Nanokunststoffe produzieren bei Lichteinwirkung unerwartet reaktive oxidierende Verbindungen
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Kunststoffe sind in unserer Gesellschaft allgegenwärtig. Sie finden sich in Verpackungen und Flaschen und machen mehr als 18 % der festen Abfälle auf Mülldeponien aus. Viele dieser Kunststoffe gelangen auch in die Ozeane, wo es bis zu Hunderte von Jahren dauert, bis sie in Stücke zerfallen, die Wildtiere und das aquatische Ökosystem schädigen können.
Nanokunststoffe erleichtern die Redox-Chemie in der Umwelt unter Lichtbeleuchtung. Polystyrol-Latexkügelchen (PS-blank) ohne Oberflächenmodifikation, Carboxylat-modifizierte Polystyrol-Latexkügelchen (PS-COOH) und Amin-modifizierte Polystyrol-Latexkügelchen (PS-NH2) Superoxidradikale (O2--), Peroxylradikale (ROO-).
Jun lab, McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis
Ein Forscherteam unter der Leitung von Young-Shin Jun, Professor für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, analysierte, wie Licht Polystyrol abbaut, einen nicht biologisch abbaubaren Kunststoff, aus dem Verpackungserdnüsse, DVD-Hüllen und Einweggeschirr hergestellt werden. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass Nanokunststoffpartikel eine aktive Rolle in Umweltsystemen spielen können. So förderten die aus Polystyrol gewonnenen Nanokunststoffe bei Lichteinwirkung unerwartet die Oxidation wässriger Manganionen und die Bildung von Manganoxid-Feststoffen, die das Schicksal und den Transport organischer Schadstoffe in natürlichen und technischen Wassersystemen beeinflussen können.
Die in der Zeitschrift ACS Nano vom 27. Dezember 2022 veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, wie die photochemische Reaktion von Nanokunststoffen durch Lichtabsorption Peroxyl- und Superoxidradikale auf Nanokunststoffoberflächen erzeugt und die Oxidation von Mangan zu Manganoxidfeststoffen einleitet.
"Da sich immer mehr Plastikmüll in der natürlichen Umwelt ansammelt, wächst die Besorgnis über seine schädlichen Auswirkungen", so Jun, der das Labor für Umweltnanochemie leitet. "In den meisten Fällen haben wir uns jedoch eher mit der Rolle der physischen Anwesenheit von Nanoplastik als mit ihrer aktiven Rolle als Reaktionspartner beschäftigt. Wir haben herausgefunden, dass solch kleine Kunststoffpartikel leichter mit benachbarten Stoffen wie Schwermetallen und organischen Verunreinigungen interagieren und reaktiver sein können, als wir bisher dachten."
Jun und ihre ehemalige Studentin Zhenwei Gao, die 2022 an der WashU in Umwelttechnik promovierte und jetzt als Postdoktorandin an der University of Chicago tätig ist, wiesen experimentell nach, dass die verschiedenen funktionellen Oberflächengruppen auf Polystyrol-Nanokunststoffen die Mangan-Oxidationsraten beeinflussen, indem sie die Bildung der hochreaktiven Radikale Peroxyl- und Superoxidradikale beeinflussen. Die Bildung dieser reaktiven Sauerstoffspezies durch Nanokunststoffe kann das Leben im Meer und die menschliche Gesundheit gefährden und möglicherweise die Mobilität der Nanokunststoffe in der Umwelt durch Redoxreaktionen beeinträchtigen, was sich wiederum negativ auf deren Umweltsanierung auswirken könnte.
Das Team untersuchte auch die Auswirkungen der Größe von Polystyrol-Nanokunststoffen auf die Manganoxidation, wobei es 30 Nanometer, 100 Nanometer und 500 Nanometer große Partikel verwendete. Bei den beiden größeren Nanopartikeln dauerte die Oxidation von Mangan länger als bei den kleineren Partikeln. Schließlich werden die Nanokunststoffe von neu gebildeten Manganoxidfasern umgeben, wodurch sie leicht aggregieren und ihre Reaktivität und ihren Transport verändern können.
"Die kleinere Partikelgröße der Polystyrol-Nanokunststoffe kann sich aufgrund ihrer größeren Oberfläche leichter zersetzen und organische Stoffe freisetzen", so Jun. "Diese gelösten organischen Stoffe können im Licht schnell reaktive Sauerstoffspezies erzeugen und die Manganoxidation erleichtern.
"Diese experimentelle Arbeit liefert auch nützliche Einblicke in die heterogene Keimbildung und das Wachstum von Manganoxid-Festkörpern auf solchen organischen Substraten, was unserem Verständnis des Vorkommens von Manganoxid in der Umwelt und der Synthese von technischen Materialien zugute kommt", so Jun. "Diese Manganfeststoffe sind hervorragende Fänger von redoxaktiven Spezies und Schwermetallen, die den Redoxkreislauf geochemischer Elemente, die Kohlenstoffmineralisierung und den biologischen Stoffwechsel in der Natur weiter beeinflussen.
Juns Team plant, den Abbau verschiedener gängiger Kunststoffquellen zu untersuchen, die Nanokunststoffe und reaktive oxidierende Spezies freisetzen können, und ihre aktive Rolle bei der Oxidation von Übergangs- und Schwermetallionen in Zukunft zu untersuchen.
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