Échantillonnage, identification et caractérisation des rejets de microplastiques par le biberon d’alimentation en polypropylène pendant l’utilisation quotidienne

Résumé

Cette étude a détaillé un protocole fiable et rentable pour la collecte et la détection des microplastiques de l’utilisation quotidienne de produits en plastique.

Résumé

Les microplastiques (MPs) deviennent une préoccupation mondiale en raison du risque potentiel pour la santé humaine. Les études de cas de produits en plastique (c.-à-d. gobelets et bouilloires à usage unique en plastique) indiquent que les rejets de MP pendant l’utilisation quotidienne peuvent être extrêmement élevés. La détermination précise du niveau de rejet de MP est une étape cruciale pour identifier et quantifier la source d’exposition et évaluer/contrôler les risques correspondants découlant de cette exposition. Bien que les protocoles de mesure des concentrations de MP dans les eaux marines ou d’eau douce aient été bien élaborés, les conditions rencontrées par les produits en plastique ménagers peuvent varier considérablement. De nombreux produits en plastique sont exposés à des températures élevées fréquentes (jusqu’à 100 °C) et sont refroidis à la température ambiante pendant l’utilisation quotidienne. Il est donc crucial d’élaborer un protocole d’échantillonnage qui imite le scénario d’utilisation quotidienne réel pour chaque produit particulier. Cette étude s’est concentrée sur les biberons à base de polypropylène largement utilisés afin d’élaborer un protocole rentable pour les études sur la libération de MP de nombreux produits en plastique. Le protocole élaboré ici permet : 1) la prévention de la contamination potentielle pendant l’échantillonnage et la détection; 2) la mise en œuvre réaliste de scénarios d’utilisation quotidienne et la collecte précise des parlementaires libérés des biberons sur la base des lignes directrices de l’OMS; et 3) la détermination chimique rentable et la cartographie de la topographie physique des députés libérés des biberons. Sur la base de ce protocole, le pourcentage de récupération utilisant le polystyrène standard MP (diamètre de 2 μm) était de 92,4 à 101,2%, tandis que la taille détectée était d’environ 102,2% de la taille prévue. Le protocole détaillé ici fournit une méthode fiable et rentable pour la préparation et la détection des échantillons de MP, ce qui peut considérablement bénéficier aux études futures sur la libération de MP à partir de produits en plastique.

Introduction

La plupart des types de plastiques sont non biodégradables mais peuvent se décomposer en petits morceaux en raison de processus chimiques et physiques tels que l’oxydation et le frottement mécanique^1,2. Les pièces en plastique de moins de 5 mm sont classées comme des microplastiques (MPs). Les députés sont omniprésents et se retrouvent dans presque tous les coins du monde. Ils sont devenus une préoccupation mondiale en raison du risque potentiel pour les humains et la faune^3,4. À ce jour, des accumulations importantes de députés ont été trouvées chez les poissons, les oiseaux, les insectes^5,6 ainsi que chez les mammifères (souris, dans l’intestin, les reins et le foie^7,8). Des études ont montré que l’exposition et l’accumulation de MPs peuvent endommager le métabolisme lipidique des souris^7,8. Une évaluation des risques axée sur les poissons a révélé que les députés submicroniques peuvent pénétrer la barrière hémato-encéphalique et causer des lésions cérébrales⁹. Il convient de noter qu’à ce jour, tous les résultats sur le risque de MP ont été obtenus à partir d’études sur des animaux, alors que le risque spécifique pour la santé humaine est encore inconnu.

Au cours des 2 dernières années, les préoccupations au sujet de la menace que la MP fait pour la santé humaine ont considérablement augmenté avec la confirmation des niveaux d’exposition humaine aux députés. L’accumulation de MPs a été trouvée dans le côlon humain¹⁰, le placenta des femmes enceintes¹¹ et des selles adultes¹². Une détermination précise des niveaux de rejet de MP est essentielle pour identifier les sources d’exposition, évaluer le risque pour la santé et évaluer l’efficacité de toute mesure de contrôle potentielle. Au cours des dernières années, certaines études de cas ont indiqué que les plastiques utilisés quotidiennement (c.-à-d. la bouilloire en plastique¹³ et les gobelets à usage unique¹⁴⁾peuvent libérer des quantités extrêmement élevées de députés. Par exemple, les gobelets en papier jetables (avec des intérieurs stratifiés avec des films de polyéthylène-PE ou de copolymères), ont libéré environ 250 MPs de taille micron et 102 millions de particules de taille inférieure au micron dans chaque millilitre de liquide après une exposition à de l’eau chaude à 85-90 °C¹⁴. Une étude sur les contenants alimentaires en polypropylène (PP) a indiqué que jusqu’à 7,6 mg de particules de plastique sont libérés du contenant lors d’une utilisation unique¹⁵. Des niveaux encore plus élevés ont été enregistrés à partir de sachets de thé fabriqués à partir de polyéthylène téréphtalate (PET) et de nylon, qui ont libéré environ 11,6 milliards de députés et 3,1 milliards de députés de taille nanométrique dans une seule tasse (10 ml) de la boisson¹⁶. Étant donné que ces produits en plastique utilisés quotidiennement sont conçus pour la préparation d’aliments et de boissons, la libération de grandes quantités de députés est probable et leur consommation constitue une menace potentielle pour la santé humaine.

Les études sur la libération de MP à partir de produits en plastique ménagers (c.-à-d. la bouilloire en plastique¹³ et les gobelets à usage unique¹⁴⁾n’en sont qu’à leurs débuts, mais on s’attend à ce que ce sujet reçoive une attention croissante de la part des chercheurs et du grand public. Les méthodes requises dans ces études sont significativement différentes de celles utilisées dans les études marines ou d’eau douce à température ambiante où des protocoles bien établis existent déjà¹⁷. En revanche, les études portant sur l’utilisation quotidienne de produits en plastique ménagers impliquent une température beaucoup plus élevée (jusqu’à 100 °C), avec dans de nombreux cas des cycles répétés pour revenir à la température ambiante. Des études antérieures ont souligné que les plastiques en contact avec l’eau chaude peuvent libérer des millions de députés^16,18. En outre, l’utilisation quotidienne de produits en plastique peut au fil du temps modifier les propriétés du plastique lui-même. Il est donc crucial de développer un protocole d’échantillonnage qui imite avec précision les scénarios d’utilisation quotidienne les plus courants. La détection de particules de taille micrométrique est un autre défi majeur. Des études antérieures ont souligné que les rejets des députés provenant des produits en plastique sont inférieurs à 20^{μm 16,19,20}. La détection de ces types de MPs nécessite l’utilisation de filtres à membrane lisse avec une petite taille de pores. De plus, il est nécessaire de distinguer les députés des contaminants possibles capturés par le filtre. La spectroscopie Raman haute sensibilité est utilisée pour l’analyse de la composition chimique, ce qui a l’avantage d’éviter le besoin d’une puissance laser élevée connue pour détruire facilement les petites particules²⁰. Par conséquent, le protocole doit combiner des procédures de manipulation sans contamination avec l’utilisation de filtres à membrane optimaux et pour une méthode de caractérisation qui permet une identification rapide et précise de la MP.

L’étude rapportée ici s’est concentrée sur le biberon à base de PP (BFB), l’un des produits en plastique les plus couramment utilisés dans la vie quotidienne. Il a été constaté qu’un grand nombre de députés sont libérés du plastique BFB lors de la préparation de la formule¹⁸. Pour une étude plus approfondie de la libération de MP par les plastiques quotidiens, la méthode de préparation et de détection des échantillons de BFB est détaillée ici. Lors de la préparation de l’échantillon, le processus standard de préparation de la formule (nettoyage, stérilisation et mélange) recommandé par l’OMS²¹ a été suivi attentivement. En concevant les protocoles autour des lignes directrices de l’OMS, nous nous sommes assurés que la libération de MP des BBF imitait le processus de préparation des préparations pour nourrissons utilisé par les parents. Le processus de filtrage a été conçu pour collecter avec précision les MPs libérés des BBF. Pour l’identification chimique des députés, les conditions de travail de la spectroscopie Raman ont été optimisées pour obtenir des spectres propres et facilement identifiables des députés, tout en évitant la possibilité de brûler les particules cibles. Enfin, la procédure d’essai optimale et la force appliquée pour permettre une cartographie topographique précise en 3 dimensions des MPs utilisant la microscopie à force atomique (AFM) ont été développées. Le protocole (Figure 1) détaillé ici fournit une méthode fiable et rentable pour la préparation et la détection des échantillons de MP, ce qui peut considérablement bénéficier aux études futures sur les produits en plastique.

Protocole

1. Préparation de l’eau chaude

1. Pour tout le matériel qui entre en contact avec les échantillons, utilisez du verre propre en borosilicate 3.3 pour prévenir toute contamination potentielle. Nettoyez soigneusement toute la verrerie.
   Attention: Des rayures préexistantes ou des taches d’imperfection sur la verrerie peuvent libérer des particules pendant le processus de chauffage et de secousse. Nous suggérons aux utilisateurs de vérifier la verrerie et d’éviter l’utilisation de la verrerie rayée. Notre comparaison de verrerie faite de différents verres (tels que la soude-chaux et le borosilicate) a montré que le borosilicate 3.3 libère la plus faible quantité de particules de verre (peut être filtrée par spectroscopie Raman), et nous recommandons l’utilisation de la verrerie borosilicate 3.3 dans tous les tests.
2. Verser 360 mL d’eau DI dans un bécher en verre. Couvrez le bécher avec un disque de verre propre. Ensuite, déplacez-le dans un four à micro-ondes flambant neuf et chauffez pendant 2,5 minutes à pleine puissance. Après avoir doucement secoué pour éliminer tout gradient de température potentiel dû à un chauffage inégal, la température de l’eau à l’intérieur du bécher est de 70 °C et prête pour la préparation de l’échantillon.
3. Préparer de l’eau à 95 °C pour la stérilisation BFB en versant 1 L d’eau DI dans de la verrerie et en chauffant dans un four à micro-ondes pendant 14 minutes.
   Attention: N’utilisez jamais de bouilloires en plastique pour préparer l’eau chaude. La bouilloire en plastique elle-même libère des millions de députés dans l’eau chaude pendant le processus d’ébullition¹³.

2. Libération de MP pendant la préparation de la formule

REMARQUE: En suivant attentivement le processus standard de préparation de la formule (nettoyage, stérilisation et mélange) recommandé par l’OMS^21,les MPs libérés des BBF pendant la préparation de la formule sont imités dans les 3 étapes suivantes.

1. Collectez les produits BFB flambant neufs dans les pharmacies et nettoyez-les soigneusement après avoir retiré le produit de son emballage. Lavez chaque BFB à l’aide d’eau détergente (répéter 3 fois à température ambiante-RT) et d’eau distillée (répétée 3 fois, RT). Enfin, rincez le BFB 3 fois à l’aide d’eau DI à RT.
   Attention: Ne nettoyez pas le BFB à l’aide de la sonication. Bien que la sonication soit largement utilisée dans les laboratoires pour le mélange et le nettoyage, la sonication de BFB peut gravement endommager la surface de la bouteille et provoquer une libération de MP des produits PP dans les 1 minute.
2. Faire tremper le BFB dans de l’eau DI à 95 °C (section 1.3) pour stériliser le flacon. Pour éviter le flottement du BFB, appuyez légèrement sur l’extérieur du BFB à l’aide d’une pince à épiler en acier inoxydable et assurez-vous que tout le corps de la bouteille s’immerge dans l’eau.
   1. Après 5 minutes, sortez la bouteille et déplacez-la sur un disque en verre propre. Pendant l’étape de séchage à l’air, inversez la bouteille sur le disque de verre jusqu’à ce qu’il n’y ait aucun signe de gouttelettes.
3. Verser 180 mL d’eau chaude DI (70 °C, de la section 1.2, correspondant aux lignes directrices de l’OMS) dans la bouteille séchée à l’air. Ensuite, couvrez immédiatement la bouteille à l’aide d’une boîte de Petri en verre et placez-la dans un lit de secousse.
   1. Pour simuler le processus de mélange de formule, agitez la bouteille à une vitesse de 180 tr / min pendant 60 secondes. Après avoir secoué, déplacez la bouteille sur une plaque de verre propre et laissez-la refroidir.

3. Préparation de l’échantillon pour l’identification et la quantification de la MP

1. Soniquez et rincez soigneusement toutes les parties du filtre en verre (diamètre de 25 mm, entonnoir en verre, base de support en verre fribré et flacon récepteur) à l’aide d’eau DI.
   1. Placez un morceau de filtre à membrane en polycarbonate-PC revêtu d’or (taille des pores de 0,8 μm, épaisseur de la couche de revêtement Au de 40 nm) au milieu de la base en verre.
   2. Assemblez l’entonnoir en verre et la pince en acier inoxydable pour fixer le filtre à membrane. Enfin, connectez le filtre en verre assemblé à une pompe à vide(Figure 2).
      Attention: Pour s’assurer que la membrane colle en douceur sur la surface de la base en verre, il est important de garder la base en verre humide. Si nécessaire, 1-2 gouttes d’eau DI doivent être déposées sur la surface de la base en verre avant de placer le filtre à membrane.
2. Mélangez soigneusement l’échantillon d’eau refroidie dans le BFB (de la section 2.3), puis transférez une certaine quantité de l’échantillon d’eau dans l’entonnoir de verre à l’aide d’une pipette en verre. Allumez la pompe à vide pour permettre à l’échantillon d’eau de filtrer lentement à travers le filtre à membrane.
   1. Après le filtrage, lavez l’intérieur de l’entonnoir de verre à l’aide d’eau DI pour vous assurer qu’il n’y a pas de particules qui collent sur l’entonnoir.
      Attention: Pour éviter le chevauchement des particules à la surface du filtre à membrane, il est important de choisir avec soin le bon volume d’eau qui passe à travers le filtre. Les BFBs libèrent un grand nombre de particules, de sorte que 3-5 filtres à membrane sont nécessaires pour filtrer tout le volume de l’échantillon d’eau.
3. Débranchez la pompe à vide et démontez le filtre en verre. Ensuite, retirez soigneusement le filtre à membrane à l’aide d’une pince à épiler en acier inoxydable et déplacez-le vers un verre de couverture propre. Fixez le filtre à membrane sur le verre de couverture à l’aide d’un petit morceau de ruban adhésif. Conservez immédiatement l’échantillon dans une boîte de Petri en verre propre.

4. Préparation de l’échantillon pour la caractérisation de la topographie AFM

1. Préparez une plaquette de silicium propre. Déposez un échantillon d’eau de 50 μL (de la section 2.3) sur la surface de la plaquette de silicium et séchez-le dans un four à une température d’environ 103 °C. Répétez ce processus si le niveau de MP dans l’échantillon d’eau est faible.
2. Après 1 heure de séchage, déplacez la plaquette dans une boîte de Petri en verre propre et laissez-la refroidir dans un dessicateur.
3. Une fois la plaquette refroidie, conservez l’échantillon dans une boîte de Pétri en verre sec et propre.

5. Identification et quantification mp à l’aide de la spectroscopie Raman

1. Calibrez le système Raman à l’aide d’une correction d’ordre zéro et d’une plaquette de silicium. Assurez-vous que l’emplacement de crête de la plaquette de silicium est à 520,7 cm^-1 et que l’intensité de crête est supérieure à 6000 a.u. lorsque l’intensité laser est à 100%.
2. Configurez les paramètres du système Raman pour obtenir des spectres MP signal-bruit élevés tout en évitant la combustion des MP. Réglez le système comme suit: laser d’excitation de 532 nm, supprimer le rayon cosmique, intensité laser de 10% (puissance laser de 0,18 mW), résolution spectrale de 1,5 cm^-1,temps d’exposition de 10-20 secondes, accumulations de 10-40 fois et plage spectrale de 200-3200 cm^-1. La figure 3 a montré des spectres typiques des députés avec des temps d’accumulation de 1 s à 400 s.
   Attention: Ne testez pas les particules à l’aide de 100% laser directement pour éviter la combustion rapide (peut être brûlée en 1 minute si la particule est petite). Utilisez une faible intensité (10-50%) pour effectuer le test en premier.
3. Placez l’échantillon filtrant (de la section 3.3) au milieu de l’étape de l’échantillon Raman. Choisissez quatre taches représentatives (2 taches sont dans la zone centrale tandis que les 2 autres taches sont proches du bord de la zone de travail, Figure 3C)sur le filtre à membrane pour effectuer l’essai (surface d’essai totale autour de 1,5 mm^2).
4. Observez et photographiez les particules à la surface du filtre à membrane à l’aide d’un microscope optique (100x) suivi d’une identification chimique à l’aide de la spectroscopie Raman.
   1. Comparer le spectre Raman obtenu aux spectres polymères étalons de référence (à partir de matériaux en vrac de BFB et de publication précédente^22).
   2. Déterminer la propriété chimique des particules à l’aide des pics intensifs de l’ordre de 2780-2980, 1400-1640 et 709-850 cm^-1,correspondant aux vibrations d’étirement des groupes CH/CH2/CH3 et C-C associés aux matériaux polymères (figure 3).
5. Analyser la taille et la quantité des députés identifiés à l’aide d’ImageJ.
   1. Obtenir la concentration de MPs dans l’échantillon d’eau en fonction de la zone testée, de la surface de travail totale (227 mm²⁾et du volume d’échantillon filtré connu.
   2. Classer les députés confirmés en 5 groupes en fonction de la taille : 0,8-5 μm, 5-20 μm, 20-50 μm, 50-100 μm et > 100 μm.
   3. Enfin, déterminez la quantité de MPs dans un litre d’échantillon d’eau en fonction du volume d’échantillon filtré, du nombre de MPs enregistrés et de la zone testée du filtre à membrane.

6. Caractérisation topographique mp à l’aide de l’AFM

1. Équiper le système AFM (NT-MDT) d’une sonde en mode tapotement. Étalonner le système à l’aide d’un standard de hauteur de pas (SHS). Configurez le système dans des conditions de travail optimales: la fréquence de balayage est de 1 Hz, la taille de balayage est de 10-50 μm, la fréquence de réglage est d’environ 160 kHz et la ligne de balayage est de 512 pixels.
2. Fixez la plaquette de silicium (de la section 4.3) sur l’étape d’échantillonnage AFM. Observer et photographier les particules cibles à la surface de la plaquette de silicium, puis l’identification chimique à l’aide de la méthode de la section 5.
3. Passez le système en mode AFM (la spectroscopie Raman et l’AFM sont assemblées en un seul système) et testez la topographie des députés identifiés.
4. Analysez les données 3D à l’aide du logiciel Gwyddion 2.54. Utilisez l’option de profil pour obtenir les dimensions des particules et les hauteurs moyennes tandis que la vue 3D permet d’obtenir la structure 3D.

Résultats

Pour valider ce protocole, l’échantillon d’eau a été préparé en ajoutant des sphères de microplastique en polystyrène standard (d’un diamètre de 2,0 ± 0,1 μm) à l’eau DI. La quantité de MP ajoutée correspondait à 4 500 000 particules/L, ce qui est similaire au niveau de rejet de MP des BBFBs. Conformément aux sections 2 et 3 du protocole, les députés ont été recueillis avec succès (figure 4A) et le taux de recouvrement était de 92,4 à 101,2 %. Ce taux de recouvr...

Discussion

Bien que l’étude des parlementaires dans les eaux marines et d’eau douce ait été largement rapportée et que le protocole standard pertinent ait été élaboré¹⁷, l’étude des produits en plastique utilisés quotidiennement est un domaine de recherche émergent important. Les différentes conditions environnementales vécues par les produits en plastique ménagers signifient que des soins et des efforts supplémentaires sont nécessaires pour obtenir des résultats fiables. Le protocole ...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
AFM cantilever	NANOSENSORS	PPP-NCSTAuD-10	To obtain three-dimensional topography of PP MPs
Atomic force microscope	Nova	NT-MDT	To obtain three-dimensional topography of PP MPs
Detergent	Fairy Original	1015054	To clean the brand-new product
Gold-coated polycarbonate-PC membrane filter-0.8 um	APC, Germany	0.8um25mmGold	To collect microplastics in water and benefit for Raman test
Gwyddion software	Gwyddion	Gwyddion2.54	To determine MPs topography
ImageJ software	US National Institutes of Health	No, free for use	To determine MPs size
Microwave oven	De'longhi, Italy	815/1195	Hot water preparation
Optical microscope, x100	Mitutoyo, Japan	46-147	To find and observe the small MPs
Raman spectroscopy	Renishaw	InVia confocal Raman system	To checmically determine the PP-MPs
Shaking bed-SSL2	Stuart, UK	51900-64	To mimic the mixing process during sample preparaton
Standard polystyrene microplastic spheres	Polysciences, Europe	64050-15	To validate the robusty of current protocol
Tansfer pipette with glass tip	Macro, Brand	26200	To transfer water sample to glass filter
Ultrasonic cleaner	Witeg, Germany	DH.WUC.D06H	To clean the glassware
Vacuum pump	ILMVAC GmbH	105697	To filter the water sample