Zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi Mikroplastiki wytwarzają w wodzie potencjalnie szkodliwe rodniki

Naukowcy z Uniwersytetu Columbia i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley odkryli, że mikroplastiki mogą wytwarzać reaktywne formy tlenu w wyniku interakcji z wodą. W badaniu zidentyfikowano mechanizm chemiczny, który może pomóc wyjaśnić, w jaki sposób cząsteczki plastiku przyczyniają się do uszkodzeń biologicznych.

Tworzywa sztuczne mają być chemicznie obojętne. To właśnie dlatego są tak często wykorzystywane do pakowania żywności, butelkowania wody i produkcji zabawek dla dzieci: są bezpieczne. Jednak gdy duży kawałek tworzywa sztucznego rozpadnie się na mikro- i nanocząsteczki, zachodzi ważna zmiana. Jego powierzchnia wzrasta dramatycznie w stosunku do objętości. Znacznie większa część materiału jest teraz narażona na działanie otoczenia.

Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Columbia i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykazało, że ta nowo utworzona powierzchnia niekoniecznie jest bezpieczna, oraz wskazało chemiczne przyczyny tego stanu rzeczy.

Fragmentacja tworzy powierzchnie aktywne chemicznie

„Gdy tworzywo sztuczne rozpadają się na coraz mniejsze cząsteczki, jego powierzchnia znacznie się zwiększa. Wówczas mikroplastiki zmieniają otaczającą je wodę, generując wysokoenergetyczne, reaktywne rodniki (reaktywne formy tlenu, ROS), które z dużym prawdopodobieństwem przyczyniają się do uszkodzeń biologicznych obserwowanych u zwierząt, a potencjalnie także u ludzi, w wyniku narażenia na mikroplastiki” – powiedział Wei Min, profesor chemii i inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Columbia.

Praca ta podważa powszechny pogląd, że mikroplastiki są w dużej mierze biernymi fragmentami obojętnego materiału, i przyczynia się do lepszego zrozumienia, dlaczego obecność mikroplastików na dużą skalę budzi niepokój. Wyniki badań opublikowano dzisiaj w czasopiśmie „Nature”.

Ma to szczególne znaczenie dla zdrowia człowieka, ponieważ krew ludzka składa się w dużej mierze z wody. Najnowsze badania wskazują, że mikroplastiki, które przedostają się do krwiobiegu lub komórek, mogą zachować aktywność chemiczną w tym bogatym w wodę środowisku biologicznym.

Wcześniejsze badania wskazywały na skalę narażenia na nanoplastik

Grupa Min z Uniwersytetu Columbia przeprowadziła również w 2024 r. badanie, w ramach którego opracowano technologię mikroskopu laserowego i stwierdzono, że średnio w jednym litrze wody butelkowanej znajdowało się około 240 000 wykrywalnych fragmentów tworzyw sztucznych (głównie nanocząsteczki tworzyw sztucznych, tzw. nanoplastiki) — czyli od 10 do 100 razy więcej fragmentów niż wcześniej szacowano. Badanie to przyczyniło się do rosnącej świadomości, że mikro- i nanoplastiki występują w całym systemie żywnościowym.

Badania grupy z 2024 r. dotyczące nanoplastików wzbudziły szerokie zainteresowanie mediów, a walka z mikroplastikami stała się priorytetem w zakresie zdrowia publicznego. W tym roku rząd federalny Stanów Zjednoczonych uruchomił program o wartości 144 milionów dolarów, mający na celu zwalczanie toksycznych mikroplastików w organizmie człowieka. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) dodała również niedawno mikroplastiki do federalnego wykazu zanieczyszczeń, które mogą stanowić zagrożenie dla wody pitnej – po raz pierwszy mikroplastiki znalazły się na tej liście.

W kolejnych badaniach opublikowanych w renomowanych czasopismach, takich jak „New England Journal of Medicine”, „Nature Medicine” i „Nature Health”, wykazano związek między narażeniem na mikro- i nanoplastik a zawałem serca, udarem mózgu, demencją i guzem mózgu. Jednak ze względu na rzekomą obojętność chemiczną mikroplastiku mechanizm, w jaki mikroplastik mógłby przyczyniać się do tych chorób, pozostawał niejasny.

W tym nowym badaniu opisano dotychczas pomijany mechanizm, który mógłby pomóc w wypełnieniu tej luki.

Woda odgrywa aktywną rolę w tworzeniu się rodników

„Nasze badania wykazały, że gdy mikroplastiki wchodzą w interakcję z wodą – na przykład gdy znajdują się w wodzie butelkowanej lub gdy są wchłaniane do naszego krwiobiegu – spontanicznie wytwarzają tak zwane reaktywne formy tlenu (ROS)”, powiedziała Naixin Qian, doktorantka w laboratorium Wei Mina, która pomagała kierować badaniami. „ROS to klasyczne przykłady cząsteczek, które mogą uszkadzać tkanki zwierzęce i ludzkie”.

„Woda odgrywa tu kluczową rolę, a nie jest jedynie biernym obserwatorem. Jest niezbędna do tego, by te mikroplastiki stały się reaktywne. Cząsteczki wody stają się chemicznie aktywne w kontakcie z tworzywem sztucznym, które jest hydrofobowe. Kontakt wody z tworzywem sztucznym tworzy środowisko sprzyjające przenoszeniu elektronów oraz powstawaniu reaktywnych rodników. Gdy tworzywa sztuczne rozpadają się na mniejsze cząstki, ich rosnący stosunek powierzchni do objętości powoduje powstawanie większej liczby takich chemicznie aktywnych obszarów” – powiedział Min.

Symulacje wyjaśniają reakcje zachodzące na granicy faz między tworzywem sztucznym a wodą

Zespół z Uniwersytetu Columbia przeprowadził eksperymenty chemiczne i biologiczne, natomiast współpracownicy z laboratorium profesor Teresy Head-Gordon z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowali obliczenia teoretyczne i symulacje dynamiczne w celu ustalenia, w jaki sposób mikroplastik oddziałuje z wodą.

Zespół Head-Gordona sformułował teorię, zgodnie z którą jony wodorotlenkowe, które przemieszczają się do najbliższych warstw wody w pobliżu hydrofobowej granicy faz mikroplastiku, mogą łatwiej utracić swój elektron, tworząc rodniki hydroksylowe.

Wyniki badań mogą przyczynić się do zmian w chemii tworzyw sztucznych

„Nasze podstawowe badania, z których wynika, że najbardziej hydrofobowe mikroplastiki wchodzące w interakcję z wodą mogą wywoływać reakcje chemiczne, mogą ostatecznie doprowadzić do powstania nowych rozwiązań inżynieryjnych poprzez zmianę składu chemicznego tych powszechnie stosowanych tworzyw sztucznych w celu ograniczenia ich toksycznego wpływu na zdrowie i środowisko” – powiedział Head-Gordon.

„Badania te mają istotne konsekwencje dla środowiska i zdrowia ludzkiego” – powiedział współautor Beizhan Yan z Obserwatorium Ziemi Lamont-Doherty. „W niektórych środowiskach, takich jak zrzuty z zakładów produkujących tworzywa sztuczne i pralni samoobsługowych, mogą powstawać mikroplastiki, które przedostają się do środowisk wodnych. Badania te wskazują również, że na hydrofobowych powierzchniach tworzyw sztucznych w wodzie mogą powstawać rodniki, co po ekspozycji może mieć wpływ na ekosystemy i zdrowie ludzi. Ponadto różne zastosowania i procesy w naszym codziennym życiu mogą generować mikroplastiki, w tym podgrzewanie w kuchence mikrofalowej oraz ekspozycja wody butelkowanej na światło słoneczne podczas przechowywania. Te fundamentalne badania otwierają potencjalną ścieżkę do zrozumienia ich wpływu na zdrowie.”