Fosfatföroreningar i floder, sjöar och andra vattenvägar har nått farliga nivåer, orsakar algblomningar som svälter fisk och vattenväxter av syre. Under tiden, jordbrukare över hela världen kommer överens med en minskande reserv av fosfatgödsel som matar hälften av världens livsmedelsförsörjning.

Inspirerad av Chicagos många närliggande vattendrag, ett team från nordvästra universitetet har utvecklat ett sätt att upprepade gånger ta bort och återanvända fosfat från förorenat vatten. Forskarna liknar utvecklingen med en "schweizisk armékniv" för sanering av föroreningar när de skräddarsyr sitt membran för att absorbera och senare släppa ut andra föroreningar.

Forskningen kommer att publiceras under veckan den 31 maj i Proceedings of the National Academy of Science .

Fosfor stöder både världens livsmedelssystem och allt liv på jorden. Varje levande organism på planeten kräver det:fosfor finns i cellmembranen, byggnadsställningen av DNA och i vårt skelett. Även om andra viktiga element som syre och kväve finns i atmosfären, fosfor har ingen analog. Den lilla fraktionen av användbart fosfor kommer från jordskorpan, som tar tusentals eller till och med miljoner år att vädra bort. Och våra gruvor tar slut.

En artikel 2021 i The Atlantic av Julia Rosen citerade Isaac Asimovs uppsats 1939, där den amerikanska författaren och kemisten kallade fosfor "livets flaskhals".

Med tanke på bristen på denna icke-förnybara naturresurs, Det är tyvärr ironiskt att många av våra sjöar lider av en process som kallas eutrofiering, som uppstår när för många näringsämnen kommer in i en naturlig vattenkälla. När fosfat och andra mineraler byggs upp, vattenväxter och alger blir för täta, tömmer syre från vatten och slutligen dödar vattenlevande organismer.

"Vi brukade återanvända fosfat mycket mer, "sade Stephanie Ribet, tidningens första författare. "Nu drar vi bara upp den ur marken, använd den en gång och spola bort den i vattenkällor efter användning. Så, det är ett föroreningsproblem, ett hållbarhetsproblem och ett cirkulärt ekonomiproblem. "

Ekologer och ingenjörer har traditionellt utvecklat taktik för att ta itu med de ökande miljö- och folkhälsoproblemen kring fosfat genom att eliminera fosfat från vattenkällor. Först nyligen har tyngdpunkten flyttats från att avlägsnas till återvinning av fosfat.

"Man kan alltid göra vissa saker i ett laboratorium, "sa Vinayak Dravid, studiens motsvarande författare. "Men det finns ett Venn -diagram när det gäller att skala upp, där du behöver kunna skala tekniken, du vill att det ska vara effektivt och du vill att det ska vara överkomligt. Det fanns ingenting i den skärningspunkten mellan de tre tidigare, men vår svamp verkar vara en plattform som uppfyller alla dessa kriterier. "

Dravid är Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern McCormick School of Engineering, grundande chef för Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental Center (NUANCE), och chef för Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental Resource (SHyNE). Dravid fungerar också som chef för globala initiativ för Northwestern International Institute of Nanotechnology. Ribet är doktorand. student i Dravids lab och tidningens första författare.

Teamets fosfateliminerings- och återvinningslätta (PEARL) membran är ett poröst, flexibelt underlag (t.ex. en belagd svamp, tyg eller fibrer) som selektivt avskiljer upp till 99% av fosfatjoner från förorenat vatten. Belagd med nanostrukturer som binder till fosfat, PEARL -membranet kan justeras genom att kontrollera pH för att antingen absorbera eller släppa ut näringsämnen för att möjliggöra fosfatåtervinning och återanvändning av membranet under många cykler.

Nuvarande metoder för att avlägsna fosfat är baserade på komplexa, långvarig, flerstegsmetoder. De flesta av dem återvinner inte heller fosfatet under avlägsnandet och genererar i slutändan mycket fysiskt avfall. PEARL-membranet ger en enkel ettstegsprocess för att avlägsna fosfat som också effektivt återvinner det. Det är också återanvändbart och genererar inget fysiskt avfall.

Med hjälp av prover från Chicagos Water Reclamation District, forskarna testade sin teori med den komplicerade komplexiteten hos riktiga vattenprover.

"Vi kallar detta ofta en" nanoskala lösning på ett gigatonproblem, "Sade Dravid." På många sätt har de nanoskala -interaktioner som vi studerar konsekvenser för makrolevelrensning. "

Teamet har visat att det svampbaserade tillvägagångssättet är effektivt på skalor, allt från milligram till kilogram, tyder på löften om att skala ytterligare.

Denna forskning bygger på en tidigare utveckling från samma team - Vikas Nandwana, en medlem av Dravid -gruppen och medförfattare till föreliggande studie var den första författaren som kallades OHM (oleofil hydrofob multifunktionell) svamp som använde samma svampplattform för att selektivt ta bort och återvinna olja som härrör från oljekontaminering i vatten. Genom att modifiera nanomaterialbeläggningen i membranet, laget planerar att nästa använda sitt "plug-and-play" -liknande ramverk för att gå efter tungmetaller. Ribet sa också att flera föroreningar kunde hanteras på en gång genom att applicera flera material med skräddarsydda affiniteter.

"Denna utmaning för vattenrening träffar så nära hemmet, "Sa Ribet." Det västra bassängen vid sjön Erie är ett av de viktigaste områdena du tänker på när det gäller övergödning, och jag inspirerades av att lära mig mer om utmaningarna för vattenrening i vårt område kring Great Lakes. "