De afgelopen 10 jaar is het gebruik van minuscule stoffen, nanomaterialen genaamd, in agrochemicaliën zoals pesticiden en fungiciden toegenomen. Het idee is om meer ziektebescherming en betere opbrengsten voor gewassen, terwijl het verminderen van de hoeveelheid gifstoffen die op landbouwgronden wordt gespoten.

Maar in combinatie met de afvoer van nutriënten van bemest akkerland en met mest gevulde weiden, deze "nanopesticiden" kunnen ook leiden tot meer giftige algenuitbraken voor nabijgelegen beken, meren en moerassen, een nieuwe studie vindt.

De resultaten verschijnen op 25 juni in het tijdschrift Ecologische toepassingen .

Te klein om te zien met alles behalve de krachtigste microscopen, gemanipuleerde nanomaterialen zijn stoffen die zijn vervaardigd met een diameter van minder dan 100 nanometer, vele malen kleiner dan een haarbreedte.

Hun nanoschaal geeft ze andere chemische en fysische eigenschappen dan hun bulktegenhangers, inclusief meer oppervlakte voor reacties en interacties.

Die interacties kunnen schadelijke algenbloei in wetlands versterken, volgens experimenten onder leiding van Marie Simonin, een postdoctoraal medewerker met biologieprofessor Emily Bernhardt aan de Duke University.

Koolstof nanobuisjes en piepkleine zilverdeeltjes, titaniumdioxide en andere metalen zijn al toegevoegd aan honderden commerciële producten om alles sneller, lichtere elektronica, zelfreinigende stoffen, en slimmere voedselverpakkingen die voedsel kunnen controleren op bederf. Ze worden ook gebruikt op boerderijen voor langzame of gecontroleerde afgifte van plantenmest en pesticiden en meer gerichte levering, en omdat ze effectief zijn bij lagere doses dan conventionele producten.

Deze en andere toepassingen hebben geleid tot enorme belangstelling en investeringen in nanomaterialen. De mogelijke risico's voor de menselijke gezondheid of het milieu worden echter niet volledig begrepen, zei Simonine.

De meeste van de 260, 000 tot 309, 000 ton nanomaterialen die wereldwijd elk jaar worden geproduceerd, wordt uiteindelijk op stortplaatsen gestort, volgens een eerdere studie. Maar van de rest, tot 80, 400 ton per jaar komt in de bodem terecht, en tot 29, 200 ton komt terecht in natuurlijke wateren.

"En deze opkomende verontreinigingen komen niet alleen in waterlichamen terecht, " zei Simonin. "Ze komen waarschijnlijk samen met de afvoer van voedingsstoffen voor. Er zijn waarschijnlijk meerdere stressoren die op elkaar inwerken."

Algenuitbraken teisteren nu al wereldwijd vervuilde wateren, zei Steven Anderson, een onderzoeksanalist in het Bernhardt Lab bij Duke en een van de auteurs van het onderzoek.

Stikstof- en fosforvervuiling komt in wetlands en waterwegen terecht in de vorm van landbouwafval en onbehandeld afvalwater. De overmatige voedingsstoffen zorgen ervoor dat algen ongecontroleerd groeien, het creëren van een dikke mat van groen schuim of slijm op het wateroppervlak die voorkomt dat zonlicht andere planten bereikt.

Deze door voedingsstoffen gevoede "bloemen" verminderen uiteindelijk het zuurstofgehalte tot het punt waarop vissen en andere organismen niet kunnen overleven, creëren van dode zones in het water. Sommige algenbloei geeft ook gifstoffen af ​​die huisdieren en mensen die ze doorslikken ziek kunnen maken.

Om erachter te komen hoe de gecombineerde effecten van afvoer van nutriënten en verontreiniging door nanodeeltjes dit proces zouden beïnvloeden, eutrofiëring genoemd, de onderzoekers zetten 18 afzonderlijke tanks van 250 liter op met zanderige hellende bodems om kleine wetlands na te bootsen.

Elke openluchttank was gevuld met water, bodem en een verscheidenheid aan waterplanten en dieren zoals waterpest en mugvissen.

In de loop van het negen maanden durende experiment, sommige tanks kregen een wekelijkse dosis algenbevorderende nitraten en fosfaten zoals die in meststoffen worden aangetroffen, sommige tanks kregen nanodeeltjes - koper of goud - en sommige tanks kregen beide.

Onderweg volgden de onderzoekers de waterchemie, groei en metabolisme van planten en algen, en accumulatie van nanodeeltjes in plantenweefsels.

"De resultaten waren verrassend, " zei Simonin. De nanodeeltjes hadden afzonderlijk kleine effecten, maar wanneer toegevoegd samen met voedingsstoffen, zelfs lage concentraties goud- en kopernanodeeltjes die in fungiciden en andere producten worden gebruikt, gaven het eens zo heldere water een troebele erwtensoepkleur, het oppervlak is bedekt met felgroene stinkende matten van zweefalgen.

In de loop van het experiment, grote algenbloei kwam meer dan drie keer vaker voor en was persistenter in tanks waar nanodeeltjes en voedingsstoffen samen werden toegevoegd dan waar alleen voedingsstoffen werden toegevoegd. De algengroei verminderde ook opgeloste zuurstof in het water.

Het is nog niet duidelijk hoe blootstelling aan nanodeeltjes het delicate evenwicht tussen planten en algen verschuift terwijl ze strijden om voedingsstoffen en andere hulpbronnen. Maar de resultaten suggereren dat nanodeeltjes en andere "op metaal gebaseerde synthetische chemicaliën mogelijk een ondergewaardeerde rol spelen in de wereldwijde trends van toenemende eutrofiëring, ', aldus de onderzoekers.