale.

“From the applied perspective, we showed in a system that the adsorption of small molecules on the surface of the nanoparticles can be used for extraction of any kind,” Bertrand says. “It opens the door for many other applications down the line.”

This approach could possibly be further developed, he speculates, to replace the widespread use of organic solvents for everything from decaffeinating coffee to making paint thinners. Bertrand cites DDT, banned for use as a pesticide in the U.S. since 1972 but still widely used in other parts of the world, as another example of a persistent pollutant that could potentially be remediated using these nanomaterials. “And for analytical applications where you don’t need as much volume to purify or concentrate, this might be interesting,” Bertrand says, offering the example of a cheap testing kit for urine analysis of medical patients.

The study also suggests the broader potential for adapting nanoscale drug-delivery techniques developed for use in environmental remediation.

“That we can apply some of the highly sophisticated, high-precision tools developed for the pharmaceutical industry, and now look at the use of these technologies in broader terms, is phenomenal,” says Frank Gu, an assistant professor of chemical engineering at the University of Waterloo in Canada, and an expert in nanoengineering for health care and medical applications.

“When you think about field deployment, that’s far down the road, but this paper offers a really exciting opportunity to crack a problem that is persistently present,” says Gu, who was not involved in the research. “If you take the normal conventional civil engineering or chemical engineering approach to treating it, it just won’t touch it. That’s where the most exciting part is.”  

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40830.php]