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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Questo studio ha dettagliato un protocollo affidabile ed economico per la raccolta e il rilevamento di microplastiche dall'uso quotidiano di prodotti in plastica.

Abstract

Le microplastiche (parlamentari) stanno diventando una preoccupazione globale a causa del potenziale rischio per la salute umana. Studi di casi di prodotti in plastica (ad esempio tazze e bollitori monouso in plastica) indicano che il rilascio di MP durante l'uso quotidiano può essere estremamente elevato. Determinare con precisione il livello di rilascio mp è un passaggio cruciale per identificare e quantificare la fonte di esposizione e valutare/controllare i rischi corrispondenti derivanti da tale esposizione. Sebbene i protocolli per misurare i livelli di MP in acqua dolce o marina siano stati ben sviluppati, le condizioni sperimentate dai prodotti di plastica per uso domestico possono variare ampiamente. Molti prodotti in plastica sono esposti a frequenti alte temperature (fino a 100 °C) e vengono raffreddati a temperatura ambiente durante l'uso quotidiano. È quindi fondamentale sviluppare un protocollo di campionamento che imita l'effettivo scenario di utilizzo quotidiano per ogni particolare prodotto. Questo studio si è concentrato su bottiglie per l'alimentazione dei bambini a base di polipropilene ampiamente utilizzate per sviluppare un protocollo economico per gli studi di rilascio MP di molti prodotti in plastica. Il protocollo qui sviluppato consente: 1) la prevenzione della potenziale contaminazione durante il campionamento e il rilevamento; 2) attuazione realistica degli scenari di uso quotidiano e raccolta accurata dei deputati rilasciati dalle biberon sulla base delle linee guida dell'OMS; e 3) determinazione chimica economica e mappatura topografica fisica dei parlamentari rilasciati dalle bottiglie per l'alimentazione dei bambini. Sulla base di questo protocollo, la percentuale di recupero utilizzando polistirolo MP standard (diametro di 2 μm) era del 92,4-101,2% mentre la dimensione rilevata era di circa il 102,2% della dimensione progettata. Il protocollo qui dettagliato fornisce un metodo affidabile ed economico per la preparazione e il rilevamento dei campioni MP, che può beneficiare sostanzialmente di futuri studi sul rilascio di MP da prodotti in plastica.

Introduzione

La maggior parte dei tipi di plastica non sono biodegradabili ma possono rompersi in piccoli pezzi a causa di processi chimici e fisici come ossidazione e attritomeccanico 1,2. I pezzi di plastica di dimensioni inferiori a 5 mm sono classificati come microplastiche (PARLAMENTARI). I deputati sono onnipresenti e si trovano in quasi tutti gli angoli del mondo. Sono diventati una preoccupazione globale a causa del potenziale rischio per l'uomo e la faunaselvatica 3,4. Ad oggi, sono stati riscontrati accumuli significativi di parlamentari nei pesci, negli uccelli,negli insetti 5,6 e nei mammiferi (topo, nell'intestino, nei reni enel fegato 7,8). Gli studi hanno scoperto che l'esposizione e l'accumulo di parlamentari possono danneggiare il metabolismolipidico dei topi 7,8. Una valutazione del rischio incentrata sui pesci ha rilevato che i deputati sub-micron possono penetrare nella barriera ematica-encefalica e causare dannicerebrali 9. Va notato che ad oggi tutti i risultati del rischio mp sono stati ottenuti da studi sugli animali, mentre il rischio specifico per la salute umana è ancora sconosciuto.

Negli ultimi 2 anni, le preoccupazioni per la minaccia dei deputati alla salute umana sono notevolmente aumentate con la conferma dei livelli di esposizione umana ai deputati. L'accumulo di parlamentari è stato trovato nel colonumano 10, la placenta delle donneincinte 11 e feci adulte12. Una determinazione precisa dei livelli di rilascio dei MP è fondamentale per identificare le fonti di esposizione, valutare il rischio per la salute e valutare l'efficienza di eventuali misure di controllo. Negli ultimi anni, alcuni studi di casi hanno riferito che la plastica ad uso quotidiano (cioè il bollitoredi plastica 13 e letazze monouso 14)può rilasciare quantità estremamente elevate di parlamentari. Ad esempio, tazze di carta monouso (con interni laminati con film di polietilene-PE o copolimeri), rilasciati circa 250 MP di dimensioni micron e 102 milioni di particelle di dimensioni sub-micron in ogni millilitro di liquido in seguito all'esposizione all'acqua calda di 85-90 °C14. Uno studio sui contenitori per alimenti in polipropilene (PP) ha riferito che fino a 7,6 mg di particelle di plastica vengono rilasciati dal contenitore durante unsingolo uso 15. Livelli ancora più elevati sono stati registrati dalle bustine di tè realizzate in polietilene tereftalato (PET) e nylon, che hanno rilasciato circa 11,6 miliardi di parlamentari e 3,1 miliardi di parlamentari di dimensioni nanometriche in un'unica tazza (10 mL) della bevanda16. Dato che questi prodotti in plastica ad uso quotidiano sono progettati per la preparazione di alimenti e bevande, è probabile il rilascio di elevate quantità di parlamentari e il loro consumo è una potenziale minaccia per la salute umana.

Gli studi sul rilascio di MP dai prodotti di plastica per uso domestico (cioè il bollitoredi plastica 13 e le tazze monouso14) sono in una fase iniziale, ma si prevede che questo argomento riceverà una crescente attenzione da parte dei ricercatori e del pubblico in generale. I metodi richiesti in questi studi sono significativamente diversi da quelli utilizzati negli studi marini o d'acqua dolce a temperatura ambiente in cui esistono giàprotocolli ben consolidati 17. Al contrario, gli studi che comportano l'uso quotidiano di prodotti in plastica per uso domestico comportano una temperatura molto più elevata (fino a 100 °C), con in molti casi ripetuti cicli a temperatura ambiente. Studi precedenti hanno sottolineato che la plastica a contatto con l'acqua calda può rilasciare milioni diparlamentari 16,18. Inoltre, l'uso quotidiano di prodotti in plastica può nel tempo cambiare le proprietà della plastica stessa. È quindi fondamentale sviluppare un protocollo di campionamento che mimi accuratamente gli scenari di uso quotidiano più comuni. Il rilevamento di particelle di dimensioni micro è un'altra grande sfida. Studi precedenti hanno sottolineato che il rilascio di parlamentari da prodotti in plastica è inferiore a 20 μm16,19,20. Il rilevamento di questi tipi di parlamentari richiede l'uso di filtri a membrana lisci con piccole dimensioni dei pori. Inoltre, è necessario distinguere i deputati da possibili contaminanti catturati dal filtro. La spettroscopia Raman ad alta sensibilità viene utilizzata per l'analisi della composizione chimica, che ha il vantaggio di evitare la necessità di un'elevata potenza laser che è nota per distruggere facilmente piccole particelle20. Pertanto, il protocollo deve combinare procedure di movimentazione senza contaminazione con l'uso di filtri a membrana ottimali e per un metodo di caratterizzazione che consenta un'identificazione MP rapida e accurata.

Lo studio qui riportato si è concentrato sulla bottiglia per l'alimentazione dei bambini a base di PP (BFB), uno dei prodotti di plastica più comunemente usati nella vita quotidiana. È stato scoperto che un elevato numero di parlamentari viene rilasciato dalla plastica BFB durante la preparazione della formula18. Per ulteriori studi sul rilascio di MP dalla plastica quotidiana, il metodo di preparazione e rilevamento del campione per BFB è dettagliato qui. Durante la preparazione del campione, è stato seguito attentamente il processo standard di preparazione della formula (pulizia, sterilizzazionee miscelazione) raccomandato dall'OMS 21. Progettando i protocolli intorno alle linee guida dell'OMS, abbiamo assicurato che il rilascio mp da parte dei BBF imitava il processo di preparazione della formula per bambini utilizzato dai genitori. Il processo di filtro è stato progettato per raccogliere accuratamente i parlamentari rilasciati dai BBF. Per l'identificazione chimica dei parlamentari, le condizioni di lavoro per la spettroscopia Raman sono state ottimizzate per ottenere spettri puliti e facilmente identificabili dei parlamentari, evitando al contempo la possibilità di bruciare le particelle bersaglio. Infine, è stata sviluppata la procedura di prova ottimale e la forza applicata per consentire un'accurata mappatura topografica tridimensionale dei parlamentari utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM). Il protocollo (figura 1) qui descritto fornisce un metodo affidabile ed economico per la preparazione e il rilevamento dei campioni MP, che può beneficiare sostanzialmente di futuri studi sui prodotti in plastica.

Protocollo

1. Preparazione dell'acqua calda

  1. Per tutto l'hardware che entra in contatto con i campioni, utilizzare vetro pulito in borosilicato 3.3 per prevenire qualsiasi potenziale contaminazione. Pulire accuratamente tutte le vetrerie.
    Attenzione:i graffi preesistenti o le macchie di imperfezione sulle vetrerie possono rilasciare particelle durante il processo di riscaldamento e scuotimento. Si consiglia agli utenti di controllare la vetreria ed evitare l'uso delle vetrerie graffiate. Il nostro confronto di vetrerie realizzate con diversi bicchieri (come soda-lime e borosilicata) ha dimostrato che il borosilicato 3.3 rilascia la più bassa quantità di particelle di vetro (può essere schermato dalla spettroscopia Raman), e raccomandiamo l'uso di vetrerie borosilicate 3.3 in tutte le prove.
  2. Versare 360 mL di acqua DI in un bicchiere. Coprire il becher con un disco di vetro pulito. Quindi spostarlo in un nuovissimo forno a microonde e riscaldare per 2,5 minuti a piena potenza del forno. Dopo aver tremato delicatamente per rimuovere eventuali gradienti di temperatura dovuti a riscaldamento irregolare, la temperatura dell'acqua all'interno del becher è di 70 °C e pronta per la preparazione del campione.
  3. Preparare 95 °C di acqua per la sterilizzazione BFB versando 1 L di acqua DI in vetreria e riscaldandosi in un forno a microonde per 14 minuti.
    Attenzione:non usare mai bollitori di plastica per preparare acqua calda. Il bollitore di plastica stesso rilascia milioni di parlamentari nell'acqua calda durante il processo di ebollizione13.

2. Rilascio mp durante la preparazione della formula

NOTA: Seguendo attentamente il processo standard di preparazione della formula (pulizia, sterilizzazione e miscelazione) raccomandato dall'OMS21, i DEPUTATI rilasciati dai BBF durante la preparazione della formula vengono mimickati nei seguenti 3 passaggi.

  1. Raccogli prodotti BFB nuovi di zecca dai negozi di farmacia e puliscili accuratamente dopo aver rimosso il prodotto dalla sua confezione. Lavare ogni BFB utilizzando acqua detergente (ripetere 3 volte a temperatura ambiente-RT) e acqua distillata (ripetuta 3 volte, RT). Infine, sciacquare il BFB 3 volte utilizzando acqua DI a RT.
    Attenzione:non pulire il BFB utilizzando la sonicazione. Sebbene la sonicazione sia ampiamente utilizzata nei laboratori per la miscelazione e la pulizia, la sonicazione di BFB può danneggiare gravemente la superficie della bottiglia e causare il rilascio di MP dai prodotti PP entro 1 minuto.
  2. Immergere il BFB in acqua DI 95 °C (sezione 1.3) per sterilizzare la bottiglia. Per evitare il galleggiamento del BFB, premere leggermente l'esterno del BFB utilizzando una pinzetta in acciaio inossidabile e assicurarsi che tutto il corpo della bottiglia si immerga nell'acqua.
    1. Dopo 5 minuti, espuldi la bottiglia e spostala su un disco di vetro pulito. Durante la fase di asciugatura dell'aria, invertire la bottiglia sul disco di vetro fino a quando non ci sono prove di goccioline.
  3. Versare 180 ml di acqua calda DI (70 °C, dalla sezione 1.2, corrispondente alle linee guida dell'OMS) nella bottiglia essiccata all'aria. Quindi coprire immediatamente la bottiglia usando una piastra di Petri di vetro e posizionarla in un letto tremante.
    1. Per simulare il processo di miscelazione della formula, agitare la bottiglia a una velocità di 180 giri/min per 60 secondi. Dopo aver tremato, spostare la bottiglia su una piastra di vetro pulita e lasciare raffreddare.

3. Preparazione del campione per l'identificazione e la quantificazione dei MP

  1. Sonicare e risciacquare accuratamente tutte le parti del filtro di vetro (diametro di 25 mm, imbuto di vetro, base di supporto in vetro fritte e pallone ricevitore) utilizzando acqua DI.
    1. Posizionare un pezzo di filtro a membrana in policarbonato-PC rivestito in oro (dimensioni dei pori di 0,8 μm, spessore dello strato di rivestimento Au di 40 nm) al centro della base di vetro.
    2. Assemblare l'imbuto di vetro e il morsetto in acciaio inossidabile per fissare il filtro a membrana. Infine collegare il filtro di vetro assemblato a una pompa per vuoto(Figura 2).
      Attenzione:Per assicurarsi che la membrana si attacchi uniformemente sulla superficie della base di vetro, è importante mantenere bagnata la base di vetro. Se necessario, 1-2 gocce di acqua DI devono essere cadute sulla superficie della base di vetro prima di posizionare il filtro a membrana.
  2. Mescolare con cura il campione d'acqua raffreddata nel BFB (dalla sezione 2.3), quindi trasferire una certa quantità del campione d'acqua nell'imbuto di vetro utilizzando una pipetta di vetro. Accendere la pompa del vuoto per consentire al campione d'acqua di filtrare lentamente attraverso il filtro a membrana.
    1. Dopo il filtraggio, lavare l'interno dell'imbuto di vetro utilizzando l'acqua DI per assicurarsi che non ci siano particelle che si attaccano all'imbuto.
      Attenzione:Per evitare la sovrapposizione delle particelle sulla superficie del filtro a membrana, è importante scegliere attentamente il volume corretto di acqua che viene passata attraverso il filtro. I BBF rilasciano un gran numero di particelle, in modo che siano necessari 3-5 filtri a membrana per filtrare l'intero volume del campione d'acqua.
  3. Scollegare la pompa per vuoto e smontare il filtro del vetro. Quindi espulse con cura il filtro a membrana utilizzando una pinzetta in acciaio inossidabile e spostarlo su un vetro di copertura pulito. Fissare il filtro a membrana sul vetro di copertura utilizzando un piccolo pezzo di nastro adesivo. Conservare immediatamente il campione in una piastra di Petri di vetro pulito.

4. Preparazione del campione per la caratterizzazione topografica AFM

  1. Preparare un wafer di silicio pulito. Lasciare cadere un campione d'acqua da 50 μL (dalla sezione 2.3) sulla superficie del wafer di silicio e asciugarlo in forno ad una temperatura di circa 103 °C. Ripetere questo processo se il livello MP nel campione d'acqua è basso.
  2. Dopo 1 ora di asciugatura, spostare il wafer in una piastra di Petri di vetro pulita e lasciare raffreddare in un essiccatore.
  3. Dopo che il wafer si è raffreddato, conservare il campione in una piastra di petri di vetro asciutta e pulita.

5. Identificazione e quantificazione mp mediante spettroscopia Raman

  1. Calibrare il sistema Raman utilizzando una correzione a ordine zero e un wafer di silicio. Assicurarsi che la posizione di picco del wafer di silicio sia a 520,7 cm-1 e che l'intensità di picco sia superiore a 6000 a.u. quando l'intensità del laser è al 100%.
  2. Impostare i parametri del sistema Raman per ottenere spettri MP ad alto segnale-rumore evitando la combustione dei parlamentari. Impostare il sistema come segue: laser di eccitazione a 532 nm, rimuovere il raggio cosmico, intensità laser del 10% (potenza laser di 0,18 mW), risoluzione spettrale di 1,5 cm-1,tempo di esposizione di 10-20 secondi, accumuli di 10-40 volte e intervallo spettrale di 200-3200 cm-1. La figura 3 mostrava gli spettri tipici dei parlamentari con tempi di accumulo da 1 s a 400 s.
    Attenzione:non testare le particelle usando direttamente il laser al 100% per evitare la combustione rapida (può essere bruciato in 1 minuto se la particella è piccola). Utilizzare bassa intensità (10-50%) per condurre prima il test.
  3. Posizionare il campione di filtro (dalla sezione 3.3) al centro della fase di campionamento raman. Scegliere quattro punti rappresentativi (2 punti si trovano nella zona centrale mentre altri 2 punti sono vicini al bordo dell'area di lavoro, Figura 3C) sul filtro a membrana per condurre il test (area di prova totale intorno a 1,5 mm2).
  4. Osservare e fotografare le particelle sulla superficie del filtro a membrana utilizzando un microscopio ottico (100x) seguito da identificazione chimica utilizzando la spettroscopia Raman.
    1. Confrontare lo spettro Raman ottenuto con gli spettri polimerici standard di riferimento (da materiale sfuso di BFB e dalla precedentepubblicazione 22).
    2. Determinare la proprietà chimica delle particelle utilizzando i picchi intensivi nell'intervallo 2780-2980, 1400-1640 e 709-850 cm-1,corrispondenti alle vibrazioni di stiramento dei gruppi CH/CH2/CH3 e C-C associati ai materiali polimerici(figura 3).
  5. Analizzare le dimensioni e la quantità dei parlamentari identificati utilizzando ImageJ.
    1. Ottenere la concentrazione di parlamentari nel campione d'acqua in base all'area di prova, all'area di lavoro totale (227 mm2)e al volume del campione filtrato noto.
    2. Classificare i parlamentari confermati in 5 gruppi in termini di dimensioni: 0,8-5 μm, 5-20 μm, 20-50 μm, 50-100 μm e > 100 μm.
    3. Infine, determinare la quantità di parlamentari in un litro di campione d'acqua in base al volume del campione filtrato, al numero di parlamentari registrati e all'area testata del filtro a membrana.

6. Caratterizzazione topografica MP con AFM

  1. Dotare il sistema AFM (NT-MDT) di una sonda in modalità di maschiatura. Calibrare il sistema utilizzando uno standard di altezza del passo (SHS). Impostare il sistema in condizioni di lavoro ottimali: la velocità di scansione è di 1 Hz, la dimensione della scansione è di 10-50 μm, la frequenza di sintonizzazione è di circa 160 kHz e la linea di scansione è di 512 pixel.
  2. Fissare il wafer di silicio (dalla sezione 4.3) sullo stadio campione AFM. Osservare e fotografare le particelle bersaglio sulla superficie del wafer di silicio, seguite da un'identificazione chimica utilizzando il metodo di cui alla sezione 5.
  3. Passare alla modalità AFM (la spettroscopia Raman e l'AFM sono assemblate in un unico sistema) e testare la topografia dei parlamentari identificati.
  4. Analizza i dati 3d utilizzando il software Gwyddion 2.54. Utilizzate l'opzione di profilo per ottenere le dimensioni delle particelle e le altezze medie mentre vista 3D per ottenere la struttura 3D.

Risultati

Per convalidare questo protocollo, il campione d'acqua è stato preparato aggiungendo sfere standard di microplastica in polistirolo (un diametro di 2,0 ± 0,1 μm) all'acqua DI. La quantità mp aggiunta corrispondeva a 4.500.000 particelle/L, che è simile al livello di rilascio MP dei BBF. A seguito delle sezioni del protocollo 2-3, i parlamentari sono stati raccolti con successo (figura 4A) e il tasso di recupero è stato del 92,4-101,2%. Questo tasso di recupero è paragonabile a un prec...

Discussione

Sebbene lo studio dei parlamentari in acqua dolce e marina sia stato ampiamente riportato e il relativo protocollo standardsia stato sviluppato 17, lo studio dei prodotti di plastica ad uso quotidiano è un'importante area di ricerca emergente. Le diverse condizioni ambientali vissute dai prodotti in plastica per uso domestico fanno migliorare la cura e gli sforzi necessari per ottenere risultati affidabili. Il protocollo di studio deve essere coerente con gli scenari di utilizzo quotidiano reale....

Divulgazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare. La presentazione del materiale in questa pubblicazione non implica l'espressione di alcuna opinione da parte del Trinity College di Dublino su società specifiche o su determinati prodotti di produttori e non implica che siano approvati, raccomandati, criticati o meno dal Trinity College di Dublino piuttosto che da altri di natura simile. Esclusi errori ed omissioni. Sono state prese tutte le precauzioni ragionevoli per verificare le informazioni contenute nella presente pubblicazione. Tuttavia, il materiale pubblicato viene distribuito senza garanzia di alcun tipo, espresso o implicito. La responsabilità dell'interpretazione e dell'uso del materiale spetta al lettore. In nessun caso il Trinity College di Dublino sarà responsabile per i danni derivanti dal suo utilizzo.

Riconoscimenti

Gli autori apprezzano l'Enterprise Ireland (numero di sovvenzione CF20180870) e science foundation Ireland (numeri di sovvenzione: 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 e 16/IA/4462) per il sostegno finanziario. Riconosciamo anche il sostegno finanziario della Borsa di studio School of Engineering presso il Trinity College dublinesi e china scholarship council (201506210089 e 201608300005). Inoltre, apprezziamo l'aiuto professionale della prof.000 Sarah Mc Cormack e dei team di tecnici (David A. McAulay, Mary O'Shea, Patrick L.K. Veale, Robert Fitzpatrick e Mark Gilligan ecc.) del Trinity Civil, Structural and Environmental Department e AMBER Research Centre.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
AFM cantileverNANOSENSORSPPP-NCSTAuD-10To obtain three-dimensional topography of PP MPs
Atomic force microscopeNovaNT-MDTTo obtain three-dimensional topography of PP MPs
DetergentFairy Original1015054To clean the brand-new product
Gold-coated polycarbonate-PC membrane filter-0.8 umAPC, Germany0.8um25mmGoldTo collect microplastics in water and benefit for Raman test
Gwyddion softwareGwyddionGwyddion2.54To determine MPs topography
ImageJ softwareUS National Institutes of HealthNo, free for useTo determine MPs size
Microwave ovenDe'longhi, Italy815/1195Hot water preparation
Optical microscope, x100Mitutoyo, Japan46-147To find and observe the small MPs
Raman spectroscopyRenishawInVia confocal Raman systemTo checmically determine the PP-MPs
Shaking bed-SSL2Stuart, UK51900-64To mimic the mixing process during sample preparaton
Standard polystyrene microplastic spheresPolysciences, Europe64050-15To validate the robusty of current protocol
Tansfer pipette with glass tipMacro, Brand26200To transfer water sample to glass filter
Ultrasonic cleanerWiteg, GermanyDH.WUC.D06HTo clean the glassware
Vacuum pumpILMVAC GmbH105697To filter the water sample

Riferimenti

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