Finski znanstvenik upozorava na potencijalne zdravstvene rizike čestica iz biorazgradivih plastika
Biorazgradive plastike dugo su promovirane kao ekološki prihvatljiva alternativa tradicionalnim polimerima, obećavajući rješenje problema plastičnog onečišćenja. Međutim, novo sveobuhvatno istraživanje objavljeno u časopisu Microplastics otkriva zabrinjavajuću stvarnost: u uvjetima koji nisu industrijska kompostiranja, biorazgradive plastike mogu postojati dugo vremena, fragmentirati se i formirati biorazgradive mikro- i nanoplastike (BioMNP) s potencijalnom toksičnošću za ljudske stanice.
Konstantin Malafeev sa Sveučilišta Tampere u Finskoj proveo je opsežnu analizu dostupnih podataka o citotoksičnosti BioMNP-a, uključujući mehanizme interakcije s ljudskim stanicama, puteve ulaska u tijelo, indukciju upale, oksidativni stres i staničnu disfunkciju. Njegova studija otkriva da, za razliku od tradicionalnih mikroplastika, utjecaj BioMNP-a na ljudsko zdravlje ostaje slabo istražen, unatoč rastućoj proizvodnji i uporabi biorazgradivih plastika.
Rast proizvodnje i stvaranje problema
Proizvodnja biorazgradivih bioplastika očekuje se da će porasti trostruko do 2029. godine, dostižući 3,7 milijuna tona. Ovaj dramatičan rast znači da će sve više ljudi biti izloženo BioMNP-u kroz gutanje i udisanje, posebno s obzirom na rastuću uporabu biorazgradivog pakiranja u prehrambenoj industriji.
Ključni problem leži u činjenici da biorazgradive plastike razgrađuju se u H₂O i CO₂ samo u uvjetima kompostiranja, dok u prirodnom okruženju njihova stopa razgradnje i postojanost u okolišu nalikuju onima konvencionalnih plastika. Na primjer, stopa razgradnje PHA boce u vodi može trajati do 3,5 godine. Pod prirodnim uvjetima, biorazgradnja biopolimera pod utjecajem je mnogih kemijskih, fizikalnih i bioloških čimbenika, što rezultira njihovim dugoročnim očuvanjem u okolišu, trošenjem aditiva i formiranjem biorazgradivih mikro- i nanoplastika.
Metodologija istraživanja i ključni nalazi
U trenutku pisanja pregleda, pronađeno je samo 17 znanstvenih članaka posvećenih proučavanju interakcije između čestica biorazgradive plastike i živih stanica u bazama podataka Scopus i Web of Science. Ova mala količina literature jasno ukazuje na to da je ovo područje znanosti još uvijek relativno mlado i zahtijeva značajno više istraživanja.
Najčešće testirani materijali su PLA (polimlječna kiselina), PBAT (polibutilen adipat-ko-tereftalat) i PBS (polibutilen sukcinat), što je logično jer su ovi polimeri najkorišteniji u biorazgradivom pakiranju. Također postoje publikacije s istraživanjima o PHA (polihidroksialkanoati), PHB (polihidroksibutirat) i PBC (polibutilen karbonat).
Istraživači pokrivaju širok raspon veličina čestica, od nanometara do stotina mikrometara. Čestice do 100 mikrometara čine značajan dio istraživanja jer su manje čestice one koje mogu prodrijeti biološke barijere (crijeva, pluća). Njihov visoki omjer površine i volumena čini ih reaktivnijima. Makrofagi mogu apsorbirati manje čestice do 10 μm, dok veće čestice više interagiraju s tkivima.
Distribucija u organizmu
Nekoliko studija ispitalo je učinke mikro- i nanoplastika primijenjenih oralno štakorima i miševima. Zhang i suradnici koristili su biorazgradivi poliglikolnu kiselinu (PGA) i njezin kopolimer, poli(butilen sukcinat-ko-glikolat) (PBSG), prosječne veličine od približno 50 mikrometara. Čestice su primijenjene oralno štakorima u dvije doze: niskoj (50 mg/kg tjelesne težine) i visokoj (500 mg/kg tjelesne težine), primijenjene svakih 24 sata tijekom 7 dana.
Od 700 mg primijenjenih, 290 mg PGA i 425,3 mg PBSG je oporavljeno, što znači da je 41,4% PGA i 60,7% PBSG izlučeno, dok je ostatak (410 mg PGA i 175 mg PBSG) ostao u tijelu u obliku fragmenata niske molekularne težine. Pri usporedbi ova dva materijala, PGA se pokazao manje toksičnim, što se pripisuje njegovoj bržoj stopi razgradnje.
U drugoj studiji, Wang i suradnici istraživali su učinke realističnih doza mikroplastike i oligomera temeljenih na PLA. Mikroplastika je bila približno 25 μm veličine, a oligomeri su imali molekularnu težinu od približno 900 Da. Miševi su dobivali 1 mg dnevno PLA mikroplastike ili PLA oligomera oralno tijekom 7 dana. Kao rezultat, primijećeno je da se PLA mikročestice fragmentiraju u crijevima; čestice su se akumulirale u jetri, crijevima i mozgu. Također je primijećena akutna upala u jetri, tankom crijevu i debelom crijevu.
Studija Lianga i suradnika također je istraživala učinak PLA mikročestica i oligomera na miševe. Oba tipa čestica bila su označena fluorescentnim markerima i imala su veličinu od 2,5 μm. Molekularna težina razlikovala se između 40 kDa i 2 kDa za mikročestice i oligomere. Miševi su hranjeni 28 dana putem želučane cijevi u dozama od 2,5 i 25 mg/kg. Kao rezultat, oba tipa čestica bila su distribuirana po tijelima miševa i pronađena su u krvi, mozgu, jetri, slezeni, plućima, bubrezima i testisnim privjescima. Čestice su bile odsutne samo u srcu i testisima.
Jednom u mozgu, čestice su uzrokovale neurotoksičnost sličnu Parkinsonovoj bolesti. Mogući mehanizam neurotoksičnosti je prekomjerna ekspresija MICU3, što dovodi do preopterećenja mitohondrija kalcijem i naknadne stanične smrti.
Interakcija s plućnim stanicama
Jedan od načina širenja mikro- i nanoplastike je kroz zračne struje, koje ih nose na velike udaljenosti putem vjetra, snijega, morske prašine i magle. Svake godine, između 0,013 i 25 milijuna tona mikroplastike transportira se ovim sredstvima. Stoga, zbog prisutnosti čestica mikroplastike u zraku, udisanje postaje jedan od glavnih puteva izloženosti ljudi.
García-Rodríguez i suradnici istraživali su interakciju nanoplastike temeljene na PLA s Calu-3 in vitro modelom bronhijskog epitela. Veličina čestica bila je približno 130 nm. Model korišten je u uvjetima zrak-tekućina sučelja (ALI), što točno oponaša fiziološke uvjete pluća, uključujući čvrste spojeve i lučenje sluzi.
Prvo, primijećena je internalizacija čestica u stanice, što je ovisilo o koncentraciji. Nakon 24 sata, pri minimalnoj koncentraciji, 10% stanica je internalizirano, a pri maksimalnoj koncentraciji, 70% je internalizirano. S produljenom izloženošću (2 tjedna) pri koncentraciji od 2,5 μg/cm², internalizacija je dostigla 35%. Autori su također pokazali da internalizirane čestice mogu interagirati s nuklearnom membranom i čak prodrijeti unutra. To je bio razlog za genotoksičnost čestica, posebno tijekom produžene izloženosti.
Osim genotoksičnosti, također je identificiran učinak na ZO-1, protein koji igra ključnu ulogu u formiranju čvrstih kontakata između stanica. Nakon dva tjedna eksperimenta, intenzitet bojenja ZO-1 smanjio se za 50%, što ukazuje na promjene u cijeloj strukturi barijere.
Probavni sustav i jetra
Osim udisanja, mikro- i nanoplastika mogu ući u tijelo kroz vodu i hranu, gdje interagiraju sa stanicama probavnog sustava. Svaki dan, odrasla osoba konzumira oko 300 čestica mikroplastike, od kojih neke mogu biti biorazgradive.
Banaei i suradnici istraživali su interakciju PLA nanočestica oslobođenih iz vrećica za čaj sa staničnim kulturama izoliranim iz adenokarcinoma debelog crijeva. Korištene su Caco-2 i HT29 stanice. Veličina proučavanih čestica bila je 114 nm, a proučavane koncentracije bile su 0, 50 i 100 μg/mL. Kao rezultat, nakon izloženosti 100 μg/mL PLA nanoplastike tijekom 48 sati, nije primijećena značajna citotoksičnost. Jedini negativan rezultat bio je statistički značajno smanjenje integriteta barijere (TEER vrijednost), koje je, međutim, nestalo nakon 24 sata.
Ova studija pokazala je da PLA nanočestice mogu prodrijeti staničnu barijeru, kao što je primijećeno u plućima, dok također pokazuje relativnu netoksičnost PLA mikroplastike u jednoj interakciji. Međutim, ova studija nije procijenila genotoksičnost, što postavlja pitanje budućih studija ponovljene i kronične interakcije PLA mikroplastike s Caco-2 i HT29 stanicama.
Citotoksičnost može biti uzrokovana ne samo samim česticama već i aditivima koje sadrže. Savva i suradnici istraživali su citotoksičnost PLA mikroplastike dobivene iz proizvoda za jednokratnu uporabu koji sadrže komercijalne aditive. U prosjeku, PLA i PHB proizvodi sadrže oko 120 plastičnih aditiva, uključujući plastifikatore i međuproizvode reakcije, otapala i umrežavače. Same PLA i PHB čestice nisu uzrokovale smanjenje vijabilnosti stanica. Istovremeno, autori su pokazali da PLA čestice uzrokuju veći oksidativni stres u usporedbi s PHB česticama.
Wen i suradnici proučavali su širok raspon nanočestica (~800 nm) napravljenih od PGA, PLA, PBS, PBC i PBAT u interakciji s normalnim ljudskim stanicama jetre (LO2) i ljudskim stanicama karcinoma debelog crijeva (Caco-2). Rezultati su pokazali da svih pet materijala ima antiproliferativni učinak na LO2, ali među testiranim materijalima, PLA je pokazao najveću in vitro toksičnost pod opisanim uvjetima.
Imunološki sustav i upala
Osim interakcije s plućima i probavnim sustavom, BioMNP također može ući u krvotok i interagirati s imunološkim sustavom. Wang i suradnici pokazali su da nanoplastika i PLA oligomeri mogu prodrijeti u HUVEC endotelne stanice. U slučaju manjih čestica i PLA oligomera, primijećeno je smanjenje bioaktivnosti MMP12 i povećanje koncentracija C3a, C5a i TNF-α u RAW 264.7 stanicama, što ukazuje na upalu. Oligomeri su uzrokovali izraženiji upalni učinak od nanoplastike, potvrđujući imunoregulatorni učinak oligomera.
Wu i suradnici otkrili su da je nanoplastika iz UV-ostarjelih PLA/PBAT filmova bila toksična za THP-1 stanice. Promjer čestica dobivenih prvom metodom varirao je od 600 do 800 nm, a ultrafiltracijom, do 1 μm; međutim, većina čestica bila je manja od 300 nm. U in vitro eksperimentima, istražen je širok raspon koncentracija od 0,1 do 1000 mg/L. Kao rezultat, pokazano je da su mikro- i nanočestice oslobođene iz UV-ostarjelih PLA/PBAT filmova utjecale na vijabilnost stanica na način ovisan o dozi.
Koža i bubrezi
Osim interakcije s unutarnjim organima, BioMNP može interagirati s kožom. Charoeythornkhajhornchai i suradnici procijenili su toksičnost PLA i PBS mikroplastike na HaCaT (ljudski keratinociti) i NHDF (normalni ljudski dermalni fibroblasti) stanice. Prosječni promjer čestica PLA bio je 4,41 μm, a PBS 7,64 μm. Prema rezultatima MTT analize, povećanje koncentracija PLA i PBS mikroplastičnih čestica (od 6,25 do 100 μg/mL) pokazalo je značajno nizak ili praktički nulti toksični učinak na HaCaT stanice.
Isti autori također su procijenili citotoksičnost PLA i PBS mikročestica na Vero stanice iz afričkih zelenih majmuna (bubrežne epitelne stanice). Prema rezultatima MTT testa, sve doze testiranih plastika pokazale su netoksične ili niskotoksične učinke na Vero stanice. Maksimalno smanjenje vijabilnosti bilo je 18% pri maksimalnoj koncentraciji PLA.
Ključni zaključci i preporuke
Ovaj pregled pokazuje da biorazgradivi mikro- i nanoplastici mogu interagirati s ljudskim stanicama iz više organskih sustava i mogu izazvati citotoksične učinke, uključujući upalu, oksidativni stres, poremećaj membrane i smanjenu vijabilnost stanica. Dok neki materijali – poput poliglikolne kiseline (PGA) – pokazuju relativno nisku toksičnost, drugi, posebno mikro- i nanoplastika temeljena na PLA i njihovi oligomeri, mogu uzrokovati značajne biološke odgovore.
Važno je napomenuti da toksičnost BioMNP-a ovisi o nizu čimbenika, uključujući veličinu čestica, tip polimera, koncentraciju, proizvode razgradnje i prisutnost kemijskih aditiva. In vitro i in vivo studije potvrđuju da se BioMNP može akumulirati u organima i utjecati na fiziološke funkcije.
Među biorazgradivim plastikama, čestice temeljene na PLA pokazuju tendenciju jačih citotoksičnih učinaka. Nanoplastika općenito izaziva ozbiljnije stanične odgovore od mikroplastike. Organi poput jetre i pluća čine se posebno ranjivima.
Potreba za daljnjim istraživanjima
Trenutno dostupni rezultati jasno pokazuju da citotoksični učinci bio-mikroplastike na žive organizme i ekosustave ovise o mnogim čimbenicima, uključujući njihov sastav, koncentraciju i veličinu. Nažalost, relativni doprinos svakog čimbenika potencijalnim rizicima povezanim s bio-mikroplastikom ne može se lako zaključiti zbog nedostatka komparativnih laboratorijskih studija osjetljivih na promjene u tim relevantnim parametrima.
Većina studija fokusira se na utjecaj samo jednog materijala po eksperimentu; smjese se rijetko koriste, a njihova interakcija često se ne razmatra. Stoga je u budućem radu vitalno istražiti smjese biopolimerne mikroplastike (BioMNP) i mikroplastike (MNP) u omjerima koji odražavaju stvarne uvjete.
Istraživanja obično koriste prvenstveno netaknute plastike, proučavane uglavnom pod strogo kontroliranim uvjetima. Samo nekoliko studija ispitalo je utjecaj ostarjele biopolimerne mikroplastike. Kada se oslobode u okoliš, bioplastike su izložene ultraljubičastom zračenju, vlazi i različitim kemijskim, fizikalnim i biološkim čimbenicima, koji uzrokuju promjene u njihovoj veličini, strukturi, površinskom kemijskom sastavu i morfologiji.
Također je potrebno više pažnje posvetiti plastikama koje se široko koriste u komercijalne svrhe. Kao što je pokazano u nekoliko studija, ovi materijali mogu biti opasni zbog aditiva koje sadrže. U budućnosti će biti bitno proučavati ne samo količinu ovih aditiva već i mehanizme njihovog oslobađanja iz polimerne matrice.
Još nema dovoljno podataka u literaturi o toksičnosti BioMNP-a za razvoj standarda. Za pomoć u ovom području također je potrebno provesti testove kronične i ponovljene interakcije mikro- i nanoplastike sa živim stanicama. To će omogućiti simulaciju stvarnih životnih situacija u ovom području.
Daljnja istraživanja u ovom području trebala bi se provoditi imajući na umu ove aspekte. Trebalo bi proučavati više različitih stanica i materijala tijekom duljih razdoblja. Uspostavljanje robusnog tijela dokaza bitno je za određivanje jesu li trenutne strategije učinkovite u ublažavanju rizika koje predstavlja onečišćenje mikroplastikom.
Biorazgradive plastike, iako promovirane kao ekološki prihvatljiva alternativa, nose vlastite rizike koji zahtijevaju pažljivo razmatranje. Potreban je holistički pristup koji uključuje poboljšani dizajn materijala, standardizirano testiranje, jasne regulatorne okvire i odgovarajuću infrastrukturu za zbrinjavanje otpada kako bi se osiguralo da ovi materijali zaista doprinose održivoj budućnosti bez stvaranja novih zdravstvenih i ekoloških problema.
SAVJETODAVNI PARTNER
