기초 연구 연구에 고용을위한 농업 플라스틱 필름에서 마이크로 및 나노 플라스틱 형성

요약

우리는 기계적 밀링, 연삭 및 이미징 분석의 단계적 공정을 사용하여 마이크로 및 나노 플라스틱 (각각 MPs 및 NP)의 형성 및 치수 특성을 보여줍니다.

초록

농업 생태계에 분산된 미세플라스틱(MPs)과 나노플라스틱(NP)은 토양과 인근 수로에서 바이오타에 심각한 위협이 될 수 있습니다. 또한 NP에 의해 흡착 된 살충제와 같은 화학 물질은 토양 유기체에 해를 끼칠 수 있으며 잠재적으로 먹이 사슬에 들어갈 수 있습니다. 이러한 맥락에서 플라스틱 뿌리 덮개 필름과 같은 농업적으로 활용 된 플라스틱은 농업 생태계의 플라스틱 오염에 크게 기여합니다. 그러나 운명과 생태 독성에 대한 대부분의 근본적인 연구는 폴리스티렌 미소 구체와 같은 이상화되고 잘 대표되지 않는 MP 물질을 사용합니다.

따라서, 본원에 기재된 바와 같이, 우리는 이러한 연구를 위해 대표적인 MPs 및 NP를 기계적으로 형성하기 위한 실험실 규모의 다단계 절차를 개발하였다. 플라스틱 재료는 극저온 처리 (CRYO) 또는 환경 내후성 (W) 및 처리되지 않은 PBAT 펠릿을 통해 취화 된 폴리 부티레이트 아디페이트 - 코-테레프탈레이트 (PBAT)의 상업적으로 이용 가능한 플라스틱 멀치 필름으로부터 제조되었다. 그런 다음 플라스틱 재료를 기계적 밀링으로 처리하여 46-840 μm 크기의 MP를 형성하고 바람 및 기계 기계에 의한 플라스틱 조각의 마모를 모방했습니다. 그런 다음 MP를 여러 크기 분수로 체질하여 추가 분석을 가능하게했습니다. 마지막으로, 106 μm 체 분획을 습식 분쇄하여 20-900 nm의 NPs를 생성하였으며, 이는 육상 MPs에 대한 느린 크기 감소 공정을 모방하는 과정이다. MP의 치수와 모양은 입체 현미경 사진의 이미지 분석을 통해 결정되었으며, NP의 입자 크기를 평가하기 위해 동적 광산란 (DLS)이 사용되었습니다.이 과정을 통해 형성된 MP와 NP는 불규칙한 모양을 가지고 있었으며, 이는 농업 분야에서 회수 된 MP의 기하학적 특성과 일치합니다. 전반적으로,이 크기 감소 방법은 농업 특수 작물 생산에 사용되는 뿌리 덮개 재료를 대표하는 폴리 부틸렌 아디페이트 - 코 테레프탈레이트 (PBAT)와 같은 생분해 성 플라스틱으로 구성된 MPs 및 NP를 형성하는 데 효율적임을 입증했습니다.

서문

최근 수십 년 동안 전 세계적으로 플라스틱 생산이 급속히 증가하고 부적절한 폐기와 플라스틱 폐기물의 재활용 부족으로 인해 해양 및 육상 생태계 ^1,2,3에 영향을 미치는 환경 오염이 발생했습니다. 플라스틱 재료는 현대 농업, 특히 야채, 작은 과일 및 기타 특수 작물을 재배하는 데 필수적입니다. 뿌리 덮개 필름, 높고 낮은 터널 덮개, 물방울 테이프 및 기타 응용 프로그램으로서의 사용은 작물 수확량과 품질을 향상시키고 생산 비용을 낮추며 지속 가능한 농업 방법 ^4,5을 촉진하는 것을 목표로합니다. 그러나 "가소성"의 고용 확대는 농업 환경에서 플라스틱 조각의 형성, 유통 및 보존에 대한 우려를 불러 일으켰습니다. 사용 기간 동안 환경 파괴를 통한 취성으로 인한 지속적인 단편화 공정 후, 더 큰 플라스틱 파편은 미세 및 나노 플라스틱 (MNPs)을 형성하며, 이는 토양에서 지속되거나 물 유출 및 바람을 통해 인접한 수로로 이동합니다 ^6,7,8

프로토콜

1. 극저온 전처리 및 밀링을 통한 플라스틱 펠릿에서 MPs 처리

참고: 이 방법론은 다른 곳에서 설명된 절차에 기초하며, 본 제시된 연구²⁹에 사용된 동일한 재료로 구성된 PBAT 필름을 채용한다.

1. ∼1 g의 중합체 펠릿 샘플을 계량하고 50 mL 유리 병에 옮긴다.
2. 20메쉬(840μm) 체가 있는 "직사각형 전달" 튜브를 회전식 절단 밀 앞의 슬롯에 놓고 정지 핀에 닿을 때까지 전달 튜브를 들어 올립니다.
3. 유리판을 밀링 챔버의 면 위에 놓고 조정 가능한 클램프로 고정하십시오. 그런 다음 50 mL 유리 용기를 밀 배출구 아래에 놓습니다 (그림 2).
4. 슬라이딩 사이드 암 지지대를 전면 유리 중앙의 밀(오른쪽 상단에 위치)에 놓고 널링된 볼트로 조이십시오. 밀링의 전면 유리가 단단히 배치되어 있는지 확인하십시오(그림 2a).
5. 밀링 상단의 호퍼 깔때기를 상부 밀링 챔버의 개구부에 삽입합니다.
6. 라인 코드를 전원 콘센트와 프레스 코드 스위치에 꽂아 밀링 작업을 시작....

결과

실험 절차 방법 및 분석을 검증하기 위해 MPs 및 NP를 펠렛 및 필름 재료로 형성하고 현미경 이미지를 사용하여 크기와 모양별로 비교했습니다. 도 1에 기재된 방법은 생분해성 플라스틱 펠릿 및 필름으로부터 MPs 및 NPs를 효율적으로 형성하고; 이것은 극저온 냉각, 밀링, 습식 연삭 및 특성화를 통해 달성되었습니다. 이전 단계는 풍화로 인해 취성이 유발되기 때문에 환경 풍화.......

토론

이 방법은 환경 연구를 위해 펠릿 및 멀치 필름으로부터 공급되는 MNP를 제조하기 위해, 이전 간행물²⁹에서 초기에 기술된 효과적인 공정을 기술한다. 크기 감소 공정에는 극저온 냉각(필름에만 해당), 건식 밀링 및 습식 분쇄 단계가 포함되어있어 모델 MNP를 제조했습니다. 우리는 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 폴리 부티레이트 아디페이트 - 코-테레프탈레이트 (PBAT) 및 폴리 락트산 (PLA.......

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aluminum dish, 150 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	08-732-103	Drying of collected NPs
Aluminum dish, 500 mL	VWR International, Radnor, PA, USA	25433-018	Collecting NPs after wet-grinding
Centrifuge	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	Centrific 228	Container for centrifugation
Delivery tube, #20, 840 µm	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M30	Sieving of the first fraction during milling
Delivery tube, #60, 250 µm	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M45	Sieving of the second fraction (3x)  during milling
Thermomixer,  5350 Mixer	Eppendorf North America, Enfield, CT, USA	05-400-200	Analysis of sieving experiments
FT-IR Spectrum Two, spectrometer with attenuated total reflectance (ATR)	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	L1050228	Measuring FTIR spectra
Glass beaker, 1000 mL	DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA	02-555-113	Stirring of MPs-water slurry before grinding
Glass front plate	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383N55	Front cover plaste for Wiley Mini Mill
Glass jar, 50 mL	Uline, Pleasant Prairie, WI, USA	S-15846P	Collective MPs after milling
Glove Box, neoprene	Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA	BEL-H500290000	22-Inch, Size 10
Zetasizer Nano ZS 90 size analyzer	Malvern Panalytical, Worcestershire, UK	Zetasizer Nano ZS	Measuring nanoplastics dispersed in DI-water
Microscope camera	Nikon, Tokyo, 108-6290, Japan	Nikon Digital Sight 10	Combined with Olympus microscope to receive digital images
Microscope	Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japan	Model SZ 61	Imaging of MPs
Nitrogen jar, low form dewar flasks	Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA	UX-03771-23	Storage of liquid nitrogen during cryogenic cooling
Accurate Blend 200, 12-speed blender	Oster, Boca Raton, FL, USA	6684	Initiating the size reduction of cryogenically treated plastic film
PBAT film, - BioAgri™ (Mater-Bi®)	BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA	0.7 mm thick	Feedstock to form MPs and NPs, agricultural mulch film
PBAT pellets	Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA	Diameter 3 mm	Feedstock to form microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) trough milling and grinding
Plastic centrifuge tubes, 50 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	06-443-18	Centrifugation of slurry after wet-grinding
Plastic jar, 1000 mL, pre-cleaned, straight sided	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	05-719-733	Collection of NPs during and after wet grinding
Polygon stir bars, diameterø=8 mm, length=50.8 mm	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	14-512-127	Stirring of MPs slurry prior to wet-grinding
Scissors, titanium bonded	Westcott, Shelton, CT, USA	13901	Cutting of initial PBAT film feedstocks
Square glass cell with square aperture and cap, 12 mm O.D.	Malvern Panalytical, Worcestershire, UK	PCS1115	Measuring of NPs particle size
Stainless steel bottom, 3 inch, pan	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8401	For sieving after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 140 (106 µm)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1308	For sieving after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 20 (850 µm)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1296	Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 325 (45 µm)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1313	Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 60 (250 µm)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1303	Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel top cover, 3 inch	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8406	Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel tweezers	Global Industrial, Port Washington, NY, USA	T9FB2264892	Transferring of  frozen film particles from jar into blender
Vacuum oven, model 281A	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	13-262-50	Vacuum oven to dry NPs after wet-grinding
Friction grinding machine, Supermass Colloider	Masuko Sangyo, Tokyo, Japan	MKCA6-2J	Grinding machine to form NPs from MPs
Wet-grinding stone, grit size: 297 μm -420 μm	Masuko Sangyo, Tokyo, Japan	MKE6-46DD	Grinding stone to form NPs from MPs
Wiley Mini Mill, rotary cutting mill	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	NC1346618	Size reduction of pellets and film into MPs and NPs
Software
FTIR-Spectroscopy software	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	Spectrum 10	Collection of spectra from the initial plastic, MPs and NPs
Image J, image processing program	National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA	Version 1.53n	Analysis of digital images received from microscopy
Microscope software, ds-fi1 software	Malvern Panalytical , Malvern, UK	Firmware DS-U1 Ver3.10	Recording of digital images
Microsoft, Windows,  Excel 365, spreadsheet software	Microsoft, Redmond, WA, USA	Office 365	Calculating the average particle size and creating FTIR spectra images
JMP software, statistical software	SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021	Version 15	Statistical analysis of particle size and perform best fit of data set
Unscrambler software	Camo Analytics, Oslo, Norway	Version 9.2	Normalizing and converting FTIR spectra into .csv fromat