Forsker studerer effekten af ​​mikroplast på havet

Enhver, der nogensinde har kæmpet med at vide, hvilke plastikartikler de kan eller ikke må lægge i deres genbrugsbeholder, vil sætte pris på den komplekse opgave, som professor Rob Hale og hans studerende står over for ved William &Mary's Virginia Institute of Marine Science.

Hale begyndte at studere plastik i 1990'erne, efter at han og havforskeren Mark La Guardia opdagede høje niveauer af flammehæmmere i fisk fra James River. De indså hurtigt disse forbindelser, tilsat husholdningsplast for at reducere deres brændbarhed, var på en eller anden måde ved at undslippe deres grænser og ind i vandmiljøet.

Efterfølgende banebrydende forskning fra Hales team og andre afslørede høje niveauer af flammehæmmere i spildevand, websteder for e-affald, spildevandsslam, jord, sedimenter, og indendørs støv; såvel som hos minnows, regnorme, insekter, rovfugle, dybhavsblæksprutter og andre organismer. Relateret forskning - baseret på bekymring for, at disse kemikalier forbliver i miljøet og har tendens til at akkumulere op i fødekæden - afslørede sundhedspåvirkninger i både dyreliv og mennesker, og førte til verdensomspændende begrænsninger for brugen af ​​de mest besværlige flammehæmmende forbindelser.

Hales tidlige erfaring med plastikforskning har nu gjort hans team klar til en ledende rolle i forhold til den seneste bekymring om plastik i miljøet - den voksende bekymring for virkningerne af mikroplast i havet.

Omfavn kompleksiteten

At studere plastik og plastikforurening, Hale siger, "Du er nødt til at omfavne kompleksiteten - plastik er ikke kun én ting. De er ikke bare flasker, eller tasker, eller mobiltelefon etuier, eller skummet i din sofa."

Hale og hans team, herunder La Guardia, Drew Luellen, Matt Mainor, Ellen Harvey og kandidatstuderende Kelley Uhlig, har analyseret produkter fremstillet af polyethylen, polyurethan, polyvinylchlorid, polystyren, polypropylen, polyamider og biopolymerer; disse er blot en delmængde af de tusindvis af plastikvarianter, der er almindeligt brugt.

Det tilføjer endnu mere kompleksitet, at en enkelt plastklasse i sig selv kan indeholde flere varianter. polyethylen, for eksempel, kommer i mindst 11 forskellige "smag". I øvrigt, fabrikanter tilfører plast en række additiver designet til at forbedre deres tilsigtede formål - hvad enten det er for fleksibilitet, styrke, holdbarhed eller andre kvaliteter.

I 2013 Hale modtog tilskud fra NOAAs Marine Debris Program og EPA for at se på, hvordan fire forskellige plasttyper og deres tilsætningsstoffer opfører sig under forskellige miljøforhold.

"Da vi startede disse projekter, " han siger, "Vi troede, at det ville være ret ligetil-vi ville gå ud og analysere, hvad der er i de forskellige polymerer, test derefter dem for giftige organiske forurenende stoffer. Men vi opdagede hurtigt, at det meste af plastikken er en sort boks. Du ved ikke, hvad der er i dem."

Hale siger, at tilsætningsstofferne også kan være enormt komplekse.

"Du har hints om visse - polyurethanskumpuder har sandsynligvis bromerede flammehæmmere - men afhængigt af deres alder, producenterne kan have ændret, hvad de har lagt ind, så det er en slags bevægende mål. Vi så meget tidligt, at noget af skummet havde polybromerede diphenylethere, men den havde også den næste generation af bromerede flammehæmmere blandet i, og det havde også fosfatbaserede flammehæmmere."

Han tilføjer, at plastikken "sandsynligvis havde andre kemikalier i sig, som ikke engang er på vores radarskærm. Så hvis du observerer en toksikologisk effekt efter eksponering, du har en pokkers tid på at finde ud af, hvilket kemikalie eller hvilken blanding der forårsager det."

Forskningen er lige begyndt

Den praktiske konsekvens af denne kompleksitet er, at forskningen i miljøpåvirkningerne af plastikforurening lige er begyndt. Meredith Evans, en ph.d.-studerende, der studerer plastik i Hales laboratorium, siger, "Mange mennesker forstår ikke, hvor meget forskning der kunne gøres på dette område. Vi kunne arbejde på dette i årevis og stadig trække ting ud for at stille spørgsmål om."

Som et eksempel, Evans peger på et eksperiment, hun kørte i en klasse i Aquatic Microbial Ecology, for nylig tilbudt af VIMS-professor B.K. Sang, hvori hun placerede forskellige typer mikroplastik - polyethylen, polyvinylchlorid, polyurethanskum og en biopolymer - i sedimenter opsamlet fra gulvet i Chesapeake Bay.

"Jeg så på, hvordan de forskellige typer plastik påvirkede det mikrobielle samfund, " hun siger, "og så, at nogle typer reducerede mikrobielle populationer markant, som kan påvirke behandlingen af ​​næringsstoffer som nitrogen. Men hvis jeg havde brugt en polyethylen med forskellige tilsætningsstoffer, mine resultater kan have været meget anderledes. Det er en udfordring, når vi er i marken, fordi der er så mange muligheder for, hvad der kunne være derude."

Endnu et spørgsmål, siger Hale, er om Evans' resultater skyldtes tilsætningsstofferne i plastikken, eller til selve plastikken. "Djævelen er i detaljerne, " han siger, "hvilken slags PVC er det, og hvad der er i PVC, kan faktisk kontrollere resultatet."

"Det overrasker altid folk, " tilføjer Evans, "hvor svært det er at bestemme typen af ​​plastik og de forskellige forbindelser i det. Jeg hører ofte 'Alt plastik er det samme, ' men det er det virkelig ikke. Kompleksiteten gør det til et meget interessant og vigtigt forskningsområde."

Fremtidige retninger

Bevæger sig fremad, Hale og Evans' umiddelbare planer er at studere plastikforurening i to vidt udbredte miljøer - kystnære Alaska og St. Helena-øen i det sydlige Atlanterhav. Other opportunities—several related to electronic manufacturing and recycling sites in China—lie on the horizon.

Evans plans to head to Alaska in July, in a collaboration with W&M Professor and Immunologist Patty Zwollo.

"There's a very remote spot that gets a lot of plastics washing in, " says Evans. "It's a unique study site because there are no other pollutants in the area besides plastic, so we can isolate the effects of plastic on that ecosystem. That's really cool."

Hale is already collaborating with colleagues at the Georgia Aquarium in Atlanta to study whale sharks, filter feeders that ingest huge quantities of water to collect plankton and small fish and—in today's ocean—inadvertent bits of floating plastic.

"If the whale sharks are eating microplastics, " says Hale, "one sure way of showing that is to look at their poop. As you might expect, that's not the easiest thing in the world, particularly when you're dealing with a pelagic species that shows up kind of opportunistically."

To surmount that challenge, Hale and his aquarium colleagues hope to collect poop not only in nature but in a much more accessible locale—the tank that holds the aquarium's whale-shark pair.

Doing so offers an additional benefit—the opportunity to further test Hale's notion that ocean microplastics aren't necessarily of greatest concern in terms of human health.

"If you're concerned about toxicological impacts with a contaminant, " says Hale, " it's probably going to occur where the levels are highest. When they make plastics, the additives are present in concentrations up to 10 percent by weight—a ludicrously high number compared to what might be on a bit of microplastic, which is measured in low parts per millions."

The point, han siger, is not that whale sharks or other organisms will experience no ill effects from ingesting microplastics in the ocean. It's that whale sharks in an acrylic-walled aquarium may be exposed to much higher concentrations of flame retardants than their wild cousins—just like people are likely ingesting much higher concentrations of flame retardants from microplastics in household dust than by eating seafood in which these materials might have accumulated. LaGuardia is currently analyzing legacy and emerging flame retardants in household dust in collaboration with University of Cincinnati and NIH.

A realist, Hale recognizes that humans are not going to stop using plastics anytime soon. Global plastic production has increased by more than 600 percent since 1975, and the amount of plastic entering the world's oceans is projected to increase 10-fold by 2025. But he does think there are steps we can take to minimize their environmental impacts.

"We have to re-think how we make, reuse, and dispose of these materials, " says Hale.

A better understanding of the environmental effects of microplastics and their additives is also key.

"Back when I started, " says Hale, "people thought that plastics on the beach just sat there, and if they broke into pieces we didn't have to worry about them anymore. We thought plastics were simple. But now we realize they are not."

"Public concern, " adds Evans, "often focuses on the visible plastic—like a six-pack ring wrapped around a turtle—but microplastics may well be more harmful."

Microplastics exhibit greater surface areas and environmental reactivities than larger plastic pieces and are easily transported, says Hale.

"Their small size allows them to be ingested by many types of organisms—from whales to humans. So for us it is a natural thing to study how water might affect transport and bioavailability from microplastics. That's one of our major goals moving forward."