Are bio-sourced nanoplastics inert for aquatic species? A toxicity study on three micro-algae species and a freshwater bivalve

Plasticvervuiling is een bekend gezicht in onze oceanen en rivieren, maar het verhaal over wat er met deze materialen gebeurt, is complexer dan simpelweg uiteenvallen in kleinere stukjes. Decennialang hebben wetenschappers bestudeerd hoe traditionele plastics, gemaakt van fossiele brandstoffen, fragmenteren in microscopische en zelfs nanoscopische deeltjes die door het water drijven en in levende organismen terechtkomen. Onlangs is een nieuwe klasse materialen opgekomen als een potentiële oplossing: bio-gebaseerde plastics, vaak bioplastics genoemd. Deze zijn gemaakt van hernieuwbare bronnen zoals planten, plantaardige oliën of houtderivaten in plaats van aardolie. De hoop is dat ze, omdat ze uit de natuur komen, veiliger zijn voor het milieu en misschien gemakkelijker afbreken. Echter, alleen omdat een materiaal afkomstig is van een natuurlijke bron, betekent dit niet automatisch dat het onschadelijk is zodra het in het water terechtkomt. Wanneer deze bioplastics degraderen, kunnen ze ook minuscule deeltjes worden, potentieel onzichtbaar voor het blote oog, maar groot genoeg om te worden ingeslikt door microscopisch leven en gefilterd door schelpdieren. De kritische vraag blijft: als deze bio-gebaseerde deeltjes in onze waterwegen terechtkomen, gedragen ze zich dan als hun fossiele neven, of zijn ze werkelijk inert en veilig?

Een team van onderzoekers zette zich in om deze vraag te beantwoorden door een bibliotheek van vijf verschillende soorten bio-gebaseerde nanoplastics te testen op levende aquatische organismen. Ze kozen ervoor om naar twee zeer verschillende soorten leven te kijken die de basis vormen van de voedselketen: minuscule eencellige algen en zoetwatermosselen. De algen, die fungeren als de primaire producenten in aquatische ecosystemen, werden blootgesteld aan de deeltjes om te zien of hun groei werd geremd. De mosselen, die filtervoeders zijn die constant water door hun lichaam pompen om voedsel op te vangen, werden getest om te zien of de deeltjes hun vermogen om te eten verstoorden en hoe hun interne cellen reageerden. De onderzoekers gebruikten vijf specifieke soorten bio-gebaseerde polymeren: sommige zijn al op de markt, zoals polylactic acid (PLA) en polyamide 11 (PA11), terwijl andere nog in ontwikkeling zijn, waaronder een polymeer gemaakt van essentiële oliecomponenten en een nieuw type polyurethaan. Ze creëerden deze deeltjes in het laboratorium om ongeveer dezelfde grootte te hebben, zodat eventuele verschillen in effect te danken waren aan het materiaal zelf en niet aan de grootte van het deeltje.

De resultaten van het onderzoek toonden aan dat deze bio-gebaseerde deeltjes verre van inert zijn. Wanneer de algen werden blootgesteld aan de verschillende soorten bio-gebaseerde nanoplastics, werd hun groei in bijna alle gevallen geremd. De zoetwateralgensoort was het meest gevoelig en vertoonde een duidelijke vertraging in groei, zelfs bij zeer lage concentraties. Onder de vijf geteste materialen waren polylactic acid en polyamide 11 het meest schadelijk voor de algen, terwijl een polymeer afgeleid van essentiële oliën het minst schadelijk was, hoewel het nog steeds enige kortetermijneffecten veroorzaakte. Interessant genoeg ontdekten de onderzoekers dat de meest toxische effecten vaak optraden bij lagere concentraties in plaats van hogere concentraties. Dit sugggeert dat de deeltjes bij zeer hoge concentraties mogelijk samenklonteren en minder beschikbaar worden voor de organismen, terwijl ze bij lagere, meer realistische concentraties in de natuur, verspreid blijven en eerder in staat zijn om met de cellen te interageren.

De impact op de zoetwatermosselen was even significant. Na een week van blootstelling vertoonden de mosselen die aan een van de vijf bio-gebaseerde nanoplastics waren blootgesteld, een opmerkelijke afname in hun filtratiesnelheid, wat betekent dat ze minder efficiënt waren in het pompen van water en het verzamelen van voedsel. Dit effect werd waargenomen bij concentraties zo laag als één microgram per liter, een niveau dat zeer klein is maar potentieel relevant voor het milieu. De mosselen wezen de deeltjes niet simpelweg af; in plaats daarvan gingen hun lichamen in een staat van hoge alertheid. Wanneer de onderzoekers de genen in de weefsels van de mosselen onderzochten, ontdekten ze dat de blootstelling een massale biologische reactie veroorzaakte. De mosselen activeerden genen die gerelateerd zijn aan de opname van vreemde deeltjes, het ontgiften van hun systemen en het bestrijden van oxidatieve stress, wat een vorm van cellulaire schade is. Ze vertoonden ook tekenen van immuunsysteemactivatie en zelfs het begin van geprogrammeerde celdood, een proces waarbij het lichaam beschadigde cellen opoffert om het hele organisme te beschermen.

De studie benadrukte dat verschillende materialen verschillende soorten stress veroorzaakten. Zo veroorzaakten het polymeer afgeleid van essentiële oliën en het nieuwe polyurethaan de sterkste reacties in de interne organen van de mosselen bij de laagste concentraties, terwijl polylactic acid en polyamide 11 bijzonder hardvochtig waren voor de algen. Deze variatie suggereert dat de chemische structuur van het bio-gebaseerde plastic een belangrijke rol speelt in hoe toxisch het is, net zoals bij traditionele plastics. De onderzoekers merkten op dat deze effecten snel optraden, binnen een enkele week, en bij concentraties die veel lager waren dan die gebruikt in veel eerdere studies. Dit geeft aan dat het potentiële gevaar van deze materialen onderschat kan zijn als onderzoekers alleen naar hoge concentraties of korte tijdspannen kijken.

Uiteindelijk dagen de bevindingen de aanname uit dat bio-gebaseerde plastics een onschadelijk alternatief zijn voor traditionele plastics. Hoewel deze materialen zijn gemaakt van hernieuwbare bronnen, laat de studie zien dat ze, zodra ze afbreken tot minuscule deeltjes in het water, nog steeds de groei van algen en de gezondheid van filtervoedende dieren kunnen verstoren. De lichamen van de mosselen reageerden alsof ze werden aangevallen, waarbij ze complexe defensiemechanismen activeerden die hun energie zouden kunnen uitputten en hun langetermijnoverleving kunnen beïnvloeden. De onderzoekers concludeerden dat hoewel deze bio-gebaseerde plastics sneller kunnen degraderen dan fossiele plastics, hun initiële impact op het aquatische leven reëel en significant is. Naarmate de productie van deze materialen groeit, is het begrijpen van hun specifieke risico's essentieel. De studie suggereert dat het simpelweg overstappen op bio-gebaseerde materialen geen wondermiddel is; in plaats daarvan moeten deze nieuwe materialen met dezelfde zorg en nauwkeurigheid worden ontworpen en geëvalueerd als elk ander stof dat in onze omgeving terechtkomt, om ervoor te zorgen dat de oplossing voor het ene probleem niet een ander probleem creëert.