Pohjaveden saastuminen on kasvava huolenaihe, joka liittyy sekä perinteisiin että uusiin kemikaaleihin. Nämä saasteet, kuten lääkeaineet, kemialliset yhdisteet ja mikromuovit, voivat kulkeutua maaperään ja pohjaveteen, aiheuttaen pitkäaikaisia ympäristövaikutuksia ja terveysriskejä.

PPCP:t (Farmaseuttiset ja henkilökohtaisen hoidon tuotteet) ovat esimerkkejä saasteista, joita usein havaitaan pohjavedessä. Näitä aineita, kuten kofeiini, ibuprofeeni, naprokseeni ja karbamazepiini, käytetään laajalti päivittäisessä elämässä ja teollisuudessa. Vaikka niiden pitoisuudet pohjavedessä ovat yleensä alhaisempia kuin perinteisten saasteiden, niiden pitkäaikaiset vaikutukset voivat silti olla merkittäviä, sillä niiden kemialliset rakenteet voivat olla vaikeasti hajoavia ympäristössä. Samoin PFAS-yhdisteet, fluoratut orgaaniset aineet, joita käytetään muun muassa palonsammutuksessa ja veden- ja öljynkestävässä pinnoitteessa, voivat jäädä ympäristöön vuosikymmeniksi ja päästä pohjaveteen eri lähteistä.

Nanoteknologian kehittyminen tuo mukanaan sekä mahdollisuuksia että riskejä ympäristön puhdistuksessa. Nanomateriaalit (ENM) voivat auttaa puhdistamaan saastuneita alueita, mutta niiden käyttö voi myös aiheuttaa sekundaarisia saastumisriskejä, erityisesti jos niitä ei hallita oikein. Nanomateriaalit, kuten mikromuovit ja kolloidit, voivat toimia saastuttavien aineiden kantajina ja edistää raskasmetallien ja orgaanisten saasteiden leviämistä maaperässä ja pohjavedessä. Näiden materiaalien korkea pinnanala ja liikkumisnopeus voivat lisätä niiden liikkuvuutta maassa ja vedessä, mikä tekee niiden leviämisestä pohjaveteen entistä todennäköisempää.

Pohjaveden puhdistuksessa käytettävät tekniikat ja menetelmät ovat monimutkaisia ja vaativat asiantuntemusta useilta eri tieteenaloilta, kuten ekologiasta, biologiasta, kemian ja hydrologian alueilta. Yleisesti ottaen pohjaveden puhdistaminen pyritään jakamaan biologisiin, kemiallisiin, fysikaalisiin ja yhdistelmätekniikoihin. Biologiset puhdistustekniikat, kuten mikro-organismien käyttö saasteiden hajottamiseen, ovat suosittuja, koska ne ovat kustannustehokkaita ja voivat toimia in situ, eli paikalla. Nämä menetelmät voivat stimuloida luonnollisten mikro-organismien toimintaa tai tuoda paikalle tarkoituksenmukaisia mikro-organismeja, jotka hajottavat haitalliset aineet.

Fysikaaliset tekniikat pohjaveden puhdistamisessa liittyvät yleensä vähemmän vakaviin saasteisiin, joissa käytetään rakenteellisia ratkaisuja, kuten läpäisemättömiä seiniä ja putkia veden virtauksen ohjaamiseksi tai saasteiden estämiseksi pääsemästä pohjaveteen. Kemialliset menetelmät taas voivat sisältää hapetus- ja pelkistysreaktioita, joiden avulla saasteet voidaan muuttaa vähemmän haitallisiksi yhdisteiksi, tai saasteiden saostumista kiinteäksi aineeksi, joka voidaan poistaa ympäristöstä.

Pohjaveden puhdistamisen ensimmäinen askel on saasteiden lähteiden tunnistaminen ja poistaminen. Tämän jälkeen keskitytään maaperään ja pohjaveteen, koska saastunut maaperä voi toimia jatkuvana saasteiden lähteenä, jopa silloin, kun itse pohjaveden saastuminen on saatu hallintaan. Puhdistusmenetelmät valitaan alueen erityisolosuhteiden mukaan ja ne voivat sisältää pintamaiden, vadose-vyöhykkeen ja kyllästetyn maaperän käsittelyä.

Pohjaveden saastuminen on monivaiheinen ongelma, joka vaatii tarkkaa seurantaa ja oikeanlaisia ratkaisuja. Yksi keskeisistä näkökohdista on se, että ympäristön saastuminen voi olla monin tavoin estettävissä, mutta sen korjaaminen on usein hyvin vaikeaa ja kallista. Siksi paras lähestymistapa on estää saasteiden pääsy ympäristöön alun perin.

Ympäristön puhdistaminen on monialainen prosessi, joka yhdistää useita tieteenaloja ja tekniikoita. Vaikka teknologiat kehittyvät jatkuvasti, saastumisen ehkäiseminen on aina paras tapa suojella pohjavettä ja muuta ympäristöä saastumiselta. Samalla on tärkeää, että ympäristön puhdistamista tarkastellaan kokonaisvaltaisesti ja huolellisesti, jotta tulevaisuuden riskit voidaan minimoida.

Kuinka nZVI:ta Hyödynnetään Paikallisessa Pohjaveden Puhdistuksessa?

nZVI (nanomittakaavan nolla-arvoinen rauta) on lupaava materiaali ympäristönsuojelussa, erityisesti maaperän ja pohjaveden puhdistuksessa. Tämä teknologia perustuu raudan nanohiukkasten kykyyn reagoida ja hajottaa ympäristössä olevia saasteita, kuten kloridoituja hiilivetyjä, raskasmetalleja ja muita orgaanisia yhdisteitä. Käytettäessä paikan päällä tapahtuvaan puhdistukseen, nZVI voi tarjota tehokkaan ja kestävämmän ratkaisun saastuneen pohjaveden puhdistamiseen verrattuna perinteisiin menetelmiin.

Ensimmäinen kenttäarviointi nZVI:sta pohjaveden puhdistuksessa tehtiin vuonna 2001 Trentonissa, New Jerseyssä, USA:ssa. Tutkijat valitsivat alueen, jolla oli pitkään ollut pohjaveden saastumista trikloroeteenin (TCE) vuoksi. Puhdistusalueen koko oli noin 4,5 x 3,0 metriä, ja saastuminen havaittiin 1,8–2,1 metrin syvyydessä maan pinnasta. Alueella käytettiin Pd-nZVI-hiukkasia, joiden koko oli 100–200 nm. Nanohiukkasia ruiskutettiin suoraan valvontakaivoon ilman kantaja-ainetta, ja tulokset olivat lupaavia. TCE:n hajotustehokkuus saavutti jopa 96 % kahden viikon kuluessa, vaikka TCE-alue oli laaja ja yksittäinen injektio ei voinut poistaa kaikkea saastetta. Tämä osoitti kuitenkin nZVI:n kyvyn tehokkaasti puhdistaa pohjavettä lyhyellä aikavälillä.

Vaikka tulokset olivat myönteisiä, tutkijat huomasivat, että nZVI-hiukkasten leviämis- ja kuljetuskyky maaperässä ja pohjavedessä ovat ratkaisevia tekijöitä sen tehokkuuden kannalta paikan päällä tapahtuvassa puhdistuksessa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi Quinn et al. (2005) kokeilivat maissin öljyn ja sorbitaanitrioleaatin käyttämistä emulsifioimaan nZVI-hiukkasia ja parantamaan niiden leviämistä. Kenttätestissä käytetty emulsifioitu nZVI (ENZVI) poisti TCE:tä saastuneesta pohjavedestä ja saavutti yli 80 %:n hajotustehokkuuden 90 päivän aikana. Tämä kokeilu vahvisti ajatusta siitä, että nZVI:lla on huomattava potentiaali maaperän ja pohjaveden puhdistuksessa, erityisesti kun sen leviämistä ja jakautumista optimoidaan.

Toinen tärkeä tutkimusalue nZVI:n käytössä on sen pitkäaikainen vaikutus maaperän ja pohjaveden puhdistukseen. He et al. (2010) tutkivat CMC-stabilisoitua nZVI:tä, joka sisälsi pieniä määriä Pd-katalyyttejä TCE:n, PCE:n ja PCB:iden hajoittamiseen. Kenttätestissä havaittiin, että nZVI:n käyttö sai aikaan nopean TCE:n ja PCE:n hajoamisen, ja saastumisen kokonaispitoisuus laski jopa 40–60 % 596 päivän kuluttua. Tämä osoitti, että nZVI voi paitsi nopeuttaa saasteiden kemiallista hajottamista, myös stimuloida hitaampaa, mutta pysyvämpää biologista hajoamista pitkällä aikavälillä.

nZVI:n suurin etu on sen kyky hajottaa saasteita suoraan paikan päällä, ilman että ympäristöön tarvitsisi tuoda suuria määriä kemikaaleja tai muita haitallisia aineita. Tämä tekee siitä ympäristöystävällisen ja kustannustehokkaan ratkaisun, erityisesti alueilla, joilla on laajaa saastumista. Lisäksi, koska nZVI voi vaikuttaa moniin eri saasteisiin, sen käyttö on monipuolista ja sovellettavissa erilaisiin ympäristön puhdistustarpeisiin.

Tärkeää on kuitenkin ymmärtää, että nZVI:n käyttö vaatii huolellista suunnittelua ja seurantaa, erityisesti sen kulkeutumiskyvyn ja vaikutuksen arvioimiseksi maaperässä ja pohjavedessä. nZVI:n tehokkuus ei ole ainoastaan materiaalin laadusta kiinni, vaan myös siitä, kuinka hyvin se pystyy leviämään ja reagoimaan saastuneilla alueilla. Emulsioiden, kuten maissin öljyn ja sorbitaanitrioleaatin, käyttö parantaa merkittävästi nZVI:n liikkumista maaperässä ja vedenpinnan alla, mikä parantaa puhdistustehokkuutta.

Samalla on tärkeää muistaa, että nZVI:n käyttö ei ole ratkaisuna kaikissa tilanteissa. Saasteiden tyypistä ja niiden esiintymisalueen ominaisuuksista riippuen, nZVI voi olla tehokas, mutta ei välttämättä ratkaise kaikki ongelmat. Esimerkiksi, jos maaperässä on suuria määriä muita aineita, jotka voivat estää nZVI:n tehokasta toimintaa, sen käyttö voi olla rajallista.

Miten pinnan kasvillisuusmallit voivat poistaa nanopartikkelien pitoisuuksia pintavalumassa?

Kasvillisuus voi tehokkaasti poistaa pinnan virtauksessa liuenneita kolloidisia ja nanopartikkelien kaltaisia hiukkasia vaihtelevissa ympäristöolosuhteissa. Pinnan kasvillisuusjärjestelmien tehokkuus niiden kyvyssä poistaa pieniä hiukkasia voidaan mallintaa usein kuin huokoisina aineina, kuten maaperäkin, joka on tuttu perinteisessä suodattamisteoriassa (CFT). Kasvillisuuden pystyy siis käsittämään suodatinmateriaalina, jolloin se luo mahdollisuuden käyttää CFT-mallien käsitteitä nanopartikkelien poistotehokkuuden laskemiseen pintavalumassa.

Normaalisti pintavaluman syvyys on kasvien varren suojuksessa, joten liukenemattomat hiukkaset, kuten nanopartikkelit, vuorovaikuttavat pääasiassa kasvin varsien kanssa. Tästä lähtökohdasta Wu ja kollegat kehittivät yksittäisen varren suodattamismallin (Wu et al., 2011, 2012, 2014), joka mallintaa kasvin varren jäykkänä sylinterinä pintavalumassa. Mallin ensimmäinen vaihe on määrittää yksittäisen varren kosketuskerroin (𝜂0), joka ilmaisee nanopartikkelien iskeytymisnopeuden varren suodattimeen suhteessa siihen, kuinka nopeasti hiukkaset lähestyvät varren pintaa.

Kasvinosista saatujen kokeellisten tulosten perusteella voidaan todeta, että tässä prosessissa sedimentaatio on käytännössä merkityksetöntä, joten mallissa voidaan laskea tehokkuusvain kahden prosessin kautta: partikkelien sieppaus (𝜂I) ja diffuusio (𝜂D). Malli kertoo, että kun Reynolds-luku on pieni, tehokkuuslaskelmat voidaan esittää seuraavilla kaavoilla (Wu et al., 2011):

ηI=1(1+R)ln⁡(1+R)−R(2+R)jaηD=1.17πD23ν⋅udc\eta_I = \frac{1}{(1 + R)\ln(1 + R) - R(2 + R)} \quad \text{ja} \quad \eta_D = 1.17\pi \frac{D^2}{3} \nu \cdot u d_c

Missä RR on hiukkasen ja varren halkaisijan suhde, ja ν\nu on kineettinen viskositeetti.

Lisäksi Wu et al. (2011) esittivät regressiotulosten perusteella uuden kaavan, joka soveltuu erityisesti laminaariseen virtaan ja viehättävän kemiallisen ympäristön oletuksiin:

η0=0.0044⋅Rec−0.94⋅NPe−0.03\eta_0 = 0.0044 \cdot Re^{ -0.94}_c \cdot N^{ -0.03}_{Pe}

Toinen tärkeä osa yksittäisen varren tehokkuusmallia on määrittää yksittäisen varren kiinnittymisnopeus (𝛼), joka on hiukkasten määrä, joka jää kiinni kasvin varteen suhteessa siihen, kuinka monta kertaa hiukkanen osuu varteen. Wu et al. (2012) määrittivät tämän osan kokeellisesti vaihtelevaan virtausnopeuteen ja liuoksen ionivahvuuteen perustuvilla mittauksilla. Heidän saamansa kaava määrittää kiinnittymisnopeuden tarkasti eri olosuhteissa:

α=10−3.25(NLO)0.51(NE1)−0.27(NDL)1.06\alpha = 10^{ -3.25} (NLO)^{0.51} (NE1)^{ -0.27} (NDL)^{1.06}

Missä NLONLO edustaa Londonin voimaparameetria ja NDLNDL puolestaan kaksinkertaisen kerroksen voimaparameetria.

Viimeinen askel tässä mallissa on nanopartikkelien poisto- tai sedimentaatiovauhdin (kd) laskeminen, joka ottaa huomioon kasvillisuuden tiheyden ja muiden ympäristöllisten tekijöiden vaikutukset. Mallissa huomioidaan myös luonnollisten orgaanisten aineiden (NOM) vaikutus, joka voi estää nanopartikkelien tarttumista ja edistää niiden kulkeutumista pintavalumassa. Wu et al. (2014) laajensivat malliaan huomioimalla NOM:n vaikutuksen ja osoittivat, että tämä kerroin voi parantaa nanopartikkelien poistoa kasvillisuuden avulla.

Tämän yksittäisen varren tehokkuusmallin soveltaminen on osoittautunut hyödylliseksi laboratoriokokeissa, joissa simuloitiin hiukkasten siirtymistä ja pidättymistä kasvillisuusjärjestelmissä. Mallit antoivat erinomaisia tuloksia kokeellisten tiedonkeruukäyrien kanssa, jotka esittävät nanopartikkelien kulkeutumista ja pidättymistä eri virtausolosuhteissa.

Kasvillisuuden käyttö pintavalumassa kolloidisten ja nanopartikkelien suodattamiseen ei ole vain teoreettinen malli, vaan sen sovellukset ulottuvat ympäristönsuojeluun ja vedenpuhdistusteknologioihin. Tällainen tutkimus voi auttaa kehittämään entistä tarkempia malleja ja ennusteita nanopartikkelien liikkeistä luonnonvesistöissä ja parantaa vihreiden infrastruktuurien kykyä käsitellä saasteita.

Miten nanohiukkaset voivat vaikuttaa ympäristöön ja maatalouteen?

Orgaanisia nanohiukkasia valmistetaan monilla eri menetelmillä, kuten hajottamalla ennakkoon valmistettuja polymeerejä nanohiukkasiksi tai polymeroimalla monomeerejä polymeerihierukkasiksi. Tällaisia nanohiukkasia voidaan valmistaa muun muassa luonnollisista, biohajoavista tai bio-pohjaisista polymeereistä yksinkertaisilla ja edullisilla synteesimenetelmillä. Näiden etujen ansiosta monet orgaaniset nanohiukkaset ovat saaneet laajaa huomiota erityisesti lääke- ja elintarviketeollisuudessa (Pan & Zhong, 2016).

Luonnolliset nanohiukkaset, kuten metallioksidit, savi ja muut mineraalit, esiintyvät ympäristössä luonnostaan. Esimerkiksi tulipalon seurauksena syntyy erilaisia nanohiukkasia, kuten nokihiukkasia ja hiilinanohiukkasia. Ihmistoiminta, kuten kaivostoiminta ja teollisuusprosessit, voi vaikuttaa merkittävästi luonnollisten nanohiukkasten muodostumiseen, vapautumiseen ja kulkeutumiseen ympäristössä. Luonnolliset nanohiukkaset voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: abioottisiin ja bioottisiin. Abioottiset nanohiukkaset, kuten pii- ja savihiukkaset, liikkuvat globaaleissa biogeokemiallisissa kiertokuluissa, kun taas virukset, jotka ovat bioottisia nanohiukkasia, voivat tartuttaa elävät organismit, myös ihmiset. Koska monet virukset ovat nanohiukkasia, ne voivat kulkea ilmassa ja aiheuttaa globaaleja epidemioita, kuten COVID-19-pandemian.

Erityisesti nanoplastit ovat nousseet esiin uutena ympäristösaasteena. Ne ovat mikromuovin alaluokka, jonka vähintään yksi ulottuvuus on alle 100 nanometriä. Nanoplastit voivat olla joko primaarisia tai sekundaarisia. Primaariset nanoplastit tuotetaan tarkoituksellisesti lisäaineina kulutustuotteissa, kuten kosmetiikassa ja pesuaineissa, ja ne vapautuvat ympäristöön käytön jälkeen (Barnes et al., 2009). Sekundaariset nanoplastit syntyvät suurten muovijätteiden hajoamisesta luonnollisessa ympäristössä (Barnes et al., 2009). Ne kulkeutuvat vesistöihin, erityisesti meriin ja jokiin, ja niillä on merkittävä vaikutus ympäristön ja vesien laatuun. Nanoplastit ovat monin tavoin erilaisten ympäristöolosuhteiden vaikutuksesta muuttuvia ja kulkeutuvat eri reittejä ympäristössä.

Nanohiukkasten hyödyntäminen kestävässä maataloudessa on saanut yhä enemmän huomiota. Nanoteknologian sovelluksia maataloudessa tutkitaan jatkuvasti uusien lannoitteiden ja torjunta-aineiden kehittämiseksi. Esimerkiksi hiilinanohiukkasten, kuten hiilinanotubien ja grafiitin, on havaittu edistävän siementen itämistä ja kasvin kasvua. Tutkimusten mukaan grafiitti voi jopa auttaa siemeniä imeytymään vettä nopeammin ja itämään paremmin. Vaikka grafiitin käyttö tietyissä pitoisuuksissa voi aiheuttaa kasvin soluvaurioita ja solukuolemaa, sen oikea annostus voi stimuloida kasvien kasvua ja lisätä satoja kestävässä maataloudessa.

Metallinanohiukkasia, kuten puhtaita metalleja ja metallioksideja, käytetään myös nanolannoitteina ja nanopestitsideinä viljelyssä. Esimerkiksi titaanidioksidin (TiO2) nanohiukkaset ovat osoittautuneet tehokkaiksi lannoitteina, koska ne lisäävät kasvien klorofyllin muodostusta ja parantavat fotosynteesiä, mikä puolestaan edistää kasvin kasvua ja parantaa satoa.

Yksi keskeinen näkökulma on myös nanohiukkasten vaikutus ympäristöön. Nanohiukkaset, erityisesti nanoplastit ja muut pienet hiukkaset, voivat liikkua pitkälle ympäristössä, kulkeutua vesistöihin ja vaikuttaa ekosysteemeihin. Tämä nostaa esiin tärkeitä kysymyksiä siitä, kuinka kestävällä tavalla ja hallitusti nanoteknologiaa tulisi hyödyntää. Tärkeää on ymmärtää, että vaikka nanohiukkaset voivat tarjota merkittäviä etuja maataloudessa ja muilla alueilla, niiden pitkäaikaiset vaikutukset ympäristöön ja terveyteen eivät ole vielä täysin selvillä. Tämän vuoksi tarvitaan tarkempaa tutkimusta ja sääntelyä nanoteknologian turvallisuuden ja ympäristövaikutusten varmistamiseksi.

Kuinka eri rakenteet parantavat itsepuhdistuvien pinnoitteiden tehokkuutta?
Mikä tekee eläinten evoluutiosta monimuotoisen ja monivaiheisen?
Miten valmistautua ja ajaa tehokkaasti pyöräilykilpailussa?
Mikä on narsismin rooli poliittisessa vallassa ja kuinka se ilmeni Richard Nixonissa?