Microplastics adsorberen zinkoxide uit zonnefilters en microbolletjes uit reinigingsmiddelen

Een nieuwe studie door een onderzoeksteam van Diamond Light Source kijkt naar hoe microplastic afval kan interageren met zinkoxide (ZnO) nanomaterialen in zoet- en zeewaterscenario’s. Het evalueerde ook een op ZnO gebaseerd zonnescherm en een exfoliërende reiniger met microbolletjes in zijn samenstelling onder dezelfde omstandigheden.

Hun resultaten bevestigen dat mengsels van Zn-aggregaten/micropolymeren op natuurlijke wijze uit de commerciële producten werden uitgeloogd/vrijgegeven, wat zorgwekkende gevolgen voor het milieu aan het licht bracht voor vissen en andere waterorganismen in de voedselketen, die deze microplastics zouden kunnen inslikken en tegelijkertijd zinkdeeltjes zouden kunnen binnenkrijgen.

Met de titel “Toward understanding the environment risk of combined microplastics/nanomaterials exposures: Unveiling ZnO transformations after adsorptie op polystyreen microplastics in milieuoplossingen” werd het werk gepubliceerd in Wereldwijde uitdagingen. Het team van de nationale synchrotron van het Verenigd Koninkrijk bestond uit een student, Tatiana Da-Silva Ferreira, die aan de Universiteit van Edinburgh deelnam aan het 12 weken durende ‘Summer Placement’-programma van Diamond.

Hierdoor kunnen niet-gegradueerde studenten die een graad in Wetenschap, Techniek, Informatica of Wiskunde studeren (die verwachten een eervolle graad in de eerste of tweede klas te behalen) ervaring opdoen door in een aantal verschillende teams bij Diamond te werken. Hoofdauteur, Miguel Gomez Gonzalez, Diamond Beamline Scientist, prees Tatiana, die nu studeert voor een Ph.D. in Zwitserland, voor haar belangrijke bijdrage aan de start van dit milieuproject.

Miguel legde de aanleiding voor het onderzoek uit en zei dat ze allemaal hadden gezien hoe er de afgelopen decennia een dramatische toename is geweest in de productie van gemanipuleerde nanomaterialen (kleine, kleine deeltjes die ongeveer 1000 keer dunner zijn dan een mensenhaar), wat onvermijdelijk heeft geleid tot tot hun vrijlating in het milieu.

Evenzo is zinkoxide (ZnO) een van de meest voorkomende nanomaterialen die worden vervaardigd vanwege het voordelige gebruik ervan in elektronica, halfgeleiders en voor antibacteriële doeleinden. Tegelijkertijd is plastic afval alomtegenwoordig geworden en kan het uiteenvallen in kleinere stukjes die microplastics worden genoemd.

Deze zijn ook klein, maar ~ 100 keer groter dan de nanomaterialen. Omdat deze beide elementen steeds vaker worden weggegooid, besloten ze hun lot te bestuderen wanneer ze mogelijk worden gecombineerd in zoet water en oceanen en om milieurisicobeoordelingen nauwkeuriger te maken.

Om hun studie relevanter te maken voor de echte wereld, testte het team een ​​zonnebrandmiddel met zinkoxide dat vaak wordt gebruikt om UV-straling te blokkeren. Ze lieten de zonnebrandcrème een week incuberen in de verschillende milieuoplossingen en voegden daarna de microplastics een dag toe. Het doel was om te controleren of het zinkoxide uit de zonnebrandcrème kon komen en zich aan deze microplastics kon hechten.

Ze volgden ook dezelfde procedure met een gezichtsscrub met kleine plastic bolletjes. De resultaten toonden duidelijk aan dat het zinkoxide (ofwel puur of uitgeloogd uit de zonnebrandcrème) in beide gevallen aan het microplastic kleefde, waaruit bleek dat het mogelijk ook in onze rivieren en oceanen zou kunnen gebeuren.

Gonzalez merkt op: “Het vermogen van zinkoxide, zowel pure nanomaterialen als stoffen die vrijkomen uit een zonnebrandcrème, om aan zeer kleine stukjes plastic te kleven, heeft grote implicaties. Deze plastics kunnen zelfs afkomstig zijn van alledaagse voorwerpen zoals exfoliërende gezichtsreinigers. In deze studie hebben we ontdekte dat de microplastics nog kleinere zinkdeeltjes van plaats naar plaats kunnen vervoeren. Als gevolg daarvan kunnen vissen of andere waterorganismen deze microplastics inslikken en tegelijkertijd zinkdeeltjes binnenkrijgen.”

“We moeten begrijpen hoe dit gemanipuleerde zinkoxide verandert wanneer het in zoet water terechtkomt en hoeveel ervan aan klein plastic afval kan blijven kleven. Dit is belangrijk om iedereen bewust te maken, van mensen die deze producten maken tot degenen die ze reguleren, over de potentiële schade die ze kunnen toebrengen aan ons milieu. Er zijn betere regels nodig voor het beheer van afval, vooral met betrekking tot kleine deeltjes zoals deze.”

“Naarmate we meer en meer van deze micro- en nanodeeltjes blijven produceren, zal hun effect op ons milieu blijven groeien. Omdat ze zo lang meegaan, kunnen ze een risico vormen voor verschillende organismen en uiteindelijk zelfs hun weg vinden in ons voedsel. Dit kunnen we ons gewoon niet veroorloven om te negeren.”

Pratend over de bijdrage van 2021 Summer Placement-student Tatiana Miguel, benadrukte hij de enorme kansen die studenten worden geboden door Diamond-studieprogramma’s.

“Tatiana heeft geweldig werk geleverd door de voorwaarden te optimaliseren voor de 7-daagse stabilisatie van nanomaterialen, gevolgd door de 24-uurs incubatie van microplastics en nanomaterialen. Daarnaast verbeterde ze het filterprotocol en de isolatie van de microplastics na de incubatieperiode. “, voerde ze de zeer voorlopige scanning-elektronenmicroscopie-analyse uit die de adsorptie van nanomaterialen in de plastic oppervlakken onthulde. Daarom was haar bijdrage de sleutel tot het algehele succes van dit milieurelevante project, “voegde Gonzalez toe.

Miguel bedankte Gonzalez en Diamond en zei: “Deze ervaring heeft mijn interesse in milieuchemie en academisch onderzoek echt verdiept. Het gaf me ook genoeg achtergrond en vertrouwen om mijn master en nu mijn doctoraat voort te zetten. Ik ben echt blij dat ik aan zo’n interessant project, en nog gelukkiger dat je ervoor koos om er dieper in te kijken.”

Het team nam enkele pure zinkoxidedeeltjes (variërend van 80 tot 200 nm grootte) en incubeerde ze een week lang in verschillende soorten omgevingsoplossingen, waardoor ze op natuurlijke wijze konden stabiliseren. Vervolgens mengden ze ze met kleine microbolletjes van polystyreen (~ 900 mm diameter, ongeveer de grootte van een zandkorrel) en roerden ze een dag door elkaar.

Na het wassen en spoelen van de microplastics ontdekten ze dat het zinkoxide aan de plastic oppervlakken was geadsorbeerd. Dit werd gezien door elektrische microscopie te scannen, met behulp van een zeer krachtige microscoop. Dit bevestigde dat microplastics en zinkoxide kunnen interageren in onze waterlichamen, wat van invloed kan zijn op de manier waarop ze het milieu beïnvloeden.

Het team onderzocht vervolgens deze met zinkoxide bedekte microplastics met behulp van röntgenstralen die werden gegenereerd bij Diamond Light Source, een elektronenversnellerfaciliteit. De I14-bundellijn van Diamond kan de röntgenstralen tot een nanometrische grootte vormen, waardoor het een van de beste ter wereld is voor dit soort gedetailleerd werk. Snel scannen van de monsters rond de nanometrische röntgenstraal maakte het mogelijk gedetailleerde foto’s van elk element in hun monsters vast te leggen door de fluorescentiedetector.

Naast dit werk werd een andere röntgentechniek, X-ray absorptie near-edge structure spectroscopie (XANES) genoemd, toegepast om te controleren wat voor soort chemische veranderingen er met het zinkoxide waren gebeurd tijdens het adsorberen aan de microplastics en na een week incubatie in zoet water.

Gonzalez voegt eraan toe: “We ontdekten dat het zinkoxide was getransformeerd in verschillende soorten zinkgerelateerde deeltjes. Sommige van deze nieuwe deeltjes (Zn-sulfide) werden snel gevormd, terwijl andere langzamer werden gevormd maar stabieler waren (Zn-fosfaat). Dit onthult waardevolle informatie over hoe zinkoxide zich gedraagt ​​wanneer het zich in het milieu bevindt.”