Luftblasen auf Kunststoffen geben Mikroplastik an das Wasser ab

Luftblasen auf Kunststoffen geben Mikroplastik an das Wasser ab

Unsichtbare Mikroblasen, die sich auf alltäglichen Kunststoffen bilden, können mikroskopisch kleine Fragmente ablösen und so einen energiearmen und weitverbreiteten Weg der Plastikverschmutzung offenbaren, der überall dort abläuft, wo Wasser auf Plastik trifft.

Studie: Durch Mikroblasen verursachte Erosion setzt Mikro- und Nanoplastik im Wasser frei. Bildnachweis: Ennachii/Shutterstock.com

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern des Trinity College Dublin, Irland, berichtet, dass auf Kunststoffoberflächen gebildete Luftblasen zu Oberflächenerosion und -fragmentierung führen und die Freisetzung zuvor oberflächengebundener und schwer nachweisbarer Mikro- und Nanoplastiken in das Wasser auslösen können. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Warum es wichtig ist, verborgene Quellen von Mikroplastik zu verstehen

Mikro- und Nanoplastik (MNPs) sind in Gewässern weit verbreitete Mikroschadstoffe, die schädliche Auswirkungen auf die Umwelt, die Tierwelt und die menschliche Gesundheit haben. Diese Schadstoffe können auf jeder Ebene der Nahrungskette und sogar in verschiedenen Organen des menschlichen Körpers nachgewiesen werden. Jüngsten Schätzungen zufolge nehmen Menschen allein über Flaschenwasser jährlich bis zu 90.000 Mikroplastik auf.

MNPs zeichnen sich durch ihre geringe Partikelgröße, starke Adhäsionseigenschaften und ihre ausgeprägte Fähigkeit zur Akkumulation im menschlichen Gewebe aus. Die Ansammlung von Mikroplastik im menschlichen Gewebe wird mit einem erhöhten Risiko schwerer kardiovaskulärer Komplikationen in Verbindung gebracht und mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht.

Vorhandene Beweise deuten darauf hin, dass MNPs durch mechanischen Abbau oder ultraviolette (UV) Einwirkung aus Kunststoffmassen ins Wasser freigesetzt werden. Studien, die den Einfluss aquatischer Faktoren wie Luftblasen, pH-Wert und Salzgehalt auf die MNP-Erzeugung untersuchen, liegen jedoch trotz des engen Kontakts zwischen Kunststoffen und Wasser in aquatischen Umgebungen weitgehend nicht vor.

Angesichts der potenziellen gesundheitlichen Auswirkungen von MNPs ist es wichtig, die Mechanismen zu verstehen, die der Entstehung und Freisetzung von MNPs zugrunde liegen, um wirksame Strategien zur Schadensbegrenzung zu entwickeln. Unter den verschiedenen Mechanismen der MNP-Erzeugung hat die Rolle von Luftblasen große Aufmerksamkeit erlangt.

Luftblasen, die sich bei geeigneten Wasser- und Oberflächenbedingungen überwiegend auf Kunststoffoberflächen bilden, können lose Partikel von diesen Oberflächen lösen und in die Gewässer tragen. An MNPs haftende kleine Bläschen können deren physikalische Eigenschaften wie Oberflächenspannung, Dichte und Transportverhalten verändern.

Hinsichtlich der Wirkungsweise deuten die vorliegenden Erkenntnisse darauf hin, dass durch Luftblasen auf Kunststoffoberflächen aufgrund des Innendrucks verursachte Spannungen zu Oberflächenrissen führen können. Unter Berücksichtigung dieser Wirkungsweise sollte die aktuelle Studie die Rolle von Luftblasen bei der MNP-Erzeugung auf den Oberflächen typischer Kunststoffe untersuchen.

Mikroblasen erodieren Kunststoffoberflächen ohne äußere Energie

Die Studie ergab, dass winzige Luftblasen, die sich spontan bilden, wenn die Wasserbedingungen es auf typischen Kunststoffoberflächen zulassen, Oberflächendefekte abtragen und die Freisetzung von MNPs auslösen können. Diese Ereignisse traten unabhängig und parallel zum mechanischen Massenabbau oder dem UV-induzierten oxidativen Abbau von Kunststoffoberflächen auf, anstatt diese Mechanismen zu ersetzen.

Die durch Luftblasen verursachte Fragmentierung von Kunststoffoberflächen trat in einem weiten Temperaturbereich (25 °C bis 95 °C) und in verschiedenen Wasserarten auf, darunter entionisiertes Wasser, Leitungs-, Fluss- und Meerwasser, wobei bei erhöhten Temperaturen eine schnellere und umfassendere Freisetzung beobachtet wurde.

Bezüglich der Wirkungsweise zeigte die Studie, dass die Bildung, Ausdehnung und Bewegung von Luftblasen auf Kunststoffoberflächen örtliche Scher- und Kapillarspannungen erzeugen, die in der Lage sind, Polymermaterial mit niedrigem Molekulargewicht an Oberflächendefektstellen zu lösen und zu verformen, die mechanisch weniger stabil sind als die Masse des Kunststoffs, was zur Freisetzung von MNPs in das Wasser führt.

Dieser Mechanismus der MNP-Erzeugung über Luftblasen unterscheidet sich von anderen umfassend untersuchten Mechanismen. Während des UV-induzierten oxidativen Abbaus ist ein anhaltender Fluss energiereicher Photonen erforderlich, um Polymerbindungen aufzubrechen. Dies entspricht typischerweise Monaten bis Jahren Sonnenlicht oder energieintensiven Laborlampen.

Ebenso erfordert der mechanische Abbau eine kontinuierliche Zufuhr von externem Druck durch Wellen, Sand, industrielles Mahlen oder turbulente Mischer, um Polymerstrukturen aufzubrechen.

Luftblasen hingegen bilden sich, ohne dass zusätzliche mechanische Bewegung oder Strahlungsleistung erforderlich sind, sobald geeignete Bedingungen erfüllt sind, und erfordern keinen externen Energieeintrag über die bereits vorhandenen Grenzflächenkräfte hinaus. Die Oberflächenspannung von Blasen sorgt für lokale Kräfte, die niedermolekulares, niedrigkristallines Material von Defekten ablösen, was bedeutet, dass die Energie, die die Oberflächenfragmentierung antreibt, direkt von der freien Grenzflächenenergie stammt, die bereits im System vorhanden ist.

Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die durch Luftblasen verursachte Fragmentierung von Kunststoffoberflächen ein wirklich energiearmer Weg für die MNP-Freisetzung ist und überall dort auftritt, wo Wasser und Kunststoffoberflächen in Kontakt kommen, einschließlich alltäglicher und natürlicher Gewässerumgebungen.

Die Bildung von Luftblasen hängt von zwei Faktoren ab: der Wasserqualität und den physikalisch-chemischen Eigenschaften von Kunststoffoberflächen. Bei hohen Temperaturen verringert sich die Gaslöslichkeit in Wasser, was die Bildung und das Wachstum von Luftblasen auf Kunststoffoberflächen begünstigt. Ebenso sorgen ein höherer Gehalt an gelöstem Sauerstoff und ein niedrigerer Salzgehalt für zusätzliches gelöstes Gas für die Bildung von Luftblasen.

Darüber hinaus weisen hydrophobe Polymere wie Polypropylen und Polyethylen inhärente Oberflächenfehler auf und eignen sich aufgrund des verstärkten Gaseinschlusses besonders zur Bildung von Luftblasen.

Diese Mechanismen legen nahe, dass die durch Luftblasen verursachte Fragmentierung von Kunststoffoberflächen und die anschließende Freisetzung von MNPs durch die Abstimmung von Umgebungsparametern wie Wassertypen, Expositionstemperatur, gelöstem Sauerstoff, Salzgehalt und UV-Einstrahlung sowie Kunststoffeigenschaften wie Kunststofftypen, Oberflächendefekten, Biofilmanhaftung, Molekulargewicht und Kristallinitätsgrad verändert werden können.

Die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse weitere Studien zur Rolle aquatischer Faktoren und zur Entwicklung von Strategien zur Eindämmung der Freisetzung von Plastikschadstoffen anregen werden.

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