كيف يحول ضوء الشمس البلاستيك الدقيق إلى مادة قادرة على خفض سمية المعادن الثقيلة؟

كشفت دراسة علمية حديثة أن جسيمات البلاستيك الدقيق يمكنها، في ظروف كيميائية معينة، تحويل بعض المعادن الثقيلة السامة إلى صور أقل خطورة، بعدما تتعرض لأشعة الشمس لفترات طويلة، في نتيجة تكشف عن تفاعلات غير متوقعة بين التلوث البلاستيكي والملوثات الكيميائية داخل البيئات المائية.

وأجرى الدراسة باحثون من جامعة نورث إيست نورمال (Northeast Normal University)، حيث وجدوا أن جسيمات البوليسترين البلاستيكية الدقيقة تصبح أكثر نشاطًا من الناحية الكيميائية بعد تعرضها المطول لأشعة الشمس، وتبدأ في تحويل الكروم سداسي التكافؤ (Cr(VI))، وهو أحد الملوثات الصناعية شديدة السمية، إلى الكروم ثلاثي التكافؤ (Cr(III))، الذي يُعد أقل خطورة وأقل قدرة على الانتقال في المياه.

ونُشرت الدراسة في دورية Environmental and Biochemical Processes، وشدد الباحثون على أن هذه النتائج لا تعني أن التلوث البلاستيكي أصبح مفيدًا للبيئة، لكنها تكشف عن طريقة غير متوقعة يمكن للبلاستيك من خلالها التأثير في كيمياء المياه، كما تشير إلى أن التعامل مع الجسيمات البلاستيكية الدقيقة باعتبارها ملوثات خاملة كيميائيًا لا يعكس كامل طبيعة تفاعلاتها في البيئة.

الكروم السداسي.. ملوث صناعي شديد الخطورة

يمكن أن يصل الكروم سداسي التكافؤ إلى المجاري المائية من خلال المخلفات الناتجة عن منشآت تشطيب المعادن، إذ يذوب بسهولة في المياه وينتقل عبرها، كما يتمتع بدرجة مرتفعة من السمية جعلته مدرجًا ضمن المواد الخطرة في قوائم الملوثات بالصين.

وارتبط هذا المركب أيضًا بقضية التلوث الشهيرة في الولايات المتحدة، المعروفة باسم قضية «إيرين بروكوفيتش»، التي سلطت الضوء على الأضرار الصحية والبيئية الناجمة عن تلوث المياه بالكروم.

وفي البيئة المائية، يوجد الكروم السداسي إلى جانب صورة أخرى أقل خطورة هي الكروم ثلاثي التكافؤ، الذي يميل إلى الارتباط بمواد أخرى، ما يقلل قدرته على الحركة والانتقال داخل المياه.

ويُعرف التحول من الكروم سداسي التكافؤ إلى الكروم ثلاثي التكافؤ بأنه تفاعل اختزال يساهم في تقليل سميته، كما يمكن للمواد العضوية الطبيعية الموجودة في المياه المعرضة لأشعة الشمس أن تدفع هذا التفاعل بدرجة معينة.

لكن السؤال الذي حاول الباحثون الإجابة عنه هو ما إذا كانت جسيمات البلاستيك الدقيق، التي تتراكم في البيئات المائية بوتيرة تتجاوز جهود إزالتها، تشارك بدورها في هذه التفاعلات الكيميائية.

وأظهرت التجارب أن هذه الجسيمات يمكن أن تؤدي هذا الدور، خصوصًا بعد تعرضها للأشعة فوق البنفسجية لفترات طويلة.

كيف تغير أشعة الشمس خصائص البلاستيك الدقيق؟

تكون جسيمات البوليسترين الدقيقة حديثة التكوين ملساء وكروية، ولا تتمتع بنشاط كيميائي كبير، لكن تعرضها للأشعة فوق البنفسجية يغير خصائصها تدريجيًا.

فالحلقات العطرية المعروفة باسم حلقات البنزين، التي تمنح البوليسترين بنيته الأساسية، تمتص الإشعاع وتبدأ في التحلل، ما يؤدي إلى تكسير الروابط الكيميائية وتكوين جزيئات شديدة التفاعل تُعرف باسم الجذور الحرة، إلى جانب تراكم مجموعات كيميائية تحتوي على الأكسجين على سطح الجسيمات.

وينتج عن هذه العملية ما يُعرف بالجذور الحرة المستقرة بيئيًا، وهي أنواع كيميائية تفاعلية تتميز بقدرتها على البقاء لفترات أطول من المعتاد، بدلًا من اختفائها خلال أجزاء ضئيلة جدًا من الثانية، كما يحدث مع معظم الجذور الحرة.

وتظل هذه الجذور مستقرة على سطح جسيمات البلاستيك، بما يتيح لها المشاركة في تفاعلات نقل الإلكترونات، وهي العملية الكيميائية التي يمكن أن تؤدي إلى اختزال الكروم السداسي وتحويله إلى صورته الأقل سمية.

ولاختبار تأثير مدة التعرض لأشعة الشمس، عرّض الفريق البحثي جسيمات البوليسترين للأشعة فوق البنفسجية لفترات بلغت صفرًا و6 و12 و24 و48 و96 ساعة، ثم وضعها في محاليل تحتوي على الكروم.

وأظهرت النتائج، أن الجسيمات الحديثة، عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية أثناء التفاعل، تمكنت من اختزال 38% من الكروم سداسي التكافؤ، بينما ارتفعت النسبة إلى ما يقرب من 90% لدى الجسيمات التي تعرضت للأشعة لمدة 96 ساعة.

في المقابل، لم يحدث التفاعل إلا بدرجة محدودة للغاية عند غياب الأشعة فوق البنفسجية، ما يشير إلى أهمية التعرض للإشعاع في تغيير النشاط الكيميائي لجسيمات البلاستيك.

مساران كيميائيان لتحويل الكروم السام

لفهم كيفية حدوث التفاعل، أجرى الباحثون تجارب متوازية في وجود الهواء العادي وفي بيئة من النيتروجين النقي، إذ ساعد غياب الأكسجين في بيئة النيتروجين على عزل أحد المسارين الكيميائيين ودراسة مساهمة كل منهما.

ويتمثل المسار الأول في التفاعل المباشر على سطح جسيمات البلاستيك المعتّقة بالأشعة فوق البنفسجية؛ إذ تنقل الجذور الحرة المستقرة الإلكترونات مباشرة إلى جزيئات الكروم سداسي التكافؤ، ما يؤدي إلى اختزالها عند ملامسة سطح الجسيمات.

وأكد التحليل الكيميائي أن أكثر من 90% من الكروم الموجود على سطح الجسيمات البلاستيكية تحول، بعد التفاعل، إلى الكروم ثلاثي التكافؤ.

كما أدى إزالة الأكسجين إلى انخفاض الكفاءة الإجمالية للتفاعل بنحو 20%، وهو ما يشير إلى أن انتقال الإلكترونات مباشرة من سطح البلاستيك المعتّق يمثل مسارًا مهمًا في عملية الاختزال.

أما المسار الثاني، فيعتمد على المركبات الكيميائية التي تطلقها جسيمات البلاستيك أثناء تحللها.

فمع استمرار تعرض الجسيمات للأشعة فوق البنفسجية، تطلق مواد عضوية ذائبة في المياه المحيطة بها، تشمل أجزاء متحللة من البلاستيك ومواد مضافة ونواتج عطرية صغيرة ناتجة عن التفكك الكيميائي.

وعند تعرض هذه المواد العضوية المشتقة من البلاستيك للأشعة فوق البنفسجية، تتكون جذور فوق الأكسيد، التي تساهم بدورها في اختزال الكروم سداسي التكافؤ عبر سلسلة تفاعلات كيميائية غير مباشرة.

وقدّر الباحثون أن هذا المسار غير المباشر يفسر نحو 78% من قدرة الجزء العضوي الذائب وحده على المساهمة في التفاعل.

نتائج المختبر لا تعني أن المياه الملوثة أصبحت أكثر أمانًا

قال الباحث الرئيسي جيونان جوان، من جامعة نورث إيست نورمال، إن النتائج تشير إلى أن جسيمات البلاستيك الدقيق ليست مجرد ناقلات خاملة للملوثات، بل يمكن أن تتحول مع تعرضها للضوء إلى عناصر نشطة كيميائيًا تشارك في العمليات البيئية.

وأضاف أن فهم هذه التفاعلات ضروري لتقييم الكيفية التي يمكن أن يؤثر بها التلوث البلاستيكي في سلوك المعادن الثقيلة داخل النظم البيئية المائية.

ومع ذلك، أشار الباحثون إلى أن التجارب أُجريت في ظروف معملية خاضعة للسيطرة، ما يعني أن هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد ما إذا كانت التفاعلات نفسها تحدث في الأنهار والمسطحات المائية الطبيعية.

ولا تزال تأثيرات درجة الحموضة، والقوة الأيونية للمياه، وتركيزات المواد العضوية الموجودة في الأنهار الفعلية غير معروفة، وهي عوامل قد تؤثر في طبيعة التفاعلات وكفاءتها.

كما أن الدراسة ركزت على البوليسترين، الذي يتميز ببنية عطرية تجعله أكثر قابلية لتكوين الجذور الحرة، بينما قد تتصرف أنواع أخرى أكثر انتشارًا في البيئة، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين، بطرق مختلفة.

كيمياء أكثر تعقيدًا للتلوث البلاستيكي

من المعروف أن جسيمات البلاستيك الدقيق تستطيع حمل الملوثات، والتحلل إلى جزيئات أصغر، وتوفير أسطح يمكن للكائنات الحية الدقيقة النمو عليها.

وتضيف الدراسة الجديدة بُعدًا آخر لهذه التأثيرات، إذ توضح أن التعرض لأشعة الشمس يمكن أن يحول بعض أنواع البلاستيك الدقيق إلى عناصر نشطة تشارك في تفاعلات كيميائية تؤثر في سلوك المعادن السامة.

لكن ما إذا كانت هذه التفاعلات تجعل المياه الملوثة أكثر أمانًا، أو تؤدي إلى مخاطر بيئية إضافية، لا يزال سؤالًا مفتوحًا يحتاج إلى دراسات ميدانية أكثر شمولًا.

وتؤكد النتائج أن جسيمات البلاستيك لا تظل ساكنة بعد وصولها إلى البيئة، بل تستمر في التغير والتفاعل مع المواد الكيميائية المحيطة بها، بما قد يؤثر في النظم البيئية بطرق لا يزال العلماء في بداية فهمها.