Biofilmverspreiding helpt bij het identificeren van gebieden waar microplastics zich ophopen

De accumulatie van microplastics in het milieu en in ons lichaam is een steeds zorgwekkender probleem. Het voorspellen waar deze alomtegenwoordige deeltjes zich zullen ophopen, en waar herstelmaatregelen op gericht moeten worden, is moeilijk vanwege de vele factoren die bijdragen aan hun verspreiding en afzetting.

Nieuw onderzoek van MIT toont aan dat een belangrijke factor bij het bepalen waar micropartikels waarschijnlijk zullen ophopen, te maken heeft met de aanwezigheid van biofilms. Deze dunne, plakkerige biopolymeerlagen worden afgegeven door micro-organismen en kunnen zich ophopen op oppervlakken, zoals langs zandige rivierbeddingen of zeestranden. De studie ontdekte dat, onder gelijke omstandigheden, micropartikels minder waarschijnlijk zullen accumuleren in sediment dat doordrenkt is met biofilms, omdat ze, als ze daar landen, eerder opnieuw in suspensie worden gebracht door stromend water en worden weggedragen.

De open-access bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geophysical Research Letters, in een artikel van MIT-postdoc Hyoungchul Park en professor civiele en milieutechniek Heidi Nepf. “Microplastics zijn zeker vaak in het nieuws,” zegt Nepf, “en we begrijpen niet volledig waar de hotspots van accumulatie waarschijnlijk zullen zijn. Dit werk geeft een beetje richting.”

De meeste experimenten die kijken naar de manieren waarop micropartikels worden getransporteerd en afgezet, zijn uitgevoerd op kale zandbedden, zegt Park. “Maar in de natuur zijn er veel micro-organismen, zoals bacteriën, schimmels en algen, en wanneer ze zich hechten aan de rivierbedding, genereren ze plakkerige stoffen.” Deze stoffen staan bekend als extracellulaire polymeerstoffen, of EPS, en “kunnen de eigenschappen van het kanaalbed aanzienlijk beïnvloeden.”

Het onderzoek omvatte een stroomtank met een bodem bedekt met fijn zand, soms met verticale plastic buizen die de aanwezigheid van mangrovewortels simuleerden. In sommige experimenten bestond de bodem uit puur zand, terwijl in andere het zand was gemengd met biologisch materiaal om de natuurlijke biofilms na te bootsen die in veel rivierbeddingen en zeestranden voorkomen.

Water vermengd met kleine plastic deeltjes werd gedurende drie uur door de tank gepompt, en vervolgens werd het oppervlak van de bodem gefotografeerd onder ultraviolet licht dat de plastic deeltjes liet fluoresceren, waardoor een kwantitatieve meting van hun concentratie mogelijk was.

De resultaten onthulden twee verschillende fenomenen die de hoeveelheid plastic die zich op de verschillende oppervlakken ophoopte, beïnvloedden. Direct rond de stokken die de bovengrondse wortels vervingen, voorkwam turbulentie de afzetting van de deeltjes. Daarnaast, naarmate de hoeveelheid gesimuleerde biofilms in het sedimentbed toenam, nam de ophoping van deeltjes ook af.

Nepf en Park concludeerden dat de biofilms de ruimtes tussen de zandkorrels vulden, waardoor er minder ruimte was voor de micropartikels om in te passen. De deeltjes waren meer blootgesteld omdat ze minder diep tussen de zandkorrels doordrongen, en daardoor waren ze veel gemakkelijker opnieuw in suspensie te brengen en weg te voeren door het stromende water.

“Deze biologische films vullen de poriën tussen de sedimentkorrels,” legt Park uit, “en dat maakt de afgegeven deeltjes—de deeltjes die op de bodem landen—meer blootgesteld aan de krachten die door de stroming worden gegenereerd, waardoor het gemakkelijker wordt voor hen om opnieuw in suspensie te worden gebracht.”

“Wat we ontdekten was dat in een kanaal met dezelfde stromingsomstandigheden, dezelfde vegetatie en dezelfde zandbodem, als de ene geen EPS heeft en de andere wel, de zonder EPS een veel hogere afzettingsgraad heeft dan de met EPS.”

Nepf voegt toe: “De biofilm blokkeert de plastics om zich in de bodem op te hopen omdat ze niet diep in de bodem kunnen doordringen. Ze blijven gewoon op het oppervlak liggen, en worden dan opgepakt en ergens anders naartoe verplaatst.”

“Dus, als ik een grote hoeveelheid microplastic in twee rivieren zou morsen, en de ene had een zandige of grindachtige bodem, en de andere was modderiger met meer biofilm, zou ik verwachten dat meer van de microplastics worden vastgehouden in de zandige of grindachtige rivier.”

Dit alles wordt bemoeilijkt door andere factoren, zoals de turbulentie van het water of de ruwheid van het bodemoppervlak, zegt ze. Maar het biedt een “mooie lens” om enkele suggesties te doen voor mensen die proberen de impact van microplastics in het veld te bestuderen.

“Ze proberen te bepalen in welke soorten habitats deze plastics zich bevinden, en dit biedt een kader voor hoe je die habitats kunt categoriseren,” zegt ze. “Het geeft richtlijnen over waar je meer of minder plastics zou moeten vinden.”

Als voorbeeld stelt Park voor dat in mangrove-ecosystemen microplastics zich mogelijk bij voorkeur ophopen aan de buitenranden, die vaak zandig zijn, terwijl de binnenzones sediment hebben met meer biofilm. Daarom suggereert dit onderzoek dat “de zandige buitengebieden potentiële hotspots voor microplastic accumulatie kunnen zijn,” zegt hij, en dit kan een prioriteitszone maken voor monitoring en bescherming.

“Dit is een zeer relevante bevinding,” zegt Isabella Schalko, een onderzoekswetenschapper aan ETH Zürich, die niet betrokken was bij dit onderzoek. “Het suggereert dat herstelmaatregelen zoals herbebossing of het bevorderen van biofilmgroei kunnen helpen om de accumulatie van microplastics in aquatische systemen te verminderen. Het benadrukt de krachtige rol van biologische en fysieke kenmerken in het vormgeven van de transportprocessen van de deeltjes.”