Plastföroreningar är överallt idag, med mikroplastpartiklar från engångsvaror som finns i naturliga miljöer över hela världen, inklusive Antarktis. Men hur dessa partiklar rör sig genom och ackumuleras i miljön är dåligt förstått. Nu har en studie från Princeton University avslöjat mekanismen genom vilken mikroplaster, som frigolit, och partikelformiga föroreningar transporteras långa sträckor genom jord och andra porösa medier, med implikationer för att förhindra spridning och ansamling av föroreningar i livsmedel och vattenkällor.

Studien, publiceras i Vetenskapens framsteg den 13 november, avslöjar att mikroplastpartiklar fastnar när de färdas genom porösa material som jord och sediment men senare bryter sig loss och fortsätter ofta att röra sig betydligt längre. Att identifiera denna stopp-och-starta-process och villkoren som styr den är ny, sa Sujit Datta, biträdande professor i kemisk och biologisk teknik och associerad fakultet vid Andlinger Center for Energy and Environment, High Meadows Environmental Institute och Princeton Institute for Science and Technology of Materials. Tidigare, forskare trodde att när mikropartiklar fastnade, de stannade i allmänhet där, vilket begränsade förståelsen för partikelspridning.

Datta ledde forskargruppen, som fann att mikropartiklarna skjuts fria när vätskehastigheten som strömmar genom mediet förblir tillräckligt hög. Princeton-forskarna visade att avsättningsprocessen, eller bildandet av träskor, och erosion, deras uppbrott, är cyklisk; träskor bildas och bryts sedan upp av vätsketryck över tid och avstånd, flyttar partiklar vidare genom porutrymmet tills täpporna återgår.

"Vi hittade inte bara den här coola dynamiken hos partiklar som fastnade, igensatt, bygga upp inlåning och sedan bli genomdriven, men den processen gör det möjligt för partiklar att spridas över mycket större avstånd än vi annars skulle ha trott, sa Datta.

Teamet inkluderade Navid Bizmark, en postdoktorand forskningsassistent vid Princeton Institute for Science and Technology of Materials, doktorand Joanna Schneider, och Rodney Priestley, professor i kemi- och biologisk teknik och prodekan för innovation.

De testade två typer av partiklar, "klibbig" och "icke-klibbig, " som överensstämmer med faktiska typer av mikroplaster som finns i miljön. Överraskande nog, de fann att det inte var någon skillnad i själva processen; det är, både täppte till och frigjorde sig själva vid tillräckligt högt vätsketryck. Den enda skillnaden var var klustren bildades. De "icke-klibbiga" partiklarna tenderade att fastna endast vid smala passager, medan de klibbiga verkade kunna fastna vid vilken yta som helst av det fasta mediet de mötte. Som ett resultat av denna dynamik, det är nu klart att även "klibbiga" partiklar kan spridas ut över stora områden och genom hundratals porer.

I tidningen, forskarna beskriver pumpning av fluorescerande polystyrenmikropartiklar och vätska genom ett transparent poröst medium utvecklat i Dattas labb, och sedan titta på mikropartiklarna röra sig under ett mikroskop. Polystyren är plastmikropartikeln som utgör frigolit, som ofta skräpas ner i jordar och vattendrag genom fraktmaterial och snabbmatsbehållare. De porösa medierna de skapade efterliknar strukturen hos naturligt förekommande medier, inklusive jordar, sediment, och grundvattenakviferer.

Vanligtvis är porösa medier ogenomskinliga, så man kan inte se vad mikropartiklar gör eller hur de flyter. Forskare brukar mäta vad som går in och ut ur media, och försöka dra slutsatser om processerna som pågår inuti. Genom att göra transparenta porösa medier, forskarna övervann den begränsningen.

"Datta och kollegor öppnade den svarta lådan, "sa Philippe Coussot, en professor vid Ecole des Ponts Paris Tech och en expert i reologi som inte är knuten till studien.

"Vi kom på knep för att göra media transparent. Sedan, genom att använda fluorescerande mikropartiklar, vi kan se deras dynamik i realtid med hjälp av ett mikroskop, " sa Datta. "Det fina är att vi faktiskt kan se vad enskilda partiklar gör under olika experimentella förhållanden."

Studien, som Coussot beskrev som ett "anmärkningsvärt experimentellt tillvägagångssätt, " visade att även om frigolitmikropartiklarna fastnade vid punkter, de knuffades till slut fria, och rörde sig genom hela längden av mediet under experimentet.

Det slutliga målet är att använda dessa partikelobservationer för att förbättra parametrar för större skalamodeller för att förutsäga mängden och platsen för kontamineringen. Modellerna skulle baseras på olika typer av porösa medier och varierande partikelstorlekar och kemi, och hjälpa till att mer exakt förutsäga kontaminering under olika bevattning, regn, eller omgivande flödesförhållanden. Forskningen kan hjälpa till att informera matematiska modeller för att bättre förstå sannolikheten för att en partikel rör sig över ett visst avstånd och når en sårbar destination, som en närliggande jordbruksmark, flod eller akvifär. Forskarna studerade också hur avsättningen av mikroplastpartiklar påverkar mediets permeabilitet, inklusive hur lätt vatten för bevattning kan flöda genom marken när mikropartiklar är närvarande.

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 sa, till exempel, this principle could yield insight into how clays, minerals, grains, quartz, virus, 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.