Name: forming micro-and nano-plastics from agricultural plastic films for employment in fundamental research studies
Uploaded: 2022-07-27T14:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies at JoVE.com

这项研究由赫伯特农业学院，生物系统工程和土壤系以及田纳西大学诺克斯维尔分校的科学联盟资助。此外，作者非常感谢通过美国农业部拨款2020-67019-31167为这项研究提供的财务支持。用于制备基于PBAT的可生物降解地膜MNP的初始原料由BioBag美洲公司（美国佛罗里达州杜尼文）和莫比乌斯有限责任公司（田纳西州勒努瓦市）提供。

1. 通过低温预处理和碾磨加工塑料颗粒中的MP
注意：该方法基于其他地方描述的程序，采用由本研究29中使用的相同材料的PBAT薄膜组成。
<ol><li>称取约1克的聚合物颗粒样品，并转移到50 mL玻璃罐中。</li>
	<li>将带有20目（840μm）筛的“矩形输送”管放在旋转切割机前面的槽中，并抬起输送管，直到它碰到停止销。</li>
	<li>将玻璃板放在铣削室的?...

该方法描述了最初在先前出版物29中描述的有效过程，以制备来自颗粒和覆盖膜的MNP用于环境研究。尺寸减小过程涉及低温冷却（仅适用于薄膜）、干磨和湿磨阶段，以制造模型MNP。我们已经应用这种方法从各种聚合物原料中制备MNP，包括低密度聚乙烯（LDPE），聚丁酸己二酸酯 - 共对苯二甲酸酯（PBAT）和聚乳酸（PLA）29 （Astner等人，手稿正在准备中）。然而，...

近几十年来，全球塑料产量迅速增加，处置不当，塑料废物缺乏回收利用，导致环境污染，影响了海洋和陆地生态系统1，2，3。塑料材料对于当代农业至关重要，特别是种植蔬菜，小水果和其他特种作物。它们用作地膜、高低隧道覆盖物、滴灌带和其他应用，旨在提高作物产量和质量，降低生产成本，并促进可持续耕作方法4，5。然而，“塑料栽培”的不断扩大引起了人们对农业环境中塑料碎片的形成，分布和保留的担忧。在使用寿命期间通过环境退化引起的脆化过程之后，较大的塑料碎片形成微塑料和纳米塑料（MNPs），这些塑料碎片在土壤中持续存在 或通过水径 流和风迁移到相邻的水道6，7，8。环境因素，如通过阳光的紫外线（UV）辐射，水的机械力和生物因素触发环境分散塑料的塑料脆化，导致较大的塑料碎片分解成宏观或中胚层塑料颗粒9，10。进一步碎片化形成微塑料（MP）和纳米塑料（NPs），反映平均尺寸（公称直径; dp）分别为1-5000μm和1-1000nm11.然而，NPs的 dp 上限（即MP的下限）并未得到普遍同意，在几篇论文中，这被列为100 nm12。
来自塑料废物的MNP对土壤健康和生态系统服务构成了新的全球威胁。与周围环境相比，国会议员从淡水中吸附重金属导致重金属浓度高出800倍13.此外，水生生态系统中的议员通过改变光渗透，导致氧气耗尽，并导致粘附在各种生物群中，包括渗透和积累在水生生物中，造成多种压力源和污染物14.
最近的研究表明，MNPs可以影响土壤地球化学和生物群系，包括微生物群落和植物15，16，17。此外，NPs威胁到食物网17，18，19，20。由于MNP很容易在土壤中经历垂直和水平运输，它们可以将吸收的污染物（如杀虫剂，增塑剂和微生物）通过土壤带入地下水或水生生态系统，如河流和溪流21，22，23，24。传统的农用塑料，如地膜，由聚乙烯制成，使用后必须从田间取出，并在垃圾填埋场中处理。然而，不完全的去除导致大量的塑料碎片在土壤中积累9，25，26。或者，土壤可生物降解的塑料覆盖物（BDM）被设计为在使用后耕种到土壤中，在那里它们会随着时间的推移而降解。然而，BDM暂时存在于土壤中，并逐渐降解并分裂成MP和NP9，27。
目前的许多环境生态毒理学和命运研究都采用了理想化和非代表性的MP和NP模型材料。最常用的替代MNP是单分散聚苯乙烯微球或纳米球，它们不反映实际驻留在环境中的MNP12，28。因此，选择不具代表性的国会议员和NP可能会导致不准确的测量和结果。由于缺乏用于陆地环境研究的适当模型ΜNPs，作者有动力用农用塑料制备此类模型。我们之前报道了通过塑料颗粒和薄膜材料的机械研磨和研磨从BDM和聚乙烯颗粒形成MNP，以及MNP29的尺寸和分子特性。目前的论文为制备MNP提供了更详细的方案，可以更广泛地应用于所有农用塑料，如地膜或其颗粒状原料（图1）。在这里，作为一个例子，我们选择了可生物降解聚合物聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）的地膜和球形颗粒来代表农用塑料。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Aluminum dish, 150 mL&#160;</td>
			<td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td>
			<td>08-732-103</td>
			<td>Drying of collected NPs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum dish, 500 mL</td>
			<td>VWR International, Radnor, PA, USA</td>
			<td>25433-018</td>
			<td>Collecting NPs after wet-grinding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td>
			<td>Centrific 228</td>
			<td>Container for centrifugation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Delivery tube, #20, 840 &#181;m</td>
			<td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td>
			<td>3383M30</td>
			<td>Sieving of the first fraction during milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Delivery tube, #60, 250 &#181;m</td>
			<td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td>
			<td>3383M45</td>
			<td>Sieving of the second fraction (3x)&#160; during milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermomixer,&#160; 5350 Mixer</td>
			<td>Eppendorf North America, Enfield, CT, USA</td>
			<td>05-400-200</td>
			<td>Analysis of sieving experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FT-IR Spectrum Two, spectrometer with attenuated total reflectance (ATR)</td>
			<td>Perkin Elmer, Waltham, MA, USA</td>
			<td>L1050228&#160;</td>
			<td>Measuring FTIR spectra</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass beaker, 1000 mL</td>
			<td>DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA</td>
			<td>02-555-113</td>
			<td>Stirring of MPs-water slurry before grinding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass front plate</td>
			<td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td>
			<td>3383N55&#160;</td>
			<td>Front cover plaste for Wiley Mini Mill</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass jar, 50 mL</td>
			<td>Uline, Pleasant Prairie, WI, USA</td>
			<td>S-15846P</td>
			<td>Collective MPs after milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glove Box, neoprene</td>
			<td>Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA</td>
			<td>BEL-H500290000</td>
			<td>22-Inch, Size 10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zetasizer Nano ZS 90 size analyzer</td>
			<td>Malvern Panalytical, Worcestershire, UK&#160;</td>
			<td>Zetasizer Nano ZS</td>
			<td>Measuring nanoplastics dispersed in DI-water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope camera</td>
			<td>Nikon, Tokyo,&#160;108-6290, Japan</td>
			<td>Nikon Digital Sight 10</td>
			<td>Combined with Olympus microscope to receive digital images</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japan</td>
			<td>Model SZ 61</td>
			<td>Imaging of MPs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen jar, low form dewar flasks</td>
			<td>Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA</td>
			<td>UX-03771-23</td>
			<td>Storage of liquid nitrogen during cryogenic cooling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accurate Blend 200, 12-speed blender</td>
			<td>Oster, Boca Raton, FL, USA</td>
			<td>6684</td>
			<td>Initiating the size reduction of cryogenically treated plastic film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PBAT film, - BioAgri&#8482; (Mater-Bi&#174;)</td>
			<td>BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA</td>
			<td>0.7 mm thick</td>
			<td>Feedstock to form MPs and NPs, agricultural mulch film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PBAT pellets</td>
			<td>Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA</td>
			<td>Diameter 3 mm</td>
			<td>Feedstock to form microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) trough milling and grinding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic centrifuge tubes, 50 mL</td>
			<td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td>
			<td>06-443-18</td>
			<td>Centrifugation of slurry after wet-grinding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic jar, 1000 mL, pre-cleaned, straight sided</td>
			<td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td>
			<td>05-719-733</td>
			<td>Collection of NPs during and after wet grinding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polygon stir bars, diameter&#248;=8 mm, length=50.8 mm&#160;&#160;</td>
			<td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td>
			<td>14-512-127</td>
			<td>Stirring of MPs slurry prior to wet-grinding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scissors, titanium bonded</td>
			<td>Westcott, Shelton, CT, USA</td>
			<td>13901</td>
			<td>Cutting of initial PBAT film feedstocks</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Square glass cell with square aperture and cap, 12 mm O.D.</td>
			<td>Malvern Panalytical, Worcestershire, UK&#160;</td>
			<td>PCS1115</td>
			<td>Measuring of NPs particle size</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel bottom, 3 inch, pan</td>
			<td>Hogentogler &#38; Co. Inc, Columbia, MD, USA</td>
			<td>8401</td>
			<td>For sieving after Wiley-milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel sieve, 3 inch, No. 140 (106 &#181;m)</td>
			<td>Hogentogler &#38; Co. Inc, Columbia, MD, USA</td>
			<td>1308</td>
			<td>For sieving after Wiley-milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel sieve, 3 inch, No. 20 (850 &#181;m)</td>
			<td>Hogentogler &#38; Co. Inc, Columbia, MD, USA</td>
			<td>1296</td>
			<td>Sieving of MPs after Wiley-milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel sieve, 3 inch, No. 325 (45 &#181;m)</td>
			<td>Hogentogler &#38; Co. Inc, Columbia, MD, USA</td>
			<td>1313</td>
			<td>Sieving of MPs after Wiley-milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel sieve, 3 inch, No. 60 (250 &#181;m)</td>
			<td>Hogentogler &#38; Co. Inc, Columbia, MD, USA</td>
			<td>1303</td>
			<td>Sieving of MPs after Wiley-milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel top cover, 3 inch</td>
			<td>Hogentogler &#38; Co. Inc, Columbia, MD, USA</td>
			<td>8406</td>
			<td>Sieving of MPs after Wiley-milling</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel tweezers</td>
			<td>Global Industrial, Port Washington, NY, USA</td>
			<td>T9FB2264892</td>
			<td>Transferring of&#160; frozen film particles from jar into blender</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum oven, model 281A</td>
			<td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td>
			<td>13-262-50</td>
			<td>Vacuum oven to dry NPs after wet-grinding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Friction grinding machine, Supermass Colloider</td>
			<td>Masuko Sangyo, Tokyo, Japan</td>
			<td>MKCA6-2J</td>
			<td>Grinding machine to form NPs from MPs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wet-grinding stone, grit size: 297 &#956;m -420 &#956;m</td>
			<td>Masuko Sangyo, Tokyo, Japan</td>
			<td>MKE6-46DD</td>
			<td>Grinding stone to form NPs from MPs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wiley Mini Mill, rotary cutting mill</td>
			<td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td>
			<td>NC1346618</td>
			<td>Size reduction of pellets and film into MPs and NPs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FTIR-Spectroscopy software</td>
			<td>Perkin Elmer, Waltham, MA, USA</td>
			<td>Spectrum 10&#160;</td>
			<td>Collection of spectra from the initial plastic, MPs and NPs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image J, image processing program</td>
			<td>National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA</td>
			<td>Version 1.53n</td>
			<td>Analysis of digital images received from microscopy&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope software, ds-fi1 software</td>
			<td>Malvern Panalytical , Malvern, UK</td>
			<td>Firmware DS-U1 Ver3.10</td>
			<td>Recording of digital images</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microsoft, Windows, &#160;Excel 365, spreadsheet software</td>
			<td>Microsoft, Redmond, WA, USA</td>
			<td>Office 365</td>
			<td>Calculating the average particle size and creating FTIR spectra images</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JMP software, statistical software</td>
			<td>SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021</td>
			<td>Version 15</td>
			<td>Statistical analysis of particle size and perform best fit of data set</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Unscrambler software</td>
			<td>Camo Analytics, Oslo, Norway</td>
			<td>Version 9.2</td>
			<td>Normalizing and converting FTIR spectra into .csv fromat</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

forming micro-and nano-plastics from agricultural plastic films for employment in fundamental research studies

分散在农业生态系统中的微塑料（MP）和纳米塑料（NPs）可能对土壤和附近水道中的生物群构成严重威胁。此外，NPs吸附的农药等化学物质会损害土壤生物，并可能进入食物链。在这种情况下，农业上使用的塑料，如塑料地膜，对农业生态系统中的塑料污染有重大影响。然而，大多数关于命运和生态毒性的基础研究都使用理想化且代表性较差的MP材料，例如聚苯乙烯微球。
因此，如本文所述，我们开发了一种实验室规模的多步骤程序，以机械方式形成具有代表性的MP和NP进行此类研究。该塑料材料由市售的聚丁酸己二酸酯-共对苯二甲酸酯（PBAT）塑料地膜制备，该薄膜通过低温处理（CRYO）或环境风化（W）脆化，并由未经处理的PBAT颗粒制成。然后通过机械研磨处理塑料材料，形成尺寸为46-840μm的MP，模仿风和机械对塑料碎片的磨损。然后将国会议员筛分成几个尺寸部分，以便进行进一步分析。最后，对106 μm筛分进行湿法研磨，生成20-900 nm的NPs，该过程模仿了地面MP的缓慢尺寸减小过程。通过立体显微仪的图像分析确定了MP的尺寸和形状，并采用动态光散射（DLS）来评估NP的粒度，通过该过程形成的MP和NP具有不规则的形状，这与从农田中回收的MP的几何特性一致。总体而言，这种尺寸减小方法被证明对于形成由可生物降解塑料组成的MP和NP是有效的，例如聚己二酸丁二醇酯 - 共对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT），代表用于农业特种作物生产的覆盖材料。

为了验证实验程序方法和分析，从颗粒和薄膜材料中形成MP和NP，并使用微观图像按尺寸和形状进行比较。 图1 中描述的方法从可生物降解的塑料颗粒和薄膜中有效地形成MP和NP;这是通过低温冷却、铣削、湿磨和表征实现的。对于环境风化的电影来说，前一步是不必要的，因为风化会引起脆化（Astner等人，未发表）。颗粒也直接进行研磨，无需低温预处理。研磨后，通过筛分?...

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Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies

我们使用机械铣削，研磨和成像分析的逐步过程来展示微塑料和纳米塑料（分别为MP和NP）的形成和尺寸表征。

农用塑料薄膜中微纳米塑料的成型，用于基础研究的就业

Microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) dispersed in agricultural ecosystems can pose a severe threat to biota in soil and nearby waterways. In ...

Anton Astner：该协议描述了从各种聚合物原料中提取的工程微塑料和纳米塑料的制备，例如代表真实模型材料的颗粒和薄膜。该方法通过涉及低温研磨，沸腾和湿法研磨的简单机械程序有效地形成微纳米塑料，可以作为环境研究的替代材料。要开始从卷中取出泡沫并用切纸机将 P B A T 泡沫切成条状，请将碎片预先浸泡在去离子水中 10 分钟，然后将泡沫材料转移到低温容器中。将200毫升液氮缓慢加入低温容器中，用钢镊将浸泡好的泡沫碎片或颗粒小心地转移到低温容器中。接下来，将冷冻泡沫碎片或颗粒转移到搅拌机中并处理 10 秒钟。加入400毫升去离子水，搅拌泡沫水浆五分钟。将污液转移到带有过滤器的布赫纳漏斗中，并施加真空一小时。然后将带有漏斗的样品转移到真空炉中。在 30 摄氏度下干燥至少 48 小时。称量聚合物薄膜或颗粒样品并转移到50毫升玻璃罐中。将带有 20 目种子的矩形输送管放在旋转切割牛奶前面的槽中，然后抬起输送管，直到它碰到原料销。将玻璃板放在铣削室表面上，并用可调节夹具将其固定。接下来，在磨机出口下方放置一个50毫升的玻璃罐。将滑动侧臂支架放置在磨机上，稍微偏离前玻璃的中心，并用神经螺栓拧紧。将磨机顶部的料斗漏斗插入上铣室的开口中。将电源线插入电源插座，然后按下电源线开关以开始磨机操作。缓慢喂入样品，并在可听噪声降低后添加下一批薄膜或颗粒碎片。处理完薄膜或颗粒碎片后，按下电源线开关停止研磨机操作约 20 分钟以冷却。用刮刀和刷毛刷清洁切割室，并在玻璃罐中收集颗粒。拆下 20 目 840 微米输送管，并将其替换为 60 目输送管。第一批完成后，将收集的材料重新引入磨料斗中。对 60 麦芽浆研磨分数遵循相同的过程。回收腔室中剩余的颗粒，并将它们添加到收集的主部分。准备微塑料浆料。首先将去离子水放入玻璃烧杯中，然后插入搅拌棒。引入八克收集的250微米塑料部分。将玻璃烧杯放在搅拌板上，以每分钟 400 转的速度磁性搅拌 24 小时。要将颗粒浸泡在水中，请将颗粒转移到塑料容器中。用去离子水填充另外两个一升塑料容器，用于冲洗研磨机料斗上的可爱颗粒。在研磨过程中。将 46 果岭尺寸的石头放入湿式摩擦研磨机中，然后拧紧中心螺母。用 17 毫米扳手拧紧，将料斗放在顶部，然后用 5 毫米内六角扳手固定四个螺栓。将一升塑料收集罐放在对撞机的出口下方。在出口旁边放置第二个空的一升桶，用于在加工时进行更换。打开电源，顺时针转动调节轮，小心调整仪表间隙，对应于从零位开始正 0.10 微米偏移，直到听到磨石接触的声音。接下来，将柔性测量环调整为零，并立即逆时针转动轮子。默认情况下，速度调整为每分钟 1500 转。顺时针转动调节轮，直到石头接触，然后将水纳米塑料浆料轻轻填充到料斗中。将间隙不断减小到负2.0的间隙规，对应于引入浆料后从零位置的负0.20微米偏移。通过更换收集桶来收集浆液。一旦填充水平和铲斗超过 0.5 升，收集并将颗粒重新引入研磨机中，高出 30 到 60 倍。通过后，颗粒尺寸更小。用准备好的去离子水瓶清洗料斗上的可爱颗粒，以便在加工时进行合适的浆料混合。回收浆液并在 25 摄氏度下以每分钟 400 转的速度搅拌 4 小时，使其充分混合，让浆料静置 48 小时以稳定。数值分析揭示了两种原料生产的纳米塑料的双峰粒径分布。来自P B A T托盘的纳米塑料的主要颗粒群约为79纳米和530纳米，相应的数密度频率值分别为25%和5%。另一方面，衍生自P B A T泡沫的纳米塑料的尺寸最大值约为50纳米和106纳米，相应的数密度频率值分别为11%和10%。P B A T 纳米塑料的 FTIR R 结果表明，吸光度值在 980 和 1200 厘米之间明显下降，反比反映了湿磨过程中淀粉组分的浸出。与之前的研究观察结果一致 Anton Astner：对于塑料薄膜和颗粒形成的微塑料，低温预处理会导致塑料脆化。它模仿了环境风化的影响，但并不完美，这允许加速碎片整理。低温研磨程序与湿研磨过程相结合，可以加工许多不同的塑料原料，以形成用于环境研究研究的真实微纳米塑料。

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