De flesta mikroplastpartiklar i miljön kommer från större plastbitar. I en långtidsstudie, ett tvärvetenskapligt forskarlag vid University of Bayreuth har simulerat hur snabbt plast bryts ner till fragment under naturlig påverkan. Högteknologiska laboratorietester på polystyren visar två faser av abiotisk nedbrytning. Till att börja med, plastens stabilitet försvagas av fotooxidation. Då bildas sprickor och allt fler och mindre fragment släpps ut i miljön. Studien, publiceras i tidskriften Miljövetenskap och teknik , gör det möjligt att dra slutsatser om andra plaster som är vanliga i miljön.

Polystyren är en billig plast som ofta används för förpackning och värmeisolering, och är därför särskilt vanligt i plastavfall. Som en del av deras långtidsstudie, Bayreuth-forskarna kombinerade för första gången analytiska undersökningar, som också utfördes på polystyrenpartiklar på atomnivå, med mätningar som bestämmer beteendet hos dessa partiklar under mekanisk stress. På grundval av detta, de utvecklade en modell för abiotisk nedbrytning, dvs nedbrytning utan påverkan av levande organismer.

"Vår studie visar att en enskild mikroplastpartikel med en diameter på 160 mikrometer frigör cirka 500 partiklar i storleksordningen 20 mikrometer – dvs 0,02 millimeter – under loppet av ett och ett halvt år efter att ha exponerats för naturliga vittringsprocesser i miljön. Över tid, dessa partiklar bryts i sin tur ner i mindre och mindre fragment. En ekokorona kan bildas runt dessa små partiklar, möjligen underlätta penetration in i cellerna hos levande organismer. Detta upptäcktes för några månader sedan av en annan forskargrupp i Bayreuth, " säger första författaren Nora Meides, doktorand i makromolekylär kemi vid University of Bayreuth.

I vattnet, mikroplastpartiklarna exponerades för två stressfaktorer:intensivt solljus och kontinuerlig mekanisk påfrestning orsakad av agitation. I den verkliga miljön, solljus och mekanisk stress är i själva verket de två huvudsakliga abiotiska faktorerna som bidrar till den gradvisa fragmenteringen av partiklarna. Bestrålning av solljus utlöser oxidationsprocesser på partiklarnas yta. Denna fotooxidation, i kombination med mekanisk påfrestning, har betydande konsekvenser. Polystyrenkedjorna blir allt kortare. Vidare, de blir allt mer polära, dvs laddningscentra bildas i molekylerna. I den andra fasen, mikroplastpartiklarna börjar splittras. Här, partiklarna bryts ner i mindre och mindre fragment. Från en enda 160 mikrometer partikel, 500 dotterpartiklar mindre än 20 mikrometer i diameter skapas. Under denna process, ytterligare nanoplastpartiklar bildas.

"Våra forskningsresultat är en värdefull grund för att undersöka den abiotiska nedbrytningen av makro- och mikroplaster i miljön – både på land och på vattenytan – mer i detalj, använda andra typer av plast som exempel. Vi blev själva förvånade över fragmenteringens hastighet, vilket återigen visar de potentiella risker som kan härröra från den växande belastningen av plast på miljön. Speciellt större plastavfallsföremål, är - när de utsätts för solljus och nötning - en reservoar av konstant mikroplastinsats. Det är just dessa små partiklar, knappt synligt för blotta ögat, som sprids till de mest avlägsna ekosystemen via olika transportvägar, säger Teresa Menzel, Ph.D. student inom området polymerteknik.

"Polystyrenen som undersöktes i vår långtidsstudie har en kolkedja, precis som polyeten och polypropen. Det är mycket troligt att den tvåfasmodell vi har utvecklat på polystyren kan överföras till dessa plaster, ", tillägger huvudförfattaren Prof. Dr. Jürgen Senker, professor i oorganisk kemi, som samordnat forskningsarbetet.

Studien som nu har publicerats är resultatet av det nära tvärvetenskapliga samarbetet mellan en arbetsgrupp som tillhör DFG Collaborative Research Center "Microplastics" vid University of Bayreuth. I det här laget, forskare från makromolekylär kemi, oorganisk kemi, ingenjörsvetenskap, och djurekologi forskar tillsammans om bildandet och nedbrytningen av mikroplast. Många typer av forskningsteknologi finns tillgängliga på Bayreuth campus för detta ändamål, som användes i långtidsstudien:bl.a. 13C-MAS NMR-spektroskopi, energidispersiv röntgenspektroskopi (EDX), svepelektronmikroskopi (SEM), och gelpermeationskromatografi (GPC).