En ny metode til bedre at studere mikroskopisk plastik i havet

Hvis du har været på din lokale strand, du har måske bemærket vinden, der kaster omkring affald, såsom en tom kartoffelchipspose eller et plastiksugerrør. Disse plastik kommer ofte ud i havet, påvirker ikke kun livet i havet og miljøet, men truer også fødevaresikkerheden og menneskers sundhed.

Til sidst, mange af disse plastik nedbrydes i mikroskopiske størrelser, gør det svært for forskere at kvantificere og måle dem. Forskere kalder disse utroligt små fragmenter for nanoplast og mikroplast, fordi de ikke er synlige for det blotte øje. Nu, i en multiorganisatorisk indsats ledet af National Institute of Standards and Technology (NIST) og Europa-Kommissionens Joint Research Center (JRC), forskere henvender sig til en lavere del af fødekæden for at løse dette problem.

Forskerne har udviklet en ny metode, der bruger en filter-fødende marine art til at indsamle disse bittesmå plastik fra havvand. Holdet offentliggjorde sine resultater som en proof-of-principle undersøgelse i det videnskabelige tidsskrift Mikroplast og nanoplast .

Plast består af syntetiske materialer kendt som polymerer, der normalt er lavet af petroleum og andre fossile brændstoffer. Hvert år produceres der mere end 300 millioner tons plastik, og 8 millioner tons ender i havet. De mest almindelige plasttyper, der findes i havmiljøer, er polyethylen og polypropylen. Low-density polyethylen er almindeligvis brugt i plastik indkøbsposer eller seks-pack ringe til sodavandsdåser. Polypropylen er almindeligt anvendt i genanvendelige fødevarebeholdere eller flaskehætter.

"Sollys og andre kemiske og mekaniske processer får disse plastikgenstande til at blive mindre og mindre, " sagde NIST-forsker Vince Hackley. "Med tiden ændrer de deres form og måske endda deres kemi."

Selvom der ikke er en officiel definition for disse mindre nanoplastik, forskere beskriver dem generelt som værende kunstige produkter, som miljøet nedbryder i mikroskopiske stykker. De er typisk på størrelse med en milliontedel af en meter (en mikrometer, eller en mikron) eller mindre.

Disse bittesmå plastik udgør mange potentielle farer for miljøet og fødekæden. "Når plastmaterialer nedbrydes og bliver mindre, de indtages af fisk eller andre marine organismer som bløddyr. Gennem den vej ender de i fødevaresystemet, og så i os. Det er den store bekymring, " sagde Hackley.

For hjælp til at måle nanoplastik, forskere henvendte sig til en gruppe af marine arter kendt som sækdyr, som behandler store mængder vand gennem deres kroppe for at få mad og ilt - og, utilsigtet, nanoplast. Det, der gør tunikater så nyttige til dette projekt, er, at de kan indtage nanoplast uden at påvirke plastens form eller størrelse.

Til deres studie, forskere valgte en sækdyrsart kendt som C. robusta, fordi "de har en god retentionseffektivitet for mikro- og nanopartikler, " sagde Europa-Kommissionens forsker Andrea Valsesia. Forskerne opnåede levende eksemplarer af arten som en del af et samarbejde med Institute of Biochemistry and Cell Biology og Stazione Zoologica Anton Dohrn forskningsinstituttet, både i Napoli, Italien.

Sækdyrene blev udsat for forskellige koncentrationer af polystyren, en alsidig plastik, i form af partikler i nanostørrelse. Sækdyrene blev derefter høstet og gennemgik derefter en kemisk fordøjelsesproces, som adskilte nanoplastikken fra organismerne. Imidlertid, i denne fase blev nogle resterende organiske forbindelser fordøjet af sækdyret stadig blandet med nanoplasten, muligvis forstyrre rensningen og analysen af ​​plasten.

Så, forskere brugte en yderligere isoleringsteknik kaldet asymmetrisk flow-feltstrømsfraktionering (AF4) til at adskille nanoplasten fra det uønskede materiale. Den adskilte eller 'fraktionerede' nanoplast kunne derefter indsamles til yderligere analyse. "Det er et af de største problemer på dette felt:evnen til at finde disse nanoplastik og isolere og adskille dem fra det miljø, de eksisterer i, sagde Valsesia.

De nanoplastiske prøver blev derefter placeret på en specielt konstrueret chip, designet således, at nanoplasten dannede klynger, making it easier to detect and count them in the sample. Til sidst, the researchers used Raman spectroscopy, a noninvasive laser-based technique, to characterize and identify the chemical structure of the nanoplastics.

The special chips provide advantages over previous methods. "Normalt, using Raman spectroscopy for identifying nanoplastics is challenging, but with the engineered chips researchers can overcome this limitation, which is an important step for potential standardization of this method, " said Valsesia. "The method also enables detection of the nanoplastics in the tunicate with high sensitivity because it concentrates the nanoparticles into specific locations on the chip."

The researchers hope this method can lay the foundation for future work. "Almost everything we're doing is at the frontier. There are no widely adopted methods or measurements, " said Hackley. "This study on its own is not the end point. It's a model for how to do things going forward."

Among other possibilities, this approach might pave the way for using tunicates to serve as biological indicators of an ecosystem's health. "Scientists might be able to analyze tunicates in a particular spot to look at nanoplastic pollution in that area, " said Jérémie Parot, who worked on this study while at NIST and is now at SINTEF Industry, a research institute in Norway.

The NIST and JRC researchers continue to work together through a collaboration agreement and hope it will provide additional foundations for this field, such as a reference material for nanoplastics. For nu, the group's multistep methodology provides a model for other scientists and laboratories to build on. "The most important part of this collaboration was the opportunity to exchange ideas for how we can do things going forward together, " said Hackley.