高悬浮泥沙荷载和大型漂浮碎屑水生环境中 Microplastics 的取样、分类和表征

摘要

迄今为止, 大多数 microplastic 研究都发生在海洋系统中, 悬浮固体水平相对较低。重点现在转移到淡水系统, 这可能具有高泥沙负荷和漂浮的碎片。该协议涉及收集和分析含有高悬浮固体负荷的水生环境中的 microplastic 样品。

摘要

在海洋中普遍存在的塑料碎片被公众、科学界和政府机构广泛认可。然而, 只有最近才在淡水系统, 如河流和湖泊中 microplastics, 被量化。Microplastic 抽样在表面通常包括部署漂移网在一个固定或移动的小船之后, 它限制取样对低水平悬浮的沉淀物和漂浮或被淹没的残骸的环境。以前的研究, 利用漂移网收集 microplastic 碎片通常使用网与≥300µm 网格大小, 允许塑料碎片 (颗粒和纤维) 低于这个大小, 通过网络和逃避量化。此处详述的协议使: 1) 在高悬浮荷载和漂浮或浸没碎片的环境中采集样本, 2) 对 microplastic 颗粒和纤维 < 300 µm 的捕获和定量. 用一种蠕动泵在低密度聚乙烯 (PE) 容器中储存, 然后在实验室进行过滤和分析。过滤是由一个定制的 microplastic 过滤装置, 其中包含了尼龙网状筛和混合纤维素酯膜过滤器可拆卸的联合关节。用显微镜对网筛和膜过滤器进行了定量和分离 microplastic 微粒和纤维的研究。然后用微衰减的全反射傅里叶变换红外光谱仪 (microplastic) 对这些材料进行了检测, 以确定聚合物的类型。采用蓝色 PE 微粒和绿色尼龙纤维对样品进行了峰值检测;测定颗粒物的回收率为 100%, 纤维含量为92%。该议定书将指导类似的研究 microplastics 在高浓度的河流泥沙。通过对蠕动泵和过滤装置的简单修改, 用户可以收集和分析各种样品体积和颗粒尺寸。

引言

最早在二十世纪三十年代¹, 塑料首次在海洋中被观测到。最近对海洋塑料碎片的估计范围从海洋表面的塑料超过24.3万公吨 (mt) 到 4.8-1270万吨塑料, 每年从陆地来源进入大洋^2,3。早期对海洋塑料碎片的研究侧重于 macroplastics (> 5 毫米直径), 因为它们很容易看到和量化。然而, 最近发现, macroplastics 代表 < 10% 的塑料碎片, 计数, 在海洋中, 表明绝大多数的塑料碎片是 microplastic (< 5 毫米直径)²。

Microplastics 分为两组: 初级和二级 Microplastics。主要 microplastics 由直径 < 5 毫米制造的塑料组成, 包括塑料球, 用于制造消费品的原料, 微球用作个人护理产品中的 exfoliants (例如,洗脸、身体磨砂、牙膏), 以及在工业中的磨料或润滑剂。次级 microplastics 是在环境中创建的, 因为较大的塑料碎片被光解、磨损和微生物分解^4,5碎片。合成纤维也是次要的 microplastics 并且是越来越关心。一个单一的服装可以释放 > 1900 纤维每洗涤在国内洗衣机⁶。这些纤维, 以及个人护理产品的微珠, 在进入废水处理厂之前, 都被冲进下水道并进入排污系统。墨菲 (2016) 发现, 一个65万人口的污水处理厂将 microplastic 浓度减少了 98.4%, 从进水到出水, 但 6500万 microplastics 在废水和污泥中保持每天⁷。即使在处理过程中 microplastics 的比例很高, 千百万人, 可能是亿万, microplastics 通过废水处理厂每天和进入地表水在污水^{6,8 ,9,10,11}。

由于其环境的释放, microplastics 在所有营养水平^12,13,14,15的海洋生物的消化和呼吸组织中发现。它们在吸收后的影响是可变的, 有些研究没有观察到伤害, 而另一些则显示了许多影响, 如物理和化学组织损伤^4,6,14,15。由于这些发现, 这一领域的兴趣在过去五年中有所增加。然而, 最近才开始对淡水系统, 如河流和湖泊中的塑料碎片 (特别是 microplastics) 进行量化研究, 或评估对居住在这些生境^12、16的生物的影响, ^17,18。河流是海洋中发现的塑料碎片的主要来源, 因为它们接收到含 microplastics 和 macroplastics 的废水和地表水径流。

此处详述的协议可用于收集不可行的漂移网的 microplastic 样本;具体来说, 在水生环境中, 悬浮沉积物高度集中, 像密西西比河这样的大型漂浮碎屑。密西西比河流域是世界上最大的、拥有 > 9000万人口的国家之一, 这可能使它成为海洋中最大的塑料碎片来源^19,20。每年, 密西西比河平均排放735公里³的淡水到墨西哥湾, 以及高浓度的悬浮沉积物 (60 至 > 800 毫克/升) 和大碎片^13,21。在密西西比河及其支流的两个深度 (即表面和0.6 深度) 收集水样, 使用蠕动泵在半透明的 1 L 低密度聚乙烯 (PE) 容器中。在实验室中, 用尼龙网筛和混合纤维素酯膜过滤器同时过滤样品, 用特制的63.5 毫米 (2.5 英寸) 聚氯乙烯 (PVC) 气缸与联合接头插入筛和过滤器²²。在过滤装置中加入 PVC 联合, 可以根据需要尽可能多或少量的粒度类进行过滤。此外, 它还可用于在研究合成纤维时使用膜过滤器捕获 microplastic 碎片到亚微米尺寸。过滤后 , 样品燥 , 怀疑塑料被识别和分类从网筛和膜过滤器下的显微镜。然后用微衰减的全反射傅里叶变换红外光谱 (微型 ATR-FTIR) 研究了怀疑塑料, 以消除非合成材料或确定聚合物类型。考虑到 microplastic 颗粒和纤维的大小, 污染是司空见惯的。污染来源包括大气沉积物、衣物、田间和实验室设备以及去离子 (DI) 水资源。在整个《议定书》中包括多个步骤, 以减少来自不同来源的污染, 同时进行研究的所有阶段。

研究方案

1. 水样采集

1. 收集水样本和水质量数据的利益乘船的河流是良好的混合, 理想的地方, 河流阶段或排放已知 (例如,美国地质调查 (USGS) 测量站)。²⁰要保证水是混合的, 用手持式仪表在河中浸泡, 在电导率保持相对恒定的地方引导小船。
2. 在取样点, 记录位置坐标和深度。要找到0.6 深度, 只需将总深度乘以0.6。使用手持式仪表测量感兴趣的水质参数 (如浊度、温度、电导率、pH 值和溶解氧)。要测量参数, 将所需深度的取样水泵入宽口容器, 使用蠕动泵, 并立即进行测量 (步骤 1.5)。
3. 使用带有油管的蠕动泵从表面和0.6 深度获取样品。将正确的油管长度连接到泵上, 以获得给定的深度。
   1. 由于在河流系统的强大电流, 连接一个6.4 毫米焊接链到泵油管使用 zip 领带, 以帮助重量的油管。在链条的末端, 放置一个重量或水泥块进一步重量的链条和油管总成。
      警告:不要将重量或水泥块直接附着在泵油管上。
4. 把油管的出水端放在船的边缘, 远离可能脱落纤维的衣物。慢慢降低油管进水端到所需深度 (即,表面或0.6 深度)。然后, 运行在反向泵, 以空气中的油管清洗至少三十年代。在空气净化后, 反转泵的方向, 并从所需深度的样品水冲洗油管, 同时允许水排出船或废物容器。在油管冲洗至少三十年代后, 停止泵。
5. 用取样水冲洗三次用于水质测量的容器, 每次倾倒漂洗水。冲洗后, 用取样水将容器装满, 用手持式仪表测量所感兴趣的水质参数 (步骤 1.2)。
6. 收集 microplastic 亚组, 将油管出水放入一个标有1升的容器中, 经预先冲洗至少250毫升的 DI 水三次。然后, 用样品水冲洗容器三次, 每次丢弃漂洗水。microplastic 容器冲洗后, 用样品填充。
7. 使用步骤1.6 中概述的相同的蠕动泵方法, 收集一个标记的250毫升瓶中的总悬浮固体 (TSS) 的亚组, 该瓶子已预冲洗至少100毫升的 DI 水三次。用水样冲洗瓶子三次, 每次都要丢弃漂洗水。一旦将 TSS 容器冲洗干净, 请将其填入样品。
8. 按照步骤 1.6-1.7 中描述的相同方式, 在现场每天至少收集一次字段 triplicates 和空白, 以进行质量保证/质量控制 (QA/QC) 目的。收集一个空白, 带两个1升容器的 DI 水的领域。用空气清洗泵管后, 打开第一容器的 DI 水, 并用步骤1.4 中描述的方法冲洗泵油管。一旦油管被冲洗, 打开第二个容器的 DI 水, 并泵入一个空的1升容器和一个250毫升瓶为 microplastic 和 TSS 空白, 分别。
9. 将 microplastic 和 TSS 标本放在冰上, 直到返回实验室, 在那里他们将储存在 20°c, 直到他们被处理。
   警告:确保在样品容器中留出一些头部空间, 以便在结冰时它们不会因冰膨胀而损坏。
   注:协议可以在这里暂停。

2. TSS 测定

1. 使用美国环境保护局 (环保局) 方法160.2 确定 TSS 与250毫升标本收集在领域²³。将计算的 TSS 值与所发现的总塑料进行比较。

3. Microplastic 过滤装置总成

1. 用至少250毫升的 DI 水彻底冲洗过滤装置和尼龙网筛 (图 1) 三次。将所需孔径 (例如, 50 µm、100µm、300µm、500µm) 的筛网筛入每个联合接头, 其孔径尺寸从过滤装置的顶部降低到底部 (图 1A)。紧密密封各联合接头, 防止泄漏。
2. 将所需孔径 (如0.45 µm) 的混合纤维素酯膜过滤器 (142 毫米直径) 折成锥形形状, 放入过滤装置中:
   注:折叠膜过滤器可提供更多的表面积, 防止过滤器堵塞。
   1. 用底水湿膜过滤器。在潮湿的时候, 将膜过滤器折叠成圆锥状, 直径与过滤装置相适应。此外, 折叠一个小唇沿圆锥的边缘, 使其适合在联合关节顶部 (图 1B)。
      警告:膜过滤器在折叠前必须是湿的, 以防止撕裂。
   2. 将不锈钢网篮放入最后一个联合接头 (图 1C)。小心地将锥形膜过滤器放入篮子 (图 1D)。将膜过滤器的唇折叠在联合接头的边缘。
      注:一旦真空应用, 网篮将支持过滤器并减少破损。
3. 在图 1中所见的最后一个联合接头中, 将最小所需孔径 (例如50 µm) 放在膜过滤器顶部的网状筛。
   注:这将提供额外的支持, 以保持膜过滤器在过滤过程中到位。
4. 一旦所有的联合接头密封紧密, 将软管从过滤瓶的顶部连接到过滤装置的底部。然后把软管从过滤瓶的侧面连接到真空泵上, 如图 2所示。

图 1: 过滤装置的装配.(A) 过滤装置是通过将所需孔径的网格筛放入上联合接头中组装而成。(B) 混合纤维素酯膜过滤器必须折叠成圆锥形, 以适合过滤装置的直径;锥应包括一个小唇, 以适应在联合关节的边缘, 以确保过滤器到位。(C) 将网状篮子放入联合中, 以增加膜过滤器的稳定性。(D) 将折叠膜过滤器添加到网篮中, 最小的网筛尺寸放在膜过滤器的顶部。(E) 完全组装的过滤装置。请单击此处查看此图的较大版本.

图 2: 过滤瓶和泵的装配.过滤瓶连接到过滤装置真空适配器使用一个明确的乙烯基油管。过滤瓶然后连接到真空泵。请单击此处查看此图的较大版本.

4. 样品过滤

1. 每次组装设备时, 先收集设备的空白。在收集空白之前, 用至少250毫升的 DI 水彻底冲洗设备三次。这些空白是使用步骤 4.2-4.4 中概述的步骤收集的。
2. 打开真空泵。确保真空泵的压力不超过127毫米汞, 否则膜过滤器可能会撕裂。
   警告:根据样品过滤的流速, 如果沉积物堵塞网筛或膜过滤器, 过滤装置内的压力会增加。这可能导致膜过滤器的破裂, 然后才达到127毫米汞的读数。因此, 密切注意压力, 因为它可能需要调整低于127毫米汞样品根据样品。
3. 使用500毫升的毕业气缸, 三重冲洗至少250毫升的 DI 水, 以测量样品的总容积。记录体积并将样品从毕业气缸转移到过滤装置。
   警告:根据水样和过滤瓶的大小, 过滤瓶在样品过滤过程中可能需要多次清空。
   1. 要清空过滤瓶, 请关闭泵并将两个软管从烧瓶中分离出来。把瓶子倒进一个单独的废物容器里。
      警告:保持过滤样品水, 直到整个样品被过滤, 并确认膜过滤器是完整的。
   2. 要继续过滤循环, 请将软管重新连接到过滤瓶, 如步骤3.4 中所述, 然后打开泵。
4. 一旦整个样品被过滤, 冲洗样品容器和毕业圆筒三次以至少250毫升的 DI 水。每次冲洗后, 过滤水冲洗容器和毕业汽缸, 以确保所有微粒已被过滤。

5. Microplastic 过滤装置拆卸

1. 用至少250毫升的 DI 水冲洗过滤装置的墙壁三次, 以确保所有微粒都被过滤, 并且没有残留在过滤装置上。
2. 关闭真空泵, 然后仔细拧开并分离第一个接头。将泵重新打开, 使用二水冲洗瓶冲洗接头的边缘。将滤网筛边缘的微粒清洗成中心, 以确保全部收集。
3. 将泵关闭, 用干净的镊子小心地取出网筛, 确保不接触筛网表面的微粒。将网筛放入覆盖的培养皿中, 干燥60ᵒC 24 小时。一旦干燥, 样品可以储存, 直到分析可以开始。
4. 重复步骤 5.1-5.3 为每个联合联合住房一个网状筛子。
5. 对于最后一个结合网格筛和膜过滤器的联合接头, 重复步骤 5.1-5.3 为网筛。
   警告:冲洗网筛时要小心, 如在滤膜过滤器下冲洗样品就会丢失。
6. 用二水冲洗瓶将真空泵打开, 冲洗膜过滤器的边缘。将膜过滤器边缘的微粒洗涤到中心, 以确保过滤完整的样品。在拆卸膜过滤器之前, 要确保所有的水都经过它, 并且没有水在其表面上聚集。
   警告:再次, 清洗膜过滤器时要小心, 如果在它下面冲洗样品可以丢失。
7. 用镊子小心地取出和展开膜过滤器。将膜过滤器放到适合其直径的培养皿或箔包中。
   注:滤膜过滤器在处理时必须受潮, 以防撕裂。
8. 将所述膜过滤器在烤箱中干燥60ᵒC 24 小时。一旦干燥, 储存样品, 直到分析可以开始。
   注:协议可以在这里暂停。

6. 微粒分析

1. 将筛网或滤膜过滤器留在培养皿中, 取出盖子, 开始检查样品的 microplastics。这将确保, 如果任何微粒脱落的筛网或膜过滤器, 他们将留在培养皿, 可以分析后, 所有微粒从筛网或膜过滤器去除。
2. 检查网筛或膜过滤器下的显微镜 (14-90X 放大), 以识别可疑的塑料微粒和纤维。在识别怀疑塑料时, 使用以下标准: 没有蜂窝结构, 纤维在整个过程中都是相等的, 粒子不发亮²⁴。
3. 从筛网或滤膜过滤器中取出所有怀疑的塑料, 放入含有70% 乙醇的收集瓶中。记录每个可疑塑料的颜色和形状 (如微粒、纤维、胶片等)。
4. 一旦所有怀疑的塑料从筛网或滤膜过滤器中取出, 并量化, 检查的盖子和底部的培养皿后步骤 6.2-6.3。
5. 在筛网或膜过滤器和培养皿被检查和所有怀疑塑料去除和量化后, 将微粒或纤维从收集瓶放置到12槽铝涂层幻灯片上进行分析, 使用微量的 ATR 红外光谱分析。
   注:在微红外光谱上测试每种怀疑的塑料并不总是可行的。因此, "战略性地选择" 将解决研究目标和怀疑塑料中的异常 (例如,大量类似纤维或颗粒) 的数量²⁵。从一般意义上说, 测试尽可能多的怀疑塑料, 但不少于20%。
   1. 一旦怀疑塑料的分析使用微型 ATR-FTIR, 使用光谱数据库, 以确定是否一个给定的样品是塑料的, 如果是这样, 确定塑料的聚合物类型。

结果

为了验证此协议的恢复率, 三个样本 (v₁-v₃) 从 Oso 湾, 科珀斯克里斯蒂, 得克萨斯州 (毗邻得克萨斯州 A & M 大学科珀斯克里斯蒂校区), 与10蓝色 PE 微粒 (范围从50-100 µm直径) 和50种不同长度的绿色尼龙纤维 (图 3)。计算了样本的 TSS (2 节), 然后用3-5 节中概述的方法对样品进行过滤。蓝色 PE 微粒和绿色尼龙纤维然后被分离和定量 (表 1...

讨论

Microplastic 收集使用漂移网是传统的方法, 在海洋环境, 如泥沙和塑料浓度低, 因此需要大量的样本量。然而, 在高泥沙荷载和大型漂浮或淹没的河流中, 漂移网并不总是切实可行或安全的。此外, 在试图彻底捕获和量化 microplastic 材料 (尤其是纤维) 时, 使用漂移网是不可行的, 因为大多数用于塑料测量的网都有网格尺寸≥300µm。本文所描述的协议允许在含有高泥沙负荷的水体中进行取样, 同时允许捕获...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1L Cubitainer Containers, Low-Density Polyethylene	VWR	89094-140	Containers used to collect and store samples.
2-1/2" Clear Schedule 40 Rigid PVC Pipe	United States Plastic Corporation	34138	The PVC pipe used to make the device comes as an 2.43 m pipe. The pipe was then cut to the desired lengths for each section seperated by union joints. Section lengths were decided by predicting smaller pore sizes would clogg the device quicker. Longer sections were placed above the smaller pore sizes to collect and hold water to prevent needing to disassemble the device to change a filter while a sample remained in the device. For one filtration device one 18 in, one 12 in, and two 6 in peices are needed.
2-1/2" PVC SCH 40 Socket Union	Supply House	457-025	Union joints were glued to PVC pipe to house nylon sieves and mixed cellulose membranes.
Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque Off-White, 12" Width, 12" Length, 500 microns Mesh Size, 38% Open Area (Pack of 5)	Small Parts via Amazon	CMN-0500-C/5PK-05	Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration.
Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque White, 12" Width, 12" Length, 100 microns Mesh Size, 44% Open Area (Pack of 5)	Small Parts via Amazon	B0043D1TB4	Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration.
Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque White, 12" Width, 12" Length, 50 microns Mesh Size, 37% Open Area (Pack of 5)	Small Parts via Amazon	B0043D1SGA	Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration.
Mixed Cellulose Ester Membrane, 0.45um, 142mm, 25/pk	VWR	10034-914	Mixed cellulose membrane filter with 0.45 um was used as the last filter. A large diameter was used to allow the filter to be folded into a cone to increase surface area of the filter to prevent clogging.
Metal Mesh Basket Tea Leaves Strainer Teapot Filter 76mm Dia 3pcs	Uxcell via Amazon	a15071600ux0260	The mesh basket used to provide extra support for the membrane filter to prevent tearing when pressure was applied by a vacuum pump.
1/2" PVC Barbed Insert Male Adapter	Supply House	1436-005	A vacuum adapter was added to allow vacuum filtration in the case of slow filtration due to high sediment concentration.
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 10 ft. PVC Clear Vinyl Tube	Home Depot	702229	Tubing used to connect the vacuum pump to the filtration device.
YSI Professional Plus Multiparameter Instrument with Quatro Cable	YSI	6050000	Handheld meter used to measure additional water quality parameters parameters (e.g., turbidity, temperature, conductivity, pH, and dissolved oxygen (DO)).
2100P Portable Turbidimeter	Hach	4650000	Handheld meter used to measure turbidity.
FEP-lined PE tubing	Geotech	87050529	Tubing used with perestaltic pump to collect water samples from desired depths.
Geopump Peristaltic Pump Series II	Geotech	91350123	Pump used to collected water samples.
MeiJi Techno EMZ-8TR Microscope	Microscope.com	EMZ8TR-PLS2	Microscope used analyze mesh sieves and membrane filters to quanitfy suspect microsplastics.
Nicolet iS10 FTIR Spectrometer	Thermo Electron North America	912A0607	FTIR used to analyze suspect microplastics.
Nicolet iN5 FTIR microscope	Thermo Electron North America	912A0895	FTIR microscope used to analyze suspect microplastics.
Germanium (Ge) ATR	Thermo Electron North America	869-174400	Geranium ATR accessory used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic.
Aluminum EZ-Spot Micro Mounts (Pkg of 5)	Thermo Electron North America	0042-545	Microscope slides used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic.
Aluminum Coated Glass Sample Slides	Thermo Electron North America	0042-544	Microscope slides used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic.