En ny studie av ett forskarlag från Diamond Light Source tittar på hur mikroplastavfall kan interagera med zinkoxid (ZnO) nanomaterial i sötvatten- och havsvattenscenarier. Den utvärderade också ett ZnO-baserat solskyddsmedel och ett exfolierande rengöringsmedel med mikropärlor i sin sammansättning under samma förhållanden.
Deras resultat bekräftar att blandningar av Zn-aggregat/mikropolymerer naturligt lakades ut/frigjordes från de kommersiella produkterna, vilket avslöjar oroande miljökonsekvenser för fiskar och andra vattenlevande organismer i näringskedjan som kan svälja dessa mikroplaster och samtidigt få i sig zinkpartiklar.
Kallad "Toward understanding the environment risks of combined microplastics/nanomaterials expositions:Unveiling ZnO transformations after adsorption onto polystyrene microplastics in environment solutions" publicerades arbetet i Global Challenges . Teamet från Storbritanniens nationella synkrotron inkluderade en student, Tatiana Da-Silva Ferreira, som var vid Edinburgh University på Diamonds 12 veckors "Summer Placement"-program.
Detta gör det möjligt för studenter som studerar för en examen i naturvetenskap, teknik, databehandling eller matematik (som förväntar sig att få en första eller andra klass hedersexamen) att få erfarenhet av att arbeta i ett antal olika team på Diamond. Huvudförfattare, Miguel Gomez Gonzalez, Diamond Beamline Scientist, berömde Tatiana, som nu studerar för en Ph.D. i Schweiz, för hennes nyckelbidrag till starten av detta miljöprojekt.
Miguel förklarade drivkraften till forskningen och sa att de alla hade sett hur det under de senaste decennierna har skett en dramatisk ökning av tillverkningen av konstruerade nanomaterial (små, små partiklar cirka 1000 gånger tunnare än ett människohår), vilket oundvikligen har lett till till deras miljöutsläpp.
På liknande sätt är zinkoxid (ZnO) bland de mer förekommande nanomaterialen som tillverkas på grund av dess fördelaktiga användning i elektronik, halvledande och för antibakteriella ändamål. Samtidigt har plastavfallet blivit allmänt förekommande och kan brytas ner i mindre bitar som kallas mikroplaster.
Dessa är också små, men ~100 gånger större än nanomaterialen. Eftersom båda dessa grundämnen blir bortskaffade oftare, bestämde de sig för att studera deras öde när de potentiellt kombineras i sötvatten och hav och för att göra miljöriskbedömningar mer exakta.
För att göra sin studie mer relevant för den verkliga världen testade teamet ett solskyddsmedel som innehåller zinkoxid som vanligtvis används för att blockera UV-strålning. De lät solkrämen ruva i de olika miljölösningarna i en vecka och tillsatte sedan mikroplasterna under en dag. Målet var att kontrollera om zinkoxiden kunde komma ut ur solskyddet och fastna på dessa mikroplaster.
De följde också samma procedur med en ansiktsskrubb som innehöll små plastpärlor. Resultaten visade tydligt att zinkoxiden (antingen ren eller urlakad från solkrämen) fastnade i mikroplasten i båda fallen, vilket avslöjade att det potentiellt kan hända i våra floder och hav också.
Gonzalez kommenterar, "Förmågan hos zinkoxid, både rena nanomaterial och de som frigörs från ett solskyddsmedel, att hålla sig till mycket små plastbitar har stora konsekvenser. Dessa plaster kan till och med komma från vardagliga föremål som exfolierande ansiktsrengöringsmedel. I denna studie har vi upptäckte att mikroplasten kan bära med sig ännu mindre partiklar av zink från plats till plats. Som en konsekvens kan fiskar eller andra vattenlevande organismer svälja dessa mikroplaster och samtidigt få i sig zinkpartiklar."
"Vi måste förstå hur denna konstruerade zinkoxid förändras när den kommer ut i sötvatten och hur mycket av den som kan fastna i små plastavfall. Detta är viktigt för att göra alla medvetna, från människor som tillverkar dessa produkter till dem som reglerar dem, om potentiell skada som de kan göra på vår miljö. Bättre regler för hantering av avfall behövs, särskilt relaterade till små partiklar som dessa."
"När vi fortsätter att producera fler och fler av dessa mikro- och nanopartiklar kommer deras effekt på vår miljö att fortsätta växa. Eftersom de är så långvariga kan de utgöra en risk för olika organismer och i slutändan till och med ta sig fram. i vår mat. Detta är något vi helt enkelt inte har råd att ignorera."
När vi pratade om bidraget från 2021 års sommarplaceringsstudent Tatiana Miguel lyfte fram de enorma möjligheter som studenterna ges av Diamond-studieprogrammen.
"Tatiana gjorde ett bra jobb med att optimera förutsättningarna för 7-dagarsstabilisering av nanomaterial, följt av 24-timmarsinkubation av mikroplaster och nanomaterial. Dessutom förbättrade hon filtreringsprotokollet och isoleringen av mikroplasterna efter inkubationsperioden. Likaså , utförde hon den mycket preliminära analysen av svepelektronmikroskopi som avslöjade adsorption av nanomaterial i plastytorna. Därför var hennes bidrag nyckeln till den övergripande framgången för detta miljörelevanta projekt," tillade Gonzalez.
Miguel tackade Gonzalez och Diamond och sa:"Den här erfarenheten fördjupade verkligen mitt intresse för miljökemi och akademisk forskning. Det gav mig också tillräckligt med bakgrund och självförtroende för att fortsätta mina masters och nu min doktorsexamen. Jag är verkligen glad att jag fick jobba på ett så intressant projekt, och ännu gladare valde du att titta djupare in i det."
Teamet tog några rena zinkoxidpartiklar (som sträcker sig från 80 till 200 nm storlek) och inkuberade dem i olika typer av miljölösningar under en vecka, vilket tillät deras naturliga stabilisering. De blandade dem sedan med små polystyrenmikrosfärer (~900 mm i diameter, ungefär lika stor som ett sandkorn) och rörde ihop dem i en dag.
Efter att ha tvättat och sköljt av mikroplasterna fann de att zinkoxiden adsorberades på plastytorna. Detta sågs genom scanning elektrisk mikroskopi, med hjälp av ett mycket kraftfullt mikroskop. Detta bekräftade att mikroplaster och zinkoxid kan interagera i våra vattendrag, vilket kan påverka hur de påverkar miljön.
Teamet undersökte sedan dessa zinkoxidtäckta mikroplaster med hjälp av röntgenstrålar genererade vid Diamond Light Source, en elektronacceleratoranläggning. Diamonds I14-strållinje kan forma röntgenstrålar till en nanometrisk storlek, vilket gör den till en av de bästa i världen för denna typ av detaljerat arbete. Snabb skanning av proverna runt den nanometriska röntgenstrålen gjorde det möjligt att fånga detaljerade bilder av varje element i deras prover av fluorescensdetektorn.
Vid sidan av detta arbete användes en annan röntgenteknik kallad X-ray absorption near-edge structure spectroscopy (XANES) för att kontrollera vilken typ av kemiska förändringar som hade hänt med zinkoxiden vid adsorbering till mikroplasterna och efter en veckas inkubation i sötvatten.
Gonzalez tillägger, "Vi fick reda på att zinkoxiden hade omvandlats till olika typer av zinkrelaterade partiklar. Vissa av dessa nya partiklar (Zn-sulfid) bildades snabbt, medan andra bildades långsammare men var mer stabila (Zn-fosfat) . Detta avslöjar värdefull information om hur zinkoxid beter sig när den är i miljön."
Mer information: Miguel A. Gomez-Gonzalez et al, Toward Understanding the Environmental Risks of Combined Microplastics/Nanomaterials Exposures:Unveiling ZnO Transformations after Adsorption onto Polystyrene Microplastics in Environmental Solutions, Global Challenges (2023). DOI:10.1002/gch2.202300036
Tillhandahålls av Diamond Light Source Ltd
