Cercetătorii descoperă reacții declanșate de apă, ce explică efectele microplasticelor
Cercetătorii au realizat o investigație asupra interacțiunii microplasticelor cu apa, descoperind reacții chimice care pot afecta sănătatea celulară și structura proteinelor.
Un studiu recent publicat în revista Nature a arătat că microplasticile de uz comun prezintă activitate fizico-chimică intrinsecă în apă. La interfețele microplastic–apă, se generează spontan specii reactive de oxigen (ROS), inclusiv radicali hidroxil (•OH), cu o producție a acestora care continuă în timp. Formarea radicalilor crește, de asemenea, odată cu hidrofobicitatea suprafeței. Această activitate de suprafață ar putea ajuta la explicarea modului în care microplasticile interacționează cu proteinele și alte biomolecule, având potențialul de a afecta structura proteinelor și sănătatea celulară.
Utilizarea plasticelor este răspândită datorită rezistenței chimice și durabilității lor. Fragmentele mai mici de 5,0 mm, cunoscute sub numele de microplastice, au stârnit îngrijorări legate de mediu și sănătate. Studiile de laborator au corelat expunerea la microplastice cu stres celular, inflamație și citotoxicitate, în timp ce cercetările observaționale au raportat asocieri cu probleme cardiovasculare, daune reproductive, boli neurologice și boli inflamatorii intestinale. Aceste constatări nu stabilesc o cauzalitate, dar detectarea lor în țesuturile umane și în mostrele de mediu subliniază necesitatea de a înțelege efectele potențiale.
În cadrul acestui studiu, cercetătorii au investigat dacă microplasticile sunt într-adevăr inerte, examinând interacțiunea a șase tipuri comune de plastic cu apa: polipropilenă (PP), polietilenă (PE), clorură de polivinil (PVC), polistiren (PS), tereftalat de polietilenă (PET) și polimetilmetacrilat (PMMA).
Simulările de dinamică moleculară și calculele ab initio au examinat relațiile dintre chimia suprafeței microplasticelor și apa interfețială. Calculul energiei de ionizare verticale (VIE) a estimat energia necesară pentru ca ionii de hidroxid (OH−) să piardă un electron și să formeze •OH, în timp ce spectroscopia de rezonanță spin-electronică (ESR) a detectat radicalii generați de microplasticile PS în apă, folosind 5,5-dimetil-1-pirrolin-N-oxid (DMPO) ca un momeal pentru radicali. Echipa a folosit aminofenil fluoresceină (APF) și microscopie confocală pentru a vizualiza generarea de •OH la suprafețele PS. A fost adăugat Triton X-100, un surfactant, pentru a evalua dacă modificarea interfeței microplastic–apă a afectat generarea radicalilor. Cercetătorii au evaluat sarcina suprafeței PS prin măsurători de potențial zeta electrorafic, care indică potențialul electric din apropierea suprafețelor particulelor, și au folosit colorantul fluorescent Rhodamine 800 (Rh800) pentru a vizualiza efectele sarcinii interfețiale, în timp ce spectroscopia de fotoelectroni cu raze X a evaluat puritatea suprafeței. Valorile publicate ale unghiului de contact cu apa au fost utilizate pentru a examina relația dintre hidrofobicitate și activitatea interfețială detectată de APF.
Pentru a examina modificările structurii proteinelor, cercetătorii au urmărit agregarea lizozimei utilizând colorantul fluorescent Thioflavin T (ThT). A fost adăugată cafeina, un scavenge de radicali, pentru a investiga dacă radicalii liberi produși la suprafețele plastice contribuie la acest proces. Într-un experiment separat, celulele roșii din sânge (RBC) obținute de la șoareci au fost expuse la diferite microplastice pentru a evalua activitatea lor hemolitică.
Experimentele au detectat generarea de radicali la interfețele microplastic–apă, iar măsurătorile de fluorescență au indicat o activitate mai mare la suprafețele mai hidrofobe. Calculările ab initio au susținut această relație, sugerând că solvatatia parțială și electrostatica au redus energiile de ionizare ale hidroxidului la interfețele din ce în ce mai hidrofobe. Acceptatorii de electroni din apropiere, inclusiv oxigenul dizolvat, ar putea facilita reacțiile propuse de formare a radicalilor. PMMA, cel mai hidrofob dintre polimerii testați, a arătat cea mai scăzută activitate interfețială, în timp ce PE a demonstrat un potențial zeta mai negativ și o populație mai mare de low-VIE.
Colorantul methyl orange s-a degradat cu aproape 90% în decurs de 10 zile în apă care conținea microplastice PS, sub agitare continuă, soluția schimbându-se de la galben deschis la aproape incolor. Această degradare nu a fost observată în alți solvenți comuni. Fluorescența localizată la suprafață a crescut în timp, susținând generarea continuă de •OH la interfețele PS–apă, ceea ce ar putea explica degradarea methyl orange.
În apă și soluție de NaCl 1,0 mM, microplasticile PS au arătat un potențial zeta negativ puternic, sugerând acumularea unei sarcini negative la interfețe. Îmbogățirea cu Rh800 a susținut și mai mult separarea sarcinii din apropierea suprafețelor particulelor. La o concentrație de surfactant de 0,1%, generarea ROS, îmbogățirea Rh800 și fluorescența locală APF au scăzut semnificativ. De asemenea, potențialul zeta s-a mutat spre zero, indicând schimbări în proprietățile interfeței.
Toate cele șase tipuri de microplastice au arătat dovezi de generare spontană de radicali, deși PP și PE au fost mai reactive decât PMMA și PET, în conformitate cu diferențele de hidrofobicitate ale polimerilor. Pe lângă oligomerele de ADN (DNA), biomoleculele cu sarcină pozitivă, cum ar fi aglutinina de germeni de grâu (WGA), și cele cu sarcină negativă, inclusiv R-ficoeritrina (R-PE), s-au acumulat pe suprafețele microplasticelor. Această acumulare a fost mai mare pe particulele PP, mai hidrofobe, decât pe PMMA. Adsorbția surfactantului a modificat, de asemenea, modul în care aceste biomolecule interacționează cu suprafețele plastice.
Pe măsură ce experimentul a progresat, fluorescența din jurul particulelor PS a crescut atunci când lizozima a fost prezentă în soluția tampon, sugerând că proteina se aglomerase. Acest efect a fost mai puțin pronunțat după adăugarea cafeinei, susținând o posibilă contribuție din partea radicalilor liberi produși la suprafața plasticului. Un strat de Triton X-100 a suprimat, de asemenea, modificările de fluorescență asociate cu agregarea proteinelor. Efectele au variat între tipurile de plastic, poliolefinele având o tendință mai mare de a promova agregarea proteinelor decât PMMA și PET, în conformitate cu diferențele în activitatea lor interfețială.
Expunerea la particulele PS a determinat dezvoltarea unor fragmente în formă de căciulă (schistocite) în unele celule roșii din sângele șoarecilor. Extinderea hemolizei a variat între tipurile de plastic și a corelat cu reactivitatea suprafeței acestora. Aceste experimente de laborator nu au stabilit că formarea radicalilor a cau
