Iedereen die ooit heeft geworsteld met het weten welke plastic items ze wel of niet in hun prullenbak kunnen plaatsen, zal de complexe taak waarderen waarmee professor Rob Hale en zijn studenten aan het William &Mary's Virginia Institute of Marine Science worden geconfronteerd.

Hale begon in de jaren negentig met het bestuderen van kunststoffen nadat hij en mariene wetenschapper Mark La Guardia hoge niveaus van vlamvertragers ontdekten in vissen uit de James River. Ze realiseerden zich snel deze verbindingen, toegevoegd aan huishoudelijke kunststoffen om hun ontvlambaarheid te verminderen, op de een of andere manier aan hun grenzen ontsnapten en het aquatische milieu binnengingen.

Daaropvolgend baanbrekend onderzoek door Hale's team en anderen onthulde hoge niveaus van vlamvertragers in afvalwater, e-waste-sites, rioolslib, bodems, sedimenten, en stof binnenshuis; evenals bij minnows, regenwormen, insecten, roofvogels, diepzee-inktvissen en andere organismen. Aanverwant onderzoek - gebaseerd op bezorgdheid dat deze chemicaliën in het milieu blijven bestaan ​​en de neiging hebben zich op te hopen in de voedselketen - onthulde gezondheidseffecten bij zowel dieren in het wild als mensen, en leidde tot wereldwijde beperkingen op het gebruik van de meest lastige vlamvertragende verbindingen.

Hale's vroege ervaring met plasticonderzoek heeft zijn team nu klaargestoomd voor een leidende rol bij het aanpakken van de meest recente zorg over plastic in het milieu - de groeiende bezorgdheid over de effecten van microplastics in de oceaan.

Omarm de complexiteit

Om kunststoffen en plasticvervuiling te bestuderen, Hale zegt, "je moet de complexiteit omarmen - plastic is niet slechts één ding. Het zijn niet zomaar flessen, of tassen, of gsm-hoesjes, of het schuim in je bank."

Hale en zijn team, waaronder La Guardia, Drew Luellen, Matt Mainor, Ellen Harvey en masterstudent Kelley Uhlig, producten van polyethyleen hebben geanalyseerd, polyurethaan, Polyvinylchloride, polystyreen, polypropyleen, polyamiden en biopolymeren; dit is slechts een subset van de duizenden plastic varianten die algemeen worden gebruikt.

Wat nog ingewikkelder wordt, is dat een enkele klasse kunststoffen zelf meerdere varianten kan bevatten. Polyethyleen, bijvoorbeeld, komt in ten minste 11 verschillende "smaken". Bovendien, fabrikanten doordrenken kunststoffen met een reeks additieven die zijn ontworpen om het beoogde doel te verbeteren - of het nu gaat om flexibiliteit, kracht, duurzaamheid of andere kwaliteiten.

In 2013, Hale ontving subsidies van NOAA's Marine Debris Program en de EPA om te kijken hoe vier verschillende soorten plastic en hun additieven zich gedragen onder verschillende omgevingsomstandigheden.

"Toen we met deze projecten begonnen, " hij zegt, "We dachten dat het vrij eenvoudig zou zijn - we zouden naar buiten gaan en analyseren wat er in de verschillende polymeren zit, test die dan op giftige organische verontreinigende stoffen. Maar we ontdekten al snel dat de meeste kunststoffen een zwarte doos zijn. Je weet niet wat erin zit."

Hale zegt dat de additieven ook enorm complex kunnen zijn.

"Je hebt hints over bepaalde - kussens van polyurethaanschuim hebben waarschijnlijk broomhoudende vlamvertragers - maar afhankelijk van hun leeftijd, de fabrikanten hebben misschien veranderd wat ze erin hebben gestopt, dus het is een soort bewegend doel. We zagen al heel vroeg dat een deel van het schuim polybroomdifenylethers bevatte, maar er waren ook de volgende generatie gebromeerde vlamvertragers in gemengd, en het had ook op fosfaat gebaseerde vlamvertragers."

Hij voegt eraan toe dat de kunststoffen "waarschijnlijk andere chemicaliën bevatten die niet eens op ons radarscherm staan. Dus als je een toxicologisch effect waarneemt na blootstelling, je hebt een geweldige tijd om uit te zoeken welke chemische stof of mengsel het veroorzaakt."

Onderzoek is nog maar net begonnen

De praktische consequentie van deze complexiteit is dat het onderzoek naar de milieueffecten van plasticvervuiling nog maar net begint. Meredith Evans, een promovendus die plastic studeert in Hale's lab, zegt, "Veel mensen begrijpen niet hoeveel onderzoek er op dit gebied kan worden gedaan. We zouden hier jaren en jaren aan kunnen werken en nog steeds dingen tevoorschijn halen om vragen over te stellen."

Als voorbeeld, Evans wijst op een experiment dat ze deed in een les in Aquatic Microbial Ecology die onlangs werd aangeboden door VIMS Professor B.K. Liedje, waarin ze verschillende soorten microplastics plaatste:polyethyleen, Polyvinylchloride, polyurethaanschuim en een biopolymeer - in sedimenten verzameld op de bodem van Chesapeake Bay.

"Ik heb gekeken hoe de verschillende soorten plastic de microbiële gemeenschap beïnvloedden, " ze zegt, "en zag dat sommige soorten de microbiële populaties aanzienlijk verminderden, die de verwerking van voedingsstoffen zoals stikstof kunnen beïnvloeden. Maar als ik een polyethyleen met verschillende additieven had gebruikt, mijn resultaten kunnen heel anders zijn geweest. Het is een uitdaging als we in het veld zijn, omdat er zoveel mogelijkheden zijn voor wat er zou kunnen zijn."

Een andere vraag, zegt Hale, is of de resultaten van Evans te wijten waren aan de additieven in het plastic, of aan het plastic zelf. "De duivel is in de details, " hij zegt, "wat voor soort PVC het is, en wat zit er in het PVC, de uitkomst zou kunnen bepalen."

"Dat verbaast mensen altijd, " voegt Evans toe, "hoe moeilijk het is om het type plastic en de verschillende verbindingen erin te bepalen. Ik hoor vaak 'Alle plastic is hetzelfde, ' maar dat is het echt niet. De complexiteit maakt het een zeer interessant en belangrijk onderzoeksgebied."

Toekomstige richtingen

Vooruit gaan, De onmiddellijke plannen van Hale en Evans zijn om plasticvervuiling te bestuderen in twee wijdverspreide omgevingen:de kust van Alaska en het eiland St. Helena in de zuidelijke Atlantische Oceaan. Andere kansen - verschillende met betrekking tot elektronische productie- en recyclingsites in China - liggen in het verschiet.

Evans is van plan om in juli naar Alaska te gaan, in samenwerking met W&M hoogleraar en immunoloog Patty Zwollo.

"Er is een zeer afgelegen plek waar veel plastic binnenkomt, " says Evans. "It's a unique study site because there are no other pollutants in the area besides plastic, so we can isolate the effects of plastic on that ecosystem. That's really cool."

Hale is already collaborating with colleagues at the Georgia Aquarium in Atlanta to study whale sharks, filter feeders that ingest huge quantities of water to collect plankton and small fish and—in today's ocean—inadvertent bits of floating plastic.

"If the whale sharks are eating microplastics, " says Hale, "one sure way of showing that is to look at their poop. As you might expect, that's not the easiest thing in the world, particularly when you're dealing with a pelagic species that shows up kind of opportunistically."

To surmount that challenge, Hale and his aquarium colleagues hope to collect poop not only in nature but in a much more accessible locale—the tank that holds the aquarium's whale-shark pair.

Doing so offers an additional benefit—the opportunity to further test Hale's notion that ocean microplastics aren't necessarily of greatest concern in terms of human health.

"If you're concerned about toxicological impacts with a contaminant, " says Hale, " it's probably going to occur where the levels are highest. When they make plastics, the additives are present in concentrations up to 10 percent by weight—a ludicrously high number compared to what might be on a bit of microplastic, which is measured in low parts per millions."

The point, hij zegt, is not that whale sharks or other organisms will experience no ill effects from ingesting microplastics in the ocean. It's that whale sharks in an acrylic-walled aquarium may be exposed to much higher concentrations of flame retardants than their wild cousins—just like people are likely ingesting much higher concentrations of flame retardants from microplastics in household dust than by eating seafood in which these materials might have accumulated. LaGuardia is currently analyzing legacy and emerging flame retardants in household dust in collaboration with University of Cincinnati and NIH.

A realist, Hale recognizes that humans are not going to stop using plastics anytime soon. Global plastic production has increased by more than 600 percent since 1975, and the amount of plastic entering the world's oceans is projected to increase 10-fold by 2025. But he does think there are steps we can take to minimize their environmental impacts.

"We have to re-think how we make, reuse, and dispose of these materials, " says Hale.

A better understanding of the environmental effects of microplastics and their additives is also key.

"Back when I started, " says Hale, "people thought that plastics on the beach just sat there, and if they broke into pieces we didn't have to worry about them anymore. We thought plastics were simple. But now we realize they are not."

"Public concern, " adds Evans, "often focuses on the visible plastic—like a six-pack ring wrapped around a turtle—but microplastics may well be more harmful."

Microplastics exhibit greater surface areas and environmental reactivities than larger plastic pieces and are easily transported, says Hale.

"Their small size allows them to be ingested by many types of organisms—from whales to humans. So for us it is a natural thing to study how water might affect transport and bioavailability from microplastics. That's one of our major goals moving forward."