Perché la plastica persiste per anni: la chimica dell’acqua rallenta la pulizia naturale

Gli scienziati sanno da tempo che la luce solare contribuisce alla decomposizione della plastica. Perché, allora, i prodotti in plastica persistono per decenni, se non addirittura per secoli, in fiumi, laghi e oceani, anche se esposti direttamente alla luce solare? Gli ingegneri della Northwestern University hanno scoperto una risposta inaspettata. Il colpevole, sorprendente, è l’acqua stessa.

In un nuovo studio progettato per simulare condizioni ambientali reali, i ricercatori hanno scoperto che la composizione chimica delle acque naturali , in particolare le combinazioni di sale e materia organica, ritarda significativamente la degradazione del polistirene, una plastica comunemente utilizzata negli imballaggi e nei contenitori per alimenti.

Poiché la luce solare non riesce ad avviare efficacemente il processo di degradazione, i microbi non possono completarlo. Ciò significa che il processo di pulizia naturale rallenta, consentendo alla plastica di accumularsi e persistere nei corsi d’acqua di tutto il mondo.

I risultati dimostrano che risolvere il problema dell’inquinamento da plastica non riguarda solo il materiale in sé, ma anche l’ambiente in cui viene disperso. Queste conoscenze potrebbero essere utilizzate per progettare nuovi tipi di plastica che si degradano anche in ambienti salini e complessi, o che non necessitano della luce solare per avviare il processo di decomposizione.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista npj Materials Degradation .

“Nella letteratura scientifica è ampiamente riportato che la luce ultravioletta può facilitare una significativa degradazione della plastica in un processo chiamato fotodegradazione”, ha affermato Ludmilla Aristilde della Northwestern University, che ha guidato lo studio.

“Se così fosse, perché i detriti di plastica si degradano così lentamente nelle nostre acque superficiali? A quanto pare, molti esperimenti di laboratorio utilizzano acqua pura o acqua che non rappresenta la composizione chimica naturale dell’acqua e luce artificiale che non riflette l’intero spettro della radiazione solare. Ci siamo chiesti se questi studi non stessero trascurando una parte importante del problema, ignorando la complessità degli ambienti naturali.”

Aristilde, esperta nella dinamica delle sostanze organiche nei processi ambientali, è professoressa di ingegneria civile e ambientale presso la McCormick School of Engineering della Northwestern University e membro del Center for Synthetic Biology, dell’International Institute for Nanotechnology e del Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy.

Questo lavoro è stato condotto dalla ricercatrice post-dottorato Nasrin Naderi Beni e dalla dottoranda Cara Flynn, entrambe membri del gruppo di ricerca Aristilde.

Ricreare la natura in laboratorio

Per trovare il pezzo mancante del puzzle, Aristilde e il suo team hanno creato in laboratorio diversi scenari realistici. Per simulare l’acqua oceanica , i ricercatori hanno aggiunto sale e altri ioni disciolti come cloruro, bromuro, bicarbonato e solfato. Per riprodurre l’acqua dolce, il team ha creato una soluzione con livelli di sale inferiori e una diversa miscela di ioni disciolti, tipica di laghi e fiumi.

In alcuni esperimenti, il team ha anche aggiunto materia organica, simile a quella presente nei fiumi naturali, proveniente da piante in decomposizione e materiale microbico.

Per confronto e per rispecchiare studi precedenti, i ricercatori hanno anche allestito un esperimento con acqua purificata priva di questi ingredienti. Successivamente, hanno aggiunto sottili strisce di plastica di polistirene a ciascuna miscela e le hanno esposte a luce solare simulata a spettro completo per circa tre mesi.

In tutte le condizioni, la luce solare ha innescato le prime fasi di degradazione. Le superfici della plastica sono diventate più ruvide, screpolate e chimicamente alterate. Tuttavia, l’entità del danno variava notevolmente a seconda dell’acqua. La plastica si degradava maggiormente in acqua purificata, meno in acqua dolce e minimamente in acqua di mare.

“Abbiamo utilizzato diverse tecniche per esaminare le superfici plastiche a livello microscopico e molecolare”, ha affermato Aristilde. “Per i campioni immersi in acqua pura, abbiamo osservato la formazione di evidenti ‘montagne e valli’ sulla superficie della plastica dopo l’esposizione a una simulazione continua della luce solare. Abbiamo raccolto prove della degradazione del polimero, di nuove reazioni chimiche superficiali derivanti dall’ossidazione della plastica e del rilascio di prodotti nell’acqua.”

Competizione per la luce del sole

Quando i ricercatori hanno aggiunto materia organica naturale, questa ha ulteriormente ridotto la degradazione in soluzioni che riproducevano sia la composizione chimica dell’acqua dolce che quella dell’acqua di mare. In altre parole, più l’acqua diventava realistica, meno la plastica si degradava.

Aristilde concluse che, sebbene la luce solare inneschi reazioni chimiche nelle materie plastiche, i sali ne attenuano l’effetto. Allo stesso tempo, l’effetto combinato della materia organica e dei sali può bloccare la luce solare o neutralizzare le molecole reattive.

“Pensiamo che, nell’acqua pura, la luce solare la attraversi e raggiunga direttamente la plastica”, ha affermato Aristilde. “Ma quando l’acqua contiene ioni disciolti e materia organica, la luce solare reagisce con questi componenti. Di conseguenza, tali componenti competono con la plastica per le reazioni innescate dalla luce solare.”

Sebbene la luce solare non degradi completamente i materiali plastici, può prepararli a un’ulteriore degradazione da parte dei microbi. Quando il polistirene si decompone, rilascia frammenti e piccole molecole che i microbi possono utilizzare come nutrimento, e le superfici più ruvide offrono ai batteri un punto d’appoggio. Dopo aver esaminato la reazione della plastica alla sola luce solare, il team di Aristilde ha introdotto un batterio ambientale, noto per la sua capacità di degradare la plastica, in ciascun campione d’acqua.

Il team ha scoperto che la plastica esposta alla luce solare in soluzione di acqua dolce mostrava una maggiore degradazione microbica rispetto alla plastica esposta in soluzione di acqua di mare. Quindi, poiché l’acqua di mare ha attenuato il danno iniziale causato dalla luce solare, i microbi hanno avuto meno materiale su cui agire.

“Il sole compie la prima fase del processo di degradazione, aiutando i microbi a disintegrare la plastica”, ha spiegato Aristilde. “Modificando la composizione chimica della superficie della plastica, questa diventa più attraente per i batteri.”

Implicazioni per l’inquinamento da plastica

Lo studio non solo fornisce una spiegazione del perché la plastica rimanga nell’ambiente per così tanto tempo, ma mette anche in luce una sfida più ampia. Le soluzioni che sembrano promettenti in condizioni di laboratorio semplificate potrebbero non funzionare allo stesso modo in sistemi naturali complessi.

Comprendere i vincoli reali, quelli del mondo reale, è essenziale, ha affermato Aristilde, per prevedere cosa accadrà ai materiali plastici, progettare versioni biodegradabili dei materiali plastici e sviluppare strategie efficaci per affrontare l’inquinamento da plastica.

“La nostra motivazione principale era comprendere i processi naturali che osserviamo al di fuori del laboratorio”, ha affermato Aristilde. “Ma siamo anche motivati ​​a scoprire nuovi processi che possano fornire spunti per soluzioni ingegneristiche. Queste nuove informazioni potrebbero aiutare gli ingegneri a progettare plastiche con caratteristiche che le rendano biodegradabili nel tempo. Ad esempio, se riuscissimo a rendere la plastica più sensibile alla luce solare, potremmo facilitare il processo di decomposizione da parte dei microbi.”

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