Polscy naukowcy z europejskimi partnerami pracują nad specjalnymi czujnikami do badania wody
Pogarszająca się jakość wody to jedno z największych globalnych wyzwań, a co za tym idzie – także obszar zainteresowania naukowców. Europejski projekt Aquasense ma na celu stworzenie nowego – samowystarczalnego i autonomicznego – systemu monitorowania jakości wody w czasie rzeczywistym. Uczestniczą w nim również badacze z Polski. Po wybuchu globalnej pandemii uwaga naukowców skupiła się na tym, czy koronawirus SARS-CoV-2 może przenosić się przez wodę. Wyniki dotychczasowych badań mogą być cenną wskazówką dla służb sanitarnych.
Po wybuchu pandemii COVID-19 na początku 2020 roku naukowcy z projektu Aquasense postanowili sprawdzić, czy nowy koronawirus może przenosić się przez wodę, do której dostają się nieoczyszczone ścieki komunalne. To istotne o tyle, że – jak podaje ONZ – ponad 80 proc. nieoczyszczonych ścieków powstałych w wyniku działalności człowieka ma ujście do rzek lub mórz, 6 na 10 ludzi nie ma dostępu do bezpiecznych urządzeń sanitarnych, a na całym świecie wciąż ponad 890 mln ludzi nadal praktykuje defekację na wolnym powietrzu. Transmisja wirusa poprzez wodę zanieczyszczoną ściekami oznaczałaby więc potężne zagrożenie epidemiologiczne w globalnej skali, a także realne ryzyko zainfekowania zwierząt wodnych.
– Na to, czy koronawirus SARS-CoV-2 może znajdować się w wodzie, wpływa szereg czynników. Jednym z nich jest technologia oczyszczania ścieków. Przykładowo, jeśli do sterylizacji ścieków stosowane jest promieniowanie UV, przeżycie wirusa zależy od intensywności tego promieniowania. Jeśli jego dawka zabije wirusa, to problem zniknie i jego transmisja staje się niemożliwa. Jeśli jednak uda się mu przetrwać, bo promieniowanie było zbyt mało intensywne, ścieki mogą być drogą rozprzestrzeniania się wirusa. To samo dotyczy też innych metod, takich jak chlorowanie. Przeżycie wirusa zależy od tego, jak dużo chloru dodamy do wody. Jeśli będzie go zbyt mało, istnieje ryzyko transmisji – mówi agencji Newseria Biznes Kiranmai Uppuluri, stypendystka programu Maria Skłodowska-Curie Actions i specjalistka inżynierii środowiska Grupy Badawczej Technologia LTCC i Elektronika Drukowana w Łukasiewicz – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki.
Badania w ramach projektu Aquasense pokazały, że transmisji koronawirusa przez wodę sprzyja kombinacja temperatury (w niskiej wirus żyje dłużej) i niskich opadów - co oznacza mniejsze rozcieńczenie ścieków przez deszcz. To pozwoliło naukowcom wyliczyć szacowane stężenie wirusa w wodzie po wycieku ścieków i skorelować je z liczbą zakażeń. Innymi słowy: na podstawie stężenia wirusa w wodzie badacze są w stanie oszacować rzeczywistą liczbę chorych na COVID-19 na danym obszarze, co stanowi cenną wskazówkę np. dla służb sanitarnych. Wykorzystując zdobytą wiedzę, naukowcy zaprojektowali też bezpłatny kalkulator JamieLab/CoV2-wastewater, który pomaga oszacować ryzyko transmisji SARS-CoV-2 po wycieku ścieków do wody. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „ACS ES&T Water”.
Transmisja koronawirusa w wodzie to tylko jeden z aspektów szeroko zakrojonego projektu Aquasense.
– Ten projekt Unii Europejskiej dotyczy monitorowania jakości wody i żywności przy użyciu autonomicznych czujników oraz inteligentnego gromadzenia i analizy danych. Jesteśmy zespołem 16 naukowców z dziewięciu europejskich krajów, w projekcie uczestniczy 12 uczelni partnerskich i dwóch partnerów przemysłowych – mówi Kiranmai Uppuluri.
Według ONZ jednym z największych, globalnych problemów jest w tej chwili nie tylko zaostrzający się niedobór wody (już 40 proc. światowej populacji cierpi z powodu jej niedostatku i ten odsetek będzie rósł), ale i jej jakość. Morza i oceany pokrywają 3/4 powierzchni Ziemi, pochłaniają ok. 30 proc. dwutlenku węgla, łagodząc skutki globalnego ocieplenia, i zapewniają utrzymanie ponad 3 mld ludzi na całym świecie. Od początku rewolucji przemysłowej poziom kwasowości wód wzrósł o 26 proc., a wody przybrzeżne ulegają stopniowemu zanieczyszczeniu i eutrofizacji, która polega na tym, że w wyniku wzrostu zawartości związków azotu i fosforu (np. ze źródeł rolniczych) w wodzie mnożą się glony, tworząc ogromne biomasy. Przez to wzrasta w wodzie także ilość bakterii, np. sinic, które uniemożliwiają rekreacyjne wykorzystanie zbiorników, a także wyczerpują się zasoby tlenu w warstwach przydennych, co wpływa na tarło niektórych gatunków ryb. ONZ szacuje, że jeśli zjawisko to będzie postępować w tym tempie, do 2050 roku obejmie ok. 20 proc. dużych ekosystemów morskich.
Pogorszenie jakości wody – spowodowane działalnością człowieka, odpadami przemysłowymi, zmianami klimatu etc. – to narastający problem i wyzwanie dla naukowców, którzy nie dysponowali dotąd dostatecznie dobrymi narzędziami pomiarowymi pozwalającymi ocenić jego skalę. Dlatego w 2018 roku ruszył projekt Aquasense, sfinansowany przez Unię Europejską grantem w wysokości ponad 4 mln euro (Horyzont 2020). Koordynatorem projektu jest Uniwersytet w Glasgow, ale uczestniczy w nim łącznie dziewięć krajów europejskich (Wielka Brytania, Niemcy, Irlandia, Serbia, Szwecja, Włochy, Austria, Estonia oraz Polska).
– Badanie jakości wody to po prostu sprawdzanie, czy jest ona dla nas zdrowa. Musimy badać wodę, aby mieć pewność, że jej właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne są zgodne z normami oraz że nadaje się ona do spożycia – wyjaśnia stypendystka programu Maria Skłodowska-Curie Actions. – Moim zadaniem w Łukasiewicz – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki jest opracowanie czujników do pomiaru pH, rozpuszczonego tlenu, temperatury i przewodności. Dziś informacje o parametrach takich jak pH tradycyjnie uzyskuje się za pomocą szklanej elektrody. Problem w tym, że jest ona nieporęczna, może ulec rozbiciu, a poza tym pomiędzy pomiarami musi być zanurzona w roztworze elektrolitu. Aby zniwelować te ograniczenia, staram się opracować mniejsze czujniki, wykonane z tlenków metali i innych materiałów.
Celem naukowców z projektu Aquasense jest stworzenie samowystarczalnego i autonomicznego systemu monitorowania jakości wody, który będzie dostarczać danych w czasie rzeczywistym. Badacze korzystają w tym celu z najnowszych technologii: od dronów i podwodnych robotów po zaawansowane czujniki i algorytmy sztucznej inteligencji.
– Mamy w zespole różnych naukowców. Część z nas opracowuje czujniki, inni zajmują się ich testowaniem, a jeszcze inni tworzą drony pobierające próbki. Są też tacy, którzy zajmują się technologiami sieciowymi. Jako zespół naukowców wspólnie staramy się stworzyć nowy system monitorowania jakości wody – mówi ekspertka.
Jak podkreśla, efekty międzynarodowych badań, w których uczestniczy też Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki z polskiej Sieci Badawczej Łukasiewicz, pomogą nie tylko w zapewnianiu dostępu do bezpiecznej, czystej wody pitnej, ale i przyczynią się do ochrony ekosystemów wodnych.
– Gdy ktoś zrzuci do jeziora groźne odpady, to ryby i ssaki wodne są zagrożone, bo nie zawsze są w stanie wyczuć niebezpieczeństwo. Dlatego to my odpowiadamy za zastosowanie odpowiednich czujników, które sprawdzą jakość wody, żeby chronić te formy życia. Ich naturalne sensory nie potrafią wykryć zagrożenia, więc to my musimy się tym zająć. Za pomocą naszych czujników możemy sprawdzić, czy woda jest bezpieczna i czy nadaje się do picia – tłumaczy Kiranmai Uppuluri.
