Vliegen ergens over de planeet, er is een vliegtuig uitgerust met research-grade, dubbelzijdige tape aan de buitenkant van de romp. Elke keer dat de piloot het vliegtuig landt, hij verwijdert de tape, verzegelt het in een verpakking, en vervangt deze door een nieuwe voordat hij weer vertrekt. Vervolgens stuurt hij het pakket naar Scripps Institution of Oceanography van UC San Diego, zorg van Dimitri Deheyn, Mede-onderzoeker.

Kijkend naar de band onder een microscoop, Deheyn ziet wat hij zoekt:microvezels, vast aan de lijm.

Microvezels zijn een subset van microplastics, kleine stukjes op aardolie gebaseerde materialen die uiteenvallen van grotere plastic stukken of worden vervaardigd in hun microscopische afmetingen:minder dan 5 millimeter in doorsnee. De vezelstrengen - ongeveer vijf keer dunner dan een mensenhaar - worden gebruikt bij de textielproductie; ze vallen van onze kleding af tijdens het dragen, tijdens het wassen en drogen, stromen in waterwegen en drijven in de lucht.

Deheyn werkt samen met Robert DeLaurentis (ook bekend als Zen Pilot) aan een onderzoek dat de wereldwijde distributie en concentratie van microvezels analyseert. Hij zegt dat de beste wetenschap soms de meest eenvoudige technologie omvat:in dit geval dubbelzijdige tape. Voor elk deel van zijn 30-benige vlucht van de Noordpool naar de Zuidpool, DeLaurentis zal een staal hebben voor Deheyn.

"Het geeft ons misschien geen absolute cijfers, maar het zal ons in ieder geval een goede hint geven over de soorten deeltjes die in de atmosfeer worden gevonden, "zei Deheyn. "En het zal de eerste keer zijn dat dergelijke monsters over de hele wereld worden verzameld."

Deze monsters zullen bijdragen aan het huidige onderzoek van Deheyn, die microvezels heeft blootgelegd in het noordpoolgebied, in de Amazone, in de meest afgelegen en diepste delen van de zee. Vrijwel overal waar hij monsters heeft genomen of heeft ontvangen.

"Na het vinden van microvezels in watermonsters van over de hele wereld, het was duidelijk dat één van de belangrijkste besmettingsroutes door de atmosfeer moest gaan, " zei Deheyn. "Maar als marien bioloog gewend aan het verzamelen van monsters onder water, Ik had duidelijk geen idee hoe ik luchtmonsters moest nemen op grote hoogte over de hele wereld."

Het einde van een oorlog, het begin van een tijdperk

Recente Scripps Ph.D. afgestudeerde Jenni Brandon haalt een monster uit de zeebodem in de Scripps Geological Collections. Het werd genomen uit de kust van Zuid-Californië in het Santa Barbara Basin. De inhoud ervan vertegenwoordigt een stukje geologische geschiedenis, sedimenten die 200 jaar teruggaan.

Brandon gebruikte deze en andere kernen in een recent onderzoek waarin ze ontdekte dat de hoeveelheid plastic die zich ophoopt in het milieu sinds het einde van de Tweede Wereldoorlog is geëxplodeerd. De scherpe exponentiële toename komt overeen met een toename van de wereldwijde plasticproductie en een toename van de kustbevolking van Californië in dezelfde periode. Het onderzoeksteam merkte op dat sinds de jaren 1940 de hoeveelheid microscopisch kleine plastics ongeveer elke 15 jaar is verdubbeld.

"De productie van plastic wordt bijna perfect gekopieerd in ons sedimentair record. Onze liefde voor plastic wordt eigenlijk achtergelaten in ons fossielenarchief, ' zei Brandon.

De opkomst van plastic die in 1945 begon - toen de wereld herstelde van oorlog - zou kunnen dienen als een proxy voor een periode binnen het Antropoceen die wetenschappers 'de Grote Versnelling' hebben genoemd. Wetenschappers definiëren het Antropoceen als het huidige geologische tijdperk, waarin menselijke activiteit de dominante invloed op de planeet is geweest.

Voorafgaand aan de "Grote Versnelling, " Wetenschappers hadden geschat dat er elk jaar tussen de 4,8 en 12,7 miljoen ton plastic afval in de oceaan terechtkomt. Omdat de hoeveelheid plastic afval de neiging heeft om met de bevolking te volgen, Brandon en co-auteurs verwachten dat nearshore-gebieden een onevenredige last van die infusie van plastic kunnen krijgen, aangezien de groei van de kustbevolking blijft versnellen.

Brandon's studie is de eerste in zijn soort omdat het de accumulatie van plastic in de loop van de tijd onderzocht op een locatie die onderzoekers de mogelijkheid bood om de trend tot in detail op te lossen, en is een van de vele die illustreren hoe alomtegenwoordig plasticvervuiling is in de wereldwijde oceanen.

De cijfers goed krijgen

Het aanwijzen van het begin van onze plastic aanval op het milieu was niet de enige eye-opener voor Brandon. In een aparte studie, Brandon ontdekte dat gelei-achtige, filtervoedende ongewervelde zeedieren die salpen worden genoemd, nemen mini-microplastics op; deze stukjes ultrakleine stukjes vervuiling waren eerder onder de radar van wetenschappers gevlogen.

Hoewel het geen verrassing is dat deze organismen plastic eten, Brandon was verrast door de enorme hoeveelheid microplastics die voorheen werd gemist:ongeveer een miljoen keer meer dan eerder werd gedacht.

Analyseren van zeewatermonsters, Bandon vond enkele van de kleinste telbare microplastics in oppervlaktezeewater in veel hogere concentraties dan eerder gemeten. Haar methode onthulde dat de traditionele manier om mariene microplastics te tellen waarschijnlijk de kleinste deeltjes miste.

Gemiddeld, Brandon schat dat de oceaan vervuild is met 8,3 miljoen stukjes mini-microplastics per kubieke meter water. Eerdere studies die grotere stukken plastic meten, vonden slechts 10 stuks per kubieke meter.

Brandon werkte samen met co-auteur Linsey Sala, collectiebeheerder van de Scripps Pelagic Invertebrate Collection, een van 's werelds meest vooraanstaande collecties van marien zoöplankton die dateert uit 1903. Brandon ontleedde salpen die werden verzameld tijdens meerdere jaren van zeegaande expedities en langdurige monitoringnetwerken over de noordelijke Stille Oceaan.

Van de 100 salpen die Brandon onderzocht op basis van watermonsters verzameld in 2009, 2013, 2014, 2015 en 2017, 100 procent had mini-microplastics in hun ingewanden. De resultaten schokten Brandon.

"Ik dacht zeker dat sommige van hen schoon zouden zijn omdat ze een relatief snelle darmontruimingstijd hebben, "Brandon zei, opmerkend dat de tijd die een salp nodig heeft om voedsel te consumeren en te poepen, tussen twee en zeven uur is. Als filtervoeders, salpen zijn bijna altijd aan het eten.

Kunststoffen in de magen van salpen kunnen door de voedselketen reizen naar wezens die zich ermee voeden, waaronder zeeschildpadden en commercieel gevangen roodbaars en koningskrab. Eventueel, deze mini-microplastics zouden hun weg naar de mens kunnen vinden.

"Niemand eet salps, maar het is niet ver weg in de voedselketen van de dingen die je eet, ' zei Brandon.

De BESTE weg vooruit

Vastgebonden met touw en onder water ondergedompeld vanaf de Scripps-pier, plastic monsters gaan langzaam achteruit. De twee experimenten zijn eigendom van verschillende laboratoria, maar maken deel uit van pogingen om hetzelfde proces te begrijpen:hoe kunststoffen degraderen.

Aan de ene kant van de pier, Deheyn en postdoctoraal onderzoeker Sarah-Jeanne Royer volgen op petroleum gebaseerde en cellulose (houtvezel) microvezels.

Royer controleert regelmatig de status van deze vezels. Een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Deheyn, ze werkt samen met de industrie om nieuwe duurzame opties voor vezels te vinden. Dit onderzoek komt tot stand via het BEST-initiatief, een platform opgericht door Deheyn dat de interactie tussen de industrie en de academische wereld faciliteert om een ​​ruimte voor samenwerking te bieden.

De sleutel tot deze studie was het verkrijgen van grondstofvezels die zijn gemaakt met populaire chemische verwerkingsmethoden die uiteindelijk de biologische afbreekbaarheid van vezels zouden kunnen beïnvloeden, die met succes is geïmplementeerd bij vezelproducenten zoals de in Oostenrijk gevestigde Lenzing Group. De onderzoekers hopen twee fundamentele vragen te beantwoorden:welke nieuwe materialen worden afgebroken in het mariene milieu, en welk proces in de toeleveringsketen de degradatie van textiel verandert.

Deheyn was aanvankelijk niet van plan microplastics te bestuderen; hij is eigenlijk gespecialiseerd in biofluorescentie. Maar hij merkte vreemde materialen op in zijn monsters. Aanvankelijk, hij dacht dat het gewoon krassen op de lens waren, maar hij ontdekte dat het eigenlijk microvezels waren.

Deheyns observatie van fluorescerende verontreinigende stoffen leidde tot nieuwe kansen. Hij en onderzoekers van de UC San Diego Jacobs School of Engineering hebben fluorescentie gebruikt om nieuwe technologie te ontwikkelen om microplastics te detecteren die uit watermonsters zijn gefilterd.

De techniek, ontwikkeld door afgestudeerde technische student Jessica Sandoval, wordt de Automated Microplastics Identifier (AMI) genoemd. Het protocol is bedoeld om handmatig tellen op het oog te vervangen door automatiseringsprocessen die de vezels identificeren. Onderzoekers brengen eerst de filters in beeld onder UV-verlichting, zodat het plastic fluoresceert. Sandoval ontwikkelde software om de hoeveelheid plastic op elk filter te kwantificeren en ook om informatie over eigenschappen van de plastics te genereren met behulp van beeldherkenning.

"Het is een spannende eerste stap, het gebruik van automatiseringstechnologieën om te helpen bij het monitoren van deze veelvoorkomende mariene verontreinigende stof, " zei Sandoval, die deze technologie begon te ontwikkelen als student aan UC San Diego. "Met dergelijke technologieën we kunnen gemakkelijker monsters van over de hele wereld verwerken en een beter begrip krijgen van de verspreiding van microplastics."

Deheyn gebruikt deze technologie om watermonsters te analyseren die sinds de jaren zeventig van de Scripps-pier zijn genomen. Deze monsters worden geanalyseerd op microvezelconcentratie om te bepalen hoe de hoeveelheden van deze vervuiling in de loop van de tijd zijn veranderd. Dit onderzoek zal ook laten zien welke soorten vezels het minst biologisch afbreekbaar zijn, en rond welke periode in de afgelopen 50 jaar deze specifieke plasticvervuiling merkbaar werd.

Aan de andere kant van de pier, post-consumer plastics zoals waterflessen en yoghurtbekers verzamelen mariene microben. Deze organismen helpen bij het afbreken van plastic, en Scripps biologische oceanograaf Jeff Bowman maakt deel uit van een groep die probeert te begrijpen hoe, en welke microben het belangrijkst zijn.

Bowman werkt samen met de in San Diego gevestigde National University aan het CUREing Microbes on Ocean Plastics-project, een programma dat Course-based Undergraduate Research Experiences (CURE's) gebruikt om het leren van studenten te centreren rond problemen uit de echte wereld. Gefinancierd door de National Science Foundation, het programma is gericht op kunststoffen, specifiek het simuleren van plastic afval in de oceaan en het bestuderen van de microben die ze afbreken. Studenten worden onderdeel van het onderzoeksteam om de vragen rond microben en plastic degradatie te helpen beantwoorden.

Om de paar maanden gedurende het afgelopen anderhalf jaar, een nieuwe klas van de National University heeft Scripps bezocht om het plastic van de pier te controleren. Met behulp van die monsters, Bowman en andere wetenschappers leren ze over mariene microbiologie en leren ze over plasticvervuiling. De voorbeelden en gegevens die de studenten tijdens deze sessies verzamelen, worden vervolgens opgenomen in hun cursussen voor de periode.

Afgestudeerde studenten in het Bowman Lab voeren later meer gedetailleerde analyses uit van de monsters om een ​​bibliotheek op te bouwen van gensequenties van bacteriën die zich ophopen op oceaanplastic. Ze hopen meer te weten te komen over het vermogen van de mariene microbiële gemeenschap om plastic af te breken, en hoe dit begrip vervolgens kan worden toegepast om kunststoffen op industriële schaal af te breken.

"Oceanplastics vormen een enorme milieu-uitdaging, maar ook een unieke educatieve kans bieden, "zei Bowman. "Niet-gegradueerde studenten horen over plastic in de oceaan in het nieuws en zien het probleem wanneer ze lokale stranden bezoeken. We kunnen dit gebruiken om inzicht te krijgen in de rol van microben in het mariene systeem, en hoe microben deel kunnen uitmaken van de grote milieuoplossingen van deze eeuw."

Ondanks de omvang van het onderzoek naar dit onderwerp, wetenschappers benadrukken dat we nog veel te leren hebben over de effecten van microplastics op het milieu, en uiteindelijk wij. Gezien de krantenkoppen die beweren dat er binnenkort meer plastic in de oceaan zal zijn dan vis, het is onderzoek dat de wetenschappelijke gemeenschap, en de samenleving in het algemeen, gaat graag op ontdekkingstocht.

"Dit is nog maar het begin van ons begrip over de 'biologie van kunststoffen'. Ze zijn overal, in de lucht die we inademen, het water dat we drinken, het voedsel dat we eten, "zei Deheyn. "Dus, we moeten leren leven met hen om ons heen en in ons. Echter, terwijl aan de fundamentele wetenschappelijke vragen wordt gewerkt, de kernvraag als samenleving blijft slecht aangepakt:waarom blijven we materialen maken die niet degraderen en die zich in zo'n overmaat ophopen dat ze onze ecosystemen verstikken?"