Een oranje kleurstof, wat water en polystyreendeeltjes. Na tien dagen was de kleur vrijwel verdwenen: ongeveer 90% van de stof was afgebroken. In de andere ter vergelijking gebruikte oplosmiddelen echter bijna niets. Het is een van de experimenten waarmee een groep onderzoekers iets ongemakkelijks aan microplastics ontdekte: als ze water tegenkomen, kan hun oppervlak chemisch actief worden.
De studie gepubliceerd op Natuurgecoördineerd door onderzoekers van Columbia University en de University of California in Berkeley, laat zien dat enkele van de meest voorkomende kunststoffen spontaan reactieve zuurstofsoorten genereren, waaronder hydroxylradicalen. Extreem reactieve moleculen die in experimenten ook in verband zijn gebracht met schade aan eiwitten en cellen.
Kortom, plastic zou meer kunnen doen dan alleen stoffen op het oppervlak laten drijven, ophopen of transporteren. Eenmaal verkleind tot kleine fragmenten en ondergedompeld in water, neemt datzelfde oppervlak deel aan de chemie die eromheen plaatsvindt.
Wat gebeurt er als plastic en water elkaar ontmoeten?
De onderzoekers analyseerden zes veelgebruikte polymeren: polypropyleen (PP), polyethyleen (PE), PVC, polystyreen (PS), PET en PMMA, het zogenaamde plexiglas. In alle zes gevallen ontdekten ze de spontane productie van radicalen, zij het met zeer verschillende intensiteiten.
Wat vooral het verschil lijkt te maken is de hydrofobiciteit, dat wil zeggen de mate waarin een oppervlak de neiging heeft water af te stoten. Hoe hydrofoob het plastic is, hoe groter de chemische activiteit op het grensvlak met water.
En dit is waar de grootte van groot belang is. Wanneer een stuk plastic fragmenteert, vergroot dit het blootgestelde oppervlak aanzienlijk in verhouding tot het volume. Een ogenschijnlijk stabiel object wordt duizenden of miljoenen deeltjes met een veel groter oppervlak in contact met hun omgeving.
Moleculaire simulaties gemaakt door de groep van Teresa Head-Gordon in Berkeley helpen het mechanisme te verklaren. Dicht bij het hydrofobe oppervlak van het plastic maken de opstelling van het water en de elektrische ladingen op het grensvlak de overdracht van elektronen energetisch gunstiger. Uit dit proces kunnen hydroxylradicalen, aangegeven met •OH, worden gevormd.
In eenvoudiger woorden: water bevochtigt niet alleen microplastic. Onder bepaalde omstandigheden creëert de ontmoeting van de twee een kleine zone die chemisch veel levendiger is dan eerder werd gedacht.
De waargenomen effecten op eiwitten en cellen
Het lastigste deel van het onderzoek kwam toen de onderzoekers probeerden te begrijpen wat deze activiteit in een biologisch systeem inhield.
Geladen moleculen hadden de neiging zich op te hopen op het oppervlak van microplastics. Met behulp van lysozym als modeleiwit observeerde het team de vorming van aggregaten nabij polystyreendeeltjes. Toen cafeïne, in het experiment gebruikt als een stof die radicalen kan onderscheppen, werd toegevoegd, werd de aggregatie aanzienlijk verminderd. Nog een aanwijzing voor de rol die wordt gespeeld door de reactieve soorten die op het oppervlak worden gegenereerd.
Toen kwamen de rode bloedcellen van de muis. Na contact met sommige microplastics vertoonden sommige cellen veranderingen in vorm en de afgifte van hemoglobine, een teken van hemolyse. Ook hier kwam de intensiteit van de schade nauw overeen met de chemische activiteit gemeten voor de verschillende soorten plastic.
Dit zijn belangrijke resultaten, maar de grenzen van het experiment moeten duidelijk zichtbaar blijven: we hebben het over laboratoriumtesten, modeleiwitten en rode bloedcellen van muizen. De studie identificeert een mogelijk mechanisme waardoor microplastics biologische systemen kunnen beschadigen; het bewijst niet dat het drinken van water uit een plastic fles automatisch deze effecten in het menselijk lichaam veroorzaakt.
De dosis, deeltjesgrootte, oppervlakte, blootstellingstijd en wat er in de echte wereld met kunststoffen gebeurt, blijven cruciale variabelen.
Plastic moet mogelijk anders worden ontworpen
De ontdekking zet echter een zeer comfortabele aanname op losse schroeven: kunststoffen beschouwen als substantieel inerte materialen en zich vooral richten op de stoffen die ze kunnen transporteren of vrijgeven. Hier komt het probleem ook voort uit het oppervlak zelf.
Volgens de auteurs zou het begrijpen van welke eigenschappen sommige kunststoffen reactiever maken, kunnen helpen bij het ontwerpen van materialen met minder problematische interacties met water. Columbia University, die het onderzoek presenteert, wijst op oppervlaktechemie als een mogelijke manier om veiliger kunststoffen te ontwikkelen; in het artikel stellen de auteurs ook dat de universiteit een voorlopige patentaanvraag heeft ingediend op basis van het werk.
Er is nog een lange weg tussen een gecontroleerd experiment en een nieuwe generatie flessen, containers of verpakkingen. Maar één ding is nu moeilijker als vanzelfsprekend te beschouwen: wanneer plastic klein genoeg wordt en in aanraking komt met water, kan het veel minder passief zijn dan het uiterlijk doet vermoeden.
