10 دقیقه
تصور کنید ذرات نامرئی پلاستیک داخل یک لوله آب را به دژی سخت تبدیل کنند. آنقدر ریز که از بیشتر فیلترها عبور میکنند، این ذرات تنها آلایندههای شناور در آب ما نیستند—آنها به نظر میرسد شیوه سازماندهی، دفاع و بقا جوامع باکتریایی را بازنویسی میکنند.
نانوپلاستیکهای ریز، تأثیرات بزرگ
نانوپلاستیکها—ذرات پلاستیک با اندازهای در حدود یک تا ۱۰۰۰ نانومتر—اغلب بهخاطر خطر بلعیده شدن مستقیم مورد توجه قرار گرفتهاند. اما پژوهشی جدید به سرپرستی Jingqiu Liao در دانشگاه ویرجینیا تک تهدیدی متفاوت و احتمالاً بزرگتر را نشان میدهد: زمانی که نانوپلاستیکها وارد سیستمهای آب آشامیدنی میشوند، میتوانند رفتار میکروبهایی را که روی سطح لولهها زندگی میکنند تغییر دهند. نتیجه تشکیل بیوفیلمهایی است که از نظر مکانیکی قویتر و مقاومتر در برابر محلولهای ضدعفونیکننده مرسوم هستند.
بیوفیلم را میتوان به یک شهر میکروسکوپی تشبیه کرد. باکتریها روی یک سطح مینشینند، یک ماتریکس چسبناک ترشح میکنند و پناهگاهی جمعی میسازند. در آن ماتریکس میتوانند از حملات شیمیایی، نیروهای برشی یا جریانهایی پنهان شوند که سلولهای منفرد معلق را از بین میبرند. این پناهگاه در برخی کاربردهای مهندسی مفید است، اما در داخل شبکه توزیع آب آشامیدنی یک مشکل پایدار بهشمار میآید.
مطالعهای که توسط تیم ویرجینیا تک هدایت شد، بر بیوفیلمهای چندگونهای متمرکز بود که شامل باکتریهای محیطی آشنا—Escherichia coli و Pseudomonas aeruginosa—بودند، که ساکنان معمولی بسیاری از سامانههای آبی هستند. زمانی که این بیوفیلمها با ذرات نانوپلاستیک مواجه شدند، مجموعهای از پاسخها مشاهده شد. سلولها پیامرسانی شیمیایی خود را تغییر دادند، ماتریکس خارج سلولی چسبناک را تقویت کردند و بهطرز مهمی، تعاملات بین باکتری و باکتریوفاژها—ویروسهایی که به باکتریها حمله میکنند—به نحوی تغییر کرد که به بقای بیوفیلم کمک میکرد.
چگونه نانوپلاستیکها جنگ میکروبی را تغییر میدهند
در سطح مولکولی، مطالعه حداقل سه پاسخ مرتبط را شناسایی کرد. نخست، ارتباط بین باکتریها افزایش مییابد: گونههای مختلف سیگنال مبادله میکنند و پلیمرهای ساختاری بیشتری ترشح میکنند که بیوفیلم را ضخیم و انعطافپذیرتر میسازد. دوم، پروفازها—ژنومهای ویروسی غیرفعالی که درون DNA باکتریها قرار دارند—فعال میشوند. وقتی پروفازها فعال شوند، میتوانند میزبان خود را لیز کنند و تعداد زیادی ذره فاز جدید را به محیط محلی رها کنند. سوم، باکتریها دفاعهای ضدویروسی مانند سامانههای مبتنی بر CRISPR را فعال میکنند تا مقابله کنند، و این تغییراتی را در بقا و رقابت سویهها ایجاد میکند.
فعال شدن ویروسها در کوتاهمدت تخریبگر بهنظر میرسد: تکثیر فاز باعث کشته شدن بخشی از جمعیت باکتریایی میشود. اما اکوسیستمها به ندرت ساده هستند. لیز سلولی مواد مغذی و DNA آزاد میکند که میتواند رشد مجدد بیوفیلم و تبادل ژنتیکی را تقویت کند. به عبارت دیگر، یک فوران فازی میتواند جامعه میزبان خود را تغذیه و بازسازی کند. با حضور نانوپلاستیکها، اثر خالصی که پژوهشگران مشاهده کردند، تشکیل بیوفیلمهایی با استحکام مکانیکی بیشتر و حساسیت کمتر به ضدعفونیکنندههای مرسوم در فرایند تصفیه و توزیع بود.
این موضوع چرا اهمیت دارد؟ زیرا شرکتهای آبرسان به مراحل پیشبینیشده ضدعفونی تکیه میکنند تا شبکه توزیع ایمن بماند. اگر بیوفیلمها محکمتر بچسبند و در برابر درمان شیمیایی مقاومت کنند، میکروبهایی که حامل ویژگیهای بیماریزا یا ژنهای مقاومت ضد میکروبی هستند میتوانند مدت طولانیتری روی سطوح لوله بمانند و بعداً از جای خود جدا شوند و به سمت مصرفکننده حرکت کنند.
از دیدگاه مدیریت شبکه و کیفیت آب آشامیدنی، این یافتهها نشان میدهد که آلودگی پلاستیکی میتواند بهطور غیرمستقیم خطرات بهداشتی را افزایش دهد، حتی اگر ذرات خود مستقیماً بیماریزا نباشند. در نتیجه، مفاهیمی مانند نانوپلاستیک، بیوفیلم، مقاومت به ضدعفونی و انتقال ژنی افقی باید در برنامهریزی پایش و مدیریت کیفیت آب وارد شوند.
پیامدها برای سلامت عمومی و مدیریت آب
این یافتهها دامنه خطر آلایندههای پلاستیکی را گسترش میدهند. موضوع دیگر تنها اثرات احتمالی نانوذرات در داخل بدن انسان نیست؛ بلکه چگونگی تغییر اکوسیستمها—در اینجا اکوسیستمهای مهندسیشده مانند لولهها و مخازن—نیز اهمیت دارد، بهگونهای که آنها بهتر قادر به میزبانی و محافظت از میکروبها میشوند. نویسندگان مطالعه تأکید میکنند که نانوپلاستیکها ممکن است تشکیل بیوفیلمهایی را افزایش دهند که حذف آنها دشوار است و این خود یک چالش عملی برای شرکتهای توزیع آب ایجاد میکند.
این چالش از چند جهت اهمیت دارد:
- تکنولوژیهای تصفیه باید بازنگری شوند: فرایندهای موجود مانند کلرینهسازی یا ازنزدایی ممکن است در حضور بیوفیلمهای تقویتشده کمتر مؤثر باشند.
- برنامههای پایش باید بسط یابند: علاوه بر آزمونهای میکروبیولوژیک، اندازهگیری و شناسایی نانوپلاستیکها و میکروپلاستیکها در منابع و شبکهها ضروری میشود.
- تحقیقات بیشتر برای تعیین ویژگیهای بحرانی ذرات لازم است: اندازه، شکل، ترکیب شیمیایی و بار سطحی ذرات نانو همه میتوانند بر تعامل آنها با میکروبها تأثیر بگذارند.
بهعنوان مثال، احتمالاً لازم است که پارامترهای کلیدی سیستم توزیع آب—از جمله دبی جریان، دما، بار آلی محلول (DOC)، و سطوح کلر باقیمانده—همزمان با فراوانی و نوع نانوپلاستیکها پایش شوند تا ریسک واقعی بهتر محاسبه شود.
«باید دیدگاهمان را فراتر از سمیّت مستقیم گسترش دهیم،» میگوید Jingqiu Liao، پژوهشگر ارشد این مطالعه. او خاطرنشان میکند که پاسخهای اکولوژیکی—تغییر در تعاملات میکروبی، تبادل ژن یا دفاعهای جمعیتی—میتواند بهطور غیرمستقیم سلامت انسان را تحت تأثیر قرار دهد، چون ترکیب میکروبی سیستمهایی را که مردم روزانه به آنها متکیاند تغییر میدهد.
شکافهای پژوهشی و پرسشهای فنی
این مطالعه پرسشهای بیشتری را نسبت به پاسخها باز کرده است. چه محرکهای مولکولی در باکتریها وجود دارند که ذرات پلاستیکی را تشخیص میدهند؟ چگونه شیمی سطح و شکل ذره بر معماری بیوفیلم اثر میگذارند؟ کدام شرایط محیطی—دما، نرخ جریان، سطوح کربن آلی—این اثرات را تشدید یا تضعیف میکنند؟ اندازه ذرات بهنظر میرسد اهمیت زیادی داشته باشد؛ میکروپلاستیکها ممکن است جابهجاییهای اکولوژیکی متفاوتی نسبت به همتایان نانومتری خود ایجاد کنند.
پاسخ به این پرسشها نیازمند ترکیب مطالعات آزمایشگاهی کنترلشده و تحقیقات میدانی طولی است. آزمایشگاهها میتوانند مکانیزمهای مولکولی و مسیرهای بیوشیمیایی را با شرایط قابل تنظیم بررسی کنند، در حالی که مطالعات میدانی ترکیب ذرات و میکروبها را در شرایط واقعی شبکههای آب ردیابی میکنند.
از منظر مهندسی، استراتژیهای نوینی میتواند ظهور کند:
- پوششهای سطحی ضدچسبندگی (anti-fouling coatings) که از چسبیدن ذرات و بیوفیلم جلوگیری کنند.
- فیلترهای پیشرفته و مرحلهبندیشده که ذرات نانومتری را قبل از ورود به شبکه توزیع حذف نمایند، مانند فیلترهای غشایی با منافذ بسیار کوچک یا فرایندهای جذب سطحی اختصاصی.
- درمان هدفمند با باکتریوفاژها (phage therapy) که بیوفیلمها را بدون ترویج تبادل ژنی ناخواسته تضعیف کنند—اگرچه این روش نیاز به بررسی دقیق ریسکهای اکولوژیک دارد.
هر یک از این رویکردها دارای هزینهها، ملاحظات عملیاتی و اثرات جانبی احتمالی است؛ برای نمونه، افزایش شدت ضدعفونی ممکن است ترکیبات جانبی مضر (DBPs) تولید کند، یا فیلترهای بسیار ریز نیازمند نگهداری و تعویض منظم باشند که هزینهها را بالا میبرد.
دیدگاه کارشناسان
«در حال حاضر داریم پلاستیکها را به عنوان عوامل اکولوژیک میبینیم، نه فقط زبالههای بیاثر،» دکتر Karen Soto، میکروبیولوژیست آب در دانشگاه Cascadia میگوید. «این دیدگاه نگرش ما به ریسک را تغییر میدهد. اگر ذرات بسیار ریز پلاستیک دینامیک ویروس-باکتری در بیوفیلمها را تغییر دهند، مداخلات باید بازخوردهای زیستی را در نظر بگیرند، نه فقط حذف ذرات. این یک معمای زیستمحیطی است که پیامدهای بهداشت عمومی نیز دارد.»
کشف اینکه نانوپلاستیکها میتوانند استحکام بیوفیلم و مقاومت آن را نسبت به ضدعفونی تغییر دهند، مسئله آشنای آلودگی را به یک چالش میکروبیولوژیک تبدیل میکند. این یافته پیشنهاد میدهد که کنترل ذرات پلاستیک در آبهای منبع باید به اندازه کنترل میکروبها برای تضمین ایمنی آب آشامیدنی اهمیت یابد. برای شرکتهای آب، پژوهشگران و قانونگذاران پیام روشن است: بازیگران نادیدنی در لولهها را جستجو کنید.
در سطح سیاستگذاری، این موضوع میتواند منجر به بهروزرسانی استانداردهای کیفیت آب شود، از جمله شاخصهایی برای حضور نانوپلاستیکها و توصیههایی برای مدیریت ریسک ترکیبی میکروب-ذره. از منظر علمی، یک چارچوب بینرشتهای ــ شامل میکروبیولوژی محیطی، مهندسی آب، علوم مواد و سلامت عمومی ــ برای پرداختن به این مسأله ضروری بهنظر میرسد.
علاوه بر این، ضروری است که ارتباطات عمومی و آموزش درباره ریسکهای پیچیده شده با نانوپلاستیکها تقویت شود تا مصرفکنندگان و تصمیمگیران بدانند که موضوع فراتر از زبالههای مرئی در سطح است و میتواند بر امنیت آب آشامیدنی اثر بگذارد.
اقدامات پیشنهادی برای پژوهش و مدیریت
برای جلو بردن دانش و کاهش ریسک، مجموعهای از اقدامات چندوجهی پیشنهاد میشود:
- گسترش برنامههای پایش: نمونهبرداری منظم از منابع آب خام، آب پس از تصفیه و شبکه توزیع برای تحلیل نانوپلاستیکها، میکروپلاستیکها و شاخصهای میکروبیولوژیک.
- تحقیقات مکانیزمی: آزمایشهای در مقیاس آزمایشگاهی برای شناسایی مسیرهای مولکولی که منجر به تقویت ماتریکس بیوفیلم میشوند، از جمله مطالعه نقش سینگالهای کوئوروم، پلیمرهای خارج سلولی و پاسخهای فاز-پروفازی.
- توسعه فناوری: طراحی فیلترها و پوششهای جدید برای کاهش ورود ذرات نانو یا جلوگیری از چسبندگی آنها به سطوح لوله.
- ارزیابی ریسک ترکیبی: مدلسازیاتی که ترکیب اثرات نانوپلاستیکها و میکروبها را بر سلامت انسان و عملکرد شبکه پیشبینی کند.
- سیاستگذاری مبتنی بر شواهد: ارائه راهنماییهای عملیاتی برای شرکتهای آب و تدوین استانداردها و آستانههای مجاز برای ذرات ریز پلاستیکی در منابع آب.
اجرای این اقدامات نیازمند سرمایهگذاری در ظرفیت آزمایشگاهی و مهارتی است، اما هزینههای عدم اقدام میتواند شامل شیوعهای بیماریزا، افزایش مصرف ضدعفونیکنندهها و از دست دادن اعتماد عمومی به آبشرب باشد.
جمعبندی
نقش نانوپلاستیکها در تقویت بیوفیلمها و افزایش مقاومت آنها به ضدعفونی، نشاندهنده یک مسیر غیرمستقیم اما مهم است که از آلودگی پلاستیکی به تهدیدات بهداشتی و عملیاتی برای سیستمهای آب منجر میشود. شناسایی این مسیر، نیاز به بازاندیشی در برنامههای پایش، طراحی مهندسی و سیاستگذاری دارد.
تمرکز بر مفاهیمی چون نانوپلاستیک، بیوفیلم، پایداری بیولوژیک و مدیریت ترکیبی ریسک میتواند به توسعه راهحلهایی کمک کند که نهتنها ذرات را از آب حذف کنند، بلکه از شکلگیری شرایطی جلوگیری نمایند که به بقای میکروبهای مشکلساز کمک میکنند. در پایان، کنترل قطعات نامرئی پلاستیک در آب منبع ممکن است همارزِ کنترل میکروبها شود در تضمین ایمنی آب آشامیدنی؛ پیام برای اپراتورها، پژوهشگران و نهادهای مقرراتگذار روشن است: به دنبال بازیگران نامرئی در داخل لولهها باشید و راهکارهای پیشگیرانه و دقیقتری توسعه دهید.
منبع: scitechdaily
نظرات
اتو_ر
اگه این موضوع واقعا در شبکههای شهری واقعی باشه، باید زود بررسی بشه، یه جور تهدید خاموشه و نگرانکننده
مکس_ای
حس میکنم بعضی راهکارها مثل فیلترهای فوقریز در مقیاس شهری خیلی گرون و سختالنصب باشن؛ ایدهها خوب اما اجرا سخته
شهرلاین
دیدگاه بینرشتهای لازمه؛ نه فقط مهندسی آب، سیاست و اطلاعرسانی هم باید همراه باشن، وگرنه مشکل حل نمیشه
لابکور
تو لابراتوار هم دیدم با ذرات ریز، باکتریها رفتارشون عوض میشه؛ ولی سوالا خیلیه، شیمی سطح، اندازه، جریان همه موثرن
آرمین
واقعاً این نتایج عمومیان؟ یعنی تو همه شبکهها همین اتفاق میفته یا فقط شرایط آزمایشگاهیه؟
توربومک
منطقی به نظر میاد، اما هزینه و عملیاتیشدن چیه؟ پایش نانوپلاستیک باید جدی گرفته بشه، نه فقط حرف.
دیتاپالس
وای😳 یعنی ذرات ریز پلاستیک دارن لولهها رو به قلعه میکروبی تبدیل میکنن؟ جدی که این قدر خطرناکه...
ارسال نظر