Temidden van groeiend alarm over het plastic dat ons milieu vervuilt, biomedische en optica-onderzoekers aan de Universiteit van Rochester werken aan een beter begrip van de prevalentie van microplastics in drinkwater en hun mogelijke effecten op de menselijke gezondheid.

Ze werken samen met SiMPore, een bedrijf dat nanomembraantechnologie gebruikt die oorspronkelijk aan de universiteit is ontwikkeld, manieren bedenken om snel plastic deeltjes van 5 mm of kleiner te filteren en te identificeren in drinkwatermonsters. Vervolgens testen ze het vermogen van deze deeltjes om een ​​microschaalbarrière te passeren die het slijmvlies van een menselijke darm simuleert.

"We willen zien in hoeverre de fijnstof die je in je drinkwater binnenkrijgt, door je darmen en naar je andere organen kan gaan, " zegt Greg Madejski, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van James McGrath, hoogleraar biomedische technologie. Madejski coördineert het onderzoek met het laboratorium van Wayne Knox, hoogleraar optica. Zowel McGrath als Knox zijn aangesloten bij het Materials Science Program.

Microplastics worden gebruikt als ingrediënten in sigarettenfilters, textielvezels, en schoonmaak- of persoonlijke verzorgingsproducten. Andere ontstaan ​​wanneer grotere plastic voorwerpen door de zon worden afgesleten, wind, en golven. Ze zijn te vinden op bergtoppen en op de bodem van de oceanen; in de lucht die we inademen en in het water dat we drinken. Hoeveel microplastics worden er precies door mensen opgenomen, en hoeveel schade het hen aanricht, is moeilijk in te schatten omdat de deeltjes - kleiner dan 100 micron - zo klein en moeilijk te detecteren zijn.

"Dit zijn deeltjes die je met een pincet niet kunt oppakken, die je zelfs met het blote oog niet kunt zien, " zegt Madejski. Ze ontwijken de "traditionele methode om met een planktonnet over het wateroppervlak te scheren en alles te verzamelen, " hij zegt.

In plaats daarvan zullen de onderzoekers water filteren door vellen siliciumnitride die honderd keer dunner zijn dan de diameter van een mensenhaar. Deze SiMPore-nanomembranen, gebaseerd op prototypes die oorspronkelijk zijn gemaakt in het McGrath-lab, hebben micron-sized spleten in hen. "Dat stelt ons in staat om micron-sized puin op te vangen, " zegt Madejski. "En omdat de lakens zo dun zijn, je kunt er zonder veel druk een aanzienlijke hoeveelheid water doorheen filteren."

De laag microscopisch afval dat zich ophoopt op het oppervlak van de membranen wordt op verschillende manieren geanalyseerd om te bepalen hoeveel ervan uit microplastic deeltjes bestaat.

De deeltjes kunnen worden gekleurd met Nile Red-kleurstof, bijvoorbeeld, die aan kunststoffen hecht. Raman-microscopie, gebruikt in het Knox-lab, schijnt een heldere laser op het materiaal om informatie over chemische bindingen te verkrijgen - in feite "een moleculaire vingerafdruk van wat dat materiaal is, " zegt Madejski. "Het werkt niet zo goed met fluorescerend materiaal, wat veel kunststoffen zijn, maar het kan duidelijk polystyreenkralen van 10 micron identificeren, bijvoorbeeld."

De onderzoekers hopen ook röntgenfoto-elektronenspectroscopie en energiedispersieve röntgenspectroscopietechnieken te gebruiken om de samenstelling van microplastische deeltjes verder te bestuderen.

"Het mooie van membranen op nanoschaal is dat je ze kunt aanpassen voor een breed scala aan karakteriseringstools, ' zegt Madejski.

Deeltjes die worden geïdentificeerd als microplastics zullen worden afgescheiden en "toegevoerd" aan menselijke Caco2-epitheelcellijnen die op grote schaal worden gebruikt als een model van de darmepitheelbarrière. Dit zal helpen bepalen in welke mate de deeltjes in het lichaam worden opgenomen.

In samenwerking met David Rowley van het City of Rochester Water Bureau, watermonsters worden geanalyseerd in elke fase van het 35 mijl lange, door zwaartekracht gevoede waterzuiverings- en toevoersysteem van de stad, dat zich uitstrekt van het hooggelegen Hemlockmeer, waar de stad haar water haalt, door leidingen en reservoirs, en uiteindelijk bestemmingen bereiken zoals de drinkfonteinen en kranen in de laboratoria en gangen van Goergen Hall op de River Campus van de universiteit.

Er is een dringende noodzaak om meer te leren over de prevalentie van microplastics en hun mogelijke effecten op de menselijke gezondheid, zegt Madejski, die onlangs een workshop over microplastics bij het Woods Hole Oceanographic Institute bijwoonde.

"Eén ding om in gedachten te houden is dat we in de afgelopen 70 jaar ongeveer 4 miljard ton plastic hebben geproduceerd; in de komende tien jaar of zo, we moeten dat bedrag verdubbelen, ' zegt Madejski.