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-). (Quelle: Jun lab, McKelvey School of Engineering at Washington University in St. Louis)

Nanokunststoffe produzieren bei Lichteinwirkung unerwartet reaktive oxidierende Verbindungen

Publiziert

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.

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.

Jüngste Ergebnisse veröffentlicht
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."

Hochreaktive Radikale nachgewiesen
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.

Grössenvergleich
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.

Literatur
Zhenwei Gao et al.; Oxidative Roles of Polystyrene-Based Nanoplastics in Inducing Manganese Oxide Formation under Light Illumination; ACS Nano 2022

EVENTS

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 11 – 14 Juni 2024

Ort: Genf (CH)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Europas führende Plattform für Forschung und Innovationskraft

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Jena (D)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 25.-28. September 2024

Ort: Düsseldorf (D)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 08.-09. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Fachmesse für den Gesundheitsmarkt

Datum: 22.-24. Oktober 2024

Ort: Zürich (CH)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 17.-18. März 2025

Ort: Berlin (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 16.-18. September 2025

Ort: Basel (CH)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des globalen Wasserkreislaufs

Datum: 04.-06. Februar 2026

Ort: Bulle (CH)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 24.-27. März 2026

Ort: München (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis