Kunststoffe sind in unserer Gesellschaft allgegenwärtig, finden sich in Verpackungen und Flaschen und machen mehr als 18 % des festen Abfalls auf Deponien aus. Viele dieser Kunststoffe gelangen auch in die Ozeane, wo es bis zu Hunderten von Jahren dauert, bis sie in Stücke zerfallen, die der Tierwelt und dem aquatischen Ökosystem schaden können.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Young-Shin Jun, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, analysierte, wie Licht Polystyrol zersetzt, einen nicht biologisch abbaubaren Kunststoff, aus dem Erdnüsse und DVDs verpackt sind Etuis und Einwegutensilien werden hergestellt. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass Nanoplastikpartikel eine aktive Rolle in Umweltsystemen spielen können. Insbesondere bei Lichteinwirkung erleichterten die aus Polystyrol gewonnenen Nanokunststoffe unerwarteterweise die Oxidation von wässrigen Manganionen und die Bildung von Manganoxidfeststoffen, die das Schicksal und den Transport organischer Verunreinigungen in natürlichen und technischen Wassersystemen beeinflussen können.
Die Studie, veröffentlicht in ACS-Nano am 27. Dezember 2022, zeigte, wie die photochemische Reaktion von Nanokunststoffen durch Lichtabsorption Peroxyl- und Superoxidradikale auf Nanokunststoffoberflächen erzeugt und die Oxidation von Mangan zu Manganoxidfeststoffen einleitet.
„Da sich immer mehr Plastikmüll in der natürlichen Umwelt ansammelt, gibt es zunehmend Bedenken hinsichtlich seiner nachteiligen Auswirkungen“, sagte Jun, der das Environmental Nanochemistry Laboratory leitet. „In den meisten Fällen waren wir jedoch eher besorgt über die Rolle der physischen Präsenz von Nanokunststoffen als über ihre aktive Rolle als Reaktanten. Wir haben festgestellt, dass solche kleinen Kunststoffpartikel leichter mit benachbarten Substanzen wie Schwermetallen und organischen Stoffen interagieren können Schadstoffe und können reaktiver sein, als wir bisher dachten.“
Jun und ihr ehemaliger Student Zhenwei Gao, der 2022 an der WashU in Umweltingenieurwesen promovierte und jetzt Postdoktorand an der University of Chicago ist, zeigten experimentell, dass die verschiedenen funktionellen Oberflächengruppen auf Polystyrol-Nanokunststoffen die Manganoxidationsraten durch Beeinflussung beeinflussten Erzeugung der hochreaktiven Radikale, Peroxyl- und Superoxidradikale. Die Produktion dieser reaktiven Sauerstoffspezies aus Nanokunststoffen kann das Leben im Meer und die menschliche Gesundheit gefährden und möglicherweise die Mobilität der Nanokunststoffe in der Umwelt durch Redoxreaktionen beeinträchtigen, was sich wiederum negativ auf ihre Umweltsanierung auswirken könnte.
Das Team untersuchte auch die Größeneffekte von Polystyrol-Nanokunststoffen auf die Manganoxidation unter Verwendung von 30-Nanometer-, 100-Nanometer- und 500-Nanometer-Partikeln. Die beiden größeren Nanopartikel brauchten länger, um Mangan zu oxidieren als die kleineren Partikel. Schließlich werden die Nanokunststoffe von neu gebildeten Manganoxidfasern umgeben, wodurch sie leicht aggregieren und ihre Reaktivitäten und ihren Transport verändern können.
„Die kleinere Partikelgröße der Polystyrol-Nanokunststoffe kann sich aufgrund ihrer größeren Oberfläche leichter zersetzen und organische Stoffe freisetzen“, sagte Jun. „Diese gelöste organische Substanz kann im Licht schnell reaktive Sauerstoffspezies erzeugen und die Manganoxidation erleichtern.“
„Diese experimentelle Arbeit liefert auch nützliche Einblicke in die heterogene Keimbildung und das Wachstum von Manganoxid-Feststoffen auf solchen organischen Substraten, was unserem Verständnis der Manganoxid-Vorkommen in der Umwelt und technischen Materialsynthesen zugute kommt“, sagte Jun. „Diese Manganfeststoffe sind hervorragende Fänger von redoxaktiven Spezies und Schwermetallen, die den Redoxkreislauf geochemischer Elemente, die Kohlenstoffmineralisierung und den biologischen Stoffwechsel in der Natur weiter beeinflussen.“
Juns Team plant, den Abbau verschiedener gängiger Kunststoffquellen zu untersuchen, die Nanokunststoffe und reaktive oxidierende Spezies freisetzen können, und ihre aktive Rolle bei der Oxidation von Übergangs- und Schwermetallionen in der Zukunft zu untersuchen.
Mehr Informationen:
Zhenwei Gao et al, Oxidative Rollen von Polystyrol-basierten Nanokunststoffen bei der Induktion der Manganoxidbildung unter Lichtbeleuchtung, ACS-Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c05803