Technológia mladej stredoškoláčky môže vyčistiť odpadové vody nielen od antibiotík a baktérií, ale aj od fragmentov DNA.
Anna Podmanická skúma technológiu na čistenie vody. Zdroj: osobný archív Anny Podmanickej
- prečo sa Anna Podmanická rozhodla spolupracovať práve s Masarykovou univerzitou v Brne,
- ako funguje jej systém na čistenie vody PURA,
- akú výhodu prináša spojenie plazmy a fotokatalyzátora,
- aké nebezpečenstvo pre nás predstavujú antibiotiká, zvyšky liečiv, baktérie alebo fragmenty DNA v odpadových vodách,
- aké výsledky prináša technológia PURA,
- prečo existujúce technológie čistenia odpadových vôd prehliadajú antibiotiká,
- akým spôsobom plánuje pokračovať vo výskume a vývoji technológie.
Len 19-ročná študentka z Gymnázia Jura Hronca v Bratislave Anna Podmanická skúma technológiu na čistenie vody, s ktorou získala na najprestížnejšej vedeckej projektovej súťaži stredoškolákov na svete Regeneron ISEF 2025 v kategórii Environmental Engineering 1. miesto v špeciálnej cene King Abdulazis & his Companions Foundation for Giftedness and Creativity a v hlavnej cene v kategórii Environmental Engineering vynikajúce 4. miesto. Neskorším nadviazaním spolupráce s českým študentom Tomášom Čermákom vytvorili projekt PURA, s ktorým sa stali víťazmi v najväčšej celosvetovej environmentálnej súťaži pre mladých inovátorov The Earth Prize.
Víťazný projekt sa zameriava na čistenie vody prostredníctvom sily svetla a plazmy. Táto inovatívna technológia zničí aj zvyšky liečiv, antibiotiká, baktérie alebo fragmenty DNA, ktoré bežné čistiace technológie nedokážu úplne odstrániť.
Spojila účinky plazmy a fotokatalýzy
Projektom čistenia vody ste sa začali zaoberať počas výberu témy na stredoškolskú odbornú činnosť. Zvažovali ste viaceré možnosti alebo bolo čistenie vody jedinou možnosťou?
Spočiatku som sa zaujímala najmä o matematiku. V prvom ročníku na strednej sa mi podarilo zrealizovať svoj veľký matematický sen, keďže som sa dostala na intenzívny výskumný matematický program na Univerzite v Oxforde PROMYS Europe, kde som sa s ďalšími 23 matematicky nadanými študentmi počas šiestich týždňov letných prázdnin venovala teoretickému matematickému výskumu. Získala som množstvo nových poznatkov, ale aj nové vnímanie matematiky, ktorú som po tejto skúsenosti chcela začať viac aplikovať do praxe.
Anna sa zúčastnila na súťaži ISEF. Zdroj: AMAVET
Už v druhom ročníku na strednej škole som bola rozhodnutá zapojiť sa do stredoškolskej odbornej činnosti, zo začiatku som si zvolila tému, ktorá mi umožnila môj sklon k matematike aplikovať na riešenia problémov nielen na papieri, ale aj v praxi. Ponorila som sa teda do oblasti kvantovej chémie. Skúmala som degradáciu liečiv vo vode s aplikáciou na modelovanie metabolizmu farmaceuticky aktívnych látok. Počas hľadania témy na ďalšiu stredoškolskú odbornú činnosť sa mi neskôr podarilo nadviazať spoluprácu s Masarykovou univerzitou, kde som sa mohla venovať skôr environmentálnej téme. Táto práca však nakoniec nebola súčasťou stredoškolskej odbornej činnosti, vybrala som si ju už na Festival vedy a techniky AMAVET 2024, kde som zvíťazila v celoštátnom kole a postúpila tak aj do celosvetového kola, kde som v kategórii Environmental Engineering získala štvrté miesto a špeciálnu cenu.
Čo ste zistili už počas strednej školy?
Zistila som, že liečivá organizmus nedokáže úplne zmetabolizovať, a tak sa tieto farmaceuticky aktívne látky dostávajú aj do odpadových vôd. Problémom však je, že konvenčné metódy nie sú schopné ich úplne odstrániť. Z toho dôvodu sa vyvíja takzvaná pomalá pandémia antibiotickej rezistencie. Donedávna sme nemali ani len metódy na to, aby sme dokázali študovať príliš nízke koncentrácie antibiotík – teda v nanogramoch na liter – vo vode či aké následky môže mať ich dlhodobá prítomnosť naprieč celým vodným cyklom.
Liečivá organizmus nedokáže úplne zmetabolizovať, a tak sa tieto farmaceuticky aktívne látky dostávajú aj do odpadových vôd. Problémom však je, že konvenčné metódy nie sú schopné ich úplne odstrániť.
Prečo ste sa v rámci výskumu rozhodli spolupracovať s Masarykovou univerzitou v Brne?
Písala som na viacero univerzít, ale nebolo jednoduché nájsť ochotných výskumníkov, ktorí by sa venovali spočiatku neskúsenej stredoškoláčke. Masarykova univerzita bola jedným z mála laboratórií, ktoré sa mi ozvali, konkrétne doktorand František Zažímal, s ktorým som začala spolupracovať.
Pôsobíte v Ústave fyziky a technológií plazmy Masarykovej univerzity. Čomu sa tam venujete?
Venujem sa výskumu pokročilých oxidačných procesov zahŕňajúcich plazmu či fotokatalýzu. Tieto procesy sú veľmi efektívne, pretože dokážu degradovať polutanty, nielen ich transformovať na ďalší problém, teda na tvorbu sekundárneho odpadu, ako to robí napríklad filtrácia.
Pozrite si
Čo sa stane s týmito nečistotami, ak ich filtrácia nedokáže zničiť?
Filter sa zanesie a je potrebné ho nielen vymeniť, ale aj nájsť spôsob, ako tieto nečistoty, ktoré sme zachytili, odstránime.
Nie je toxický a aktivuje sa aj slnečným žiarením
Vyvinuli ste systém PURA, ktorý funguje prostredníctvom svetla a plazmy. Ako ste vôbec prišli na to, že práve tieto dve zložky môžu bojovať so znečisťujúcimi látkami vo vode?
O účinkoch plazmy aj fotokatalýzy na vodné znečistenie vieme už dlhšie. Nevýhodou plazmy je to, že je drahá a má pomerne vysoké prevádzkové náklady. Fotokatalýza jej pomôže v tom, že aj pri nižších energetických vstupoch či prerušovanom spúšťaní je rovnako efektívna, keďže nebude jediným zdrojom reaktívnych častíc, ktoré rozkladajú polutanty. Zároveň fotokatalyzátor sám osebe nie je dostatočne efektívny a plazma môže jeho účinnosť zvýšiť aj generovaním UV žiarenia, ktoré podporuje práve proces fotokatalýzy.
V rámci technológie ste spojili plazmu a fotokatalyzátor. Fotokatalyzátor po vystavení slnečnému svetlu dokáže vytvoriť radikály, ktoré napádajú znečisťujúce látky. Vďaka čomu to dokáže?
Využívam fotokatalytický prášok, teda nanomateriál, ktorý sa vo vode dokáže rovnomerne rozmiestniť. Len čo na vločku takéhoto prášku dopadne svetlo, vznikne elektrón a elektrónová diera. Obe tieto reaktívne častice migrujú na povrch vločky a buď reagujú s polutantmi, ktoré rovno rozložia, alebo s okolitými molekulami vody vytvárajú nové reaktívne častice, ktoré následne polutanty rozložia. V prípade, že reagujú s vodou, vzniká napríklad aj hydroxylový radikál, ktorý dokáže rozložiť akékoľvek organické znečistenie.
Anna vytvorila fotokatalytický prášok, teda nanomateriál, ktorý sa vo vode dokáže rovnomerne rozmiestniť. Zdroj: AMAVET
Účinky fotokatalyzátora na vodné znečistenie sú už známe. Čím je vaša technológia inovatívna?
Ako fotokatalyzátor využívam grafitický karbonitrid, teda nanomateriál zložený z atómov uhlíka a dusíka. Najčastejšie používaným fotokatalyzátorom je oxid titaničitý, ktorý na rozdiel od grafitického karbonitridu obsahuje toxický kov a je aktivovateľný len pomocou UV žiarenia, ktoré je vysoko energetické. Grafitický karbonitrid obsahuje iba uhlík a dusík, ktoré sú oveľa prirodzenejšie, a môže byť aktivovaný aj vo viditeľnej časti spektra, ktorého máme dostatok, napríklad aj zo Slnka. Navyše náš fotokatalyzátor má povrchovú modifikáciu, ktorá zvyšuje efektivitu fotokatalýzy a degradačných reakcií.
Ako si túto technológiu môžeme v praxi predstaviť?
Plazma pôsobí nad povrchom vodnej hladiny a vytvára filamenty, ktoré generujú reaktívne kyslíkové a dusíkové častice vo vzduchu. Tie prenikajú do vody, kde iniciujú degradačnú reakciu, a tak čistia vodu. Fotokatalýza zas funguje vďaka svetelnému žiareniu, ktoré ju aktivuje, vďaka čomu fotokatalytický nanomateriál generuje reaktívne častice ničiace okolité nečistoty.
Momentálne svoju technológiu testujete. Máte už nejaké predbežné výsledky?
Plazma aj vylepšený fotokatalyzátor boli výrazne efektívnejšie pri čistení vody než už známa ozonizácia a fotokatalyzátor pripravený štandardným procesom. Keď sme tieto technológie použili naraz, nastal synergetický efekt, teda hybridná technológia bola oveľa účinnejšia, než keby sme ich použili jednotlivo.
Plazma pôsobí nad povrchom vodnej hladiny a vytvára filamenty, ktoré generujú reaktívne kyslíkové a dusíkové častice vo vzduchu. Tie prenikajú do vody, kde iniciujú degradačnú reakciu, a tak čistia vodu.
Sedemdesiat percent globálnej spotreby antibiotík pripadá na poľnohospodárske zvieratá
Ktoré testy ešte musí technológia absolvovať? Máte odhad, ako dlho potrvá, kým sa začne využívať v praxi?
Najbližšie musíme overiť bezpečnosť technológie prostredníctvom toxikologických testov. Myslím si, že ešte máme na čom pracovať. Technológiu začíname postupne škálovať, kým sa začne využívať v praxi.
Váš systém zničí aj zvyšky liečiv, antibiotiká, baktérie alebo fragmenty DNA, ktoré bežné čistiace technológie nedokážu úplne odstrániť. Aké nebezpečenstvo pre nás predstavujú, ak sa dostanú do odpadových vôd?
Do vody sa dostávajú vtedy, keď ich ľudský či zvierací organizmus nedokáže úplne spracovať, a tak ich jednoducho vylúči. Až sedemdesiat percent globálnej spotreby antibiotík pripadá na poľnohospodárske zvieratá. Problémom je, že za posledných päťdesiat rokov sa antibiotiká používali nielen ako liečivá, ale aj ako rastové hormóny. To zvýšilo ich spotrebu, ale aj ich výskyt v odpadových vodách napriek tomu, že sa ich použitie snaží regulovať Európska únia. V Číne a Indii však antibiotiká ako rastové hormóny používajú neustále. Problémom je, že súčasné čistiarne ich nedokážu eliminovať, a tak baktérie naprieč celým vodným cyklom dostávajú možnosť vytvoriť si rezistenciu a tú následne prenášať do ďalších kolónií.
Prečo existujúce technológie čistenia odpadových vôd prehliadajú antibiotiká?
Pri konvenčných procesoch sa likviduje znečistenie, ktoré je vo vode v oveľa vyšších koncentráciách, než aké dosahujú antibiotiká. Tie sú vo vode vo výrazne nižšej koncentrácii, v nanogramoch na liter, pričom ide o veľmi komplexné molekuly, ktoré je ťažšie degradovať v porovnaní s tradičnými organickými znečisteniami.
Zľava: garant Tomáš Homola, víťazi The Earth Prize Tomáš Čermák a Anna Podmanická a školiteľ František Zažímal. Zdroj: osobný archív A. P.
Čo je najväčšou výhodou tejto technológie?
Nevytvára sekundárny odpad, ale priamo degraduje nečistoty. Tento fotokatalyzátor je účinný vo viditeľnej časti spektra, takže potenciálne jediným zdrojom energie je slnečné žiarenie. Navyše táto technológia dokáže udržať pH v rámci bezpečných limitov, teda výrazne neokysľuje ani nerobí vodu zásaditou.
V rámci súťaže The Earth Prize ste kontaktovali aj stredoškoláka Tomáša Čermáka z Česka. Čomu konkrétne sa pri vývoji technológie venoval on?
Zoznámila som sa s ním vďaka pánovi docentovi Tomášovi Homolovi z MUNI, ktorý je jeho školiteľom. Tomáš Čermák sa zaoberal podobnou témou ako ja, čistením vody pomocou plazmy, ale používal iný druh plazmy. Skúmal nielen degradáciu liečiv, ale aj degradáciu baktérií a rezistentných génov. Riešili sme teda podobný problém, ale naše prístupy boli trochu odlišné, takže sme ich spojili a dopĺňame sa.
Počas leta plánuje rozvíjať svoju technológiu
V rámci súťaže The Earth Prize ste získali aj vyše 11 000 eur na rozvoj projektu. Akým spôsobom plánujete tieto financie využiť?
Plánujeme pokračovať v testovaní technológie, najbližšie nás čakajú toxikologické testy, ktoré nie sú lacnou záležitosťou. Rovnako musíme niektoré experimenty vykonať v rôznych podmienkach, napríklad testovať toxicitu technológie na bunkových kultúrach, ale aj na vyšších organizmoch.
Taktiež musíme zabezpečiť materiál na skonštruovanie väčšieho modelu technológie, aby sme mohli otestovať technológiu aj na väčšie objemy vody. Mohlo by ísť napríklad o mobilnú čistiareň, ktorú napojíme na výtok z komunálnej čistiarne odpadových vôd, ktorý by konštantne čistila. Na tomto spôsobe tiež otestujeme, ako dlho by trvalo vyčistenie objemov vody relevantných na používanie v praxi a aké vysoké budú prevádzkové náklady.
Chceli by sme vytvoriť mobilnú čistiareň, ktorú napojíme na výtok z komunálnej čistiarne odpadových vôd, ktorý by konštantne čistila.
Ste v treťom ročníku na gymnáziu. Ako sa vôbec stíhate venovať svojmu projektu? Navyše predpokladám, že z tejto technológie nemáte zisk.
Ide čisto o voľnočasovú aktivitu a nijako na nej nezarábam. Mojou odmenou je skôr skúsenosť, vďaka ktorej sa môžem v budúcnosti napríklad lepšie rozhodnúť pri výbere svojho akademického smerovania. Momentálne študujem dvojročný medzinárodný program IB na Gymnáziu Jura Hronca v Bratislave, do minulého roka som však študovala na Gymnáziu Varšavská v Žiline, kde som bola sedem rokov. Výskumu sa venujem najmä po škole, napríklad raz týždenne idem do laboratória namiesto školy s tým, že si učivo doberiem, keďže nemám žiadne špeciálne úľavy na povinných učebných osnovách. Rovnako plánujem naplno využiť aj leto, aby som ešte viac rozvíjala tento projekt.
V hlavnej cene v kategórii Environmental Engineering obsadila vynikajúce 4. miesto. Zdroj: AMAVET
Kde plánujete študovať po skončení strednej školy?
Chcela by som ísť do USA, páči sa mi ich školský systém, kde si študenti môžu nakombinovať predmety z rôznych odborov, čo umožňuje vniesť do štúdia interdisciplinárnosť. Mojou vysnívanou univerzitou, na ktorú by som sa chcela dostať, je MIT v Bostone, no zvažujem aj technologické školy v Anglicku. Pokiaľ by som nezískala štipendium, bez ktorého je pre mňa štúdium v zahraničí nerealizovateľné, tak by mojou prvou voľbou bola určite Masarykova univerzita.
(RR)
