Alla som någonsin har kämpat med att veta vilka plastföremål de kan eller inte kan placera i sin återvinningskärl kommer att uppskatta den komplexa uppgift som professor Rob Hale och hans studenter vid William &Marys Virginia Institute of Marine Science står inför.

Hale började studera plast på 1990-talet efter att han och marinforskaren Mark La Guardia upptäckt höga halter av flamskyddsmedel i fiskar från James River. De insåg snabbt dessa föreningar, läggs till hushållsplast för att minska deras brandfarlighet, på något sätt flydde sina gränser och gick in i vattenmiljön.

Efterföljande banbrytande forskning av Hales team och andra avslöjade höga nivåer av flamskyddsmedel i avloppsvatten, platser för e-avfall, avloppsslam, jordar, sediment, och inomhusdamm; såväl som hos elritsa, daggmaskar, insekter, rovfåglar, djuphavsbläckfisk och andra organismer. Relaterad forskning – baserad på farhågor om att dessa kemikalier finns kvar i miljön och tenderar att ackumuleras i näringskedjan – avslöjade hälsoeffekter hos både vilda djur och människor, och ledde till globala begränsningar av användningen av de mest besvärliga flamskyddsmedel.

Hales tidiga erfarenhet av plastforskning har nu gjort hans team redo för en ledande roll när det gäller att ta itu med den senaste oron för plast i miljön – den växande oron över effekterna av mikroplast i havet.

Omfamna komplexiteten

Att studera plast och plastföroreningar, Hale säger, "du måste omfamna komplexiteten – plast är inte bara en sak. De är inte bara flaskor, eller väskor, eller mobilfodral, eller skummet i soffan."

Hale och hans team, inklusive La Guardia, Drew Luellen, Matt Mainor, Ellen Harvey och masterstudenten Kelley Uhlig, har analyserat produkter tillverkade av polyeten, polyuretan, polyvinylklorid, polystyren, polypropen, polyamider och biopolymerer; dessa är bara en delmängd av de tusentals plastsorter som används allmänt.

Ännu mer komplexitet är att en enda klass av plaster i sig kan innehålla flera varianter. polyeten, till exempel, finns i minst 11 olika "smaker". Dessutom, tillverkare ingjuter plast med en rad tillsatser som är utformade för att förbättra deras avsedda syfte - oavsett om det är för flexibilitet, styrka, hållbarhet eller andra kvaliteter.

Under 2013, Hale fick bidrag från NOAA:s Marine Debris Program och EPA för att titta på hur fyra olika typer av plast och deras tillsatser beter sig under olika miljöförhållanden.

"När vi startade dessa projekt, " han säger, "Vi trodde att det skulle vara ganska enkelt – vi skulle gå ut och analysera vad som finns i de olika polymererna, testa sedan dem för giftiga organiska föroreningar. Men vi upptäckte snabbt att det mesta av plasten är en svart låda. Du vet inte vad som finns i dem."

Hale säger att tillsatserna också kan vara oerhört komplexa.

"Du har tips om vissa - kuddar av polyuretanskum har förmodligen bromerade flamskyddsmedel - men beroende på deras ålder, tillverkarna kan ha ändrat vad de lagt in, så det är ett slags rörligt mål. Vi såg väldigt tidigt att en del av skummet hade polybromerade difenyletrar, men den hade också nästa generations bromerade flamskyddsmedel inblandade, och det hade fosfatbaserade flamskyddsmedel också."

Han tillägger att plasten "förmodligen hade andra kemikalier i sig som inte ens finns på vår radarskärm. Så om du observerar en toxikologisk effekt efter exponering, du har en jäkla tid att ta reda på vilken kemikalie eller blandning som orsakar det."

Forskningen har bara börjat

Den praktiska konsekvensen av denna komplexitet är att forskningen om miljöpåverkan av plastföroreningar bara har börjat. Meredith Evans, en doktorand som studerar plast i Hales labb, säger, "Många människor förstår inte hur mycket forskning som kan göras på det här området. Vi skulle kunna arbeta med detta i åratal och fortfarande dra ut saker att ställa frågor om."

Som ett exempel, Evans pekar på ett experiment som hon körde i en klass i Aquatic Microbial Ecology som nyligen erbjöds av VIMS professor B.K. Låt, där hon placerade olika typer av mikroplaster - polyeten, polyvinylklorid, polyuretanskum och en biopolymer – till sediment som samlats upp från golvet i Chesapeake Bay.

"Jag tittade på hur de olika typerna av plast påverkade det mikrobiella samhället, " hon säger, "och såg att vissa typer avsevärt minskade mikrobiella populationer, vilket kan påverka bearbetningen av näringsämnen som kväve. Men om jag hade använt en polyeten med olika tillsatser, mina resultat kan ha varit väldigt olika. Det är en utmaning när vi är på fältet eftersom det finns så många möjligheter för vad som kan finnas där ute."

En annan fråga, säger Hale, är om Evans resultat berodde på tillsatserna i plasten, eller till själva plasten. "Djävulen är i detaljerna, " han säger, "Vad är det för PVC, och vad som finns i PVC, kan faktiskt styra resultatet."

"Det överraskar alltid människor, "tillägger Evans, "hur svårt det är att avgöra vilken typ av plast och de olika föreningarna i den. Jag hör ofta "All plast är densamma, ' men det är det verkligen inte. Komplexiteten gör det till ett mycket intressant och viktigt forskningsområde."

Framtida inriktningar

Går vidare, Hale and Evans' immediate plans are to study plastic pollution in two far-spread environments—coastal Alaska and St. Helena island in the South Atlantic. 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 säger, 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."