Amostragem, Identificação e Caracterização de Liberação de Microplásticos da Mamadeira de Alimentação de Bebês de Polipropileno durante o Uso Diário

Resumo

Este estudo detalhou um protocolo confiável e econômico para coleta e detecção de microplásticos a partir do uso diário de produtos plásticos.

Resumo

Os microplásticos (PMs) estão se tornando uma preocupação global devido ao potencial risco à saúde humana. Estudos de caso de produtos plásticos (ou seja, copos de uso único de plástico e chaleiras) indicam que a liberação de MP durante o uso diário pode ser extremamente alta. Determinar precisamente o nível de liberação da MP é um passo crucial para identificar e quantificar a fonte de exposição e avaliar/controlar os riscos correspondentes decorrentes dessa exposição. Embora os protocolos de medição dos níveis de MP em água marinha ou doce tenham sido bem desenvolvidos, as condições experimentadas pelos produtos plásticos domésticos podem variar amplamente. Muitos produtos plásticos são expostos a altas temperaturas frequentes (até 100 °C) e são resfriados de volta à temperatura ambiente durante o uso diário. Por isso, é crucial desenvolver um protocolo de amostragem que imita o cenário real de uso diário para cada produto em particular. Este estudo se concentrou em mamadeiras de alimentação de bebês amplamente utilizadas à base de polipropileno para desenvolver um protocolo econômico para estudos de liberação de MP de muitos produtos plásticos. O protocolo aqui desenvolvido permite: 1) a prevenção da contaminação potencial durante a amostragem e detecção; 2) implementação realista de cenários de uso diário e coleta precisa dos PMs liberados de mamadeiras de alimentação de bebês com base nas diretrizes da OMS; e 3) determinação química econômica e mapeamento de topografia física de PMs liberados de mamadeiras de alimentação de bebês. Com base neste protocolo, o percentual de recuperação utilizando MP de poliestireno padrão (diâmetro de 2 μm) foi de 92,4-101,2% enquanto o tamanho detectado foi de cerca de 102,2% do tamanho projetado. O protocolo aqui detalhado fornece um método confiável e econômico para a preparação e detecção de amostras de MP, que pode beneficiar substancialmente estudos futuros de liberação de MP de produtos plásticos.

Introdução

A maioria dos tipos de plásticos não são biodegradáveis, mas podem se dividir em pequenos pedaços devido a processos químicos e físicos como oxidação e atrito mecânico^1,2. Peças plásticas menores que 5 mm são classificadas como microplásticos (MPs). Os PMs são onipresentes e encontrados em quase todos os cantos do mundo. Tornaram-se uma preocupação global devido ao risco potencial para humanos e animais selvagens^3,4. Até o momento, foram encontrados acúmulos significativos de PMs em peixes, aves, insetos^5,6, bem como mamíferos (camundongos, no intestino, rim e fígado^7,8). Estudos descobriram que a exposição e o acúmulo de PMs podem danificar o metabolismo lipídico dos camundongos^7,8. Uma avaliação de risco com foco em peixes descobriu que os PMs submicrínidos podem penetrar na barreira do sangue para o cérebro e causar danos cerebrais⁹. Deve-se notar que até o momento todos os resultados de risco de MP foram obtidos a partir de estudos em animais, enquanto o risco específico à saúde humana ainda é desconhecido.

Nos últimos 2 anos, as preocupações com a ameaça do MP à saúde humana aumentaram substancialmente com a confirmação dos níveis de exposição humana aos PMs. O acúmulo de PMs foi encontrado no cólon humano¹⁰, a placenta de gestantes¹¹ e fezes adultas¹². Uma determinação precisa dos níveis de liberação de MP é crucial para identificar fontes de exposição, avaliar o risco à saúde e avaliar a eficiência de quaisquer medidas de controle potenciais. Nos últimos anos, alguns estudos de caso relataram que os plásticos de uso diário (ou seja, a chaleira de plástico¹³ e os copos de uso único¹⁴) podem liberar quantidades extremamente altas de PMs. Por exemplo, copos de papel descartáveis (com interiores laminados com filmes de polietileno-PE ou copolímero), lançaram aproximadamente 250 MPs do tamanho de mn e 102 milhões de partículas sub-micron em cada mililitro de líquido após exposição a 85-90 °C de água quente¹⁴. Um estudo de recipientes de alimentos de polipropileno (PP) informou que até 7,6 mg de partículas plásticas são liberadas do recipiente durante um único uso¹⁵. Níveis ainda mais elevados foram registrados a partir de sacos de chá feitos de tereftalato de polietileno (PET) e nylon, que liberaram aproximadamente 11,6 bilhões de MPs e 3,1 bilhões de MPs nano-tamanho em um único copo (10 mL) da bebida¹⁶. Dado que esses produtos plásticos de uso diário são projetados para a preparação de alimentos e bebidas, a liberação de altas quantidades de PMs é provável e seu consumo é uma ameaça potencial à saúde humana.

Estudos sobre a liberação de MP de produtos plásticos domésticos (ou seja, a chaleira plástica¹³ e os copos de uso único¹⁴) estão em estágio inicial, mas espera-se que esse tema receba cada vez mais atenção dos pesquisadores e do público em geral. Os métodos exigidos nesses estudos são significativamente diferentes daqueles utilizados em estudos de temperatura ambiente marinho ou de água doce, onde já existem protocolos bem estabelecidos¹⁷. Em contrapartida, estudos envolvendo o uso diário de produtos plásticos domésticos envolvem temperatura muito mais alta (até 100 °C), com, em muitos casos, repetidas pedalando de volta à temperatura ambiente. Estudos anteriores apontaram que plásticos em contato com água quente podem liberar milhões de MPs^16,18. Além disso, o uso diário de produtos plásticos pode, com o tempo, alterar as propriedades do próprio plástico. Por isso, é crucial desenvolver um protocolo de amostragem que imita com precisão os cenários de uso diário mais comuns. A detecção de partículas de micro-tamanho é outro grande desafio. Estudos anteriores apontaram que os PMs liberados de produtos plásticos são menores que 20 μm^16,19,20. A detecção desses tipos de MPs requer o uso de filtros de membrana lisa com pequeno tamanho de poros. Além disso, é necessário distinguir os PMs de possíveis contaminantes capturados pelo filtro. Espectroscopia raman de alta sensibilidade é usada para análise de composição química, que tem a vantagem de evitar a necessidade de alta potência laser que é conhecida por destruir facilmente pequenas partículas²⁰. Assim, o protocolo deve combinar procedimentos de manuseio sem contaminação com o uso de filtros de membrana ideais e para um método de caracterização que permita a identificação rápida e precisa da MP.

O estudo aqui relatado se concentrou na mamadeira de amamentação à base de PP (BFB), um dos produtos plásticos mais utilizados no dia a dia. Verificou-se que um alto número de PMs são liberados do BFB plástico durante a preparação da fórmula¹⁸. Para um estudo mais aprofundado da liberação de MP a partir de plásticos diários, o método de preparação e detecção da amostra para BFB é detalhado aqui. Durante a preparação da amostra, o processo padrão de preparação da fórmula (limpeza, esterilização e mistura) recomendado pela OMS²¹ foi cuidadosamente seguido. Ao projetar os protocolos em torno das diretrizes da OMS, garantimos que a liberação da MP dos BFBs imitasse o processo de preparação da fórmula do bebê utilizado pelos pais. O processo de filtro foi projetado para coletar com precisão os MPs liberados dos BFBs. Para a identificação química dos PMs, as condições de trabalho para espectroscopia de Raman foram otimizadas para obter espectros limpos e facilmente identificados de PMs, evitando ao mesmo tempo a possibilidade de queima das partículas-alvo. Finalmente, foi desenvolvido o procedimento de teste ideal e a força aplicada para permitir um mapeamento preciso da topografia tridimensional dos PMs utilizando microscopia de força atômica (AFM). O protocolo (Figura 1) detalhado aqui fornece um método confiável e econômico para a preparação e detecção de amostras de MP, que pode beneficiar substancialmente estudos futuros de produtos plásticos.

Protocolo

1. Preparação para água quente

1. Para todo o hardware que entrar em contato com as amostras, use vidro limpo feito de borossilicato 3.3 para evitar qualquer contaminação potencial. Limpe completamente todos os vidros.
   Atenção: Arranhões pré-existentes ou manchas de imperfeição em vidros podem liberar partículas durante o processo de aquecimento e agitação. Sugerimos que os usuários verifiquem os vidros e evitem o uso do vidro riscado. Nossa comparação de vidros feitos de diferentes copos (como refrigerante-limão e borossilicato) mostrou que o borossilicato 3.3 libera a menor quantidade de partículas de vidro (pode ser rastreado pela espectroscopia de Raman), e recomendamos o uso de vidros borossilicato 3.3 em todos os testes.
2. Despeje 360 mL de água DI em um copo de vidro. Cubra o béquer com um disco de vidro limpo. Em seguida, mova-o para um novo forno de micro-ondas e aqueça por 2,5 minutos com potência total do forno. Depois de tremer suavemente para remover quaisquer gradientes de temperatura potenciais devido ao aquecimento irregular, a temperatura da água dentro do béquer é de 70 °C e está pronta para a preparação da amostra.
3. Prepare 95 °C de água para esterilização BFB, derramando 1 L de água DI em vidros e aquecendo em forno micro-ondas por 14 minutos.
   Atenção:Nunca use chaleiras de plástico para preparar água quente. A chaleira de plástico em si libera milhões de PMs na água quente durante o processo de ebulição¹³.

2. Liberação de MP durante a preparação da fórmula

NOTA: Seguindo cuidadosamente o processo padrão de preparação da fórmula (limpeza, esterilização e mistura) recomendado pela OMS²¹, os MPs liberados dos BFBs durante a preparação da fórmula são imitados nas seguintes 3 etapas.

1. Colete produtos BFB novinhos em estoques de farmácias e limpe-os cuidadosamente depois de remover o produto de suas embalagens. Lave cada BFB usando água detergente (repita 3 vezes na temperatura ambiente-RT) e água destilada (repetida 3 vezes, RT). Por fim, enxágue o BFB 3 vezes usando água DI no RT.
   Atenção: Não limpe o BFB usando sônicação. Embora a sônica seja amplamente utilizada em laboratórios para mistura e limpeza, a sônica de BFB pode danificar severamente a superfície da garrafa e causar liberação de MP de produtos PP dentro de 1 minuto.
2. Mergulhe o BFB em 95 °C de água DI (seção 1.3) para esterilizar a garrafa. Para evitar a flutuação do BFB, pressione levemente o exterior do BFB usando uma pinça de aço inoxidável e certifique-se de que todo o corpo da garrafa mergulhe na água.
   1. Depois de 5 minutos, tire a garrafa e mova-a para um disco de vidro limpo. Durante a etapa de secagem de ar, inverta a garrafa no disco de vidro até que não haja evidência de gotículas.
3. Despeje 180 mL de água DI quente (70 °C, da Seção 1.2, correspondente às diretrizes da OMS) na garrafa seca a ar. Em seguida, cubra a garrafa imediatamente usando uma placa de vidro Petri e coloque-a em uma cama tremendo.
   1. Para simular o processo de mistura de fórmulas, agite a garrafa a uma velocidade de 180 rpm por 60 segundos. Depois de tremer, mova a garrafa para uma placa de vidro limpa e deixe esfriar.

3. Preparação amostral para identificação e quantificação da MP

1. Sonicate e enxágue completamente todas as partes do filtro de vidro (diâmetro de 25 mm, funil de vidro, base de suporte de vidro fritado e frasco receptor) usando água DI.
   1. Coloque um pedaço de filtro de membrana policarbonato-PC revestido a ouro (tamanho de poros de 0,8 μm, espessura da camada de revestimento au de 40 nm) no meio da base de vidro.
   2. Monte o funil de vidro e o grampo de aço inoxidável para fixar o filtro de membrana. Por fim, conecte o filtro de vidro montado a uma bomba de vácuo(Figura 2).
      Atenção: Para garantir que a membrana grude suavemente na superfície da base de vidro é importante manter a base de vidro molhada. Se necessário, 1-2 gotas de água DI devem ser lançadas na superfície da base de vidro antes de colocar o filtro de membrana.
2. Misture cuidadosamente a amostra de água resfriada no BFB (da Seção 2.3) e, em seguida, transfira uma certa quantidade da amostra de água para o funil de vidro usando uma pipeta de vidro. Ligue a bomba de vácuo para permitir que a amostra de água se estetre lentamente através do filtro de membrana.
   1. Após a filtragem, lave o interior do funil de vidro usando água DI para garantir que não haja partículas grudados no funil.
      Atenção: Para evitar a sobreposição das partículas na superfície do filtro de membrana, é importante escolher cuidadosamente o volume correto de água que passa pelo filtro. Os BFBs liberam um grande número de partículas, de modo que 3-5 filtros de membrana são necessários para filtrar todo o volume da amostra de água.
3. Desconecte a bomba de vácuo e desmonte o filtro de vidro. Em seguida, retire cuidadosamente o filtro de membrana usando uma pinça de aço inoxidável e mova-o para um vidro de cobertura limpa. Fixar o filtro de membrana no vidro da tampa usando um pequeno pedaço de fita de papel. Armazene imediatamente a amostra em uma placa de vidro limpo.

4. Preparação da amostra para caracterização da topografia afm

1. Prepare uma bolacha de silicone limpa. Solte uma amostra de água de 50 μL (da Seção 2.3) na superfície do wafer de silício e seque-a em um forno a uma temperatura de cerca de 103 °C. Repita este processo se o nível de MP na amostra de água estiver baixo.
2. Depois de 1 hora de secagem, mova o wafer para uma placa de vidro limpa e deixe esfriar em um dessecador.
3. Depois que o wafer esfriar, armazene a amostra em uma placa de petri de vidro seco e limpa.

5. Identificação e quantificação de MP usando espectroscopia de Raman

1. Calibrar o sistema Raman usando uma correção de ordem zero e um wafer de silício. Certifique-se de que a localização máxima do wafer de silício está em 520,7 cm^-1 e que a intensidade máxima é superior a 6000 a.u. quando a intensidade do laser está em 100%.
2. Configure os parâmetros do sistema Raman para obter alto espectro de MP de sinal para ruído, evitando a queima de PMs. Defina o sistema da seguinte forma: laser de excitação de 532 nm, remova o raio cósmico, intensidade laser de 10% (potência laser de 0,18 mW), resolução espectral de 1,5 cm^-1, tempo de exposição de 10-20 segundos, acúmulos de 10-40 vezes e alcance espectral de 200-3200 cm^-1. A Figura 3 mostrou espectros típicos de PMs com tempos de acumulação de 1 s a 400 s.
   Atenção: Não teste partículas usando 100% laser diretamente para evitar a queima rápida (pode ser queimado em 1 minuto se a partícula for pequena). Use baixa intensidade (10-50%) para realizar o teste primeiro.
3. Coloque a amostra do filtro (da Seção 3.3) no meio da fase amostral de Raman. Escolha quatro pontos representativos (2 vagas estão na área intermediária, enquanto outras 2 vagas estão próximas à borda da área de trabalho, Figura 3C) no filtro de membrana para realizar o teste (área de teste total em torno de 1,5 mm²).
4. Observe e fotografe as partículas na superfície do filtro de membrana usando um microscópio óptico (100x) seguido de identificação química usando espectroscopia de Raman.
   1. Compare o espectro Raman obtido com o espectro de polímero padrão de referência (a partir de material a granel de BFB e publicação anterior²²).
   2. Determine a propriedade química das partículas utilizando os picos intensivos na faixa de 2780-2980, 1400-1640 e 709-850 cm^-1, correspondentes às vibrações de alongamento dos grupos CH/CH_2/CH3 e C-C associados a materiais polímeros(Figura 3).
5. Analise o tamanho e a quantidade dos PMs identificados usando ImageJ.
   1. Obtenha a concentração de PMs na amostra de água com base na área testada, área de trabalho total (227 mm²) e o volume amostral filtrado conhecido.
   2. Classifique os MPs confirmados em 5 grupos em termos do tamanho: 0,8-5 μm, 5-20 μm, 20-50 μm, 50-100 μm e > 100 μm.
   3. Por fim, determine a quantidade de PMs em um litro de amostra de água com base no volume da amostra filtrada, número de PMs registrados e área testada do filtro de membrana.

6. Caracterização topográfica mp usando AFM

1. Equipar o sistema AFM (NT-MDT) com um teste de modo de toque. Calibrar o sistema usando um padrão de altura de passo (SHS). Configure o sistema dentro das condições ideais de trabalho: a taxa de digitalização é de 1 Hz, o tamanho da varredura é de 10-50 μm, a frequência de ajuste é de cerca de 160 kHz, e a linha de varredura é de 512 pixels.
2. Fixar o wafer de silício (da Seção 4.3) no estágio amostral AFM. Observe e fotografe as partículas-alvo na superfície do wafer de silício, seguidas pela identificação química usando o método na Seção 5.
3. Mude o sistema para o modo AFM (a espectroscopia de Raman e a AFM são montadas em um sistema) e teste a topografia de PMs identificados.
4. Analise os dados 3d usando o software Gwyddion 2.54. Use a opção de perfil para obter as dimensões de partículas e alturas médias, enquanto a visualização 3D para obter estrutura 3D.

Resultados

Para validar este protocolo, a amostra de água foi preparada adicionando esferas microplásticas de poliestireno padrão (diâmetro de 2,0 ± 0,1 μm) à água DI. A quantidade de MP adicionada correspondeu a 4.500.000 partículas/L, o que é semelhante ao nível de liberação de MP de BFBs. Seguindo as seções de protocolo 2-3, os PMs foram coletados com sucesso (Figura 4A) e a taxa de recuperação foi de 92,4-101,2%. Esta taxa de recuperação é comparável a um estudo anterior sobre ...

Discussão

Embora o estudo dos PMs em água marinha e doce tenha sido amplamente divulgado e o protocolo padrão relevante tenha sido desenvolvido¹⁷, o estudo de produtos plásticos de uso diário é uma importante área de pesquisa emergente. As diferentes condições ambientais vivenciadas pelos produtos plásticos domésticos significam que são necessários cuidados extras e esforços para obter resultados confiáveis. O protocolo de estudo deve ser consistente com os cenários reais de uso diário. Por ...

Materiais

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