تجزیه نوری ماسکهای پلی پروپیلن یکبار مصرف: خواص فیزیکوشیمیایی ضایعات و تاثیر آن بر سمیت بیوفیلمهای رودخانهای حمل شده با ماسک
شیوع کووید-19 منجر به انتشار گسترده ماسکهای صورت پلی پروپیلن (PP) در محیط زیست و ایجاد یک خطر زیست محیطی جدید شد که با تجزیه نوری و تکه تکه شدن ماسک همراه بود. ماسک صورت از بافت مشبک به طول چند کیلومتر از الیاف به قطر چند تا حدود 20 میکرون تشکیل شده است. پس از تجزیه نوری، این الیاف متلاشی شده و به زباله های قابل پخش در آب تبدیل میشوند. مشاهدات پایداری ذرات و الکتروسینتیک از این تجزیه نوری حمایت کرده و موجب افزایش/کاهش بار/آب گریز بودن قطعات کلوئیدی آزاد شده میشوند. این تغییر در آبگریزی به تولید گروههای واکنشی کربونیل و هیدروکسیل ناشی از اشعه ماوراء بنفش نسبت داده می شود که پس از چند روز مواجهه قابل تشخیص است. محتوای هلیکال، زبری سطح و سطح ویژه الیاف ماسک به طور قابل ملاحظهای تحت تاثیر تجزیه نوری قرار نمیگیرند. تکه تکه شدن الیاف در سطوح تازه تشکیل شده مواد افزودنی نهفته مانند نانوذرات TiO2 و دیگر مواد آلی را آشکار میسازد. مرگ و میر گاماریدها به طور قابل توجهی با تغذیه 3 روزۀ ماسک ها توسط اشعه ماوراء بنفش افزایش می یابد که حامل بیوفیلم های حمل شده در رودخانه هستند؛ علت این کار کاهش فراوانی میکروفیت در آن است. درمقابل، ترکیب تجمع باکتری و جامعه میکروبی بدون توجه به تجزیه ماسک بدون تغییر باقی میماند. به طور کلی، در این مقاله به بیان ویژگی های فیزیکوشیمیایی ماسکهای بکر و تجزیه شده، عملکردهای اکوسیستمی و سمیت زیست محیطی بیوفیلمهای آب شیرین می پردازیم که قابل انتقال هستند.
زمانی که دولتها درحال تصویب قوانینی برای جلوگیری از مصرف اقلام پلاستیکی یکبار مصرف هستند، اقدامات اتخاذ شده برای مقابله با شیوع همهگیری کووید-19 منجر به افزایش چشمگیر استفاده از پلاستیک در زندگی روزمره ما شد؛ به صورت محصولات حفاظتی و شخصی (PPE) مانند دستکش و ماسک. درنتیجه، روزانه تولید جهانی 80 ماسک-که 90 درصد آنها از پلی پروپیلن تشکیل شده است با افزایش 30 برابری از سال 2019 تا 2020-2021، به 1 میلیارد در روز رسید. این تولید انبوه تنها با بیان ضرورت مراقبتهای بهداشتی توجیه نمیشود، بلکه توصیهها و تمهیدات اندیشیده شده به استفاده از ماسک در اماکن عمومی، مراکز پزشکی و وسایل نقلیه را نیز شامل میشود. استفاده گسترده از تجهیزات حفاظت فردی توسط مردم به یک پدیده جدید اجتماعی بدل شده بود و امروزه، به یک نگرانی جدی در سیستم مدیریت ضایعات مرتبط با ماسک فراتر از حوزه تخصصی پزشکی تبدیل شده است. محدودیت های سنگین در جمع آوری زباله، محدود بودن امکانات درمانی و رفتار برخی از مصرف کنندگان همگی از فاکتورهای دخیل در سوء مدیریت پسماند و پراکندگی آن در شبکههای آب باران، فاضلاب و محیط طبیعی به شمار می روند. درک اینکه بیشتر زباله هایی که به اقیانوس ها ختم می شوند ناشی از مدیریت ضعیف پسماند هستند، تخمین زده می شود سالانه بین 0.15 تا 0.39 میلیون تن ضایعات ماسک به اقیانوسها ریخته شود. اگرچه برای جلوگیری از انتشار کووید-19 مردم به استفاده از ماسک تشویق می شدند، اخیرا در یک مطالعه نشان داده است که نیاز به بررسی خطرات طولانی مدت سلامت انسان به استفاده از چنین تجهیزات حفاظتی مرتبط است زیرا ماسک صورت موجب انتشار ذرات ریز و ترکیبات آلی (نیمه) فرّار میشود.
سپس این سؤال مطرح می شود که آیا می توان وجود ماسک ها را در محیط نسبت به سایر ضایعات پلاستیکی "متداول" تعریف کرد؟ پاسخ این سؤال احتمالا منفی است و ماسک ها و دیگر محصولات زیست تخریب پذیر به چند علت نیاز به توجه ویژه دارند. اول، اکثر مردم نمی دانند که ماسک ها و سایر دستمال های مرطوب یکبار مصرف به راحتی دیگر مواد سلولزی، در محیط زیست تجزیه نمی شوند. دوم، ماسک از الیافی به قطر چند میکرون تشکیل شده است که شکستن و تکه تکه شدن آنها را به زباله هایی با اندازه میکرون درمقایسه با دیگر اجسام پلاستیکی راحت تر می کند. مشخصه دیگر اینکه ماسک ها مساحت سطحی بزرگی با جذب آلاینده هایی مانند فلزات یا مواد آلی دارند. ما و همکارانش گزارش کردند که مساحت سطحی یک ماسک 1.4 متر مربع است که 14 برابر بزرگتر از بطری پلاستیکی 500 میلی لیتری است. علاوه براین باتوجه به ماهیت و اندازه الیاف به کار رفته در ماسک، خواص تراکم PP و با درنظر گرفتن جرم معمولی چند گرمی برای یک ماسک، به راحتی می توان تخمین زد که طول کلی الیاف موجود در لایه های داخلی و خارجی ماسکهای 3 لایه می تواند بیش از چند کیلومتر باشد و حتی ممکن است در لایه میانی به چند صد کیلومتر برسد. موضوع مهم دیگری که باید درنظر گرفته شود تاثیر پراکندگی ماسک ها و زباله های حاصل از آنها است که بسته به مکان های تجزیه یا تجمع طیف وسیعی از آلایندهها را به وجود می آورند.
جمع بندی
نتایج گزارش شده در این مطالعه شواهدی ارائه می دهد مبنی بر اینکه ماسک های صورت را باید به عنوان زباله های پلاستیکی عجیب درنظر گرفت زیرا از الیافی تشکیل شده اند که مساحت سطح آنها به خوبی از سطح دیگر اجسام پلاستیکی جامد مشابه آن بیشتر است. در اینجا ما نشان دادیم که تجزیه نوری ماسک در مراحل اولیه با تولید ذرات میکرون و نانومتر همراه است. در کمال تعجب، مشاهده شد از دست دادن خواص مکانیکی منجر به تغییر اکثر خواص توده می شود که توسط پراش اشعه ایکس و طیف سنجی مادون قرمز کنترل می شوند. تغییرات اصلی ثبت شده پس از مواجهه با اشعه ماوراء بنفش شامل تولید گروه های شیمیایی جدید (توابع کربونیل) است که نشان دهنده فرایند اکسیداسیون است. در لایه میانی، این توابع شیمیایی تازه تشکیل شده تنها پس از چند روز مواجهه با اشعه ماوراء بنفش قابل تشخیص هستند. در هر سه لایه، همان طور که با تغییر در شاخص کربونیل می توان دید، مقدار آنها در 28 روز قابل مشاهده است. تحلیل ویژگی های کلوئیدی قطعات آزاد شده نشان می دهد که پراکندگی این قطعات در محلول شوری 1-250 میلی مولار حتی در دوز متوسط اشعه ماوراء بنفش (مواجهه 3 روزه) به این معناست که زباله های ماسک قطبیت قابل توجهی پیدا کرده اند. همچنین مشاهده کردیم که صرف نظر از شکل کریستالی پلیمر و پیشرفت واکنش، وابستگی تحرک الکتروفورتیک بقایای ماسک دارای خواص شوری با شکل مشابه "موز" است.
مشاهدات SEM و تحلیل شیمیایی وجود مواد افزودنی در الیاف آزاد شده را نشان داد؛ به ویژه در نانوذرات TiO2 که هم در سطح و هم در قسمت عمده الیاف قرار دارند. باتوجه به گزارشات مربوط به بلع الیاف و آسیب روده در آبزیان زنده، تکه تکه شدن بافت ماسک که به دنبال تجزیه ایجاد می شود، مواجهه با این افزودنی های آلاینده در موجودات آبزی افزایش می دهد. این یافته با مشاهدات ما از تغییر در پراکندگی فلورسنت پس از تجزیه حمایت می کند؛ از همگن به ناهمگن به شکل تاول های موضعی در سطح الیاف. در این مطالعه همچنین واکنشپذیری ماسکهای بکر و تجزیه شده نسبت به موجودات آبزی ازنظر تنوع و فراوانی ارگانیسم در بیوفیلم های حمایت شده با ماسک رشد یافته در رودخانه موزل و بقایای گونه های گامارید تغذیه شده با این بیوفیلم ها مورد بررسی قرار گرفته است. به طور کلی، پیری بافت ماسک در درجه اول فراوانی جلبک ها (عمدتا دیاتوم ها) را کاهش داده و بر فراوانی باکتری ها و ساختار جامعه میکروبی تاثیر ضعیفی دارد. علاوه براین، مرگ و میر گاماریدها با تغذیه از بیوفیلمهای رشد یافته روی ماسکهای قدیمی، اساسا به دلیل کمبود کیفیت منابع غذایی، افزایش می یابد. فراتر از نتایجی که به طور خلاصه در بالا بیان شد، اصالت این مطالعه در توسل به مجموعه ای از تکنیک ها برای بررسی خواص قطعات درمقایسه با مواجهه با اشعه ماوراء بنفش در مقیاس مولکولی، کلوئیدی و ماکروسکوپی توده ای نهفته است. به طور کلی، این پژوهش شامل تحلیل کیفی و یا کمّی تغییرات خواص مختلف ماسک در کوتاه مدت (یعنی در عرض چند روز مواجهه با اشعه ماوراء بنفش) همراه با تغییرات مربوطه در کلونیزاسیون آنها توسط ارگانیسم ها و اثرات سمیت زیست محیطی است.
