Plastforurening er overalt. Undersøgelse afslører, hvordan den rejser

Plastforurening er allestedsnærværende i dag, med mikroplastikpartikler fra engangsartikler fundet i naturlige miljøer over hele kloden, inklusive Antarktis. Men hvordan disse partikler bevæger sig igennem og akkumuleres i miljøet er dårligt forstået. Nu har en undersøgelse fra Princeton University afsløret den mekanisme, hvorved mikroplastik, som Styrofoam, og partikelformige forurenende stoffer transporteres over lange afstande gennem jord og andre porøse medier, med implikationer for at forhindre spredning og ophobning af forurenende stoffer i fødevarer og vandkilder.

Studiet, udgivet i Videnskab fremskridt den 13. november, afslører, at mikroplastikpartikler sætter sig fast, når de bevæger sig gennem porøse materialer som jord og sediment, men senere bryder fri og ofte fortsætter med at bevæge sig væsentligt længere. At identificere denne stop-og-genstart-proces og de forhold, der styrer den, er ny, sagde Sujit Datta, adjunkt i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab og tilknyttet fakultet ved Andlinger Center for Energi og Miljø, High Meadows Environmental Institute og Princeton Institute for Science and Technology of Materials. Tidligere, forskere troede, at når mikropartikler satte sig fast, de blev som regel der, hvilket begrænsede forståelsen af ​​partikelspredning.

Datta ledede forskerholdet, som fandt ud af, at mikropartiklerne skubbes fri, når hastigheden af ​​væske, der strømmer gennem mediet, forbliver høj nok. Princeton-forskerne viste, at aflejringsprocessen, eller dannelse af træsko, og erosion, deres brud, er cyklisk; tilstopninger dannes og brydes derefter op af væsketryk over tid og afstand, bevæger partikler længere gennem porerummet, indtil tilstopninger reformeres.

"Ikke kun fandt vi denne seje dynamik af partikler, der satte sig fast, tilstoppet, opbygge indskud og derefter blive presset igennem, men den proces gør det muligt for partikler at blive spredt ud over meget større afstande, end vi ellers ville have troet, " sagde Datta.

Holdet inkluderede Navid Bizmark, en postdoc-forsker ved Princeton Institute for Science and Technology of Materials, kandidatstuderende Joanna Schneider, og Rodney Priestley, professor i kemi- og biologisk ingeniørvidenskab og prodekan for innovation.

De testede to typer partikler, "klæbrig" og "ikke-klæbrig, ", som svarer til de faktiske typer af mikroplast, der findes i miljøet. Overraskende nok, de fandt ud af, at der ikke var nogen forskel i selve processen; det er, både tilstoppede og frigjorde sig selv ved højt nok væsketryk. Den eneste forskel var, hvor klyngerne blev dannet. De "ikke-klæbrige" partikler havde en tendens til kun at sidde fast ved smalle gange, hvorimod de klæbrige syntes at være i stand til at blive fanget på enhver overflade af det faste medium, de stødte på. Som et resultat af denne dynamik, det er nu klart, at selv "klæbrige" partikler kan spredes ud over store områder og gennem hundredvis af porer.

I avisen, forskerne beskriver pumpning af fluorescerende polystyrenmikropartikler og væske gennem et gennemsigtigt porøst medium udviklet i Dattas laboratorium, og derefter se mikropartiklerne bevæge sig under et mikroskop. Polystyren er den plastikmikropartikel, der udgør Styrofoam, som ofte er strøet ud i jord og vandveje gennem forsendelsesmaterialer og fastfood-beholdere. De porøse medier, de skabte, efterligner tæt strukturen af ​​naturligt forekommende medier, herunder jord, sedimenter, og grundvandsmagasiner.

Typisk er porøse medier uigennemsigtige, så man kan ikke se, hvad mikropartikler gør, eller hvordan de flyder. Forskere måler normalt, hvad der går ind og ud af medierne, og prøv at udlede de processer, der foregår indeni. Ved at lave gennemsigtige porøse medier, forskerne overvandt den begrænsning.

"Datta og kolleger åbnede den sorte boks, sagde Philippe Coussot, en professor ved Ecole des Ponts Paris Tech og en ekspert i reologi, som ikke er tilknyttet undersøgelsen.

"Vi fandt på tricks til at gøre medierne gennemsigtige. Så ved at bruge fluorescerende mikropartikler, vi kan se deres dynamik i realtid ved hjælp af et mikroskop, " sagde Datta. "Det gode er, at vi faktisk kan se, hvad individuelle partikler gør under forskellige eksperimentelle forhold."

Studiet, som Coussot beskrev som en "bemærkelsesværdig eksperimentel tilgang, " viste, at selvom Styrofoam-mikropartiklerne satte sig fast på punkter, de blev til sidst skubbet fri, og bevægede sig i hele mediets længde under eksperimentet.

Det ultimative mål er at bruge disse partikelobservationer til at forbedre parametre for større skalamodeller til at forudsige mængden og placeringen af ​​forurening. Modellerne vil være baseret på forskellige typer af porøse medier og varierende partikelstørrelser og kemi, og hjælpe til mere præcist at forudsige forurening under forskellige kunstvanding, Regn, eller omgivende strømningsforhold. Forskningen kan hjælpe med at informere matematiske modeller for bedre at forstå sandsynligheden for, at en partikel bevæger sig over en vis afstand og når en sårbar destination, såsom en nærliggende landbrugsjord, flod eller grundvandsmagasin. Forskerne undersøgte også, hvordan aflejringen af ​​mikroplastikpartikler påvirker mediets permeabilitet, herunder hvor let vand til kunstvanding kan strømme gennem jorden, når mikropartikler er til stede.

Datta said this experiment is the tip of the iceberg in terms of particles and applications that researchers can now study. "Now that we found something so surprising in a system so simple, we're excited to see what the implications are for more complex systems, " said Datta.

Han sagde, for eksempel, this principle could yield insight into how clays, minerals, grains, quartz, viruses, microbes and other particles move in media with complex surface chemistries.

The knowledge will also help the researchers understand how to deploy engineered nanoparticles to remediate contaminated groundwater aquifers, perhaps leaked from a manufacturing plant, farm, or urban wastewater stream.

Beyond environmental remediation, the findings are applicable to processes across a spectrum of industries, from drug delivery to filtration mechanisms, effectively any media in which particles flow and accumulate, Datta said.