Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

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

Published: July 27, 2022 doi: 10.3791/64112
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 2, 2, 4
1Department of Biosystems Engineering and Soil Science, University of Tennessee, 2Neutron Scattering, Oak Ridge National Laboratory, 3Chemical Sciences Divisions, Oak Ridge National Laboratory, 4Center for Renewable Carbon, The University of Tennessee

Summary

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

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.
  3. Поместите стеклянную пластину над поверхностью фрезерной камеры и закрепите ее с помощью регулируемого зажима. Затем поместите стеклянную банку объемом 50 мл под выходное отверстие мельницы (рисунок 2).
  4. Расположите скользящую боковую опору рычага на фрезе (расположенную на правой верхней стороне) в середине переднего стекла и затяните накатанным болтом. Убедитесь, что переднее стекло мельницы надежно расположено (рисунок 2а).
  5. Вставьте воронку бункера поверх мельницы в отверстие верхней фрезерной камеры.
  6. Подключите линейный шнур к розетке и переключателю пресс-шнура, чтобы начать работу мельницы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы предотвратить заклинивание, подавайте только материал после включения и вращения мельницы. Кроме того, носите защиту глаз и ушей в течение всей процедуры фрезерования.
  7. Медленно подавайте образец в бункер (около 10 гранул/мин), чтобы предотвратить замедление или заклинивание. После того, как слышимый шум уменьшится, добавьте следующую партию гранул (~10 штук). После обработки гранул (1 г) нажмите на переключатель шнура, чтобы остановить работу мельницы на ~20 мин для охлаждения. Используйте деревянный плунжер для подачи образца и предотвращения выброса и агломерации частиц внутри загрузочного бункера.
    ВНИМАНИЕ: Оптимальная скорость подачи варьируется в зависимости от типа обрабатываемого материала. Немедленно выключите мельницу, если скорость обработки снижается из-за трения частиц в режущей камере, или если на стеклянной пластине наблюдается образование расплавленного полимера, чтобы предотвратить перегрев и дальнейшее плавление частиц полимера.
  8. Снимите 20-метровую (840 мкм) подающую трубку и замените ее на 60-сетчатую (250 мкм) по завершении первой партии (рисунок 2b).
  9. Повторно введите собранный материал в бункер мельницы. Выполните шаги 1.1 и 1.7 для фракции фрезерования 250 мкм.
  10. Пересыпают собранные фракции 250 мкм до трех раз.
  11. Извлеките оставшиеся частицы в камере и добавьте их в собранную основную фракцию.

2. Обработка пластиковых пленок криогенной предварительной обработкой и фрезерованием

  1. Извлеките образец пленки из рулона и разрежьте образец на полоски размером ~120 мм (поперечное направление) х 20 мм (машинное направление) с помощью резака для бумаги.
  2. Предварительно замочите фрагменты (~1 г) в 800 мл деионизированной (DI) воды в течение 10 мин в стеклянном стакане объемом 1000 мл. Этот этап улучшает охрупчивание для последующей криогенной процедуры охлаждения путем предварительного замачивания полимера.
    ВНИМАНИЕ: Обращайтесь с жидким азотом с помощью защитного оборудования, надев криогенные перчатки и защитные очки.
  3. Медленно добавьте 200 мл жидкого азота (N2) в криогенный контейнер.
  4. Осторожно переместите предварительно смоченные частицы пленки в криогенный контейнер со стальным пинцетом. Предварительно замочить в течение 3 мин в жидкостиN2.
  5. Перенесите замороженные фрагменты пленки в 14-скоростной блендер мощностью 200 Вт.
  6. Обработайте замороженный материал со скоростью 3 в течение 10 с, чтобы разрушить структуру замороженной стеклянной пленки. Чтобы способствовать дальнейшему уменьшению размера, добавьте 400 мл воды DI и смешайте пленочно-водную суспензию в течение 5 минут.
  7. Переложите суспензию в воронку Бюхнера с фильтром (сетка 1 мкм) и прикладывайте вакуум не менее 1 ч.
  8. Вакуумно-сухие твердые частицы при 30 °C в течение не менее 48 ч в алюминиевой посуде.
  9. Подавайте сухие частицы в мельницу пинцетом. Для фрезерования выполните шаги 1.1-1.11.

3. Переработка пластиковых пленок, предварительно обработанных путем экологического выветривания и фрезерования

  1. Выложить фрагменты полиэтиленовой пленки, извлеченные с поля, на гладкую поверхность (лабораторный стенд). Осторожно удалите поглощенные частицы почвы и остатки растений щеткой с мягкой щетиной.
  2. Нарежьте пленку ножницами на ~4см2 образца ~1,0 г.
  3. Добавьте фрагменты пленки в стакан объемом 1000 мл, заполненный 500 мл воды DI. Перемешивать со скоростью 300 мин-1 с помешивающим стержнем 20 мм в течение 1 ч.
  4. Удалите растворенные частицы почвы путем декантирования и повторного введения воды DI при легком перемешивании стакана в раковину или пластиковое ведро. Повторите этот шаг три раза. Непрерывное перемешивание удерживает частицы почвы диспергированными в воде и может быть легче декантировано.
  5. Перенесите образцы из стакана в алюминиевую посуду. Высушите образцы пластика на воздухе в течение 12 ч, а затем передайте и высушите в вакуумной печи в течение 24 ч при 30 °C. Для фрезерования выполните шаги 1.1-1.11.

4. Процедура просеивания через каскадные сита

  1. Сложите сита (диаметром 3 дюйма), начиная с поддона внизу, затем тончайшее сито (No 325; 45 мкм), а затем все более грубые сита (такие как # 140; 106 мкм и # 60; 250 мкм, где сито No 20; 840 мкм является самым грубым), и поместите крышку сверху.
  2. Установите все четыре сита на шейкер, вставив четыре штифта в отверстия ситового шейкера.
  3. Переложите отдельные фракции, собранные на шаге 1, 2 или 3, поверх четырех каскадных сит. Встряхивать в течение 10 мин при 300 мин-1.
  4. Рекуперировать более крупную (верхнюю) фракцию отдельно, которая будет подвергнута дальнейшему измельчению.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Отрегулируйте скорость встряхивания шейкера по мере необходимости. В качестве альтернативы возможно встряхивание сит вручную. Используйте только одно сито за раз, начиная с сита сетки No20: крепко прижмите дно и крышку к ситу вручную и встряхните в осевом направлении и горизонтально в течение 5 минут.
  5. Повторно вводят просеянные частицы dp > 106 мкм во вращающуюся режущую мельницу, как описано на этапах 1.6-1.10.
  6. Извлеките фракции дна из кастрюли и снова введите частицы в следующее меньшее сито. Повторяйте процедуру до тех пор, пока частицы размером 106 мкм не составят основную фракцию.
  7. Объединить собранные фракции 106 мкм и хранить частицы в сухом месте (осушитель или полиэтиленовый пакет с воздушной герметизацией).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Фракция 45 мкм является частью фракции 106 мкм; однако прежняя фракция не была выделена и отдельно проанализирована, поскольку урожайность, как правило, очень низкая. Извлечение выходов и размер частиц отдельных фракций могут быть определены гравиметрическими измерениями в мас.% для каждой просеивающей фракции (сетка No20 - сетка No325) по отношению к исходной питающей фракции с использованием высокоточного микровеса.

5. Приготовление водной NP-суспензии для мокрого измельчения

  1. Приготовьте суспензию МП, диспергированную в воде DI, добавив 800 мл дистиллированной воды в стеклянный стакан объемом 1000 мл и вставив перемешивающий стержень (диаметр = 8 мм, длина = 50,8 мм).
  2. Вводят 8 г пластиковой фракции 106 мкм со стадий 1, 2, 3 или 4 в воду DI, получая 1 мас.% суспензии.
  3. Поместите стеклянный стакан на перемешивающую пластину и перемешивайте магнитно в течение 24 ч через 400 мин-1 , чтобы замочить частицы в воде для содействия размягчению частиц.
  4. Переложите частицы в пластиковый контейнер объемом 1000 мл.
  5. Заполните еще два пластиковых контейнера объемом 1000 мл водой DI, которая будет использоваться для смывания прилипших частиц на бункере измельчителя во время процесса измельчения.

6. Подготовка мокрого шлифовального станка для производства NP

  1. Поместите камни с размером 46 зерен (песок шлифовального камня = 297-420 мкм) во влажную фрикционную шлифовальную машину и скрепите центральные гайки вручную с помощью гаечного ключа 17 мм.
  2. Добавьте бункер сверху и закрепите три гайки и болты с помощью гаечного ключа диаметром 17 мм.
  3. Поместите 1-литровую пластиковую банку для сбора под выходное отверстие коллайдера. Поместите рядом с розеткой второе пустое ведро объемом 1 л, которое будет использоваться для обмена во время обработки.
  4. Отрегулируйте зазор датчика до +1,0, что соответствует положительному сдвигу на 0,10 мкм от нулевого положения.
  5. Включите питание и осторожно поворачивайте регулировочное колесо по часовой стрелке, пока не услышите прикосновения шлифовальных камней. Затем отрегулируйте гибкое измерительное кольцо до нуля и немедленно поверните колесо против часовой стрелки. По умолчанию скорость регулируется до 1500 мин-1.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте «сухого шлифования» камней, так как это создает чрезмерное тепло на шлифовальных камнях.
  6. Поверните регулировочное колесо по часовой стрелке до тех пор, пока камни не коснутся, и аккуратно заполните суспензию water-NP в бункер. Постоянно уменьшайте зазор до коэффициента зазора -2,0, что соответствует отрицательному сдвигу на 0,20 мкм из нулевого положения после введения суспензии. Пластиковые частицы воды между двумя каменными дисками способствуют превращению из МП в НП и избегают прямого трения между шлифовальными камнями.
  7. Собирайте навозную жижу путем замены сборных ведер, как только уровень наполнения в ведре превысит 0,5 л.
  8. Соберите и повторно введите частицы в шлифовальную машину от 30 до 60 раз; более высокие проходы (количество реинтродукции) приводят к уменьшению размеров частиц.
  9. Промывайте прилипшие частицы, адсорбированные в бункере, с помощью подготовленной бутылки для воды DI, чтобы обеспечить подходящее смешивание навозной жижи во время обработки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Сбор промежуточных образцов во время процесса возможен путем удержания стеклянных флаконов по 20 мл в выходном потоке. Отдельные этапы будут оценивать механизмы фрагментации частиц, в то время как тяжесть процесса (количество проходов) увеличивается. Рекуперировать суспензию и перемешивать в течение 4 ч при 400 мин-1 при 25 °C для хорошего перемешивания; дайте навозной жиже постоять в течение 48 ч для стабилизации.

7. Извлечение и сушка НП из шлама

  1. Изолируйте нижнюю фракцию (или фазу с наибольшей концентрацией NP), если в суспензии наблюдаются несколько слоев, медленно переливая суспензию в дополнительный стеклянный стакан объемом 1000 мл.
  2. Переложите фракции в центрифугированные флаконы (50 мл) и центрифугу в течение 10 мин (относительная центробежная сила [RCF] = 20 x 102 г). RCF (также называемый g-силой) - это генерируемая радиальная сила в зависимости от радиуса ротора и скорости вращения ротора, которая вызывает разделение более тяжелых частиц и воды суспензии.
  3. Снимите прозрачный верхний слой, декантируя его в отдельную алюминиевую кастрюлю.
  4. Переложите оставшийся нижний слой (содержащий NP-суспензию) в дополнительную алюминиевую посуду и поместите в вакуумную печь при 30 °C в течение 48 ч.
  5. Извлеките высушенный материал шпателем под вытяжным капюшоном или перчаточным ящиком во время ношения респираторной маски. Переложите высушенное содержимое в стеклянную емкость объемом 100 мл и закройте крышкой.
  6. Содержат NP во флаконе и храните их в герметичном, сухом и прохладном месте (например, в осушителе).
    ПРИМЕЧАНИЕ: МНП, выбрасываемые в окружающую среду в ходе производственного процесса (здесь либо в процессе мокрого измельчения, либо в виде высушенных частиц), могут представлять серьезную угрозу для водных и наземных экосистем. В частности, регуляторные меры призваны минимизировать риск их производства и использования для инженерных наноматериалов30. Поэтому формирование ПНП требует конкретных мер предосторожности, таких как обработка материалов в вытяжном капюшоне или бардачке. Кроме того, водные растворы отходов, образующиеся в ходе изоляции НП (этапы 6.7-6.9), будут подлежать процедуре удаления в конце срока службы, выполняемой Департаментом гигиены и безопасности окружающей среды.

8. MP-визуализация с помощью стереомикроскопии

  1. Диспергировать ~20 мг частиц (собранных на стадии 4) на поверхности площадью ~4см2. Разложите белых или полупрозрачных депутатов на темной поверхности и разложите черных или темных депутатов на белом фоне (бумажном листе), чтобы максимизировать контраст фона.
  2. Отрегулируйте микроскоп на минимальное увеличение, чтобы захватить максимально возможную площадь (середину области частицы). Затем направьте внешнюю лампу к центру фокусировки, чтобы получить освещение в интересующих областях.
  3. Примените увеличение, которое позволяет обнаруживать частицы >50 в середине поля зрения. Эта сумма рекомендуется для получения достоверных результатов статистической оценки.
  4. Сосредоточьтесь на областях с перекрытием или незначительными частицами и хорошим цветовым контрастом.
  5. Захватите не менее пяти репрезентативных изображений, фокусируясь на внешних формах частиц. Локальный компьютер, используемый для создания образов, сохраняет изображения с высоким разрешением в виде растрового изображения в программном обеспечении.
  6. Сохраните записанные стереомикроскопом изображения в формате файла, распознаваемом ImageJ (растровое изображение, tiff или jpeg), для последующего количественного анализа данных.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Возьмите одно эталонное изображение при точных настройках увеличения, для которых основное изображение было сделано с помощью линейки или любого другого эталонного объекта, записанного на изображении. Эта процедура позволит легко калибровать изображения при подготовке и анализе с помощью программного обеспечения ImageJ.

9. Анализ изображений с помощью ImageJ

  1. Откройте программное обеспечение ImageJ31 и подготовьте импорт файлов, введя (CTRL + L), чтобы открыть Поиск команд. Затем введите Биоформаты в правом нижнем углу. Эта функция активирует путь к меню Форматы file > Import > Bio (> относится к шагам навигации в программном обеспечении). Поиск каталога сохраненных файлов изображений.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если пакет Bio-Formats не отображается в поисковике команд, выполните поиск в Интернете в разделе Bio-Formats ImageJ. Следуйте инструкциям по загрузке и установке ImageJ. Импортер Bio-Formats позволяет легко обрабатывать импорт/экспорт файлов изображений в ImageJ и поиск команд.
  2. Откройте изображение (альтернативно импорт биоформатов, как описано в шаге 9.1), щелкнув Файл > Открыть > выберите изображение частицы в месте расположения файла, собранного на шаге 4.7, и изображение линейки-ссылки, описанное в шаге 1.6. Создание дубликата изображения рекомендуется путем нажатия клавиш Shift + Command + D для сравнения с исходным изображением при настройке пороговых значений копирования изображения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Команда «Открыть файл > » открывает различные форматы, изначально поддерживаемые ImageJ, как описано в шаге 8.7. Кроме того, можно выбрать расположение изображения на компьютере и перетащить файл в строку состояния главного окна ImageJ. Файл изображения откроется автоматически в отдельном окне.
  3. Увеличивайте и уменьшайте масштаб изображения с помощью CTRL + и CTRL -, соответственно.
  4. Задайте измерения, щелкнув Анализ > Задать измерения, а затем выберите Дескрипторы области и фигуры в качестве значений по умолчанию.
  5. Определите шкалу масштаба, нарисовав линию прямо по длине шкалы с помощью эталонного изображения линейки, как описано в шаге 8. Нажмите «Анализировать > «Задать масштаб» и введите числовое значение длины полосы в поле Известное расстояние и единицу соответствующей длины.
  6. Визуализируйте шкалу масштаба на изображении, щелкнув Анализ > инструменты > Шкала масштабирования, и настройте параметры, такие как отображение четкого контраста на изображении. Выберите положение на изображении, в котором должна быть размещена шкала масштабирования для параметров шкалы. Выберите «Ширина», чтобы настроить полосу в калиброванных единицах измерения, «Высота полосы в пикселях » и «Размер шрифта » метки шкалы. Выберите фон , чтобы настроить цвет заполнения текстового поля метки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для микрометров достаточно значения мкм; программа автоматически адаптирует μm в выходных данных.
  7. Преобразуйте изображение в 8-битное, выбрав Image > Type > 8-bit.
  8. Преобразуйте скопированное изображение в 8-разрядное, выбрав Тип > изображения > 8-разрядный.
  9. Отрегулируйте, выбрав «Изображение > «Настроить > «Пороговое значение» > Set (сравните размер с исходным изображением).
  10. Определите, какие измерения необходимо выполнить, выбрав Анализ > Набор измерений.
  11. Выберите Анализировать частицы > 0-бесконечности, щелкните Отображать результаты и показывать in situ.
  12. Сохраните результаты ROI (.zip) в разделах Сохранить измерения и Выбрать папку.
  13. Сохранить результаты (*.csv) в разделе Файл > Сохранить как > Выбрать папку.

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.

  1. Импортируйте соответствующий *.csv файл, полученный и сохраненный из анализа ImageJ (шаг 9.13), в программное обеспечение для работы с электронными таблицами.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Числовые значения в каждой строке столбца отражают индивидуальные расчеты для каждой частицы в соответствии с уравнением 1 и уравнением 2.
  2. Оцените средние значения параметров фигуры, такие как цикличность (CIR) и соотношение сторон (AR), введя = среднее значение (x,y) в нижней части каждого столбца, где x представляет первую строку, а y последнюю строку столбца, затем нажмите клавишу ВВОД. Значения CIR описывают связь между проектируемой площадью и идеальным кругом с CIR отдельной частицы = 1 (уравнение 1). AR представляет собой отношение длины частицы к ширине, описанное уравнением 2.
  3. Определите, < ли среднее значение AR 2,5, затем вычислите значения dp в новом столбце, используя уравнение 3. Если AR ≥ 2,5, то вычислите значения dp , отражающие уравнение 4. Добавьте новый столбец для вычисления dp на основе столбца области, полученного из выходных данных ImageJ.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Выбор пороговых значений AR ≥ 2,5 представляет больше частиц прямоугольной формы, тогда как AR < 2,5 отражает больше частиц круглой формы. Этот выбор позволяет свести к минимуму погрешность вычисления dp , полученную из области, измеренной микроскопией и определяемой с помощью ImageJ.
    (1) Equation 1
    (2) Equation 2
    (3) Equation 3
    (4) Equation 4

11. Статистический анализ для депутатов и депутатов

  1. Откройте файл данных *.csv с помощью статистического программного обеспечения с помощью функции «Файл > Открыть > Выберите расположение файла соответствующего файла, созданного на шаге 9.13.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве альтернативы таблица может быть непосредственно перенесена с помощью функции копирования-вставки в статистическое программное обеспечение. Обратитесь к Таблице материалов для бренда и версии статистического программного обеспечения Edit > Paste с названиями столбцов.
  2. Оцените данные dp , выбрав Анализ распределения >.
  3. Выберите dp, который отражает данные столбца, перетащите его в столбцы Y и нажмите кнопку OK . Эта функция создает гистограмму со статистическими выходными данными, включая значения Сводная статистика, Среднее и Std Dev в отдельном окне.
  4. Оцените, следует ли гистограмма нормальному распределению (или наилучшему соответствию для dp) с кривой наилучшего соответствия, выбрав треугольник рядом с dp > continuous Fit, а затем выберите кривую, полученную как наиболее подходящую (например, Fit Normal). Этот шаг накладывает гистограмму на нормально распределенную посадку.
  5. Определите и сообщите средние значения и значения стандартного отклонения из сводной статистики средних значений параметров формы: циркулярность (Cir), соотношение сторон (AR), округлость (Round) и твердость (Sol).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется уровень статистической значимости α = 0,05, который используется для всех оценок. Уровень значимости — это вероятность отклонения нулевой гипотезы, когда она верна при сравнении численных результатов.

12. Наилучшее соответствие распределения dp по размерам и коэффициентов формы частиц

  1. Загрузите набор данных в статистическое программное обеспечение и используйте тот же *.csv набор данных для распределения dp , рассчитанный на шаге 10.
  2. Выберите Анализировать > надежность и выживание > распределение жизни.
  3. Перетащите столбец dp в поле Y, Время до события и нажмите кнопку ОК. Эта функция создает выходные данные с графиком вероятности в зависимости от dp.
  4. Определите оптимальное распределение в разделе Сравнение распределений , проверив Непараметрические, Логнормальные, Вейбулл, Логлогистические и Нормальные.
  5. Оцените соответствие качества модели по наименьшим числовым значениям для информационных критериев Акайке и Байеса (AIC и BIC, соответственно) в таблице сравнения статистических моделей под графиком по наименьшим числам BIC . Наиболее подходящая модель по умолчанию представлена в первой строке. Параметрические или непараметрические поля выходных данных оценки для каждой оценки распределения расположены под графиком сравнения распределений .
  6. Сохраните выходной сценарий в таблице данных, щелкнув красный выпадающий треугольник в левом верхнем углу, выполнив команду Сохранить сценарий > в таблицу данных. Затем сохраните исходную таблицу данных в нужном расположении файла, выбрав Файл > Сохранить как > *.jmp.

13. Размерная характеристика НП посредством динамического рассеяния света

  1. Запустите программное обеспечение динамического рассеяния света (DLS), дважды щелкнув значок на рабочем столе. Выберите Файл > Новая > СОП. Добавьте название образца и индекс преломления выбранного материала к 1,33 для дистиллированной воды и 1,59 для полимеров33 в программном обеспечении DLS в разделе «Настройка образца». Выберите «Материал» в раскрывающемся меню и нажмите « ОК».
    ПРИМЕЧАНИЕ: При нажатии на раскрывающееся меню открывается Менеджер материалов, который предлагает добавить новые образцы или изменить существующие образцы, изменив показатель преломления и поглощение. Выберите в качестве диспергатора воду.
  2. Выделите правильную ячейку в разделе Тип ячейки > и выберите Отчеты , чтобы определить, какие выходные данные будут представлены после каждого измерения.
  3. Запустите инструмент, закрыв крышку прибора и включив систему, закрыв крышку (если открыта) и нажав кнопку ON . Подождите после первого звукового сигнала и подождите около 30 минут, чтобы обеспечить стабилизацию луча.
  4. Дождитесь завершения процедуры инициализации и дождитесь второго звукового сигнала, указывающего на то, что достигнута предустановленная температура (обычно 25 °C).
  5. Подготовьте образец суспензии NPs (полученной на стадии 7) и воды DI во флаконе объемом 15 мл с концентрацией ~0,1 мас.% путем магнитного перемешивания в течение ~1 ч, чтобы дать возможность хорошо перемешать.
  6. Встряхните суспензию перед переносом ~1,0 мл в кварцевую кювету объемом 4,5 мл и откройте крышку. Затем осторожно вставьте ячейку образца в держатель образца инструмента DLS.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Подготовьте три образца из одной и той же партии суспензии в той же концентрации, которая описана на этапе 13.5.
  7. Выполните три измерения (выбор в программном обеспечении DLS) для каждого образца. Между измерениями извлеките ячейку образца и осторожно встряхните образцы в течение 5 с, чтобы можно было перемешать образец.
  8. Извлеките и экспортируйте данные с помощью программного обеспечения DLS, перенесите набор данных в программное обеспечение для электронных таблиц и создайте гистограммы для депутатов и НП, как описано в шагах 11.1-11.5 (рисунок 1). Скопируйте с вкладки Представление записей таблицу или график , выбрав Edit-copy, который можно вставить в другое приложение, например в программное обеспечение для работы с электронными таблицами.

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.

  1. Очистите систему обнаружения (поверхность кристалла ATR) этанолом и безворсовой тканью.
  2. Запустите программное обеспечение и нажмите кнопку «Фон» на панели команд, чтобы выполнить фоновое сканирование в воздухе, очистив траекторию луча прибора. Фоновый спектр отображается вскоре после сбора.
  3. Введите идентификатор образца и описание образца на панели инструментов.
  4. Отрегулируйте спектральное волновое число между 4000 см-1 и 600 см-1 и выберите разрешение 2,0 см-1 в режиме поглощения. Выберите 32 сканирования на спектр и запустите.
  5. Поместите пластиковый образец (~20 мг или ~ 1-3мм3) МП (106 мкм) и НП (~300 нм) внутрь стальной шайбы с внутренним диаметром ~10 мм или эквивалент на поверхности кристалла.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Шайба предотвращает диспергирование на кристалле, когда держатель образца сжимает образец, что приводит к неоднородности материала и смещению данных из-за непоследовательных измерений.
  6. Поместите шайбу в центр кристалла ATR и добавьте образец полимера в середину отверстия шайбы шпателем.
  7. Поверните рычаг образца выше в центр образца и поверните ручку по часовой стрелке, контролируя усилие датчика силы между 50-90. В образце показаны предварительные спектры. Нажмите кнопку Сканировать второй раз, чтобы собрать спектр.
  8. Соберите от 8 до 10 спектров, нажав кнопку «Сканировать », и тщательно смешивайте образцы после каждого измерения шпателем, чтобы обеспечить сбор репрезентативных результатов.
  9. Щелкните папку «Просмотр образцов» в обозревателе данных , чтобы отобразить все собранные образцы, наложенные на область просмотра. Во-первых, удалите значительно отклоняющиеся спектры, представляющие выбросы. Затем выберите режим поглощения или пропускания на панели инструментов.
  10. Сохраните спектры, выбрав папку Sample View , содержащую спектры, и выбрав в меню файла команду Сохранить как . Диалоговое окно включает изменение имени файла, каталога назначения и расположения по умолчанию для всех спектров.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Кроме того, спектры можно сохранить в виде файла *.sp , выбрав спектр и щелкнув правой кнопкой мыши, чтобы отобразить бинарный опцион. Выберите Сохранить двоичный файл и просмотрите окончательное местоположение сохранить.
  11. Выполните коррекцию базового уровня и нормализацию среднего значения , выбрав один спектр в обозревателе данных , выбрав Обработать > Нормализация в меню либо с помощью программного обеспечения, либо на следующем шаге.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Средняя нормализация компенсирует спектральные ошибки из-за толщины или изменения материала в образце.
  12. Очистите кристаллическую область этанолом и безворсовой тканью по завершении сбора данных.
  13. Интерпретируйте различия между депутатами и НП в соответствии с назначенными полосами вибрации FTIR, назначенными и оцененными в предыдущей публикации10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 биоразлагаемых пластиковых гранул и пленок; это было достигнуто за счет криогенного охлаждения, фрезерования, мокрого измельчения и определения характеристик. Первый шаг был не нужен для экологически выветренных фильмов, потому что выветривание вызывало охрупчивание (Astner et al., неопубликовано). Пеллеты также непосредственно подвергались измельчению без криогенной предварительной обработки. После измельчения частицы фракционировали путем просеивания на четыре размерные фракции: 840 мкм, 250 мкм, 106 мкм и 45 мкм, как описано в протокольной стадии 4. Последние три фракции состояли исключительно из депутатов. Впоследствии характеристику частиц для каждой фракции оценивали путем определения распределения размера (dp) и формовых факторов (т.е. круговости и соотношения сторон) собранных стереомикроскопических изображений с использованием программного обеспечения ImageJ, как указано на этапах 8.1-8.6. Примеры изображений, полученных стереомикроскопом, показаны для фракции просеивания 106 мкм для гранул PBAT (рисунок 3a,c) и фракции сита 250 мкм, а также для неотбойной пленки PBAT, обработанной криогенным воздействием (Рисунок 3b,d).

Статистический анализ размеров частиц показал, что среднее значение dp было на 41 мкм меньше номинального размера сита (106 мкм) для гранулы PBAT и на 137 мкм меньше для пленки PBAT (номинальный размер 250 мкм), предполагая, что меньшая фракция сита представляет собой более однородное распределение частиц по размерам (таблица 1). Это наблюдение было также подтверждено большим значением циркулярности и более низкими соотношениями сторон (предполагающими большее количество частиц круглой формы) для обработанных гранул по сравнению с пленочным материалом, что может быть связано с различными свойствами (плотностью) исходных материалов. Нормальное распределение было лучшей моделью для описания распределения частиц по размерам для обеих фракций. Однако для определения цикличности и соотношения сторон модели Вейбулла и Логнормала были оптимальными (рисунок 4a-d; Таблица 1). Для обоих видов сырья процесс мокрого измельчения, применяемый к фракциям сита 106 мкм Мп, образовывал НП, и их распределение частиц по размерам измерялось с помощью DLS. Численный анализ выявил бимодальное распределение частиц по размерам для НП, полученных из обоих видов сырья (рисунок 5). Основные популяции частиц для NP из гранул PBAT были на уровне ~ 80 нм и 531 нм, а соответствующие значения частоты плотности чисел (NDF) составляли 25% и 5% соответственно. С другой стороны, NP, полученные из пленок PBAT, обладали максимальными размерами ~50 нм и 106 нм, с соответствующими значениями NDF 11% и 10% соответственно. Наблюдения показывают, что NP из гранул PBAT давали более однородные значения dp (~50-110 нм), чем пленки PBAT; однако субпопуляция частиц между 300 нм и 700 нм, с максимумом в 531 нм, также сосуществовала (рисунок 5).

Химические связующие свойства пленки PBAT оценивались с помощью спектроскопии FITR. Спектры показали лишь незначительные изменения из-за фрезерования для депутатов и мокрого измельчения для НП в регионах между 1300 и 700 см-1. Однако для пленки мульчи наблюдалось значительное снижение растяжения крахмалов С-О, отражающего поглощение крахмального компонента10. Однако для полос, представляющих собой PBAT, наблюдались незначительные изменения, такие как растяжение C-H и C-O, между 1800 см-1 и 1230 см-1, что свидетельствует о незначительных изменениях в структуре полиэстера, связанных с процессом мокрого шлифования (рисунок 6).

Figure 1
Рисунок 1: Блок-схема для формирования и характеристики микро- и нанопластиков. Представление показывает процесс образования и последующую геометрическую и химическую оценку частиц. Геометрические свойства определяли путем сочетания стереомикроскопии и анализа изображений (ImageJ) с последующим численным статистическим анализом. Химическая характеристика, такая как молекулярная связь, проводилась с помощью инфракрасной спектрометрии с преобразованием Фурье с использованием аттенуированного полного отражения (FTIR-ATR). Молекулярная структура полимеров может быть оценена с помощью ядерно-магнитно-резонансной (ЯМР) спектроскопии как комплементарного метода (не описанного в данном исследовании). Для каждого шага ключевые моменты выделены в следующей процедуре. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Ротационный режущий стан. Изображения а) узла роторной мельницы, включая загрузочный бункер, переднюю стеклянную пластину и щель сита; b) индивидуальные загрузочные трубки с размерами сита No 20 (840 мкм) и No 60 (250 мкм) устанавливаются в щель мельничного сита, начиная с грубца; и с) двухслойная стеклянная передняя пластина прикреплена к передней части шлифовальной камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Стереомикрографы микропластика (МП), включая программно обработанные изображения. Изображения были получены из (a) гранул PBAT (фракция сита 106 мкм) и (b) пленки PBAT (фракция сита 250 мкм), полученных путем криогенного воздействия с последующим механическим измельчением. Черный фон был выбран для изображения белых частиц PBAT (a), а белый фон был выбран для черной пленки PBAT (b). Соответствующие изображения были обработаны программным обеспечением ImageJ31 (c) и (d) соответственно. Наиболее подходящая модель распределения dp, изображенная в гистограммах частиц, полученных из стереографов (e) гранул PBAT и (f) пленки PBAT, представлена нормальным распределением. Полосы ошибок отражают одно стандартное отклонение. Стереомикроскоп собирал стереомикрографы со встроенной головкой камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Гистограммы распределения форм-фактора частиц с наложенной наилучшей кривой подгонкой. Изображение представляет МП: (a) цикличность и (c) соотношение сторон для гранул PBAT и (b) циркулярность и (d) соотношение сторон для пленки PBAT, основанное на анализе ImageJ31. Стереомикрографы основаны на двух частицах ситовой фракции гранул PBAT (106 мкм) и PBAT BDM MPs (250 мкм). Численный анализ проводился в статистическом программном обеспечении, V 15. Стереографы и гистограммы представляют соответствующие изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Гистограммы размера частиц (dp) для НП. На рисунке представлены распределения частиц, полученные из пленки PBAT и гранул PBAT, полученных в результате обработки мокрым измельчением фракции сита 106 мкм MP. Кривые представляют собой двухпараметрическую модель Вейбулла, подходящую к распределению по размерам, проводимому с использованием статистического программного обеспечения. Измерения данных проводились с использованием динамического рассеяния света. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6. Репрезентативные FTIR-спектры сравнения MNP между различными стадиями обработки. На рисунке показано сравнение начальных условий пленки PBAT, PBAT-MPs и PBAT-NPs. Пленка PBAT была криогенно обработана перед механическим измельчением МП, состоящих из 106 мкм ситовой фракции сухих измельченных пластмасс; НП были получены путем мокрого измельчения 106 мкм ситовой фракции МП после сухого измельчения и просеивания. Спектральные данные собирались с помощью спектрометра, оснащенного алмазным аттенуированным полным коэффициентом отражения (ATR). Спектральный анализ данных проводился с использованием программного обеспечения для анализа спектра FTIR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Гранулы PBAT Пленка ПБАТ
Фракция сита, мкм 106 250
Нормальный dp, мкм 65 113
Стд Дев, мкм 24 58
Цикличность 0.68 0.47
Относительное удлинение 1.73 2.33
Лучшая посадка, dp Нормальный Нормальный
Лучшая посадка, цикличность Вейбулл Вейбулл
Наилучшее соответствие, соотношение сторон Логнормальные Логнормальные
N 83 125

Таблица 1: Репрезентативные параметры размера и формы частиц. Результаты были получены на основе статистического анализа для депутатов, обработанных из гранул PBAT и пленки PBAT, изображенной на рисунках 3 и 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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), сухое измельчение и этапы мокрого измельчения для изготовления моделей MNP. Мы применили этот метод для получения МНП из широкого спектра полимерного сырья, включая полиэтилен низкой плотности (LDPE), полибутират-сотерфталат (PBAT) и полимолочную кислоту (PLA)29 (Astner et al., рукопись в процессе подготовки). Однако для ПЭНП только пеллеты могут служить в качестве сырья; Мульчирующие пленки не могли быть обработаны из-за арматурной сетки, включенной в пленку во время ее экструзии, как описано в предыдущей публикации29.

Критические этапы в рамках протокола включают а) криогенную предварительную обработку, обеспечивающую охрупчивание обычно гибкой пленки, б) измельчение для имитации механического воздействия с помощью сельскохозяйственных методов (вспашка, обработка почвы) и в) мокрое измельчение, имитирующее события сдвига окружающей среды между столкновениями МП-почвы. МНП, образованные с помощью этого метода, с большей вероятностью представляют собой частицы, встречающиеся в сельскохозяйственных почвах, чем микро- и наносферы полистирола. Однако последние часто используются в качестве инженерных модельных материалов в экологических исследованиях, изучающих воздействие на почвенные микробные сообщества 34,35,36, растения 37 и почвенную фауну38.

Различные методы позволили получить суррогатные НП, включая криогенное фрезерование и измельчение с использованием роторных и шаровых мельниц 39,40,41,42. Кроме того, измельчение в сочетании с жидким азотом часто использовалось для формированияМНП 40,41,42,43,44,45. Напротив, ультрацентрифугально сухая процедура фрезерования (без криогенной обработки) в сочетании с мокрым шаровым фрезерованием использовалась для генерации МП иНП 39 соответственно. Напротив, метод, описанный в этой статье, использует недорогую комбинацию криогенного замачивания-смешивания-измельчения-измельчения для получения МНП из пластиковых пленок для имитации воздействия на окружающую среду, такого как атмосферные воздействия и механические силы сдвига. Поэтому в недавнем исследовании сравнивались изменения механических и химических свойств между криогенно сформированными экологически выветренными сельскохозяйственными пластиковыми пленками. Результаты показали статистически значимые различия в геометрических особенностях, физико-химических свойствах и биоразлагаемости образовавшихся МП (Astner et al., неопубликованные).

Ограничением механико-криогенного метода фрезерования является относительно низкий выход просеивания после первого прохода фрезерования (~10 мас.%) фракций <840 мкм, что требует еще двух проходов, что приводит к более длительному времени обработки по сравнению с более крупными фракциями >840мкм29. Поскольку выход фракции 46 мкм составляет от 1 до 2 мас.%, фракция частиц 106 мкм использовалась для процедуры мокрого измельчения с образованием НП. Кроме того, трение в процессе фрезерования может привести к перегреву технологической камеры, что приводит к агломерации и термической деградации частиц или фрагментов пленки в процессе фрезерования, как описано в других исследованиях29,46. Еще одним ограничением криогенного способа фрезерования, описанного в настоящей статье, является ограниченное применение пластмасс, таких как пленки LDPE или гранулы PBS с плохими тепловыми свойствами (т.е. низкими температурами стеклования). Прежние пластмассы было невозможно измельчить из-за волокнистой структуры пленок LDPE. Кроме того, последний забивал мельницу, так как механический сдвиг повышал температуру в фрезерной камере. Напротив, гранулы LDPE легко обрабатывать путем измельчения без использования криогенного охлаждения. Сравнение dps для депутатов показывает большее отклонение для фракции 250 мкм от номинального размера сита, чем для фракции 106 мкм dp. Однако обе просеивающие фракции следовали монодисперсному нормальному распределению (рисунок 3e, f и таблица 1), что предполагает аналогичные механизмы распада для пленочного или гранулированного сырья. Напротив, анализ размеров NP привел к бимодальному распределению пленок PBAT, аналогично предыдущей публикации29, и гранул PBAT с репрезентативными пиками распределения по размеру при 50 нм и 107 нм. Тем не менее, данные о распределении гранул показали пики на уровне около 80 нм и 531 нм, предполагая, что разрушение происходит менее равномерно, чем в пленках. Значение ранее установленного метода заключается в эффективном и недорогом сочетании этапов обработки, таких как криогенная предварительная обработка, фрезерование и мокрое измельчение. Распределение частиц по размерам для NP из пленки PBAT в этом исследовании аналогично предварительному исследованию, проведенному по NP-образованию биоразлагаемых пластмасс29, которое характеризуется бимодальным распределением с субпопуляциями частиц, достигающими пика в ~50 нм и ~200 нм; однако последнее привело к появлению несколько меньших частиц (106 нм), как показано на рисунке 5, основываясь на более высоком количестве проходов (60) в настоящем исследовании, по сравнению с 27 проходами, как это было выполнено ранее Astner, et al. 29. Данное исследование предполагает, что образование NP, полученное из пленок PBAT, следует предварительным результатам исследования.

Еще одним доказательством надежности этого метода является то, что химический состав существенно не изменился из-за криогенной обработки, фрезерования и мокрого измельчения (рисунок 6). Кроме того, различия между исходным сырьем, таким как гранулы и пленка (распределение частиц по размерам), средние dp или параметры формы, существенно не различались (рисунок 3 и рисунок 4). Широко сообщалось об экологически рассредоточенных НМП и их экотоксичном воздействии на наземные организмы 47,48 и морскую биоту49,50. Однако, в то время как почвы представляют собой наиболее заметный глобальный экологический резервуар для транслокации, деградации и биоаккумуляции MNP, отсутствие надежных и единообразных аналитических методов для этих материалов приводит к критическим пробелам в знаниях об оценке рисков МП и НП в наземных экосистемах51. Следовательно, будущие применения этого метода могут включать подготовку и характеристику МНП вновь разработанных пластиковых материалов для сельскохозяйственных полимерных пленок (например, ПБАТ в сочетании с лигнином) для оценки экологической судьбы и экотоксичности МП до выхода на рынок. Таким образом, этот протокол может служить экологическим исследованиям в качестве стандартизированного протокола для получения МП путем криогенного фрезерования и НП путем мокрого измельчения, а также для размерной и химической характеристики результирующих МНП. Кроме того, производные частицы могут быть использованы в экологических исследованиях, таких как судьба, экотоксичность, транспортировка и биодеградация в наземной и морской среде.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

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).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jin, Z., Dan, L. Review on the occurrence, analysis methods, toxicity and health effects of micro-and nano-plastics in the environment. Environmental Chemistry. (1), 28-40 (2021).
  2. Kumar, M., et al. Current research trends on micro-and nano-plastics as an emerging threat to global environment: a review. Journal of Hazardous Materials. 409, 124967 (2021).
  3. Alimba, C. G., Faggio, C., Sivanesan, S., Ogunkanmi, A. L., Krishnamurthi, K. Micro (nano)-plastics in the environment and risk of carcinogenesis: Insight into possible mechanisms. Journal of Hazardous Materials. 416, 126143 (2021).
  4. Serrano-Ruiz, H., Martin-Closas, L., Pelacho, A. M. Biodegradable plastic mulches: Impact on the agricultural biotic environment. Science of The Total Environment. 750, 141228 (2021).
  5. Hayes, D. G., et al. Biodegradable plastic mulch films for sustainable specialty crop production. Polymers for Agri-Food Applications. , Springer. Cham. 183-213 (2019).
  6. Viaroli, S., Lancia, M., Re, V. Microplastics contamination of groundwater: Current evidence and future perspectives. A review. Science of The Total Environment. , 153851 (2022).
  7. Rillig, M. C., Lehmann, A. Microplastic in terrestrial ecosystems. Science. 368 (6498), 1430-1431 (2020).
  8. Anunciado, M. B., et al. Effect of environmental weathering on biodegradation of biodegradable plastic mulch films under ambient soil and composting conditions. Journal of Polymers and the Environment. 29 (9), 2916-2931 (2021).
  9. Yang, Y., et al. Kinetics of microplastic generation from different types of mulch films in agricultural soil. Science of The Total Environment. 814, 152572 (2022).
  10. Hayes, D. G., et al. Effect of diverse weathering conditions on the physicochemical properties of biodegradable plastic mulches. Polymer Testing. 62, 454-467 (2017).
  11. Schwaferts, C., Niessner, R., Elsner, M., Ivleva, N. P. Methods for the analysis of submicrometer-and nanoplastic particles in the environment. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 112, 52-65 (2019).
  12. Gigault, J., et al. Current opinion: what is a nanoplastic. Environmental Pollution. 235, 1030-1034 (2018).
  13. Naqash, N., Prakash, S., Kapoor, D., Singh, R. Interaction of freshwater microplastics with biota and heavy metals: a review. Environmental Chemistry Letters. 18 (6), 1813-1824 (2020).
  14. Manzoor, S., Naqash, N., Rashid, G., Singh, R. Plastic material degradation and formation of microplastic in the environment: A review. Materials Today: Proceedings. , 3254-3260 (2022).
  15. de Souza Machado, A. A., et al. Impacts of microplastics on the soil biophysical environment. Environmental Science & Technology. 52 (17), 9656-9665 (2018).
  16. Jacques, O., Prosser, R. A probabilistic risk assessment of microplastics in soil ecosystems. Science of The Total Environment. 757, 143987 (2021).
  17. Kwak, J. I., An, Y. -J. Microplastic digestion generates fragmented nanoplastics in soils and damages earthworm spermatogenesis and coelomocyte viability. Journal of Hazardous Materials. 402, 124034 (2021).
  18. Wahl, A., et al. Nanoplastic occurrence in a soil amended with plastic debris. Chemosphere. 262, 127784 (2021).
  19. Vighi, M., et al. Micro and nano-plastics in the environment: research priorities for the near future. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology Volume 257. , 163-218 (2021).
  20. Pironti, C., et al. Microplastics in the environment: intake through the food web, human exposure and toxicological effects. Toxics. 9 (9), 224 (2021).
  21. Zurier, H. S., Goddard, J. M. Biodegradation of microplastics in food and agriculture. Current Opinion in Food Science. 37, 37-44 (2021).
  22. Horton, A. A., Dixon, S. J. Microplastics: An introduction to environmental transport processes. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water. 5 (2), 1268 (2018).
  23. Panno, S. V., et al. Microplastic contamination in karst groundwater systems. Groundwater. 57 (2), 189-196 (2019).
  24. Su, Y., et al. Delivery, uptake, fate, an transport of engineered nanoparticles in plants: a critical review and data analysis. Environmental Science: Nano. 6 (8), 2311-2331 (2019).
  25. Yu, Y., Griffin-LaHue, D. E., Miles, C. A., Hayes, D. G., Flury, M. Are micro-and nanoplastics from soil-biodegradable plastic mulches an environmental concern. Journal of Hazardous Materials Advances. 4, 100024 (2021).
  26. Hayes, D. G. Enhanced end-of-life performance for biodegradable plastic mulch films through improving standards and addressing research gaps. Current Opinion in Chemical Engineering. 33, 100695 (2021).
  27. Qin, M., et al. A review of biodegradable plastics to biodegradable microplastics: Another ecological threat to soil environments. Journal of Cleaner Production. 312, 127816 (2021).
  28. Phuong, N. N., et al. Is there any consistency between the microplastics found in the field and those used in laboratory experiments. Environmental Pollution. 211, 111-123 (2016).
  29. Astner, A., et al. Mechanical formation of micro-and nano-plastic materials for environmental studies in agricultural ecosystems. Science of The Total Environment. 685, 1097-1106 (2019).
  30. Rist, S., Hartmann, N. B. Aquatic ecotoxicity of microplastics and nanoplastics: lessons learned from engineered nanomaterials. Freshwater Microplastics. , Springer. Cham. 25-49 (2018).
  31. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
  32. Raju, S., et al. Improved methodology to determine the fate and transport of microplastics in a secondary wastewater treatment plant. Water Research. 173, 115549 (2020).
  33. Caputo, F., et al. Measuring particle size distribution and mass concentration of nanoplastics and microplastics: addressing some analytical challenges in the sub-micron size range. Journal of Colloid and Interface Science. 588, 401-417 (2021).
  34. Xu, M., et al. Polystyrene microplastics alleviate the effects of sulfamethazine on soil microbial communities at different CO2 concentrations. Journal of Hazardous Materials. 413, 125286 (2021).
  35. Ding, L., et al. Insight into interactions of polystyrene microplastics with different types and compositions of dissolved organic matter. Science of The Total Environment. 824, 153883 (2022).
  36. Abbasimaedeh, P., Ghanbari, A., O'Kelly, B. C., Tavanafar, M., Irdmoosa, K. G. Geomechanical behaviour of uncemented expanded polystyrene (EPS) beads-clayey soil mixtures as lightweight fill. Geotechnics. 1 (1), 38-58 (2021).
  37. Li, Z., Li, Q., Li, R., Zhou, J., Wang, G. The distribution and impact of polystyrene nanoplastics on cucumber plants. Environmental Science and Pollution Research. 28 (13), 16042-16053 (2021).
  38. Sobhani, Z., Panneerselvan, L., Fang, C., Naidu, R., Megharaj, M. Chronic and transgenerational effects of polystyrene microplastics at environmentally relevant concentrations in earthworms (Eisenia fetida). Environmental Toxicology and Chemistry. 40 (8), 2240-2246 (2021).
  39. Lionetto, F., Esposito Corcione, C., Rizzo, A., Maffezzoli, A. Production and characterization of polyethylene terephthalate nanoparticles. Polymers. 13 (21), 3745 (2021).
  40. Dümichen, E., et al. Analysis of polyethylene microplastics in environmental samples, using a thermal decomposition method. Water Research. 85, 451-457 (2015).
  41. Robotti, M., et al. Attrition and cryogenic milling production for low pressure cold gas spray and composite coatings characterization. Advanced Powder Technology. 27 (4), 1257-1264 (2016).
  42. Ducoli, S., et al. A different protein corona cloaks "true-to-life" nanoplastics with respect to synthetic polystyrene nanobeads. Environmental Science: Nano. 9 (4), 1414-1426 (2022).
  43. El Hadri, H., Gigault, J., Maxit, B., Grassl, B., Reynaud, S. Nanoplastic from mechanically degraded primary and secondary microplastics for environmental assessments. NanoImpact. 17, 100206 (2020).
  44. Eitzen, L., et al. The challenge in preparing particle suspensions for aquatic microplastic research. Environmental research. 168, 490-495 (2019).
  45. Ekvall, M. T., et al. Nanoplastics formed during the mechanical breakdown of daily-use polystyrene products. Nanoscale advances. 1 (3), 1055-1061 (2019).
  46. Caldwell, J., et al. Fluorescent plastic nanoparticles to track their interaction and fate in physiological environments. Environmental Science: Nano. 8 (2), 502-513 (2021).
  47. Zeb, A., et al. Evaluating the knowledge structure of micro-and nanoplastics in terrestrial environment through scientometric assessment. Applied Soil Ecology. 177, 104507 (2022).
  48. Ji, Z., et al. Effects of pristine microplastics and nanoplastics on soil invertebrates: A systematic review and meta-analysis of available data. Science of The Total Environment. 788, 147784 (2021).
  49. de Alkimin, G. D., Gonçalves, J. M., Nathan, J., Bebianno, M. J. Impact of micro and nanoplastics in the marine environment. Assessing the Effects of Emerging Plastics on the Environment and Public Health. , IGI Global. 172-225 (2022).
  50. Pires, A., Cuccaro, A., Sole, M., Freitas, R. Micro (nano) plastics and plastic additives effects in marine annelids: A literature review. Environmental Research. , 113642 (2022).
  51. Hurley, R. R., Nizzetto, L. Fate and occurrence of micro (nano) plastics in soils: Knowledge gaps and possible risks. Current Opinion in Environmental Science & Health. 1, 6-11 (2018).

Tags

Машиностроение выпуск 185 Наземные механические образования экологические исследования микропластик наночастицы
Формирование микро- и нанопластиков из сельскохозяйственных пластиковых пленок для использования в фундаментальных исследованиях
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Astner, A. F., Hayes, D. G.,… More

Astner, A. F., Hayes, D. G., O'Neill, H. M., Evans, B. R., Pingali, S. V., Urban, V. S., Young, T. M. Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies. J. Vis. Exp. (185), e64112, doi:10.3791/64112 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter