Формирование микро- и нанопластиков из сельскохозяйственных пластиковых пленок для использования в фундаментальных исследованиях

Резюме

Мы показываем формирование и размерную характеристику микро- и нанопластиков (МП и НП соответственно) с использованием поэтапного процесса механического фрезерования, шлифования и визуализационного анализа.

Аннотация

Микропластики (МП) и нанопластики (НП), рассеянные в сельскохозяйственных экосистемах, могут представлять серьезную угрозу для биоты в почве и близлежащих водных путях. Кроме того, химические вещества, такие как пестициды, адсорбированные НП, могут нанести вред почвенным организмам и потенциально попасть в пищевую цепь. В этом контексте используемые в сельском хозяйстве пластмассы, такие как пластиковые мульчирующие пленки, вносят значительный вклад в загрязнение пластиком в сельскохозяйственных экосистемах. Однако в большинстве фундаментальных исследований судьбы и экотоксичности используются идеализированные и плохо репрезентативные материалы МП, такие как полистирольные микросферы.

Поэтому, как описано здесь, мы разработали многоступенчатую процедуру лабораторного масштаба для механического формирования репрезентативных депутатов и НП для таких исследований. Пластичный материал получали из коммерчески доступных пластиковых мульчирующих пленок полибутирата адипат-ко-терефталата (ПБАТ), которые были эмбритированы либо путем криогенной обработки (CRYO), либо выветривания окружающей среды (W), а также из необработанных гранул PBAT. Затем пластиковые материалы обрабатывались механическим фрезерованием с образованием МП размером 46-840 мкм, имитируя истирание пластиковых фрагментов ветром и механическим оборудованием. Затем депутаты были разделены на несколько фракций размера, чтобы обеспечить дальнейший анализ. Наконец, фракция сита 106 мкм подвергалась мокрому измельчению для получения NP 20-900 нм, процесс, который имитирует медленный процесс уменьшения размера для наземных МП. Размеры и форма для депутатов были определены путем анализа изображений стереомикрографов, а динамическое рассеяние света (DLS) использовалось для оценки размера частиц для НП. Депутаты и НП, сформированные в результате этого процесса, обладали неправильными формами, что соответствует геометрическим свойствам депутатов, извлеченных из сельскохозяйственных полей. В целом, этот метод уменьшения размера оказался эффективным для формирования МП и НП, состоящих из биоразлагаемых пластмасс, таких как полибутиленадипат-котерефталат (ПБАТ), представляющих собой мульчирующие материалы, используемые для сельскохозяйственного специального растениеводства.

Введение

В последние десятилетия быстро растущее мировое производство пластмасс и неправильная утилизация и отсутствие переработки пластиковых отходов привели к загрязнению окружающей среды, которое повлияло на морские и наземные экосистемы ^1,2,3. Пластиковые материалы необходимы для современного сельского хозяйства, особенно для выращивания овощей, мелких фруктов и других специальных культур. Их использование в качестве мульчирующих пленок, высоких и низких туннельных покрытий, капельной ленты и других применений направлено на повышение урожайности и качества сельскохозяйственных кул....

протокол

1. Переработка МП из пластиковых гранул путем криогенной предварительной обработки и измельчения

ПРИМЕЧАНИЕ: Данная методология основана на процедуре, описанной в другом месте, с использованием пленки PBAT, состоящей из того же материала, который использовался для данного представленного исследования²⁹.

1. Взвесьте образцы полимерных гранул ~1 г и переложите в стеклянную банку объемом 50 мл.
2. Поместите «прямоугольную подающую» трубку с 20-сетчатым (840 мкм) ситом в прорезь перед роторной режущей мельницей и поднимите подающую трубу до тех пор, пока она не ударится о стоп-штифт.
....

Результаты

Для проверки метода экспериментальной процедуры и анализа МП и НП были сформированы из гранул и пленочных материалов и сопоставлены по размеру и форме с использованием микроскопических изображений. Способ, описанный на фиг.1, эффективно формировал МП и НП из биоразлага.......

Обсуждение

Этот метод описывает эффективный процесс, первоначально описанный в предыдущей публикации²⁹, для подготовки МНП, полученных из гранул и мульчирующих пленок, для экологических исследований. Процесс уменьшения размера включал криогенное охлаждение (только для пленки), сухо?.......

Материалы

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