Study of the formation of microlastics, the development and the characteristics of biofilm on plastic debris and the interaction of micro and macroplastics with an organic pollutant in the absence and presence of biofilm in the coastal environment
Authors: Τζιούρρου Παύλος 
Published: December 2021

Η ρύπανση από πλαστικά είναι μία από τις πιο κρίσιμες απειλές καθώς και ένα σημαντικό επιστημονικό ζήτημα λόγω της ποικιλίας των αρνητικών επιδράσεών της. Εκατομμύρια τόνοι πλαστικών εισέρχονται στους ωκεανούς και έτσι περισσότερα πλαστικά παρά ψάρια εκτιμάτε ότι θα υπάρξουν στους ωκεανούς παγκοσμίως μέχρι το 2050 (σε μάζα). Καλύπτοντας το μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη μας (~70%), οι ωκεανοί ως δυναμικά συστήματα, μεταφέρουν τα πλαστικά απορρίμματα παντού, καθώς επίσης γίνονται δέκτες της πλαστικής ρύπανσης από άλλα περιβάλλοντα όπως τη χέρσο (π.χ. διαμέσου των παράκτιων ζωνών), την ατμόσφαιρα, τα ποτάμια κλπ. Λόγω της ποικιλίας των συνθηκών, όπως της καταβύθισης των πλαστικών στο θαλάσσιο πυθμένα, του είδους, του μεγέθους, του τεμαχισμού, της αποδόμησής τους κ.α., είναι σημαντικό να κατανοηθεί καλύτερα η συμπεριφορά των πλαστικών στο περιβάλλον, όπως οι αλληλεπιδράσεις τους με άλλους ρύπους, μικροοργανισμούς και άλλες παραμέτρους (βιολογικές, χημικές, γεωλογικές και φυσικές).Στη παρούσα διατριβή, εξετάστηκαν ο σχηματισμός μικροπλαστικών, η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισμός του βιοφίλμ στα πλαστικά απορρίμματα και οι αλληλεπιδράσεις μίκρο- και μάκρο- πλαστικών με έναν οργανικό ρύπο (το φαινανθρένιο) κατά την απουσία και παρουσία βιοφίλμ, στο παράκτιο περιβάλλον, συνδυάζοντας πειράματα πεδίου και εργαστηρίου. Στη έρευνα, χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά μεγέθη πολυμερών (σκόνη, πέλλετ και λωρίδες) για την εξέταση των αλληλεπιδράσεων τους με το φαινανθρένιο καθώς επίσης και του σχηματισμού του βιοφίλμ σε διαφορετικά σχήματα και μεγέθη πλαστικών δίνοντας έμφαση σε μια καινούργια εφαρμογή της μεθόδου για τον χαρακτηρισμό του βιοφίλμ [Φασματοσκοπία Διάχυτης Ανάκλασης (ΦΔΑ)].Παρατηρηθήκαν ρωγμές στις επιφάνειες των πλαστικών σακουλών που συλλέχθηκαν από τη παράκτια ζώνη, καθώς επίσης και ο τεμαχισμός μιας οξο-διασπώμενης πλαστικής σακούλας παράγοντας αρκετά μικροσκοπικά σωματίδια. Οι πλαστικές σακούλες [πολυαιθυλενίου (PE)] μπορούν να τεμαχιστούν σε μικρότερα σωματίδια πριν παρατηρηθούν σημαντικές χημικές τροποποιήσεις στα συνθετικά αυτά πολυμερή, ενώ μηχανικές τροποποιήσεις λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας τεμαχισμού. Ως αποτέλεσμα (α) της ύπαρξης οξο-αποδομήσιμων ουσιών (για παράδειγμα το άμυλο, η συγκολλητική ουσία των συνθετικών πολυμερικών τεμαχίων στις οξο-διασπώμενες πλαστικές σακούλες, το οποίο προστίθεται κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας), παρατηρήθηκε αποδόμηση του αμύλου, αλλά και χημικές μεταβολές του συνθετικού πολυμερούς και (β) παρατηρήθηκε οξείδωση της επιφάνειας λόγω χημικής αποδόμησης – ο σχηματισμός των λειτουργικών ομάδων C–Ο, οδηγεί στη καταστροφή των δεσμών H–C και C–C που με τη σειρά τους έχουν ως αποτέλεσμα των τεμαχισμό των πλαστικών σακουλών.Πλαστικά πέλλετ (πρώτη ύλη) καθώς και θραύσματα εντοπίστηκαν σε άλλη παράκτια ζώνη. Τα μικροπλαστικά που παρατηρηθήκαν στην παράκτια ζώνη εξαρτώνται από τη χρήση γης. Για παράδειγμα πλαστικά πέλλετ και θραύσματα σε δύο παραλίες της νήσου Σαλαμίνας ήταν κατασκευασμένα από PE, καθώς επίσης από διογκωμένη πολυστερίνη (EPS), και πολλά από αυτά προέρχονταν από την αλιευτική δραστηριότητα. Συγκεκριμένα στην παραλία της Ψιλής Άμμου παρατηρήθηκε μεγάλο ποσοστό PE θραυσμάτων σε σύγκριση με την παραλία Κανάκια, λόγω της βιομηχανικής δραστηριότητας στην απέναντι περιοχή. Για την Ψιλή Άμμο, τα περισσότερα PE θραύσματα ήταν αποδομημένα εκτός μερικών φρέσκων PE πέλλετ που προέρχονταν από πλαστικά προϊόντα από τους καταναλωτές και λόγω του φυσικού τους κατακερματισμού. Όλα τα PE δείγματα που βρέθηκαν στα Κανάκια ήταν αποδομημένα λόγω παλαιότερων εισδοχών ή προερχόμενα από απομακρυσμένες περιοχές από τη παραλία.Η παρθένα σκόνη πολυαιθυλενίου χαμηλής πυκνότητας (LDPE) συσσωματώνεται σε μεγαλύτερα σωματίδια, τα οποία παρουσίασαν ουδέτερο επιφανειακό φορτίο σε διάλυμα με βάση τις μετρήσεις ζ-δυναμικού. Αντίστοιχο διάλυμα με τη σκόνη LDPE και με μικροοργανισμούς επίσης δημιουργούσε συσσωματώματα παρουσιάζοντας υψηλό επιφανειακό φορτίο.Όταν τα μικροπλαστικά είναι μικρότερα από τους μικροοργανισμούς, μπορούν να προσκολληθούν στις μεμβράνες των μικροοργανισμών, ενώ όταν είναι μεγαλύτερα από τους μικροοργανισμούς, δημιουργείται στην επιφάνειά τους βιοφίλμ. Οι τεχνικές μικροσκοπίας αποκάλυψαν διάφορα είδη μικροοργανισμών σε πλαστικές επιφάνειες. Παρατηρήθηκαν διακυμάνσεις στις κορυφές του DRS, που μπόρεσαν να αντιστοιχιστούν σε διάφορα μοτίβα βιοφίλμ. Οι κορυφές πιθανόν αντιστοιχούν στο σχηματισμό ως αποτέλεσμα αριθμού ειδών που αποικίζουν τις επιφάνειες ανάλογα τη χρονική περίοδο και τον τύπο του πλαστικού. Το βιοφίλμ αναπτύσσεται με συγκεκριμένο τρόπο στις πλαστικές επιφάνειες και εξαρτάται από το υλικό του πλαστικού, το υδάτινο περιβάλλον καθώς επίσης και τις συνθήκες της υγρασίας (παρατηρήθηκαν μεταβολές στις λειτουργικές ομάδες στα δείγματα LDPE, με βάση τα φάσματα IR τα οποία εξαρτώνται από το είδος του υδάτινου περιβάλλοντος), τα φάσματα IR έδειξαν διαφορές στις διακύμανσεις κυρίως στο LDPE [και στα δύο δείγματα (LDPE και PET), παρατηρήθηκαν διαφορετικές τιμές διαπερατότητας (%)]. Το DRS είναι ένας χρήσιμος, απλός, μη καταστρεπτικός και χαμηλού κόστους τρόπος μελέτης της ανάπτυξης βιοφίλμ στα πλαστικά απόβλητα, χωρίς να απαιτείται ειδική επεξεργασία στα δείγματα πριν από την ανάλυση.Πλαστικά διαφορετικών μεγεθών δοκιμάστηκαν για την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων με το φαινανθρένιο. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας τις τρεις διαφορετικές κατηγορίες μεγέθους πλαστικών, απουσία και παρουσία μικροοργανισμών. Δείγματα παρθένων πέλλετ σε συνδυασμό με δείγμα πλαστικού σε σκόνη (επίσης πρώτη ύλη) και μακροπλαστικά (σε σχήμα λωρίδας) χρησιμοποιώντας επίσης διαφορετικούς τύπους πλαστικών έδειξαν διαφορετική συμπεριφορά ρόφησης του φαινανθρενίου (σε συνθετικό θαλασσινό νερό) απουσία και παρουσία βιοφίλμ.Ο ρυθμός διάχυσης (De/a2) υπολογίστηκε υψηλότερος για τα παρθένα δείγματα σε σχέση με τα δείγματα παρουσία βιοφίλμ. Μεταξύ των δύο διαφορετικών μεγεθών των παρθένων δειγμάτων LDPE, το De/a2 ήταν μη σημαντικά διαφορετικό (σκόνη: 3.8x10-13 s-1 και πέλλετ: 6.1x10-13 s-1). Η ψεύδο πρώτης τάξης κινητική για τα διαφορετικά μεγέθη του ίδιου υλικού (παρθένα δείγματα LDPE) υπολογίστηκε σε 0.34 ± 0.034, 0.074 ± 0.002, και 0.438 ± 0.108 για δείγματα σκόνης, πέλλετ και λωρίδων, αντίστοιχα (δηλαδή λωρίδα > σκόνη > πέλλετ)•παρθένα δείγματα PET: λωρίδα > πέλλετ. Μεταξύ των δειγμάτων λωρίδων, η ψεύδο πρώτης τάξης κινητική ήταν: λωρίδες με βιοφίλμ > παρθένες λωρίδες. Παρατηρήθηκε επίσης η διεργασία της εκρόφησης (De/a2: εκρόφηση > ρόφηση, ψεύδο πρώτης τάξης κινητική: εκρόφηση > ρόφηση). Συμπερασματικά, το είδος και το μέγεθος του πλαστικού παρατηρήθηκε ότι επηρεάζουν την κινητική της ρόφησης, καθώς επίσης και η παρουσία του βιοφίλμ επηρεάζει την κινητική της ρόφησης.Τα πιο σημαντικά συμπεράσματα αυτής της μελέτης μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: (α) τα πλαστικά μπορούν να τεμαχιστούν σε μικροπλαστικά πριν ανιχνευθούν σημαντικές χημικές τροποποιήσεις σε συνθετικά πολυμερή, β) οι τύποι των μικροπλαστικών που παρατηρούνται στην παράκτια ζώνη εξαρτώνται από τις χρήσεις της γης, (γ) όταν τα μικροπλαστικά είναι μικρότερα από τους μικροοργανισμούς, μπορούν να προσαρτηθούν στις μεμβράνες των μικροοργανισμών, ενώ όταν τα μικροπλαστικά είναι μεγαλύτερα από τους μικροοργανισμούς, οι μικροοργανισμοί προσκολλώνται και στη συνέχεια δημιουργούν βιοφίλμ που αναπτύσσεται με συγκεκριμένο τρόπο σε πλαστικές επιφάνειες, (δ) το DRS αποδείχθηκε ότι ήταν ένα χρήσιμο εργαλείο για την εξέταση του βιοφίλμ σε πλαστικές επιφάνειες χωρίς την καταστροφή του δείγματος, και ε) η παρουσία βιοφίλμ επηρεάζει την κινητική της ρόφησης χρησιμοποιώντας το φαινανθρένιο ως μοντέλο οργανικού ρύπου. Ο τύπος καθώς και το μέγεθος του πλαστικού παρατηρήθηκε ότι επηρεάζουν την κινητική της ρόφησης.