不起眼的魚類啟發了自清潔微塑膠過濾器的研發

 (https://www.nature.com/articles/s44454-025-00020-2)

 微塑膠（MPs）是指尺寸小於5毫米的塑膠顆粒和纖維，它們是普遍存在於水體和空氣中的污染物。在所有這些環境中，微塑膠都會產生不利影響，例如，它們會在土壤中積累真菌病原體，對維管植物造成植物毒性，透過營養傳遞進入海洋頂級捕食者體內，並誘發人類的氧化壓力、發炎和代謝紊亂。人們普遍認為，需要採取多種緩解策略來減少微塑膠進入環境。長期策略包括轉向循環經濟、開發新材料和永續產品，以及開展教育工作以改變社會觀念。短期措施包括立法禁止在化妝品中使用微塑膠、使用替代材料或清潔活動。過濾是另一種在微塑膠的來源和入口附近減少微塑膠的短期方法，但目前的過濾解決方案受到微塑膠截留效率低且容易堵塞的限制。

洗衣機是微塑膠的主要進入途徑之一，每年每人會從紡織品中釋放出10至120克微塑膠纖維，是微塑膠的主要來源之一。洗衣機配備粗濾器，用於攔截石子或硬幣以保護水泵，但沒有微塑膠過濾器。因此，微塑膠未經過濾就進入了污水系統。配備二級和三級處理的污水處理廠可截留84%至94%的微塑膠。然而，截留的微塑膠會積聚在污水污泥中，其中63%至90%來自洗衣機。當污水污泥被傾倒在農田時，這些微塑膠又會重新進入環境，而這在全球範圍內是一種常見的做法 。因此，儘管污水處理廠的截留率很高，但在微塑膠進入污水系統之前將其攔截仍然是一個至關重要但尚未充分開發的干預點。

這篇論文提出了一種仿生魚類過濾器（FiF），該過濾器對標準化的微孔纖維具有高效的過濾效率和自清潔功能。我們的過濾模組是基於沖刷式攝食魚類的濾食過程，因為該過濾過程的某些方面，例如顆粒大小、流態和過濾器尺寸，原則上符合洗衣機的一些要求。沖刷式攝食魚類是遠洋魚類，它們利用向前移動來驅動水流通過鰓弓系統。鰓弓系統由細長鰓耙的鰓弓組成。鰓弓系統的形態因物種而異，有些物種的鰓弓和鰓耙上長有小齒，而另一些物種則分泌粘液來聚集顆粒，或具有能夠誘導局部渦流以截留顆粒的表面結構，或採用上述方法的組合。在大多數濾食性魚類中，鰓弓呈錐形，向下逐漸變細至口腔內的食道。當魚類張口向前遊動時，切向水流會將食物顆粒輸送至食道，過濾後的水則從鰓弓之間和鰓蓋下方流出。這個過程先前被描述為橫流過濾，某些物種的變體被稱為交叉階梯過濾。基於形態學和攝食行為的視訊分析，鳀魚、沙丁魚和大西洋鯖魚等衝撞式攝食魚類的過濾過程很可能實際上是橫流過濾和死端過濾的結合。在這些魚類中，鰓耙形成一個扁平的表面，使顆粒滾動至食道並在那裡積聚，最終被吞嚥。鰓弓系統的錐形結構使得顆粒能夠滾動。這個幾何形狀可以用一個角度來描述，即攻角α，其範圍介於0°（死端過濾）和90°（錯流過濾，）之間。因此，這種過濾過程以前被稱為半錯流過濾。這項研究的仿魚過濾器（FiF）模擬了特定沖刷式濾食魚類的功能形態，以充分利用半錯流過濾過程。此外，透過物理和數值實驗改變過濾器尺寸、網孔尺寸或攻角等參數，我們證明了過濾器的性能取決於特定的參數組合，因此可以針對各種潛在應用進行定制，包括在洗衣機中截留微塑膠。我們的仿魚過濾器（FiF）的獨特之處在於其結合了以下三個要素：（i）錐形過濾元件，其過濾介質以設定的攻角α進行半錯流過濾；（ii）帶有可調節進水口和獨立滲透液及濃縮液出口的過濾器外殼；以及（iii）可調節的週期性清潔機制，可延緩堵塞。