master's thesis
Mia Henjak (Author), Gabriela Kalčíková (Mentor), Rok Ambrožič (Thesis defence commission member), Tina Skalar (Thesis defence commission member)

Abstract

Microplastic from rubber tires known as tire wear microplastics (TWMs) are one of the major contributors to microplastic pollution. TWMs are generated by friction between tire tread and road surface. From roads they can be transported through runoff or air reaching all segments of environment. In aquatic environment they can affect various organisms, but they can also be subjected to aging process, altering initial properties of the particles and thus their fate and effects. Aging involves formation of biofilms around the particles, which is the initial step in the biodegradation process. The aim of this study was to investigate toxicity of TWMs on aquatic macrophyte Lemna minor, together with aging process and biodegradation of TWMs in natural freshwater under laboratory conditions. Aging process was evaluated by monitoring of biofilm development and its effect on TWMs surface and density. Moreover, leaching of zinc and organics was also investigated. The results showed minimal effect of TWMs on Lemna minor and thus their ecotoxic potential was assessed as low. The aging experiment revealed colonization of TWMs by microorganisms, however amount of biofilm was low and with time it started to detach from the TWMs surface. It is plausible that chemicals and heavy metals from TWMs negatively affected microorganisms. Microscopic analysis together with FTIR analysis confirmed the presence of microorganisms on the surface of TWMs. However, there was no sign of initial biodegradation of TWMs which was also confirmed with the biodegradability test. This suggests that TWMs may persist and accumulate in freshwater environments, posing a long-term environmental challenge.

Keywords

tire wear;microplastics;aging;toxicity;freshwater;

Data

Language: English
Year of publishing:
Typology: 2.09 - Master's Thesis
Organization: UL FKKT - Faculty of Chemistry and Chemical Technology
Publisher: [M. Henjak]
UDC: 504.5:678(043.2)
COBISS: 173372675 Link will open in a new window
Views: 81
Downloads: 19
Average score: 0 (0 votes)
Metadata: JSON JSON-RDF JSON-LD TURTLE N-TRIPLES XML RDFA MICRODATA DC-XML DC-RDF RDF

Other data

Secondary language: Slovenian
Secondary title: Staranje in vplivi mikroplastike iz avtomobilskih pnevmatik v vodnem okolju
Secondary abstract: Mikroplastika iz pnevmatik je v današnjem času zaradi povečanega prometa in vsakodnevne uporabe vozil eden od glavnih virov onesnaževanja z mikroplastiko. Raziskave kažejo, da do 70 % vseh mikroplastičnih delcev v okolju izvira iz materialov pnevmatik. Sprva so pnevmatike izdelovali iz naravnega kavčuka, pridobljenega iz brazilskega drevesa kavčuk (Hevea brasiliensis), danes pa uporabljajo mešanico naravnega in sintetičnega kavčuka iz nafte. Poleg glavnih polimernih spojin pnevmatike vsebujejo tudi polnila, mehčala, dodatke in antioksidante, ki ohranjajo lastnosti pnevmatik med uporabo in preprečujejo njihovo propadanje. Poleg tega se za pospešitev postopka vulkanizacije dodajata vulkanizacijski sredstvi – žveplo in cink. Mikroplastika iz avtomobilskih pnevmatik nastaja zaradi mehanske obrabe tekom uporabe le teh. Trenje med plastjo pnevmatike in cesto povzroči toploto v pnevmatiki, kar lahko spremeni kemijsko in fizikalno sestavo pnevmatike ter nastanek mikroplastike. Mikroplastika iz pnevmatik se s sprostitvijo na cesto lahko razprši v okolje. Iz cest se lahko prenaša prek odtokov ali zraka, doseže atmosfero, vodno in kopensko okolje. Ko mikroplastika iz pnevmatik vstopi v okolje, je izpostavljena različnim naravnim procesom in služi kot nov habitat za mikrobiološko življenje bakterijam, glivam, protozojem in algam, ki na površini mikroplastike tvorijo biofilme. Tvorba biofilma je začetni korak pri biološki razgradnji. Ta proces imenujemo biološko staranje ali »biofouling«. Poleg biološkega staranja je mikroplastika iz pnevmatik v okolju izpostavljena abiotskemu staranju, kot so mehanski učinki vetra in tokovi ter oksidacijski procesi zaradi toplote in svetlobe. Ti procesi lahko močno spremenijo primarne lastnosti mikroplastike iz pnevmatik, vplivajo na njihovo usodo in transport v okolju ter posledično na žive organizme. V vodnem okolju se lahko številne spojine, kot so težke kovine in organske snovi, ki so prisotne v pnevmatikah, izlužujejo ter organizmom in okolju predstavljajo nevarnost. Strupenost mikroplastike iz pnevmatik je večinoma povezana z izluževanjem težkih kovin, kot so cink, svinec in kadmij, in različnih organskih spojin, kot so tiazolni derivati, ftalati, fenolni derivati, ogljikovodiki, aromatske amine in smolne kisline. Poleg tega lahko mikroplastika iz pnevmatik deluje kot nosilec drugih onesnaževalcev in tvori heteroagregate. Cilj magistrskega dela je bil preučiti vpliv mikroplastike iz pnevmatik na vodno rastlino, malo vodno lečo Lemna minor, in spremljati staranje ter biorazgradnjo mikroplastike iz pnevmatik v naravnem sladkovodnem okolju. V eksperimentalnem delu smo uporabili mikroplastiko iz avtomobilskih pnevmatik, ki smo jih pridobili v lokalni avtomehanični delavnici. Večji delci so bili ločeni z laboratorijskimi testnimi siti, da bi dobili delce, manjše od 500 µm, s povprečno velikostjo delca 47,39 ± 22,2 µm. Poskus je najprej zajemal dva glavna dela. V prvem delu smo določili strupenost mikroplastike iz starih pnevmatik na Lemna minor po OECD testu št. 221: Test zaviranja rasti vrste Lemna. Poskus je potekal v 100 mL čašah s 50 mL rastnega medija. Koncentracije mikroplastike iz pnevmatik so bile 100, 250, 500 in 1000 mg/L. V vsako čašo smo po odstranitvi korenin za zagotovitev enakih začetnih pogojev dodali deset zdravih odraslih listov male vodne leče. Vse čaše smo postavili za sedem dni v inkubator pri 24 ± 1 °C pod svetlobno/temno obdobje (18 h svetlobe in 16 h teme). Po sedmih dneh smo izračunali specifično hitrost rasti, izmerili dolžino korenin in vsebnost klorofilov v mali vodni leči. V drugem delu smo izvedli poskus staranja v površinski vodi v nadzorovanih laboratorijskih pogojih v obdobju 12 tednov. V erlenmajerice smo dodali 150 mL površinske vode in 5 g/L mikroplastike ter jih postavili na stresalnik pri 125 rpm. Poskus je potekal pri sobni temperaturi (22 ± 2 °C) s svetlobno/temnim ciklom, 16/8 h, s svetlobno intenziteto 1200–1300 za simuliranje dnevne svetlobe. Vsake dva tedna smo mikroplastiko iz pnevmatik iz vsake steklenice vakuumsko filtrirali in dodali svežo površinsko vodo. Med postopkom staranja smo vsake dva tedna spremljali tvorbo biofilma. Maso biofilma smo določili z izračunom razlike v masi starane mikroplastike iz pnevmatik pred in po popolni odstranitvi biofilma s Fentonovo oksidacijo. Gostoto smo izmerili s piknometrom. Poleg tega smo preučili spremembe na površini mikroplastike s pomočjo vrstičnega elektronskega mikroskopa (FE-SEM) in Fourierjeve transformacije infrardeče spektroskopije (FTIR) po 12 tednih staranja. Sledili smo tudi izluževanju aditivov in analizirali koncentracijo cinka (Zn) in organskih spojin, izraženih kot raztopljeni organski ogljik (DOC). Biorazgradnjo mikroplastike iz pnevmatik smo ocenili z merjenjem porabe kisika s pomočjo zaprtega respiratorja v obdobju 12 tednov. Ta meritev temelji na opazovanju spremembe tlaka, ki izhaja iz porabe kisika med oksidacijo organskih onesnaževal. Biorazgradnjo mikroplastike iz pnevmatik smo preučili v isti površinski vodi, kot je bila uporabljena v poskusu staranja. Rezultati so pokazali, da vse testirane koncentracije mikroplastike iz pnevmatik nimajo opaznega učinka na specifično hitrost rasti, dolžino korenin in vsebnost klorofila v mali vodni leči. Minimalen učinek smo opazili le pri zelo visoki koncentraciji mikroplastike iz pnevmatik. Rezultati poskusa staranja so pokazali, da se je po dveh tednih staranja na površini mikroplastike iz pnevmatik tvoril biofilm, kar pomeni, da so imeli mikroorganizmi afiniteto do te mikroplastike. V naslednjih tednih se je količina biofilma ohranila, a se je po 10 tednih staranja zmanjšala. Staranje je vplivalo tudi na gostoto, ki se je zmanjšala. Iz mikroplastike se je na začetku poskusa izluževalo največ Zn in TOC. Na koncu poskusa se je začel povečevati DOC, kar je morda povezano z razpadom biofilma. Dodatne analize površine s FTIR so pokazale, da je prišlo do sprememb, ampak raztezanje vezi COO- je značilno za pektične polisaharide, ki so običajno prisotni v biofilmu. Prisotnost mikroorganizmov je potrdila tudi analiza FE-SEM, vendar na površini nismo opazili nobenih sprememb. Razpoke na površini mikroplastike so bile opažene tako za nestarano kot starano mikroplastiko iz pnevmatik. Rezultati so pokazali, da mikroplastika iz pnevmatik ni enostavno biološko razgradljiva, saj biorazgradnja med poskusom ni presegla 3,8 ± 2,2 %. Iz rezultatov sklepamo, da je strupenost mikroplastike iz pnevmatik na vodne organizme nizka, bolj zaskrbljujoča je persistenca teh delcev. Čeprav so mikroorganizmi sposobni naseliti površino mikroplastike, do razgradnje ne pride – verjetno zaradi negativnega vpliva aditivov na mikroorganizme v biofilmu. Verjetno je, da v okolju prihaja do akumulacije mikroplastike iz pnevmatik, kar predstavlja dolgoročni okoljski izziv.
Secondary keywords: mikroplastika;pnevmatike;staranje;vplivi na okolje;strupenost;magistrska dela;Polimeri;Ekologija sladkih voda;Biorazgradnja;Univerzitetna in visokošolska dela;
Type (COBISS): Master's thesis/paper
Study programme: 1000376
Embargo end date (OpenAIRE): 1970-01-01
Thesis comment: Univ. v Ljubljani, Fak. za kemijo in kemijsko tehnologijo, smer Kemijsko inženirstvo
Pages: 43 str.
ID: 19999864