Wykorzystanie druku 3D w ratowaniu rafy koralowej

Rafy koralowe stanowią jedne z najbardziej wrażliwych na zmiany klimatu ekosystemy, są tym samym doskonałym obiektem do obserwacji zmian zachodzących na naszej planecie. Naukowcy intensywnie pracują nad ich ochroną i regeneracją, wykorzystując w tym celu bardzo różne, innowacyjne sposoby.

Rafy koralowe są na ogół spotykane w nasłonecznionych i ciepłych wodach i pomimo, iż nie zajmują powierzchniowo istotnego obszaru to szacuje się, że około 25% wszystkich gatunków morskich jest w sposób pośredni lub bezpośredni zależna od raf koralowych. Największą rafą koralową jest rozciągającą się na przestrzeni około 2300 km położona u wschodnich wybrzeży Australii Wielka Rafa Koralowa. Widoczna nawet z kosmosu Wielka Rafa Koralowa jest m.in. domem dla setek gatunków koralowców, ryb, mięczaków, kilku gatunków żółwi morskich, a nawet wielorybów i delfinów.

Rafy koralowe poza pełnieniem funkcji naturalnych falochronów, są przedmiotem szeroko pojętej turystyki morskiej – i każdy, kto choć raz spędził chwile nurkując w ich obrębie wie, jak wielkim pięknem emanuje życie toczące się wokół niej. Rozpościerająca się urokliwość, ogrom żywych organizmów i kolorów niczym barwne dywany pozwalają zaspokoić pragnienia piękna niejednej wymagającej osoby. Potwierdzeniem chociażby tego jest wpisanie na listę światowego dziedzictwa UNESCO Wielkiej Rafy Koralowej. Szacuje się, że życie około 500 mln ludzi jest zależne od raf koralowych. Jednak turystyka morska i rybołówstwo to nie wszystko co oferują rafy koralowe, mnogość organizmów żyjących dookoła niej stanowi doskonały obiekt badań obejmujących poszukiwanie nowych związków chemicznych mogących przyczynić się do rozwoju nowych leków. Nic więc dziwnego, że wielu naukowców zaznajomionych z całym aspektem korzyści jakie przynoszą rafy koralowe bije na alarm informując o jej umieraniu.

Rafy koralowe dotyka szereg zagrożeń i to w dodatku pojawiąjących się z kilku kierunków. Najważniejszym z zagrożeń jest ocieplenie klimatu prowadzące do blaknięcia koralowców. Bynajmniej jednak nie jedynym, gdyż równie istotne jest bardzo ogólnie tu przedstawione zanieczyszczenie i zakwaszenie oceanów. Za zakwaszenie oceanów nie jest odpowiedzialne wylewanie kwasów do wody, ale globalnie rosnąca emisja dwutlenku węgla do atmosfery, który w naturalnym obiegu jest „pochłaniany” przez oceany. Cykl biogeochemicznego obiegu węgla obejmuje zarówno atmosferę jak i hydrosferę (tj. wody morskie i śródlądowe), gdzie występuje nie tylko w postaci rozpuszczonego dwutlenku węgla, ale również jonów wodorowęglanowych i węglanowych. Dodatkowo prądy oceaniczne transportują duże ilości węgla do głębszych warstw wód. CO₂ nie wpływa w sposób bezpośredni na blaknięcie koralowców, ale utrudnia przede wszystkim ich odbudowę poprzez zmniejszenie stężenia naturalnego ich budulca – aragonitu.

Wyniki szeregu raportów pokazują, że do roku 2050 aż 95% globalnej rafy koralowej zostanie narażona na stres temperaturowy prowadzący do jej blaknięcia. Być może nie byłby to tak duży problem, gdyby nie fakt, że naturalna regeneracja rafy jest powolnym procesem, a wyniszczone rafy koralowe dodatkowo mniej skutecznie się rozmnażają. Na przykład średni roczny przyrost Wielkiej Rafy Koralowej to zaledwie 5–8 mm! Dlatego powolna regeneracja jest powodem, dla którego aż 50% rafy koralowej do tej pory bezpowrotnie została zniszczona. Nic więc dziwnego, że próbuje się chronić rafy koralowe i jak dotąd około 27% zostało objęte ochroną uznając je za rezerwaty przyrody. Próby ochrony i regeneracji rafy koralowej obejmują szereg metod, np. wspomaganie rozmnażania, próby modyfikacji w taki sposób by wytworzyć organizmy bardziej odporne na stres temperaturowy, lub np. sztuczne hodowle.

Choć jak to przedstawiono powyżej proces regeneracji rafy jest procesem powolnym, to w ostatnim czasie przedstawione zostały interesujące wyniki badań, w których wykorzystano technologie druku 3D do regeneracji rafy koralowej. Naukowcy na łamach czasopisma ACS Sustainable Chem. Eng. 2021, 37, 12634–12645 przedstawili badania, które nie tylko upraszczają procedurę regeneracji rafy koralowej, ale przede wszystkim przyśpieszenie jej procesu regeneracji. W tym celu wykorzystane zostały struktury drukowane w technologii 3D z węglanu wapnia. Mówiąc w uproszczeniu naukowcom udało się wytworzyć sztuczny szkielet koralowców na bazie ich naturalnego, co zapewnia szybki wzrost mikrofragmentów koralowców, ponieważ nie jest wymagana budowa szkieletu wapiennego stanowiącego podstawę budowy rafy. W przeciwieństwie do innych podobnych tego typu metod, technologia polega na pasywnej kolonizacji wydrukowanego podłoża tj. połączenia mikrofragmentów koralowców do wydrukowanego szkieletu.

Technologia druku 3D zagościła na dobre w naszym życiu i obejmuje już nie tylko wykorzystanie powszechnie obecnych na rynku filamentów np. PLA do „drukowania figurek”, ale jest obiektem intensywnych badań skupiających możliwość wykorzystania szeregu materiałów np. budowy całych instalacji budowlanych (np. cały, funkcjonujący most w Holandii), wykorzystanie materiału organicznego „mikrobiologicznego tuszu” do druku „żywego materiału”, specjalnych kapsułek dla leków i szereg innych wykraczających poza ramy niniejszego artykułu. Podczas gdy w roku 2010 w bazach patentowych widniało opublikowanych zaledwie kilka dokumentów opisujących wynalazki powiązane z drukiem 3D, to ich ilość w roku 2020 przekroczyła już cztery tysiące, a w 2021 pięć tysięcy. To pokazuje, że technologia druku 3D jest obecnie wykorzystywana w wielu dziedzinach techniki prowadząc do rozwoju coraz to bardziej innowacyjnych rozwiązań. Obejmuje nie tylko wykorzystanie sztucznych elementów, ale coraz częściej wykorzystywane są żywe mikrofragmenty nawet by wspomagać ochronę środowiska, które jako ludzkość niszczymy.

Dr Maciej Stodulski, Specjalista ds. chemii; aplikant rzecznikowski, JWP Rzecznicy Patentowi

Artykuł opublikowany 25 maja 2022 roku, na portalu Rzecz o Innowacjach