Les plastiques sont omniprésents dans notre société, présents dans les emballages et les bouteilles et constituant plus de 18 % des déchets solides dans les décharges. Beaucoup de ces plastiques se retrouvent également dans les océans, où ils mettent jusqu’à des centaines d’années à se décomposer en morceaux qui peuvent nuire à la faune et à l’écosystème aquatique.
Une équipe de chercheurs, dirigée par Young-Shin Jun, professeur de génie énergétique, environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering de l’Université de Washington à St. Louis, a analysé comment la lumière décompose le polystyrène, un plastique non biodégradable à partir duquel sont emballées les cacahuètes, DVD des étuis et des ustensiles jetables sont fabriqués. De plus, ils ont découvert que les particules nanoplastiques peuvent jouer un rôle actif dans les systèmes environnementaux. En particulier, lorsqu’ils sont exposés à la lumière, les nanoplastiques dérivés du polystyrène ont facilité de manière inattendue l’oxydation des ions manganèse aqueux et la formation de solides d’oxyde de manganèse qui peuvent affecter le devenir et le transport des contaminants organiques dans les systèmes d’eau naturels et techniques.
La recherche, publiée dans ACS Nano le 27 décembre 2022, a montré comment la réaction photochimique des nanoplastiques par absorption de lumière génère des radicaux peroxyle et superoxyde sur les surfaces nanoplastiques et initie l’oxydation du manganèse en solides d’oxyde de manganèse.
« Alors que de plus en plus de débris plastiques s’accumulent dans l’environnement naturel, on s’inquiète de plus en plus de ses effets néfastes », a déclaré Jun, qui dirige le laboratoire de nanochimie environnementale. « Cependant, dans la plupart des cas, nous nous sommes inquiétés des rôles de la présence physique des nanoplastiques plutôt que de leurs rôles actifs en tant que réactifs. Nous avons constaté que ces petites particules de plastique qui peuvent plus facilement interagir avec les substances voisines, telles que les métaux lourds et les composés organiques contaminants et peuvent être plus réactifs que nous ne le pensions auparavant. »
Jun et son ancien étudiant, Zhenwei Gao, qui a obtenu un doctorat en génie de l’environnement à WashU en 2022 et est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Chicago, ont démontré expérimentalement que les différents groupes fonctionnels de surface sur les nanoplastiques de polystyrène affectaient les taux d’oxydation du manganèse en influençant le génération des radicaux hautement réactifs, radicaux peroxyle et superoxyde. La production de ces espèces réactives de l’oxygène à partir de nanoplastiques peut mettre en danger la vie marine et la santé humaine et affecter potentiellement la mobilité des nanoplastiques dans l’environnement via des réactions redox, qui à leur tour pourraient avoir un impact négatif sur leur assainissement environnemental.
L’équipe a également examiné les effets de taille des nanoplastiques de polystyrène sur l’oxydation du manganèse, en utilisant des particules de 30 nanomètres, 100 nanomètres et 500 nanomètres. Les deux nanoparticules de plus grande taille ont mis plus de temps à oxyder le manganèse que les particules plus petites. Finalement, les nanoplastiques seront entourés de fibres d’oxyde de manganèse nouvellement formées, ce qui peut les rendre facilement agrégés et peut modifier leurs réactivités et leur transport.
« La plus petite taille de particules des nanoplastiques de polystyrène peut plus facilement se décomposer et libérer de la matière organique en raison de leur plus grande surface », a déclaré Jun. « Cette matière organique dissoute peut produire rapidement des espèces réactives de l’oxygène à la lumière et faciliter l’oxydation du manganèse. »
« Ce travail expérimental fournit également des informations utiles sur la nucléation et la croissance hétérogènes des solides d’oxyde de manganèse sur de tels substrats organiques, ce qui profite à notre compréhension des occurrences d’oxyde de manganèse dans l’environnement et des synthèses de matériaux d’ingénierie », a déclaré Jun. « Ces solides de manganèse sont d’excellents piégeurs d’espèces à activité redox et de métaux lourds, affectant davantage le cycle redox des éléments géochimiques, la minéralisation du carbone et les métabolismes biologiques dans la nature. »
L’équipe de Jun prévoit d’étudier la décomposition de diverses sources de plastique communes qui peuvent libérer des nanoplastiques et des espèces oxydantes réactives et d’étudier leurs rôles actifs dans l’oxydation des ions de transition et de métaux lourds à l’avenir.
Plus d’information:
Zhenwei Gao et al, Rôles oxydatifs des nanoplastiques à base de polystyrène dans l’induction de la formation d’oxyde de manganèse sous éclairage lumineux, ACS Nano (2022). DOI : 10.1021/acsnano.2c05803