Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Мы показываем формирование и размерную характеристику микро- и нанопластиков (МП и НП соответственно) с использованием поэтапного процесса механического фрезерования, шлифования и визуализационного анализа.
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.
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 культур, снижение производственных затрат и продвижение устойчивых методов ведения сельского хозяйства 4,5. Тем не менее, расширение использования «пластикультуры» вызвало обеспокоенность по поводу формирования, распределения и удержания пластиковых деталей в сельскохозяйственных условиях. После непрерывного процесса фрагментации, вызванного охрупчиванием в результате деградации окружающей среды в течение срока службы, более крупные пластиковые фрагменты образуют микро- и нанопластики (МНП), которые сохраняются в почве или мигрируют в соседние водные пути через водный сток и ветер 6,7,8. Факторы окружающей среды, такие как ультрафиолетовое (УФ) излучение через солнечный свет, механические силы воды и биологические факторы, вызывают пластическое охрупчивание экологически дисперсных пластмасс, что приводит к распаду более крупных пластиковых фрагментов на макро- или мезопластические частицы 9,10. Дальнейшая дефрагментация образует микропластики (МП) и нанопластики (НП), отражающие частицы среднего размера (номинального диаметра; г) 1-5000 мкм и 1-1000 нм соответственно11. Однако верхний предел dp для НП (т.е. нижний предел для депутатов) не согласован повсеместно, и в нескольких статьях он указан как 100 нм12.
НМП из пластиковых отходов представляют собой возникающую глобальную угрозу для здоровья почв и экосистемных услуг. Адсорбция тяжелых металлов из пресной воды депутатами привела к 800-кратному повышению концентрации тяжелых металлов по сравнению с окружающей средой13. Кроме того, депутаты в водных экосистемах создают многочисленные стрессоры и загрязняющие вещества, изменяя проникновение света, вызывая истощение кислорода и вызывая адгезию к различной биоте, включая проникновение и накопление в водных организмах14.
Недавние исследования показывают, что ПНП могут влиять на геохимию и биоту почвы, включая микробные сообщества и растения 15,16,17. Кроме того, НП угрожают продовольственной сети 17,18,19,20. Поскольку МНП легко подвергаются вертикальному и горизонтальному переносу в почве, они могут переносить поглощенные загрязняющие вещества, такие как пестициды, пластификаторы и микроорганизмы, через почву в грунтовые воды или водные экосистемы, такие как реки и ручьи 21,22,23,24. Обычные сельскохозяйственные пластмассы, такие как мульчирующие пленки, изготавливаются из полиэтилена, который должен быть удален с поля после использования и утилизирован на свалках. Однако неполное удаление приводит к значительному накоплению пластикового мусора в почвах 9,25,26. В качестве альтернативы, почвенно-биоразлагаемые пластиковые мульчи (BDM) предназначены для обработки в почве после использования, где они будут разлагаться с течением времени. Тем не менее, BDM временно сохраняются в почве и постепенно деградируют и фрагментируются на депутатов и НП 9,27.
Во многих современных экологических экотоксикологических исследованиях и исследованиях судьбы используются идеализированные и нерепрезентативные материалы модели депутатов и НП. Наиболее часто используемыми суррогатными МНП являются монодисперсные полистирольные микро- или наносферы, которые не отражают фактические МНП, проживающие в окружающей среде 12,28. Следовательно, выбор непредставительных депутатов и НП может привести к неточным измерениям и результатам. Основываясь на отсутствии соответствующих модельных ΜNP для наземных экологических исследований, авторы были мотивированы на подготовку таких моделей из сельскохозяйственных пластмасс. Ранее мы сообщали о формировании ПНД из БДМ и полиэтиленовых гранул путем механического измельчения и измельчения пластиковых гранул и пленочных материалов, а также о размерных и молекулярных характеристиках МНП29. В настоящем документе содержится более подробный протокол подготовки ПМН, который может быть применен более широко ко всем сельскохозяйственным пластмассам, таким как мульчирующие пленки или их гранулированное сырье (рисунок 1). Здесь, в качестве примера, мы выбрали мульчировочную пленку и сферические гранулы биоразлагаемого полимерного полибутилендипаттерефталата (ПБАТ) для представления сельскохозяйственных пластмасс.
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.
2. Обработка пластиковых пленок криогенной предварительной обработкой и фрезерованием
3. Переработка пластиковых пленок, предварительно обработанных путем экологического выветривания и фрезерования
4. Процедура просеивания через каскадные сита
5. Приготовление водной NP-суспензии для мокрого измельчения
6. Подготовка мокрого шлифовального станка для производства NP
7. Извлечение и сушка НП из шлама
8. MP-визуализация с помощью стереомикроскопии
9. Анализ изображений с помощью ImageJ
10. Расчет диаметра частиц (dp) и форм-фактора в электронных таблицах
ПРИМЕЧАНИЕ: Знание диаметра частиц и формовых факторов имеет важное значение для поведения частиц (судьба, перенос) в окружающей среде и определения площади поверхности. Поэтому геометрия имеет важное значение, когда депутаты используются для экологических исследований. Например, наблюдались различные механизмы взаимодействия с почвой в зависимости от размеров и форм депутатов, такие как агломерации МП-МП и МП-почвы, которые влияют на движение частиц в почве 15,32. Поэтому для определения распределения по размерам и геометрического параметра dp-частиц предлагаются следующие шаги.
11. Статистический анализ для депутатов и депутатов
12. Наилучшее соответствие распределения dp по размерам и коэффициентов формы частиц
13. Размерная характеристика НП посредством динамического рассеяния света
14. Химический анализ МП с использованием инфракрасной (FTIR) спектрометрии с ослабленным полным отражением (ATR) с преобразованием Фурье
ПРИМЕЧАНИЕ: Химический анализ МНП с помощью инфракрасной (FTIR) и ядерно-магнитно-резонансной (ЯМР) спектроскопии с преобразованием Фурье является хорошо подходящим инструментом для оценки влияния мокрого измельчения на свойства химической связи, а также относительных количеств основных компонентов и мономерных составляющих полимеров, соответственно10. Кроме того, тепловые свойства и стабильность полимерных составляющих МНП могут быть оценены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрического анализа (ТГА), соответственно29.
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...
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?...
Авторам нечего раскрывать.
Это исследование финансировалось Сельскохозяйственным колледжем Герберта, Департаментом биосистемной инженерии и почв и Научным альянсом в Университете Теннесси, Ноксвилл. Кроме того, авторы с благодарностью отмечают финансовую поддержку, предоставленную в рамках гранта Министерства сельского хозяйства США 2020-67019-31167 для этого исследования. Первоначальное сырье для подготовки МНП биоразлагаемой мульчированной пленки на основе ПБАТ было любезно предоставлено компанией BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, США) и гранулами PBAT компанией Mobius, LLC (Lenoir City, TN).
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены