Depth distributions of particles in plastics in seawater

Undoubtedly plastics of various shapes and sizes become a persistent contaminant in aquatic ecosystems, from rivers to the ocean. The interaction mechanisms of the polymers with the main constituents of these environments are not completely unravelled yet. Nuclear microprobe clusters PIXE and RBS techniques, which offer unique possibilities to characterize the materials deposited on the surface of plastics rejected to the aquatic environment. In this study, high-density polyethylene (HDPE), polyethylene terephthalate (PET) and polypropylene (PP) are exposed to turbid water of the Tagus estuary (Lisbon, Portugal) for 7 and 30 days. The characterization of the deposition mosaic at the microscale level reveals to contain sediment, biotic and saline components. A major finding is the diffusion of the ion Cl- in the polymers matrix, observed examining the profiles of elements present in the deposits along the transversal sections of the polymers. Additionally, the combination of PIXE and RBS and the capabilities of general purpose programs, such as OMDAQ2007 and NDF, allowed the investigation of the depth structure of biotic and abiotic deposits. Results point out for a multilayer depth structure which can decode the complex arrangement of cellular and sedimentary materials deposited on the polymers surface. This study demonstrates that nuclear microprobe, in combination with OMDAQ2007 and NDF analytical tools, offers unique possibilities to study plastic degradation and plastic chemical transfer with minimal sample manipulation. Finally, this study contributes to provide scientific evidences of plastic weathering in seawater, which are virtually lacking. Al giorno d'oggi detriti plastici di diverse forme e dimensioni sono contaminanti presenti a livello globale negli ecosistemi acquatici. I meccanismi di interazione di questi polimeri con i principali costituenti degli ambienti marini sono però per lo più sconosciuti. L'analisi simultanea con le tecniche PIXE e RBS di campioni di diverse plastiche, permessa dall'uso di una microsonda nucleare, offre possibilità uniche di caratterizzare il materiale accumulato nella superficie dei polimeri e le modalità con cui questi interagiscono con gli elementi chimici dell'ambiente circostante. In particolare, in questa tesi, sono stati analizzati campioni di polietilene ad alta densità (HDPE), polietilene tereftalato (PET) e polipropilene (PP) immersi nell'estuario del fiume Tagus (Lisbona, Portogallo) per 7 e 30 giorni. La caratterizzazione del deposito su scala micrometrica ha rivelato l'esistenza di materiale sedimentario, salino e biologico. Uno dei principali risultati osservati è stata la diffusione degli ioni Cl- nella matrice dei polimeri studiati, riscontrata esaminando le distribuzioni degli elementi in sezioni trasversali dei campioni. La complementarietà delle tecniche PIXE e RBS e la capacità di analisi di software come OMDAQ2007 e NDF hanno permesso inoltre di valutare la struttura in profondità di depositi sia biotici che abiotici. I risultati hanno indicato una struttura multistrato, segno della complessa distribuzione del materiale cellulare e sedimentario presente sulla superficie delle plastiche. Questo studio ha mostrato che l'uso della microsonda nucleare, combinata con adeguati strumenti analitici (OMDAQ2007 e NDF), presenta caratteristiche esclusive e favorevoli per lo studio del deterioramento delle plastiche e il loro ruolo nel trasporto di elementi chimici. Infine, osservando la diffusione degli ioni Cl-, sono state fornite nuove evidenze scientifiche sul processo di degradazione dei polimeri esposti in ambienti marini.