Plasticvervuiling Microplastics genereren potentieel schadelijke radicalen in water

Onderzoekers van Columbia University en de University of California, Berkeley, hebben ontdekt dat microplastics reactieve zuurstofsoorten kunnen vormen wanneer ze in contact komen met water. De studie brengt een chemisch mechanisme aan het licht dat zou kunnen helpen verklaren hoe plasticdeeltjes bijdragen aan biologische schade.

Kunststoffen worden verondersteld chemisch inert te zijn. Dat is de reden waarom ze zo vaak worden gebruikt voor het verpakken van voedsel, het bottelen van water en het maken van kinderspeelgoed: ze zijn veilig. Maar er gebeurt iets belangrijks wanneer een groot stuk plastic uiteenvalt in micro- en nanodeeltjes. Het oppervlak neemt dan dramatisch toe in verhouding tot het volume. Er komt nu veel meer van het materiaal in contact met de omgeving.

Uit een nieuw onderzoek door wetenschappers van Columbia University en de University of California, Berkeley, is gebleken dat dit nieuw gevormde oppervlak niet per se veilig is, en er zijn chemische redenen voor aangewezen.

Fragmentatie zorgt voor chemisch actieve oppervlakken

“Naarmate plastic in steeds kleinere deeltjes uiteenvalt, neemt het oppervlak ervan enorm toe. Vervolgens veranderen microplastics het water om hen heen, waardoor hoogenergetische, reactieve radicalen (reactieve zuurstofsoorten, ROS) ontstaan die zeer waarschijnlijk bijdragen aan de biologische schade die we bij dieren en mogelijk ook bij mensen zien als gevolg van blootstelling aan microplastics,” aldus Wei Min, hoogleraar scheikunde en biomedische techniek aan Columbia.

Het onderzoek zet vraagtekens bij de gangbare opvatting dat microplastics grotendeels passieve fragmenten van inert materiaal zijn, en draagt bij aan een groeiend inzicht in waarom de grootschalige aanwezigheid van microplastics reden tot bezorgdheid is. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Dit is met name van belang voor de menselijke gezondheid, omdat menselijk bloed grotendeels uit water bestaat. Uit het nieuwe onderzoek blijkt dat microplastics die in de bloedbaan of in cellen terechtkomen, in deze waterrijke biologische omgeving chemisch actief kunnen blijven.

Eerder onderzoek bracht de omvang van de blootstelling aan nanoplastics aan het licht

De groep van Min aan de Columbia University leidde in 2024 ook een onderzoek waarin een op laser gebaseerde microscooptechnologie werd ontwikkeld en werd vastgesteld dat een liter flessenwater gemiddeld zo’n 240.000 detecteerbare plasticdeeltjes bevatte (voornamelijk plastic op nanometerschaal, nanoplastics) — 10 tot 100 keer meer fragmenten dan eerder was geschat. Dat onderzoek leidde tot een groeiend besef dat micro- en nanoplastics in het hele voedselsysteem voorkomen.

Het onderzoek van de groep uit 2024 naar nanoplastics kreeg veel media-aandacht, en de bestrijding van microplastics is een prioriteit voor de volksgezondheid geworden. Dit jaar heeft de Amerikaanse federale overheid een programma van 144 miljoen dollar gelanceerd om giftige microplastics in het menselijk lichaam te bestrijden. Het Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) heeft onlangs ook microplastics toegevoegd aan een federale lijst van verontreinigende stoffen die een risico kunnen vormen voor drinkwater; dit is de eerste keer dat microplastics op deze lijst zijn opgenomen.

Uit later onderzoek in toonaangevende tijdschriften, waaronder het *New England Journal of Medicine*, *Nature Medicine* en *Nature Health*, is gebleken dat er een verband bestaat tussen blootstelling aan micro- en nanoplastics en hartaanvallen, beroertes, dementie en hersentumoren. Maar gezien de veronderstelde inertie van microplastics was het mechanisme waardoor microplastics aan deze aandoeningen zouden kunnen bijdragen, tot nu toe onduidelijk.

Deze nieuwe studie beschrijft een tot nu toe over het hoofd gezien mechanisme dat zou kunnen helpen deze kloof te overbruggen.

Water speelt een actieve rol bij de vorming van radicalen

“Uit ons onderzoek is gebleken dat wanneer microplastics in contact komen met water – zoals het geval is in flessenwater – of wanneer ze in onze bloedbaan terechtkomen, ze spontaan zogenaamde reactieve zuurstofsoorten (ROS) vormen,” aldus Naixin Qian, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Wei Min die het onderzoek mede heeft geleid. “ROS zijn schoolvoorbeelden van het soort moleculen dat schade kan toebrengen aan dierlijk en menselijk weefsel.”

“Water speelt hier een sleutelrol, het is niet zomaar een toeschouwer. Het is essentieel om deze microplastics reactief te maken. Watermoleculen worden chemisch actief wanneer ze in contact komen met plastic, dat hydrofoob is. Het contact tussen het water en het plastic creëert een omgeving die de overdracht van elektronen en de vorming van reactieve radicalen bevordert. Wanneer plastic in kleinere deeltjes uiteenvalt, zorgt de toenemende oppervlakte-volumeverhouding voor meer van deze chemisch actieve gebieden,” aldus Min.

Simulaties verklaren reacties aan het grensvlak tussen kunststof en water

Het team van Columbia voerde de chemische en biologische experimenten uit, terwijl collega’s in het laboratorium van professor Teresa Head-Gordon aan de Universiteit van Californië in Berkeley theoretische berekeningen en dynamische simulaties uitvoerden om vast te stellen hoe het microplastic met water in wisselwerking trad.

Het laboratorium van Head-Gordon stond aan de basis van de theorie die aantoonde dat hydroxide-ionen die naar de directe waterlagen nabij het hydrofobe microplastic-grensvlak worden getransporteerd, gemakkelijker hun elektron kunnen afstaan, waardoor hydroxylradicalen ontstaan.

De bevindingen zouden aanleiding kunnen geven tot veranderingen in de chemie van kunststoffen

“Ons fundamenteel onderzoek, waaruit blijkt dat de meest hydrofobe microplastics in wisselwerking met water chemische reacties kunnen veroorzaken, zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe technische oplossingen door de chemische samenstelling van deze gangbare kunststoffen te herontwerpen, om zo de schadelijke gevolgen voor de gezondheid en het milieu te verminderen,” aldus Head-Gordon.

“Dit onderzoek heeft belangrijke gevolgen voor het milieu en de menselijke gezondheid,” aldus coauteur Beizhan Yan van het Lamont-Doherty Earth Observatory. “In bepaalde omgevingen, zoals lozingen van plasticfabrikanten en wasserettes, kunnen microplastics ontstaan en in het water terechtkomen. Dit onderzoek wijst er ook op dat er zich in water radicalen kunnen vormen op hydrofobe plastic oppervlakken, wat bij blootstelling gevolgen kan hebben voor ecosystemen en de menselijke gezondheid. Daarnaast kunnen verschillende toepassingen en processen in ons dagelijks leven microplastics genereren, waaronder het opwarmen in de magnetron en blootstelling van gebotteld water aan zonlicht tijdens opslag. Dit baanbrekende onderzoek biedt een mogelijke weg naar inzicht in de gezondheidseffecten ervan.”