از آغاز تولید انبوه پلاستیک‌ها در دهه ۱۹۵۰، میلیون‌ها تن زباله پلاستیکی وارد محیط‌های آبی شده‌اند. این مواد با گذر زمان به ذرات میکروسکوپی و در نهایت به نانوذراتی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر تجزیه می‌شوند. در این مقیاس، نسبت سطح به حجم افزایش یافته و تعامل این ذرات با ترکیبات محیطی تغییرات قابل‌توجهی پیدا می‌کند. ازاین‌رو، سرنوشت نانوپلاستیک‌ها در اکوسیستم‌های آبی به یکی از حوزه‌های کلیدی پژوهش‌های محیط‌زیستی تبدیل شده است. یکی از پرسش‌های بنیادین در این حوزه، چگونگی اتصال نانوپلاستیک‌ها به مواد آلی طبیعی (NOM) است.
تعامل نانوپلاستیک‌ها با مواد آلی در مقیاس مولکولی چگونه است؟
این مواد که از بقایای گیاهی و جانوری تشکیل شده‌اند، نقشی حیاتی در چرخه کربن آبزیان ایفا می‌کنند. تاکنون، روش‌هایی مانند پراکندگی نور دینامیکی و میکروسکوپ نیروی اتمی برای مطالعه چگونگی تجمع نانوپلاستیک‌ها به کار گرفته شده‌اند، اما این روش‌ها قادر به شناسایی دقیق مکانیسم‌های مولکولی این برهمکنش‌ها نبوده‌اند. افزون بر این، پیچیدگی ساختاری مواد آلی طبیعی و فرآیندهای فرسایشی مانند فتواکسیداسیون و تجزیه میکروبی، موجب تغییر خواص سطحی پلاستیک‌ها شده و تحلیل آزمایشگاهی مواد پلاستیکی در شرایط کاملاً طبیعی را دشوار ساخته است.
پیشرفت‌های اخیر در شیمی محاسباتی، ابزارهای نوینی را برای غلبه بر این چالش‌ها فراهم کرده است. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) و نظریه تابعی چگالی (DFT) که تاکنون در حوزه‌های علوم مواد و طراحی داروها کاربرد داشته‌اند، اکنون برای بررسی رفتار نانوپلاستیک‌ها در محیط‌های آبی به کار گرفته می‌شوند.
در مطالعه‌ای که در مجله Eco-Environment & Health منتشر شده است، پژوهشگرانی از دانشگاه کشاورزی نورث‌وسترن و دانشگاه کشاورزی جنوب چین (Northwest A&F University & South China Agricultural University) از این روش‌ها برای بررسی تعاملات میان نانوپلاستیک‌ها و NOM استفاده کردند. نتایج این پژوهش، الگوهای تجمع سه نوع نانوپلاستیک رایج شامل پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌وینیل کلراید (PVC) و پلی‌استایرن (PS) را در هر دو حالت اولیه و فرسوده بررسی کرده و یافته‌های ارزشمندی را درخصوص مکانیسم‌های آلایندگی پلاستیک ارائه می‌دهد.
نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد که نانوپلاستیک‌های اولیه عمدتاً از طریق برهم‌کنش‌های آب‌گریز با یکدیگر تجمع یافته و خوشه‌های متراکمی تشکیل می‌دهند. در این میان، مولکول‌های NOM با استفاده از نیروهای واندروالس به این خوشه‌ها متصل می‌شوند. پلی‌اتیلن و پلی‌استایرن رفتار مشابهی نشان دادند، درحالی‌که پلی‌وینیل کلراید به دلیل حضور اتم‌های کلر در ساختار خود، تعامل مستقیم کمتری با مواد آلی طبیعی داشت و تجمع آن به میزان کمتری صورت گرفت.
از سوی دیگر، نانوپلاستیک‌های فرسوده که در اثر قرارگیری در معرض نور و عوامل زیستی دچار تغییرات شیمیایی شده‌اند، رفتار پیچیده‌تری از خود نشان دادند. حضور گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن موجب افزایش قطبیت مولکولی آن‌ها شده و مکانیسم‌های تجمع جدیدی مانند پیوند هیدروژنی، برهم‌کنش‌های آب‌گریز و اتصال از طریق یون‌های کلسیم را به همراه داشت.
یکی از یافته‌های کلیدی این پژوهش، نقش یون‌های کلسیم (Ca²⁺) در پایداری تجمعات نانوپلاستیک-مواد آلی طبیعی بود. این کاتیون‌ها با گروه‌های کربوکسیل موجود در نانوپلاستیک‌ها و NOM پیوند برقرار کرده و از طریق غلبه بر دافعه الکترواستاتیکی، موجب ایجاد شبکه‌های سه‌بعدی پایدار شدند. همچنین، مولکول‌های آب با تشکیل پیوندهای هیدروژنی و پل‌های آبی، به حفظ این ساختارهای تجمعی کمک کردند؛ عاملی که اغلب در مطالعات آزمایشگاهی نادیده گرفته می‌شود.
پژوهشگران به کمک محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) تغییرات خواص سطحی نانوپلاستیک‌ها را بررسی کرده و دریافتند که فرایند پیری باعث افزایش قابل‌توجه قطبیت آن‌ها می‌شود. نتایج نشان داد که شاخص قطبیت اولیه و فرسوده برای سه نوع نانوپلاستیک به شرح زیر است:
پلی‌اتیلن (PE): از ۳.۱ به ۴۳.۲ کیلوکالری بر مول
پلی‌استایرن (PS): از ۸.۵ به ۵۱.۶ کیلوکالری بر مول
پلی‌وینیل کلراید (PVC): از ۲۲.۲ به ۴۲.۲ کیلوکالری بر مول
همچنین، برای پلی‌استایرن مشخص شد که برهم‌کنش‌های π-π میان ساختارهای حلقوی آن و NOM، موجب تقویت اتصالات بین این دو می‌شود.
این مطالعه نشان می‌دهد که فرایند پیری نانوپلاستیک‌ها باید در مدل‌های محیطی لحاظ شود، چراکه تحقیقات آزمایشگاهی مبتنی بر مواد اولیه، نمی‌توانند تعاملات واقعی نانوپلاستیک‌ها در محیط را به‌درستی پیش‌بینی کنند. یافته‌های این پژوهش می‌توانند بهبود مدل‌سازی انتقال نانوپلاستیک‌ها در محیط، دسترسی زیستی آن‌ها و تأثیرات زیست‌محیطی احتمالی‌شان را تسهیل کنند.
علاوه بر این، نانوپلاستیک‌ها ممکن است با تغییر نحوه تجمع مواد آلی طبیعی، فرآیندهای چرخه کربن و در دسترس بودن مواد مغذی در اکوسیستم‌های آبی را تحت تأثیر قرار دهند.
