Forskare vid UC San Diego arbetar för att förstå plastnedbrytning i havet, särskilt mindre partiklar som kallas mikroplaster och relaterade mikrofibrer.

Marinbiolog Dimitri Deheyn, biträdande forskare vid Scripps Institution of Oceanography, arbetar med en tvåfaldig strategi för dessa mikromaterial. Han och postdoktorn Sarah-Jeanne Royer övervakar mikrofibrer runt om i världen för att bättre förstå hur dessa fibrer kommer in och sprids i miljön, samtidigt som man samarbetar med industrin för att identifiera möjliga vägar för att begränsa plastföroreningar och utveckla saneringsstrategier.

Även om bomull är en naturlig fiber, majoriteten av mikrofibrerna är syntetiska och många är petroleumbaserade, gör dem till en form av mikroplast. På grund av deras förmåga att absorbera större mängder vatten och unika kemiska bindningsegenskaper, de finns i många textilier, inklusive kläder och rengöringsdukar, och definieras av sin ultrafina natur (tunnare än till och med en silkessträng). Dessa fibrer släpps ut i miljön när textilier tvättas och genom vardagsbruk, och blir en växande oro bland forskare och miljövänner.

Deheyn, en expert på biologiskt ljus, färg och toxikologi, blev intresserad av mikrofiberforskning efter att ha upptäckt att dessa material fluorescerar under avbildningsförhållanden som används i hans labb. Deheyn använder förändring i färg eller ljus som produceras av organismer som en tidig indikator på stress (på samma sätt som människor blir bleka när de börjar bli sjuka), särskilt vid exponering för konventionella föroreningar som spårmetaller eller miljöförändringar relaterade till klimatförändringar. Deheyn har de senaste åren noterat ett ökande antal glödande fibrer i sina bilder.

"När jag såg dessa fibrer glöda i fluorescens i mina prover, min första reaktion var att rengöra linserna i mitt mikroskop, men jag insåg att dessa fibrer faktiskt var en del av mitt prov, sa Deheyn.

Han och forskare vid UC San Diego Jacobs School of Engineering har använt fluorescens för att utveckla ny teknik för att upptäcka mikroplaster som filtrerats bort från vattenprover.

Deheyns labb har tagit ett nytt fokus på plast och deras derivat. Royer arbetade i fyra år med denna globala fråga vid University of Hawaii, där hon byggde upp starka samarbeten med forskare, icke-statliga organisationer, och det lokala samhället. Hon är specialiserad på utsläpp av växthusgaser från plast i miljön, plastisk nedbrytning, ödet och vägarna för marint skräp och North Pacific Garbage Patch.

NOAA definierar mikroplast som alla plastpartiklar som är mindre än fem millimeter långa. Dessa små partiklar är resultatet av nedbrytning av större plast och syntetiska material, och är av ökande oro för miljö- och folkhälsotjänstemän som oroar sig för effekterna av att äta fisk och andra skaldjur som har fått i sig mikroplast. Dock, forskare lär sig fortfarande om omfattningen och inverkan av dessa partiklar på ekosystem såväl som människor.

En ny teknik för att observera föroreningar

Deheyns observation av fluorescerande föroreningar ledde till nya möjligheter. Observationstekniken, utvecklad av ingenjörsstudenten Jessica Sandoval, kallas Automated Microplastics Identifier (AMI). Protokollet syftar till att ersätta manuell räkning med ögat med automatiseringsprocesser som identifierar fibrerna. Forskare avbildar först filtren under UV-belysning, så att plasten fluorescerar. Sandoval utvecklade mjukvara för att kvantifiera mängden plast på varje filter och för att även generera information om plastens egenskaper med hjälp av bildigenkänning.

"Det är ett spännande första steg, använda automationsteknik för att hjälpa till med övervakningen av denna vanliga marina förorening, sade Sandoval, som började utveckla denna teknik som student. "Med sådan teknik, vi kan lättare bearbeta prover från hela världen och skapa en bättre förståelse för distribution av mikroplast."

Prover från hela världen

Denna teknik har redan använts av forskare för att analysera vattenprover från hela världen som en del av Deheyns ansträngningar att förstå den globala närvaron av mikrofibrer. Än så länge, han har funnit att mikrofibrer kan hittas i prover över hela världen, inklusive från ovan polcirkeln. Denna globala övervakningsinsats har lett dem att samarbeta med Greenpeace, Draken Viking Kings skepp, Young Explorers Club, Äventyr Kanada, och flera andra initiativ, inklusive Seeker Medias expedition "The Swim" för att samla in prover i norra Stilla havet, inklusive North Pacific Garbage Patch som kommer att vara en del av deras nästa expedition som heter "The VORTEX swim."

"Vi vill så småningom tillhandahålla en karta över mikrofiberdistribution runt om i världen, så att människor – och framför allt marina resursförvaltare – bättre kan bedöma effekten av dessa små syntetiska material som finns i vår mat, " sa Deheyn. "Vår förhoppning är att detta blir ett globalt medborgarvetenskapligt projekt, med hjälp av AMI och de medborgarvetenskapliga samarbeten som Royer byggt upp under de senaste tio åren."

Förutom att mäta dessa mikrotextilier från vatten, luft, och sedimentprover, ett av kännetecknen för Deheyn och Royers arbete är att analysera vattenprover tagna från Scripps Pier under 50 år. Dessa prover, samlades först på 1970-talet, analyseras med avseende på mikrofiberkoncentration för att fastställa hur mängden av denna förorening har förändrats över tiden. Denna forskning kommer också att visa vilka typer av fibrer som är minst biologiskt nedbrytbara, och kring vilken period under de senaste 50 åren denna förorening blev märkbar.

"Det är väldigt spännande att ha tillgång till en sådan fantastisk samling vattenprover som har samlats in under åren på Scripps, ", sa Royer. "Detta ger oss en unik möjlighet att gå tillbaka i tiden och verkligen se uppkomsten av globala textilföroreningar som tyvärr är så dominerande nuförtiden."

Branschsamarbeten

Motsvarigheten till deras forskning inkluderar att arbeta i parallella samarbetsvägar med industrin för att ge en oberoende bedömning av mikrofiberforskning; till exempel, att förstå hur fibrer och mikrofibrer bryts ned, och utforska nya hållbara alternativ. Genom BEST-initiativet, en plattform grundad av Deheyn som underlättar interaktionen mellan industri och akademi för att ge ett utrymme för samarbete, Royer testar för närvarande nedbrytbarheten av cellulosafibrer i förhållande till syntetiska. Nyckeln här var att förvärva råmaterialfibrer skapade från populär kemisk bearbetning som i slutändan kan påverka fiberns biologiska nedbrytbarhet, som har implementerats framgångsrikt med fiberproducenter som Lenzing Group.

Royer testar den biologiska nedbrytbarheten av både råformiga cellulosafibrer och de som har vidarebearbetats – vilket skulle ske längre ner i leveranskedjan – genom experiment i labbet men också utanför Scripps Pier. Där, fibermaterial är föremål för verkliga marina miljöförhållanden. Forskarna hoppas kunna ta itu med två grundläggande frågor:vilka jungfruliga material som bryts ned i den marina miljön, och vilken process i leveranskedjan som förändrar nedbrytningen av textil. För att ta upp den andra frågan, teamet arbetar för att samarbeta med andra företag i värdekedjan – som tillverkare av friluftskläder – för vidare forskning.

Deheyns och Royers studier följer en historia av plastforskning vid Scripps. Från 2-21 augusti 2009, en grupp doktorander och forskningsvolontärer från Scripps gav sig ut på en expedition för att utforska Pacific Garbage Patch. Scripps Environmental Accumulation of Plastic Expedition (SEAPLEX) fokuserade på ackumulering av plastskräp och hur det påverkar det marina livet.

Den biologiska oceanografen Jenni Brandons forskning fokuserade på plastföroreningar, främst ekologin för marin mikroplast, den rumsliga och tidsmässiga utsträckningen av dessa mikroplaster, och bättre sätt att kvantifiera dem. Hennes studier har undersökt distributionen av mikroplaster i California Current and North Pacific Subtropical Gyre, och hur dessa plaster åldras och bryts ned över tiden.

Anela Choy, biologisk oceanograf och biträdande professor vid Scripps, har även stött på mikroplaster i sin forskning. Choy studerar näringsnät i djuphavet, använder marina djur som dissekerats i hennes labb för att lära sig om kolets rörelse genom vattenpelaren. I sina dissektioner, hon har hittat plast i maginnehållet hos fiskar som lever tusentals fot under ytan. Hennes senaste studie fann att mikroplaster är vanliga i vattenpelaren i Monterey Bay, och intas av marina djur.