Safe-by-design algal EPS based ZnO/zeolite bio-nanocomposite for the removal of BPA

जल उपचार संयंत्रों को एक निरंतर और अदृश्य चुनौती का सामना करना पड़ता है: एंडोक्राइन-डिसरप्टिंग केमिकल्स (अंतःस्रावी विघटनकारी रसायनों) की उपस्थिति। ये वे पदार्थ हैं जो मनुष्यों और जानवरों की हार्मोनल प्रणालियों में हस्तक्षेप कर सकते हैं, जिससे बहुत कम सांद्रता में भी नुकसान पहुँच सकता है। इनमें से सबसे आम है बिस्फेनॉल-ए, या बीपीए (BPA), एक रसायन जिसका उपयोग हार्ड प्लास्टिक और एपॉक्सी रेजिन बनाने के लिए किया जाता है जो खाद्य कंटेनरों से लेकर पानी की बोतलों तक हर चीज़ में पाया जाता है। जब ये उत्पाद टूटते हैं या गलत तरीके से फेंके जाते हैं, तो बीपीए पर्यावरण में रिस जाता है। जबकि पारंपरिक विधियाँ इन प्रदूषकों में से कुछ को पकड़ सकती हैं, वे अक्सर उन्हें पूरी तरह से तोड़ने में संघर्ष करती हैं, जिससे कभी-कभी जहरीले उपोत्पाद पीछे रह जाते हैं या प्रक्रिया के दौरान नया कचरा उत्पन्न हो जाता है। वैज्ञानिक अब समाधान के लिए प्रकृति की ओर देख रहे हैं, यह पता लगा रहे हैं कि पानी को अधिक प्रभावी ढंग से और सुरक्षित रूप से साफ करने के लिए जैविक सामग्रियों को उन्नत नैनोटेक्नोलॉजी के साथ कैसे जोड़ा जा सकता है।

हाल ही में हुए एक अध्ययन में, भारत के वेल्लोर इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट समस्या से निपटने के लिए डिज़ाइन की गई एक नई सामग्री विकसित की। उन्होंने एक हाइब्रिड पदार्थ बनाया जो दो चरणों में काम करता है: पहले, यह प्रदूषक को पकड़ने के लिए एक स्पंज की तरह कार्य करता है, और दूसरे, यह उसे नष्ट करने के लिए प्रकाश का उपयोग करता है। टीम ने इस सामग्री को बनाने के लिए तीन अलग-अलग घटकों को मिलाया। पहला था ज़ियोलाइट (zeolite), एक प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला खनिज जिसमें एक छिद्रपूर्ण संरचना होती है जो एक मजबूत मचान (scaffold) के रूप में कार्य करती है। दूसरा था जिंक ऑक्साइड, एक सेमीकंडक्टर जो पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में आने पर सक्रिय हो जाता है, जिससे ऐसी प्रतिक्रियाशील प्रजातियां उत्पन्न होती हैं जो रासायनिक बंधों को तोड़ने में सक्षम होती हैं। तीसरा घटक था एक्स्ट्रासेलुलर पॉलीमेरिक सब्सटेंस (extracellular polymeric substances), या ईपीएस (EPS), जो शैवाल द्वारा निर्मित एक चिपचिपा, जेल जैसा कोटिंग है। यह जैविक परत अन्य सामग्रियों को एक साथ रखने और, महत्वपूर्ण रूप से, अंतिम उत्पाद को जीवित जीवों के लिए सुरक्षित बनाने का कार्य करती है।

शोधकर्ताओं ने अपने ईपीएस (EPS) को निकालने के लिए एक विशिष्ट प्रकार के समुद्री सूक्ष्म शैवाल (microalgae) को संवर्धित करने से शुरुआत की। फिर उन्होंने इस जैविक अर्क को ज़ियोलाइट और जिंक ऑक्साइड पाउडर के साथ सटीक अनुपात में मिलाया। प्रयोगों की एक श्रृंखला के माध्यम से, उन्होंने निर्धारित किया कि इन तीन सामग्रियों का एक विशिष्ट अनुपात सबसे अच्छा काम करता है। जब उन्होंने एक भाग ज़ियोलाइट, एक भाग जिंक ऑक्साइड और आधा भाग एल्गल ईपीएस (algal EPS) को मिलाया, तो परिणामी बायो-नैनोकम्पोजिट ने उच्चतम दक्षता प्रदर्शित की। इस मिश्रण में, ज़ियोलाइट ने एक खुरदरी, असमान सतह प्रदान की जिसने जिंक ऑक्साइड के कणों को आपस में गुच्छे बनाने से रोका, जबकि एल्गल ईपीएस ने एक प्राकृतिक गोंद के रूप में कार्य किया, जिसने जिंक ऑक्साइड को खनिज की सतह पर समान रूप से फैला दिया। इस व्यवस्था ने उन स्थानों की एक विशाल संख्या बनाई जहाँ प्रदूषक को पकड़ा जा सकता है और फिर नष्ट किया जा सकता है।

सामग्री का परीक्षण करने के लिए, टीम ने बीपीए से दूषित पानी में इसे रखा और इसे यूवी-ए (UV-A) प्रकाश, जो पराबैंगनी विकिरण का एक प्रकार है, के संपर्क में रखा। प्रकाश चालू होने से पहले, इसने केवल रसायन को अवशोषित किया, उसे अपनी सतह पर थामे रखा। जैसे ही यूवी प्रकाश जिंक ऑक्साइड पर पड़ा, सामग्री 'विनाशकारी मोड' में बदल गई। प्रकाश ने जिंक ऑक्साइड को ऊर्जावान बना दिया, जिससे उसने प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (reactive oxygen species) को मुक्त किया। ये अत्यधिक सक्रिय अणु हैं जो बीपीए की रासायनिक संरचना पर हमला करते हैं, उसे तोड़ देते हैं। अध्ययन में पाया गया कि सुपरऑक्साइड रेडिकल्स (superoxide radicals) इस विनाश के लिए प्राथमिक एजेंट थे, जो प्रदूषक को विघटित करने वाली मुख्य शक्ति के रूप में कार्य करते थे। यह प्रक्रिया अत्यधिक प्रभावी थी, जिसने बीपीए को पानी से हटा दिया और, अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि इसे कार्बन डाइऑक्साइड और पानी जैसे हानिरहित घटकों में तोड़ दिया।

शोधकर्ताओं ने पानी में कुल कार्बनिक कार्बन (total organic carbon) को ट्रैक करके इस प्रक्रिया की सफलता को मापा। नब्बे मिनट के यूवी एक्सपोज़र के बाद, सामग्री ने कार्बनिक कार्बन में 96 प्रतिशत की कमी हासिल की, जिससे पुष्टि हुई कि बीपीए को केवल पानी से हटाकर ठोस सामग्री में स्थानांतरित नहीं किया गया था, बल्कि वास्तव में इसका खनिजीकरण और विनाश किया गया था। सिस्टम की दक्षता का परीक्षण विभिन्न स्थितियों के तहत किया गया। यह पानी के अम्लता स्तरों की एक विस्तृत श्रृंखला में अच्छी तरह से काम करता है, जो थोड़े अम्लीय से लेकर मध्यम क्षारीय तक है, जो वास्तविक दुनिया के अपशिष्ट जल उपचार के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है जहाँ स्थितियां बदल सकती हैं। हालांकि, टीम ने नोट किया कि यदि प्रदूषक की सांद्रता बहुत अधिक थी, तो सिस्टम कम कुशल हो गया, क्योंकि सामग्री पर सक्रिय साइटों की सीमित संख्या संतृप्त (saturated) हो गई। इसी तरह, पानी में सफाई सामग्री को बहुत अधिक मिलाने से परिणामों में सुधार नहीं हुआ, क्योंकि कणों ने घोल की गहरी परतों तक प्रकाश पहुँचने को बाधित किया।

इस शोध का एक महत्वपूर्ण पहलू यह सुनिश्चित करना था कि नई सामग्री पर्यावरण के लिए सुरक्षित हो। नैनोमटेरियल्स कभी-कभी जीवित कोशिकाओं के लिए विषाक्त हो सकते हैं, लेकिन एल्गल ईपीएस (alвgal EPS) के समावेश ने इस परिणाम को बदल दिया। शोधकर्ताओं ने सामग्री का परीक्षण दो अलग-अलग जैविक मॉडलों पर किया: एक प्रकार का मीठे पानी का शैवाल और लहसुन के पौधों की जड़ें। दोनों मामलों में, एल्गल कोटिंग वाले सामग्री के संस्करण ने बिना कोटिंग वाले संस्करण की तुलना में काफी कम नुकसान पहुँचाया। ईपीएस परत ने एक सुरक्षात्मक ढाल के रूप में कार्य किया, जो जीवित कोशिकाओं को नुकसान पहुँचा सकने वाली हानिकारक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों के उत्पादन को कम करती है। यह सुझाव देता है कि जैविक घटक ने न केवल सामग्री को बेहतर ढंग से कार्य करने में मदद की, बल्कि इसे पारिस्थितिकी तंत्र के लिए अधिक सौम्य भी बनाया।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह बायो-नैनोकम्पोजिट पानी को साफ करने के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है। एक खनिज आधार, एक प्रकाश-सक्रिय उत्प्रेरक और एक सुरक्षात्मक जैविक कोटिंग को मिलाकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो प्रदूषकों को नष्ट करने में प्रभावी और पर्यावरण के लिए सुरक्षित दोनों है। सामग्री ने अधिशोषण (adsorption) के बाद फोटोकैटलिटिक डिग्रेडेशन (photocatalytic degradation) की प्रक्रिया के माध्यम से सफलतापूर्वक बीपीए को हटाया, जिससे प्रदूषक का लगभग पूर्ण खनिजीकरण हुआ। निष्कर्ष इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि इस तरह की प्रणाली के घटकों के बीच संतुलन बनाना महत्वपूर्ण है; किसी एक घटक की अधिकता प्रक्रिया में बाधा डाल सकती है, जबकि सही संयोजन एक सहक्रियात्मक प्रभाव (synergistic effect) पैदा करता है। यह कार्य आधुनिक अपशिष्ट जल के जटिल रासायनिक चुनौतियों से निपटने के लिए टिकाऊ प्रौद्योगिकियों को विकसित करने की दिशा में एक ठोस कदम है, बिना नए पर्यावरणीय जोखिम पैदा किए।