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Jul 19, 2023

Mikroplastik steht im Mittelpunkt neuer Forschungsfelder für VA-Tech-Forscher

Wir verwenden Plastik in fast allem, von der Kleidung, die wir tragen, über die Möbel in unseren Häusern bis hin zu den Reifen der Autos, die wir fahren. Kunststoffe werden sogar in Körperpflegeprodukten wie Zahnpasta usw. verwendet

Wir verwenden Plastik in fast allem, von der Kleidung, die wir tragen, über die Möbel in unseren Häusern bis hin zu den Reifen der Autos, die wir fahren. Selbst in Körperpflegeprodukten wie Zahnpasta und Shampoo werden Kunststoffe verwendet. Und während wir arbeiten, spielen und alltägliche Aufgaben wie Wäsche waschen, lösen sich Fasern aus diesen Kunststoffen und breiten sich auf dem Luft-, Land- und Wasserweg aus.

Wissenschaftler glauben seit langem, dass Kunststoffe möglicherweise nie vollständig biologisch abbaubar sind. Sie zerfallen mit der Zeit einfach in immer kleinere Stücke.

Winzige Plastikpartikel, die 5 Millimeter oder kleiner, also etwa so groß wie ein Sesamsamen, sind, werden als Mikroplastik bezeichnet. Noch kleinere Kunststoffe mit einer Größe von nur einem Mikrometer – um ein Vielfaches kleiner als die Breite eines einzelnen menschlichen Haares – werden als Nanokunststoffe bezeichnet. Diese winzigen Kunststoffe sind überall. Sie wurden an abgelegenen Orten vom Gipfel des Mount Everest, tief im arktischen Eis, in den Körpern von Land- und Meerestieren sowie in den Lungen, Organen und Fäkalien von Erwachsenen und Säuglingen gefunden.

Im März 2022 identifizierte eine in Environmental International veröffentlichte Studie Nanoplastik im Blut gesunder Erwachsener. Weitere Analysen führten die Partikel auf die Kunststoffe zurück, die am häufigsten in Getränkeflaschen, Lebensmittelbehältern und Einkaufstüten verwendet werden. Einige Umweltwissenschaftler vermuten, dass der Durchschnittsmensch jede Woche die Plastikmasse einer Kreditkarte zu sich nimmt und einatmet. Und obwohl die meisten Partikel wahrscheinlich durch die Abfallsysteme des Körpers herausgefiltert werden, stellen Mikroplastik physikalische, chemische und als Wirt für die Ansammlung und Vermehrung anderer Mikroorganismen eine Gefahr für den Menschen dar.

Was passiert, wenn diese winzigen Partikel zerfallen und sich um die Welt bewegen? Wie werden sie sich auf unsere Gesundheit und die Gesundheit anderer Lebewesen auswirken? Welche Änderungen können wir vornehmen, um Kunststoffe effektiver wiederzuverwenden und wiederzuverwenden?

Diese Fragen stehen im Mittelpunkt neuer Forschungsfelder für Forscher, darunter viele an der Virginia Tech.

Seit Tausenden von Jahren nutzen Menschen die Ozeane zum Transport von Produkten, zum Reisen, als Quelle für Nahrung und andere Ressourcen sowie für Freizeitaktivitäten wie Schwimmen, Tauchen und Surfen.

Leider sind die Ozeane auch zu Mülldeponien geworden, die sich negativ auf Meerestiere und -pflanzen auswirken. Da die Abhängigkeit des Menschen von Kunststoffen für alles, vom Bekleidungsmaterial bis hin zu Reifen, immer weiter zunimmt, gehen einige Forscher davon aus, dass es im Jahr 2050 weltweit mehr Plastikmüll als Fische in den Meeren geben wird.

Was bedeutet das für die Gesundheit des Meereslebens? Tragen Plastikpartikel zum Klimawandel bei? Bietet Mikroplastik ein neues Transportsystem für opportunistische Parasiten oder Viren? Wie wirkt sich Mikroplastik auf die Fruchtbarkeit von Meereslebewesen aus und welche Auswirkungen hat das auf das Meeresökosystem?

Laut einem Experten der Virginia Tech übersteigt die Zahl der Fragen die Antworten bei weitem, was teilweise darauf zurückzuführen ist, dass das Wissen der Wissenschaftler über die Meeresumwelt begrenzt ist.

„Wir haben bessere Karten vom Mars als vom Grund unserer eigenen Ozeane“, sagte Robert Weiss, Direktor der Academy of Integrated Science und Professor für Naturgefahren am College of Science. „Aber das ist die Topographie auf dem Meeresboden. Stellen Sie sich nun vor, wie wenig wir über die Bedingungen wissen, wenn sich das Wasser im Ozean ständig bewegt. Wie können wir einen Zustand in einem bestimmten Bereich beschreiben, wenn er sich ständig ändert? Wenn es in dem Moment, in dem Sie es messen, weg ist?“

Um zu untersuchen, was in der Unterwasserwelt passiert, müssen Wissenschaftler laut Weiss Werkzeuge entwickeln und Forschungsmethoden verfeinern, um sich an die Vergänglichkeit des Ozeans anzupassen. Im Jahr 2020 half Weiss beim Aufbau des Center for Coastal Studies an der Virginia Tech. Als Teil des Fralin Life Sciences Institute koordiniert das Zentrum Forschung, Lehre und Öffentlichkeitsarbeit, um eine nachhaltige Verbindung zwischen Mensch und Natur in Küstengemeinden sicherzustellen.

„Virginia Tech ist einzigartig positioniert, um etwas zu bewirken“, sagte Weiss. „Unser umfassendes akademisches und Forschungsumfeld unterstützt die Zusammenarbeit, und die Bewältigung ozeanischer Herausforderungen erfordert ein breites Spektrum an Fachwissen.“

Um die Daten zu sammeln, die zur Analyse einer Umgebung in ständiger Bewegung erforderlich sind, sind Werkzeuge erforderlich, die sich mit dem Wasser bewegen und dabei Daten sammeln. Eine mögliche Lösung: der Einsatz von Unterwasserrobotern.

Autonome Fahrzeuge bieten Forschern eine viel dynamischere Methode zur Messung von Umweltbedingungen mit der Möglichkeit, sich durch Meerestiefen zu bewegen und den Daten mithilfe von Strömungen zu folgen. Schließlich kann das Team diese Fahrzeuge dann bedienen, um Mikroplastikkonzentrationen zu erfassen und zu erfahren, wie sie durch die sich verändernden Meeresbedingungen um sie herum beeinflusst werden.

Dan Stilwell, Professor für Elektrotechnik am College of Engineering, ist seit 2001 Mitglied der Virginia Tech-Gemeinschaft und konzentriert sich auf Meeresrobotik und Autonomie sowie den Entwurf fortschrittlicher autonomer Unterwasserfahrzeuge (AUVs). Er hat die Entwicklung mehrerer AUV-Systeme geleitet oder mit geleitet, darunter ein Allzwecksystem, das bis zu 500 Meter tief arbeitet.

„Wir arbeiten daran, Unterwasserrobotersysteme zu entwerfen und zu bauen – Roboter, die in Teams Daten sammeln können“, sagte Stilwell, der auch Direktor des Virginia Tech Center for Marine Autonomy and Robotics ist. „Durch den Einsatz eines Schwarms oder eines Teams von Robotern, die Geräusche zur Kommunikation nutzen, können wir möglicherweise die Bewegung eines Wettersystems verfolgen, ein Hindernis identifizieren oder sogar eine dreidimensionale Ansicht der Wassersäule erstellen.“

Stilwell räumt jedoch ein, dass der Ozean einige einzigartige Herausforderungen mit sich bringt – sogar für Roboter.

„Es gibt kein WLAN, keine der typischen Kommunikationsmöglichkeiten, die wir an Land für selbstverständlich halten“, sagte Stilwell. „Es gibt kein Licht, durch das die Roboter ‚sehen‘ könnten, wohin sie gehen. Die Menge an Informationen, die die Roboter kommunizieren können, ist aufgrund der Beschaffenheit der Umgebung sehr gering.“

Einige der AUVs, an deren Entwurf und Bau Stilwell mitgewirkt hat, ähneln Torpedos. Die Roboter sind auf Batteriestrom angewiesen und können etwa 22 Stunden lang laufen, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen.

Stilwells Team nutzt Claytor Lake, nur 30 Minuten südwestlich des Blacksburg-Campus, um die AUVs in einer „lebensnahen“ Umgebung zu testen.

„Claytor Lake ist ein hervorragendes Testgelände für unsere AUVs, da es groß genug und tief genug ist, um aussagekräftige Tests durchführen zu können“, sagte Benjamin Biggs, Doktor der Elektro- und Computertechnik. Kandidat. „Der See liegt auch nah genug am Campus, sodass wir morgens vorbeikommen und uns das holen können, was wir brauchen, dorthin fahren, mehrere Stunden lang testen und bei Bedarf noch Zeit haben, die Daten im Labor zu verarbeiten.“ Dadurch können wir viel häufiger operieren, als es sonst möglich wäre.“

Laut Marc Michel, außerordentlicher Professor für Geowissenschaften und Nanowissenschaften am College of Science, bietet der Einsatz von AUVs, die mit effektiven Filtergeräten ausgestattet sind, ein noch ungenutztes Potenzial für die Untersuchung von Mikropartikelproben aus Oberflächengewässern und in unterschiedlichen Tiefen.

„Die Gewinnung der Proben aus den Filtersammelgeräten, die an Unterwasserrobotik befestigt sind, wird es uns ermöglichen, unsere Hypothesen zu testen“, sagte Michel. „Anhand dieser Daten können wir die Arten von Kunststoffen, die sich in unseren Ozeanen bewegen, besser verstehen. Wir können ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften untersuchen. Indem wir uns Formen und Größen ansehen, können wir beginnen festzustellen, ob sie Überträger für Kontaminanten und Krankheitserreger sind.“

Darüber hinaus gibt es Anwendungen jenseits der Ozeane, sagte Michel. „Diese Technologie könnte auch Einblicke in die Aufbereitung und Bewirtschaftung von Oberflächenwasserreservoirs bieten, auf die Gemeinden als Wasserquellen angewiesen sind.“

Laut Michel bietet uns die Möglichkeit, es besser zu machen, wenn wir so viel wie möglich über Mikroplastik in unserem Boden, unserem Wasser und unserer Luft lernen.

„Ich bin Vater von drei Kindern, die sich in den kommenden Jahrzehnten mit den Entscheidungen auseinandersetzen müssen, die meine Generation und die Generationen vor mir getroffen haben“, sagte Michel. „Ich fühle mich verpflichtet, bei den Veränderungen mitzuhelfen, die sie letztendlich umsetzen werden.“

Weiss stimmte zu. Durch die neuen Forschungsergebnisse hofft er, die Auswirkungen menschlichen Verhaltens auf die Umwelt darzustellen, insbesondere im Zusammenhang mit Mikroplastik im Ozean.

„Nehmen wir an, wir hätten in Zukunft einen Sensor, mit dem wir die Konzentration von Mikroplastik sehr schnell vor Ort bestimmen könnten“, sagte Weiss. „Wir können den Wert der Konzentrationen im Ozean verfolgen und anhand der Bewegung des Fahrzeugs bestimmen, wie sich diese Konzentrationen im Laufe der Zeit entwickeln. Dadurch erhalten wir einen viel umfassenderen und vollständigen Datensatz, um zu verstehen, wie sich Mikroplastik im Ozean bewegt. Von welchen Bedingungen wie der Temperatur sind sie abhängig?

„Wir müssen sehen, wie ihre Wirkung wächst. Es reicht nicht aus zu sagen: „So viele Mikroplastikpartikel befinden sich im Meer und das sind die Auswirkungen auf Fische und Meeressäugetiere“, sagte Weiss. „Müssen wir Modelle erstellen, die beschreiben, was in 50 Jahren passieren wird, wenn wir das tun?“ Oder wenn wir das tun? Oder wenn wir nichts tun? Wir müssen die Wissenschaft als Entscheidungsinstrument einführen – solange wir noch Zeit haben, etwas zu bewirken.“

Wie viel Mikroplastik ist im Meer konzentriert und woraus besteht es? Wie bewegen sie sich durch Wasser? Und wie werden sie sich in den kommenden Jahren auf Menschen, Wildtiere und die Meeresumwelt auswirken?

Am Seale Coastal Zone Observatory, einer Initiative des Center for Coastal Studies der Virginia Tech, arbeitet eine interdisziplinäre Gruppe von Forschern, darunter Biologen, Veterinärwissenschaftler und Ingenieure, zusammen, um Antworten zu finden.

Das von Weiss geleitete Programm zielt darauf ab, die Auswirkungen von Mikroplastik auf die Meeresumwelt zu modellieren.

„Was wir schaffen wollen, ist eine Reihe von Ergebnissen, die den Menschen helfen, Entscheidungen über ihr Verhalten zu treffen, und mit Menschen meine ich Einzelpersonen, Regierungen und die Gesellschaft als Ganzes“, sagte Weiss, der Direktor des Zentrums. „Entscheidungen haben Konsequenzen, und manchmal sind diese Konsequenzen verborgen und kaskadierend.“

Zu den am Coastal Zone Observatory durchgeführten Forschungsarbeiten gehören:

Das Zentrum für Küstenstudien ist Teil des Fralin Life Sciences Institute.

Das neue Unterfangen ist dank der Großzügigkeit der Virginia Tech-Alumni Bill '86, MS '98 und Carol Seale '88 möglich. Ihre großzügige Unterstützung hat es Weiss und seinem Team ermöglicht, einen umfassenden Plan für die Meeresüberwachung zu entwickeln.

„Die Arbeit des Coastal Zone Observatory ist ein entscheidender Schritt vorwärts, um uns dabei zu helfen, bessere Verwalter der Weltmeere zu werden, die wohl unsere wichtigste Ressource auf der Erde sind“, sagte Bill Seale.

Zusätzlich zu ihrer Leidenschaft für gesunde und nachhaltige Ozeane engagieren sich die Seales für Forschung, die die menschliche Gesundheit fördert. Ihr Seale Innovation Fund am Fralin Biomedical Research Institute am VTC unterstützt wissenschaftliche Fortschritte in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Krebs, chronische Schmerzen und Gehirnentwicklung.

Was ist nötig, um von einer traditionellen Wegwerfwirtschaft zu einer Wirtschaft zu gelangen, in der Abfälle beseitigt, Ressourcen zirkuliert und die Natur regeneriert wird?

Dies sind die Fragen, über die Jennifer Russell, Assistenzprofessorin in der Abteilung für nachhaltige Biomaterialien am College of Natural Resources and Environment, jeden Tag nachdenkt.

„Ich glaube, dass die schwierigste und wichtigste Herausforderung, vor der die Menschheit je stand, darin besteht, herauszufinden, wie man nachhaltig leben kann – in Zusammenarbeit mit anderen, mit der Natur und mit natürlichen Systemen“, sagte Russell. „Ich unterrichte in diesem Bereich, weil ich weiß, dass Menschen in der Lage sind, besser zu werden, und ich möchte den Schülern helfen, herauszufinden, wie sie persönlich zu diesem entscheidenden Wandel der Gesellschaft beitragen können.“

Russell, der auch dem Virginia Tech Global Change Center angeschlossen ist, arbeitet im Bereich der Kreislaufwirtschaft, einem Wirtschaftsmodell, das darauf abzielt, Abfall zu reduzieren oder zu beseitigen und die kontinuierliche Nutzung von Ressourcen zu fördern sowie neue wirtschaftliche Vorteile zu schaffen, wie z Schaffung von Arbeitsplätzen und Kosteneinsparungen.

Im Gegensatz dazu operiert die Industriegesellschaft, in der heute die meisten Menschen leben, in einer linearen Wirtschaft, die auch als Take-Make-Waste-Modell bekannt ist und bei der Ressourcen abgebaut, genutzt und dann entsorgt werden. Dieses Modell hat zu Umweltproblemen wie Umweltverschmutzung und Ressourcenverknappung sowie zu wirtschaftlicher Ineffizienz geführt.

„Durch die Nutzung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft können Unternehmen und Branchen ihre Praktiken diversifizieren und ihre Geschäftsmodelle überdenken“, sagte Russell. „Im Kern ist eine Kreislaufwirtschaft weniger transaktional und bietet Unternehmen und Marken die Möglichkeit, in ihren Umsatz- und Produktbesitzmodellen Innovationen einzuführen, die es ihnen ermöglichen, sich auf längerfristige Kundenbeziehungen zu konzentrieren.“

Laut Russell sind die Bemühungen der Automobilindustrie, Fahrzeuge zu leasen, ein Beispiel dafür, wie dies funktionieren könnte. Verbraucher leasen ein Fahrzeug, das ihren Bedürfnissen entspricht, und geben es dann an einen Händler zurück, der die erforderlichen Reparaturen durchführen und das Auto oder den LKW entweder weiterverkaufen oder Komponenten aus dem Fahrzeug für die zukünftige Verwendung zurückgewinnen und wiederverwenden kann. Russell glaubt, dass dieses Modell auf andere Branchen und Produkte wie Haushaltsgeräte oder Elektronik übertragen werden könnte.

Russell nutzt Computermodelle, um zu demonstrieren, wie Bemühungen zur Wiederverwendung, Reparatur, Sanierung, Wiederherstellung und Wiederverwertung wirtschaftliche Vorteile für Unternehmen und Privatpersonen generieren und die Umwelt unterstützen können. Sie berücksichtigt auch Details dazu, wie sich menschliches Verhalten, Wertvorstellungen und Entscheidungsfindung auf Nachhaltigkeitsergebnisse auswirken können.

Kunststoff in Form von Polyurethanschaum steht im Mittelpunkt eines Projekts, das Russell durch eine Zusammenarbeit mit Timothy Long, außerordentlicher Professor am Department of Chemistry der Virginia Tech und Direktor des Biodesign Institute an der Arizona State University, unterstützt. Es begann mit einem Gespräch über Schaumstoffmatratzen.

„Ich habe mit einem Absolventen der Virginia Tech gesprochen, der für ein Matratzenunternehmen aus Polyurethanschaum gearbeitet hat“, sagte Long. „Er erklärte mir, dass die Produktion von Schaumstoffmatratzen enorm wächst und dass wir keine davon recyceln. Ich dachte sofort, dass dies eine Gelegenheit wäre, etwas zu verändern. Große Herausforderungen bedeuten große Auswirkungen.“

Polyurethanschaum, ein Polstermittel, wird in Produkten von Bürostühlen über Matratzen bis hin zu Turnschuhen verwendet. Dieser Komfort hat jedoch seinen Preis: Die Schäume – hergestellt aus Petrochemikalien mit einer offenen Zellstruktur, die Lufteinschlüsse enthält – sind unglaublich schwer zu recyceln.

Im Jahr 2021 erhielt das College of Natural Resources and Environment in Zusammenarbeit mit der Arizona State University und der Adidas AG ein vierjähriges Stipendium in Höhe von 1,8 Millionen US-Dollar von der National Science Foundation für die von Long geleitete Untersuchung von Polyurethanschäumen.

Das Arizona State-Team konzentriert sich auf fortschrittliche Recyclingtechnologien, während das Virginia Tech-Team, zu dem auch Russell gehört, die Präsenz und Ströme der Schaumstoffe auf dem US-Markt kartiert und mit Interessengruppen zusammenarbeitet, um tragfähige Systeme und Infrastrukturen für die Rückgewinnung, das Recycling usw. zu entwickeln Diese Materialien im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft weiterverteilen.

Der Industriepartner der Studie ist Adidas, das daran interessiert ist, die Nutzung von Polyurethanprodukten zu verbessern, die es zur Herstellung von Sportausrüstung und -bekleidung verwendet.

Laut Russell bietet die Zusammenarbeit mit dem größten Schuhunternehmen Europas die Möglichkeit, reale Veränderungen herbeizuführen.

„Der Wert der Beteiligung von Adidas besteht darin, dass sie ein praktisches Beispiel dafür liefern, wie eine Kreislaufwirtschaft für Polyurethanschäume aussehen könnte“, sagte Russell. „Dies ist keine akademische Übung. Diese Forschung wird zu Lösungen führen, die von Anfang an darauf ausgelegt sind, in kommerzielle Geschäftsprozesse integriert zu werden.“

Russell betonte, dass Polyurethanschäume wie alle Kunststoffmaterialien ein wichtiger Baustein für jahrzehntelange Innovationen seien. Eine bessere Rückgewinnung und Wiederverwendung dieser Materialien bedeutet, dass wir uns auch in Zukunft auf sie verlassen können.

„Wir müssen neu definieren, was wir als Verschwendung betrachten und was wir als wertvoll betrachten“, sagte sie. „Kunststoffe sind unglaublich wertvoll, können aber auch großen Schaden für die Umwelt und die menschliche Gesundheit anrichten, wenn wir nicht richtig damit umgehen. Bei diesem Projekt geht es darum, Systeme und Technologien zu schaffen, die es uns ermöglichen, diese Materialien weiterhin verantwortungsvoll und effektiv zu nutzen.“

Wenn Strandliebhaber an die Küste fahren, um im Wasser zu spielen, überwiegt das Versprechen von Entspannung bei weitem die Risiken von Quallen, Springfluten oder sogar der gelegentlichen Sichtung von Haien.

Doch in den Wellen lauert noch eine tiefere Gefahr: winzige Plastikpartikel.

Diese Partikel, die durch die gleiche rhythmische Wasserbewegung verteilt werden, die viele als so erholsam empfinden, könnten tatsächlich zu einem besorgniserregenden Risiko für die menschliche Gesundheit beitragen, sagte Hosein Foroutan, Assistenzprofessor am Charles E. Via, Jr. Department of Civil and Environmental Engineering.

„Wir wissen schon lange, dass viel Plastikmüll ins Meer gelangt“, sagte Foroutan. „Und viele glaubten, dass es dort geblieben sei. Aber wir wissen jetzt, dass Kunststoffe mit der Zeit in immer kleinere Partikel zerfallen – Partikel, die so klein sind, dass sie von der Meeresgischt getragen und von Wettersystemen nahezu überall hin transportiert werden könnten.

„Was wir ins Meer geworfen haben, spuckt das Meer zurück.“

Mikroplastik und Nanoplastik (MNPs), winzige Kunststofffragmente und -fasern, wurden in nahezu allen Ökosystemen gefunden. Laut Foroutan können diese Kunststoffe leicht von Organismen aufgenommen oder eingeatmet werden, was zu Entzündungen und Zellschäden führt. Sie stellen eine große Herausforderung für das Umweltmanagement dar, da sie schwer zu erkennen, zu sammeln und zu recyceln sind.

„Mikroplastik ist eines der dringendsten Umweltprobleme unserer Zeit“, sagte Foroutan. „Zahlreiche Studien haben die negativen Auswirkungen von Mikroplastik auf die menschliche und ökologische Gesundheit hervorgehoben, wobei neuere Untersuchungen das Vorhandensein von Mikroplastik tief in der menschlichen Lunge und im Blut belegen.“

Die Gefahr von MNPs wird durch die Unsicherheit über ihre Herkunft verschärft.

Studien haben MNPs in atmosphärischen Proben nachgewiesen, die in städtischen, vorstädtischen und sogar abgelegenen Gebieten fernab offensichtlicher Quellen gesammelt wurden. Aber die Frage bleibt: Wie kommen sie dorthin?

„Es gibt keine geografischen Grenzen für Mikroplastik“, sagte Foroutan. „Die Umweltverschmutzung bewegt sich auf verschiedene Weise von Ort zu Ort, auch über die Atmosphäre. Dies ist ein aufkommendes Problem. Wir entdecken immer noch viel über Mikroplastik.“

Foroutan, ein angegliedertes Fakultätsmitglied des Fralin Life Sciences Institute, des Global Change Center und des Center of Coastal Studies, erhielt 2022 einen Fakultäts-Early-Career-Development-Award der National Science Foundation für die Untersuchung der Luft-See-Wechselwirkung als Quelle atmosphärischer MNPs.

Das Projekt erweitert die bestehende Forschung, um zu analysieren, ob MNPs durch das Brechen ozeanischer Wellen und das Platzen von Blasen aerosolisiert werden und wie sich Größe, Form, Alter oder Material der MNP-Partikel auf die Aerosolisierung auswirken.

Foroutan hofft, dass das Experiment neben der Bewertung des menschlichen Risikos auch Licht auf das „Paradoxon des fehlenden Plastiks“ werfen kann, das darauf hindeutet, dass trotz großer Mengen Plastikmüll, der direkt ins Meer gekippt wird oder über Flüsse dorthin fließt, nur ein kleiner Teil davon dass dort tatsächlich Plastik zu finden ist.

Um die zur Beantwortung dieser Fragen erforderlichen Daten zu sammeln, baute das Team einen Tank zur Aerosolerzeugung, um die Wirkung brechender Wellen und sprudelnder Meeresgischt in einer kleinen Laborumgebung zu reproduzieren. Anhand kontrollierter Wasserproben werden die Wissenschaftler die Blasen und Wellen simulieren, die natürlicherweise im Meerwasser auftreten. Alle entstehenden aerosolisierten Partikel werden von Filtern aufgefangen, die im Kopfraum des Tanks befestigt sind.

Die Wissenschaftler werden jedes Partikel analysieren, um die Größe, Dichte und Art des Kunststoffs zu bestimmen. Auch Plastikpartikel werden sorgfältig untersucht, um zu prüfen, ob sie als Vektor oder Träger für den Transport von Mikroorganismen aus dem Meer in die Atmosphäre fungieren könnten.

Foroutans Team wird die Daten verwenden, um ein Prozessmodell zu entwickeln, um den Oberflächenfluss oder die Emission von Meeresspray-MNP-Aerosolen abzuschätzen.

„Obwohl die Anzahl der durch unsere Filterung im kleinen Maßstab eingefangenen Partikel gering erscheinen mag, ist die exponentielle Veränderung enorm, wenn man die Daten unter Berücksichtigung eines gesamten Ozeans oder eines Abschnitts eines Ozeans skaliert“, sagte Foroutan. Tatsächlich schätzten sie in einem kürzlich veröffentlichten Manuskript die Obergrenze der jährlichen ozeanischen MNP-Emissionen auf 1,66 (0,72-4,13) Tonnen pro Jahr.

Zusätzlich zu diesem spezifischen Forschungsthema leitet Foroutan eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe an der Virginia Tech, um Forscher aus der gesamten Universität zusammenzubringen, um im Bereich der Plastikverschmutzung zusammenzuarbeiten. Die Gruppe wird sich um vier Hauptthemen zusammenschließen: Reduzierung der Umweltverschmutzung, Gesundheit, Umwelt sowie Politik und Öffentlichkeitsarbeit.

„Durch die Zusammenarbeit wollen wir die Barrieren, die manchmal zwischen den Disziplinen bestehen, abbauen, um dieses Problem systematisch anzugehen“, sagte Foroutan. „Biologen, Ingenieure, Wirtschaftswissenschaftler, wir alle müssen eine Rolle dabei spielen, Lösungen für die Plastikverschmutzung zu finden.“

Foroutan setzt sich außerdem dafür ein, Informationen über Kunststoffe mit Schülern und Familien in der Gemeinde zu teilen. Während des Frühlingssemesters knüpfte das Team Kontakte zu 60 Fünftklässlern in Pulaski County, Virginia. Darüber hinaus entwickelt sein Team eine pädagogische Ausstellung im Science Museum of Western Virginia in Roanoke, um die Physik von Meeresspray-Aerosolen sowie Meeres- und Atmosphärenmikroplastik zu veranschaulichen, wobei eine verkleinerte Version des im Projekt verwendeten Tanks verwendet wird.

Im Laufe des Sommers werden die mit dem Projekt verbundenen Doktoranden in Sommercamps an der Virginia Tech, die sich an Vorstudienstudenten richten, Informationen über Kunststoffe weitergeben. Durch ein praktisches, problembasiertes Experiment werden Camper Mikroskop- und Bildverarbeitungstechniken verwenden, um in der Luft befindliche Kunststoffpartikel zu charakterisieren.

„Mit Blick auf die Zukunft werden die Probleme andere sein“, sagte Foroutan. „Aber indem wir unseren Kindern und Jugendlichen beibringen, was wir jetzt wissen, können wir ein Verantwortungsbewusstsein vermitteln, das sie in die Lage versetzt, die nächsten Stufen der Plastikverschmutzung anzugehen, was auch immer das sein mag.“

Von der Aufklärung von Kindern, die das Museum besuchen, bis hin zur Unterstützung von Umweltwissenschaftlern, die täglich luftgetragene Partikel untersuchen, hat dieses Projekt potenzielle Vorteile für Gemeinden auf der ganzen Welt.

„Kunststoffe stellen ein erhebliches Umweltproblem dar. Sie wirken sich auf die menschliche, ökologische und ökologische Gesundheit aus“, sagte Foroutan. „Dieses Projekt könnte weitreichende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben, und unser einzigartiger Rahmen wird Umweltwissenschaftlern und -ingenieuren hoffentlich eine neue Möglichkeit bieten, dieses wachsende Problem anzugehen.“

In einem Labor im dritten Stock in Derring Hall auf dem Blacksburg-Campus der Virginia Tech analysieren Austin Gray und ein Team von Studenten und Doktoranden sorgfältig winzige Plastikpartikel, von denen einige nicht viel größer als ein einzelnes Sandkorn sind. Gray, Assistenzprofessor für Biowissenschaften am College of Science, hofft, dass ihm diese Mikroplastiken helfen werden, besser zu verstehen, wie die Produkte, die Menschen täglich verwenden, Ökosysteme stören und die Gesundheit von Tieren und Menschen beeinträchtigen können.

Vintage-Star-Wars-Poster säumen die Wände von Grays Büro.

„Wenn wir diese Mikroplastik näher betrachten und anfangen, über jedes winzige Partikel einzeln nachzudenken, fühlt es sich an, als würde man ein unerforschtes Universum erkunden“, sagte Gray. „Nicht unähnlich den Handlungssträngen der Filme, die ich als Kind geliebt habe.“

Gray, der 2021 zur Virginia Tech kam, ist auch Fakultätsmitglied des Global Change Center. Seine Forschungsschwerpunkte sind Gewässerökologie und Toxikologie, insbesondere die Untersuchung der Auswirkungen von Schadstoffen wie Pestiziden, Pharmazeutika und Mikroplastik auf Wasserorganismen und Ökosysteme.

„Mein Labor konzentriert sich auf die Untersuchung neu auftretender Schadstoffe, und insbesondere Mikroplastik ist eine wichtige Gruppe, an der wir interessiert sind, da diese weltweit im Trinkwasser und im Oberflächenwasser von Bächen, Seen und Flüssen vorkommt“, sagte Gray. „Wir wissen, dass Kunststoff nicht intakt bleibt, sondern in immer kleinere Partikel zerfällt. Wir atmen sie ein und nehmen sie auf, ebenso wie die Tierwelt. Was wir nicht wissen, sind die gesundheitlichen Auswirkungen im Laufe der Zeit. Verursachen sie körperliche Schäden, Stress oder Entzündungen? Beeinflussen sie die Fortpflanzung?“

Gray, der schon immer eine Affinität zur Wissenschaft hatte, bekam als Student an der Citadel in Charleston, South Carolina, einen Job als Glasreiniger in einem Labor. Durch diese Rolle entdeckte er Aspekte des wissenschaftlichen Studiums, die für ihn neu waren.

„Ich habe mich in den Feldaspekt der Forschung verliebt“, sagte Gray. „Wissenschaft ist nicht eindimensional. Forschung hilft uns, Verbindungen zum Alltag herzustellen. Und wenn wir effektiv kommunizieren können, können diese Verbindungen zu positiven Veränderungen führen.“

Der Hafen von Charleston diente als Hintergrund für Grays frühe Untersuchungen zur Wassertoxizität und -verschmutzung, insbesondere zur Plastikverschmutzung.

„Charleston ist ein Hotspot“, sagte Gray. „Die Bevölkerungsdichte, der Tourismus, der Fischmarkt und die Schifffahrtsindustrie laufen an diesem einzigen Küstenort zusammen und bieten einen Zusammenhang für Studien zur Identifizierung von Veränderungen, die sich möglicherweise auf das Pflanzen- und Tierleben sowie auf das Wasser selbst auswirken.“

Im Jahr 2014 kam eine von einem Team, zu dem Gray gehörte, durchgeführte Umfrage zu dem Schluss, dass jeder, der an der Küste von Charleston Harbor entlanggeht, alle zwei Schritte auf ein Stück Plastik stößt. Diese Erfahrung half Gray und mehreren Mitarbeitern, Hypothesen darüber aufzustellen, was im Wasser passieren könnte. Als Gray begann, Proben aus dem Hafen zu untersuchen, bestätigten die Ergebnisse die Theorie, die als „Hypothese des süßen Tees“ bezeichnet wurde.

In den Proben fand das Forschungsteam Kunststoffteile aus Reifen sowie Polypropylenpartikel und Fasern aus weggeworfenen Angelschnüren. Und dann waren da noch die Schaumpartikel aus weggeworfenen Tassen, die wahrscheinlich einst mit dem beliebten Südstaaten-Grundnahrungsmittel, dem süßen Tee, gefüllt waren.

„Das ist die Sache mit der Forschung“, sagte Gray. „Wenn man Schritte unternimmt, um eine Frage zu beantworten, gelangt man oft zu fünf weiteren. Und ich wollte unbedingt mehr darüber erfahren, was mit diesen Kunststoffen passierte, nachdem sie im Wasser gelandet waren, und welche Auswirkungen dies letztendlich auf die Tiere haben könnte, die im Hafen leben.“

Tiere wie der Große Tümmler, ein Spitzenprädator.

Laut Gray können uns Delfine als Spitzenprädatoren einen guten Hinweis darauf geben, welche Mikroplastikpartikel sich in der Nahrungskette nach oben bewegen, wenn sie von immer größeren Fischen verzehrt werden. Wenn sie von einem Tier an der Spitze der Nahrungskette aufgenommen werden, können wir möglicherweise lernen, wie sich die verschiedenen Mikroplastikpartikel verteilen und ansammeln, sobald sie ihren Endverbraucher erreichen.

Derzeit ist Gray zusammen mit Mitarbeitern des Hollings Marine Laboratory an einem fünfjährigen Delfinprojekt beteiligt, das von den National Centers for Coastal Ocean Science der National Oceanic and Atmospheric Administration unterstützt wird. Gray und Wayne McFee, Leiter der Untersuchung von Meeressäugetieren im Zentrum, leiten ein Team zur Messung und Identifizierung von Mikroplastik, das aus dem Magen-Darm-Trakt verstorbener Großer Tümmler stammt, die im und um den Hafen von Charleston gestrandet sind.

Was sie in ihren ersten Einschätzungen fanden, überraschte sie.

Bei 16 im Zeitraum 2022–23 untersuchten Delfinen entdeckte Grays Team durchschnittlich über 1.550 Mikroplastikpartikel in jedem der Säugetiere.

„Ich war ziemlich schockiert, so hohe Werte in einem Organismus zu sehen“, sagte Gray. „Das führt uns dazu, detailliertere Fragen zu stellen: Was an diesen Partikeln beeinflusst alles, was wir in Bezug auf die Sterblichkeit sehen? Sind sie höher, je nachdem, wo der Delfin gestrandet ist? Ändert sich die Häufigkeit im Laufe der verschiedenen Jahreszeiten oder Jahre? Je mehr Daten wir erhalten, desto mehr können wir Rückschlüsse auf das ziehen, was wir finden.“

Da sich die Studie über einen Zeitraum von fünf Jahren erstrecken wird, hofft Gray, dass die Daten des Teams Veränderungen im Laufe der Zeit auf eine Weise erfassen werden, wie dies bei anderen Studien noch nicht der Fall ist. Studien dieser Art liefern häufiger kürzere Momentaufnahmen von Mikroplastik, vielleicht höchstens ein Jahr.

Mit diesen Langzeitdaten werde man ein Gefühl für die Auswirkungen bekommen, die wir auf unsere Küsten haben, hofft Gray.

„Wenn Sie sich in einem Gebiet mit viel Mikroplastikverschmutzung und viel weggeworfenem Abfall befinden, dann hat das nicht nur Auswirkungen auf Sie, sondern auch auf die dort lebenden Organismen“, sagte er. „Ihre Belastung durch Mikroplastik wird direkt von uns beeinflusst.“

Darüber hinaus könnten längere Studien zeigen, wie die Richtlinien zu Plastikmüll und deren Freisetzung mit Mikroplastik korrespondieren, das im Laufe der Zeit in Organismen entdeckt wurde, sagte Gray. Beispielsweise haben die Vereinigten Staaten im Jahr 2015 ein Gesetz erlassen, das die Herstellung oder den Verkauf von Produkten verbietet, die Mikrokügelchen enthalten, winzige Kunststoffe, die als Schleifmittel verwendet werden und häufig in Zahnpasten und Peelingprodukten vorkommen und in zunehmender Zahl im Wasser nachgewiesen werden.

Gray räumt ein, dass es keine einfache Aufgabe ist, wirksame Lösungen für die Bewältigung von Umweltproblemen wie der Plastikverschmutzung zu finden.

„Wir können nicht einfach zum Beispiel ein globales Verbot der Verwendung von Plastik oder eine Recyclingpflicht für Einzelpersonen vorschlagen“, sagte Gray. „Mögliche Lösungen müssen Faktoren wie Wirtschaftlichkeit und Branchenkapazität berücksichtigen. Wir können die Probleme auch nicht einfach ignorieren und den gleichen Weg weitergehen. Wissenschaft und Gesellschaft müssen Wege finden, sich zu verbinden. Das macht einen Teil der Attraktivität akademischer Räume wie der Virginia Tech aus, die die Zusammenarbeit zwischen Disziplinen fördern. Meine Forschung könnte in ein von einem Experten für Kreislaufwirtschaft vorgeschlagenes Modell einfließen oder jemandem Einblicke in nachhaltige Verpackungen bieten.“

Ganz zu schweigen von der Möglichkeit, mit Studierenden zusammenzuarbeiten.

„Der Campus ist ein lebendes Labor“, sagte Gray. „Meine Schüler haben Wasserproben aus Stroubles Creek entnommen, um die Partikel aus dem Straßenstaub zu bewerten, die durch Regen und damit verbundene Ereignisse in die Wasserstraße gelangen. Die Erfahrung mit ganzheitlicheren Forschungsprojekten ist eine entscheidende Bildungschance.“

Als Gray 2015 die Umweltverschmutzung an den Stränden von Charleston untersuchte, fand sein Team einige kleine schwarze Partikel, die es nicht sofort identifizieren konnte.

„Wir haben herausgefunden, dass es sich bei diesen kleinen schwarzen Partikeln tatsächlich um Reifenabriebpartikel handelte“, sagte Gray. „Wenn man an Reifen denkt, bestehen sie aus unterschiedlichen Arten von Komponenten, das heißt, es könnte sich um Butadien, Acrylamid, Styrol handeln, und das sind alles Polymere, die bei der Herstellung von Reifen verwendet werden, bei denen es sich eigentlich um Kunststoffe handelt.

„Normalerweise verliert ein Reifen im Laufe seiner Lebensdauer etwa 30 Prozent seiner selbst. Das bedeutet also, dass es sich bei diesen kleinen schwarzen Partikeln, die sich lösen, um Mikroplastik handelt, das in verschiedene Arten von Gewässern gelangt, darunter auch in die Gewässer auf dem Campus. Aufgrund ihrer Zusammensetzung können sie verschiedene Arten von Schadstoffen aufnehmen. Wenn sich diese an das Mikroplastik binden, wird das Mikroplastik selbst zu einem Vektor, der, wenn es von Organismen verzehrt wird, diese krebserregenden Verbindungen durch ihr Gewebe übertragen oder andere Arten von oxidativem Stress oder Mortalität bei verschiedenen Arten von Organismen verursachen kann.“

Gray beprobt derzeit Wasserstraßen auf dem Campus wie Stroubles Creek, um festzustellen, ob eine ähnliche Verschmutzung durch Straßen in Süßwassermündungen gelangt. Tyler Allen, ein Absolvent von 2022, der jetzt einen Master-Abschluss an der Virginia Tech anstrebt, war an der Probenentnahme in Stroubles Creek beteiligt.

„Reifen können kaputt gehen und Reifenabriebpartikel bilden, die auslaugen und für Organismen in den Bächen giftig werden können“, sagte Allen. „Und diese können durch Regenereignisse von den Straßen in Bäche gelangen und den Bach hinuntergetragen werden und schließlich in unseren Ozeanen landen.“

Allen unterstützt außerdem ein Projekt zur Identifizierung von Schwermetallen und Mikroplastik im Trinkwasser in Richmond.

„Bei beiden Projekten ist das, wonach wir suchen, wichtig für die menschliche Gesundheit, insbesondere für Kinder“, sagte Allen. „Unsere Erkenntnisse können zu Änderungen der Qualitätsstandards oder vorbeugenden Maßnahmen zum Schutz der Verbraucher führen.“

Gray meinte, dass eine der am wenigsten erschlossenen, aber wesentlichsten Komponenten der Wissenschaft darin besteht, mit Menschen in Kontakt zu treten.

„Ich versuche meinen Studenten unter anderem zu vermitteln, dass sie ein Bewusstsein für ihre Forschung schaffen müssen. Was stromaufwärts passiert, wird stromabwärts passieren. Was wir aus einem Projekt lernen, beeinflusst die nächsten Schritte, nicht nur für die Wissenschaft, sondern für Einzelpersonen, Branchen und sogar Regierungen.

„Wissenschaftler sind Diener der Welt, und als solche müssen wir uns ständig fragen: ‚Wie können wir unsere Erkenntnisse nutzen, um Menschen dort zu treffen, wo sie sind, und den Wunsch zu wecken, Veränderungen vorzunehmen?‘“

Laut Statistiken von Feeding America werden in den Vereinigten Staaten jedes Jahr etwa 119 Milliarden Pfund Lebensmittel verschwendet. Das entspricht 130 Milliarden Mahlzeiten und mehr als 408 Milliarden US-Dollar an weggeworfenen Lebensmitteln pro Jahr. Tatsächlich werden fast 40 Prozent aller Lebensmittel in Amerika verschwendet.

Lebensmittel werden in jeder Phase der Produktion und des Vertriebs verschwendet – vom Bauernhof bis zum Packhaus, vom Versender bis zum Hersteller und vom Einzelhändler bis zum Verbraucher. Lebensmittelabfälle in Haushalten machen etwa 39 Prozent der Gesamtmenge aus, während gewerbliche Lebensmittelabfälle etwa 61 Prozent davon ausmachen.

Lebensmittel, die auf Mülldeponien landen, machen den größten Einzelbestandteil des Siedlungsabfalls im Land aus. Dieser Abfall führt zu Treibhausgasemissionen und führt zu einem jährlichen wirtschaftlichen Verlust von etwa 165 Milliarden US-Dollar durch die in die Lebensmittelversorgungskette investierten Lebensmittel, Wasser, Energie und Chemikalien.

Anfang dieses Jahres erhielten Forscher des College of Agriculture and Life Sciences vom US-Landwirtschaftsministerium einen Zuschuss in Höhe von 2,4 Millionen US-Dollar für die Herstellung von Biokunststoffen aus Lebensmittelabfällen, die auf Mülldeponien entsorgt wurden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen, die aus erdölbasierten Materialien hergestellt werden, werden Biokunststoffe aus biologischen Elementen wie pflanzlichen oder tierischen Ölen hergestellt und werden auf natürliche Weise im Kompost und in Gewässern abgebaut.

Der dreijährige Zuschuss wird die Skalierbarkeit und Machbarkeit der Umwandlung dieser Abfälle in Biokunststoffe auf nationaler und globaler Ebene testen und gleichzeitig die Kosten für Biokunststoffe so niedrig wie möglich halten.

Das Projekt befasst sich auch mit den Umweltproblemen, die sich aus der Plastikverschmutzung der Ozeane ergeben. Nach Angaben des World Wildlife Fund sind fast 88 Prozent aller Meereslebewesen von Mikroplastik betroffen. Da aus Lebensmittelabfällen hergestellte Kunststoffe im Wasser schnell biologisch abbaubar sind, haben sie das Potenzial, schädliche Auswirkungen auf Meereslebewesen auf der ganzen Welt zu verringern.

Das erste Pilotprojekt seiner Art wird sich auf die Entwicklung eines Bioverarbeitungssystems konzentrieren, um solche biologisch abbaubaren Biokunststoffe aus Lebensmittelabfällen herzustellen.

„Dieses Pilotprojekt ist ein Wendepunkt in der Produktion von Kunststoffen“, sagte Zhiwu „Drew“ Wang, der Hauptforscher, Assistenzprofessor in der Abteilung für biologische Systemtechnik und Direktor des Zentrums für angewandte Wasserforschung und Innovation. „Wir werden eine Blaupause für die Massenproduktion biologischer Kunststoffe liefern.“

Herkömmliche Kunststoffe werden aus erdölbasiertem Öl hergestellt. Nach einem ähnlichen Prinzip kann Biokunststoff aus biologischem Öl wie tierischen Fetten, pflanzlichen Ölen oder mikrobiellem „Fett“ hergestellt werden.

Die Forscher setzen Mikroorganismen ein, um Lebensmittelabfälle zu verzehren und sie so zum Wachstum von Fetten oder biologischen Ölen anzuregen. Diese Fette werden dann geerntet, gereinigt und zu Biokunststoffen verarbeitet.

Haibo Huang, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Lebensmittelwissenschaft und -technologie an der Hochschule für Landwirtschaft und Biowissenschaften, und Young Kim, außerordentlicher Professor für Verpackungssysteme und Design in der Abteilung für nachhaltige Biomaterialien an der Hochschule für natürliche Ressourcen und Umwelt, sind ebenfalls dabei am Projekt beteiligt.

Huangs Team konzentriert sich auf die Trennung und Reinigung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA), den Polymerfetten, die durch die Fermentation von Lebensmittelabfällen durch die mikrobiellen Zellen entstehen.

Kims Arbeit nutzt die gereinigten PHAs zur Herstellung hochwertiger Biokunststoffprodukte, wie z. B. heimkompostierbare starre und flexible Verpackungssysteme einschließlich Flaschen, Verpackungsfolien und PHA-beschichteter Karton für Einwegverpackungsprodukte, die aufgrund der Pandemie stark nachgefragt werden .

Von Courtney Sakry / David Fleming / Chelsea Seeber / Suzanne Miller / Steven Mackay / Erica Stacy / Suzanne Irby und Max Esterhuizen