يتم تقديم طريقة لاستخراج اللدائن الدقيقة من التربة وتحديد أنواع البوليمر الخاصة بها. تم تحسين الطريقة للتنفيذ وقابلية التطبيق والفعالية من حيث التكلفة. إنه يضع أساسا علميا لتوحيد الطريقة التحليلية لتحديد اللدائن الدقيقة في التربة.
مقالة منهجية
يتم تقديم طريقة لاستخراج اللدائن الدقيقة من التربة وتحديد أنواع البوليمر الخاصة بها. تم تحسين الطريقة للتنفيذ وقابلية التطبيق والفعالية من حيث التكلفة. إنه يضع أساسا علميا لتوحيد الطريقة التحليلية لتحديد اللدائن الدقيقة في التربة.
حظي تلوث اللدائن الدقيقة (MPS) في البيئة الأرضية باهتمام متزايد على مدار العقد الماضي ، مع زيادة الدراسات التي تصف أعداد وأنواع أعضاء البرلمان في أنظمة التربة المختلفة وتأثيراتها على صحة التربة والمحاصيل. ومع ذلك ، يتم استخدام طرق مختلفة لاستخراج النواب وتحليله ، مما يحد من فرص مقارنة النتائج وتوليد أدلة موثوقة لمشورة الصناعة وصانعي السياسات. نقدم هنا بروتوكولا يصف منهجية أخذ العينات والفصل وتحديد التعريف الكيميائي للنواب التقليديين من التربة. الطريقة منخفضة التكلفة ، والمواد متاحة بسهولة. هذا يعزز السهولة التشغيلية وقد يساعد في التبني على نطاق واسع. يوفر البروتوكول معلومات مفصلة عن جمع العينات من أعلى 0-30 سم من التربة باستخدام أواني خالية من البلاستيك. محاكاة أنواع التربة المختلفة من خلال استخدام وسائط صلبة مختلفة (مثل طين البنتونيت وثاني أكسيد السيليكون والتربة غير الملوثة) ، مع إضافة نفس كتلة البولي إيثيلين (PE) - MPS للقياس الكمي اللاحق ؛ فصل كثافة الجزيئات البلاستيكية باستخدام محلول كلوريد الصوديوم المشبع (NaCl) وهضم الشوائب العضوية في المادة الطافية باستخدام محلول هيدروكسيد الصوديوم 4 M (NaOH) ؛ القياس الكمي للجزيئات باستخدام المجهر الفلوري بعد تلطيخ النيل الأحمر ؛ وتحديد البوليمر باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه الصغير (μ-FTIR) أو التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء المباشرة بالليزر (LDIR). تراوحت نسبة تعافي النواب بين 83٪ - 90٪ لوسائل الإعلام المذكورة أعلاه. يقدم هذا البروتوكول طريقة فعالة لتحليل MPS للتربة تم تحسينها من أجل الجدوى وقابلية التطبيق والفعالية من حيث التكلفة. علاوة على ذلك ، يمكن للفيديو المصاحب توجيه عملية تحليل نواب التربة خطوة بخطوة افتراضيا. هذه الدراسة مكرسة لتوحيد طرق تحليل التربة MPS ، وتعزيز الاتصال وقابلية القياس للمقارنة ، وإرساء أساس لمزيد من البحوث الموحدة والعلمية.
تشير التقديرات إلى أن 4.8 إلى 12.7 مليون طن متري من البلاستيك تدخل المحيط سنويا من مصادر أرضية 1,2. تتحلل هذه الجزيئات البلاستيكية تدريجيا إلى أجزاء أصغر استجابة للأشعة فوق البنفسجية والتآكل الميكانيكي والتحلل البيولوجي3،4. أصبح تلوث اللدائن الدقيقة (MPs) ، مع جزيئات بلاستيكية يقل قطرها عن 5 مم ، في التربة مصدر قلق متزايد ، لا سيما من حيث تأثيره المحتمل على صحة التربة والمحاصيل. إنه مدفوع بشكل أساسي بالارتفاع المستمر في إنتاج البلاستيك والتحديات المحيطة بالتخلص المناسب من النفايات البلاستيكية5،6.
يمكن أن يعزى تراكم أعضاء البرلمان في التربة إلى عوامل خارجية مختلفة. المصادر المحتملة للنواب في التربة معقدة ، بما في ذلك استخدام ممارسات البلاستيك (على سبيل المثال ، أغشية المهاد البلاستيكية ، وأنابيب الري ، وأغشية الدفيئة ، والبنية التحتية المرتبطة بها) 7 ، 8 ، 9 ومدخلات التعديلات العضوية (مثل تطبيق حمأة الصرف الصحي ، والسماد الزراعي ، والأسمدة العضوية)10. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التخلص غير المناسب من القمامة البلاستيكية11 ، وتحلل نفايات الطعام المهضومة من بقايا العبوات البلاستيكيةللأغذية 12 ، واستخدام الأسمدة المغلفة13 ، وتآكل الإطارات المطاطية14 ، والترسيب الجوي15 هي أيضا مساهمات معروفة في النواب في التربة. تشير التقديرات إلى أن الصين ، المنتج والمستخدم الرئيسي للبلاستيك الزراعي ، وخاصة أغشية المهاد البلاستيكية ، لديها متوسط وفرة من النواب في الأراضي الزراعية المغطاة بالبلاستيك بشدة بحوالي 4231 عنصرا كجم -1 (التربة الجافة) 16. في عام 2018 ، تراوحت كميات النواب في تربة الأراضي الزراعية الصينية ضمن عمق 0-10 سم من 4.9 × 106 إلى 1.0 × 107 أطنان ، مع مساهمة كبيرة من أفلام المهاد الزراعي17. قد تدخل تطبيقات الحمأة في التربة الزراعية في أوروبا وأمريكا الشمالية أكثر من 63,000 و 44,000 طن من البرلمان سنويا ، على التوالي18. أظهرت دراسة أجريت في ألمانيا أن تطبيقات السماد في الحقول الصالحة للزراعة أدت أيضا إلى مدخلات سنوية من الجزيئات البلاستيكية (>1 مم) في الحقول الصالحة للزراعة. أدى تطبيق السماد إلى 35 مليار إلى 2.2 تريليون جزيئات بلاستيكية10. لا تزال مساهمة أعضاء البرلمان في الغلاف الجوي في التربة غير مؤكدة وتتطلب مزيدا من التقديرالكمي 15. على سبيل المثال ، يقدر متوسط المدخلات السنوية لأعضاء البرلمان في الغلاف الجوي ب 7.9 × 104 عناصر م -2 سنة -1 في الصين16. جذبت المجموعة الواسعة للغاية من مصادر MPS في التربة انتباه العديد من الباحثين ، ولكن نظرا لتنوع طرق أخذ العينات والاستخراج والكشف التحليلي ، فمن الصعب دمج ومقارنة نتائج الدراسات المختلفة.
يشكل تراكم النواب من مجموعة واسعة من المصادر تهديدا بيئيا محتملا للتربة العالمية16 ، مما يسلط الضوء على الحاجة الواضحة لدراسات النواب في التربة. أظهرت بعض الدراسات أن تأثيرات أعضاء البرلمان على التربة الزراعية تشمل تغيير خصائص التربة ، وإعاقة نمو وتطور النباتات والكائنات الحية في التربة ، والتأثير على النشاط الميكروبي للتربة19،20. وجدت دراسات أخرى أن أعضاء البرلمان يمكن أن يتراكموا في الكائنات الحية بمستويات غذائية أعلى على طول السلسلةالغذائية 21 ، مما يؤدي إلى خطر محتمل على صحة الإنسان22. لتوضيح الآثار البيئية للتربة للنواب ، من الضروري أولا فهم الوضع الحالي لتلوثهم ، بما في ذلك وفرتهم وتحديد البوليمر وخصائص التوزيع. لذلك ، فإن التحديد والكشف الدقيق عن أعضاء البرلمان في التربة لهما أهمية قصوى.
حاليا ، يستكشف عدد متزايد من المقالات الوجود العالمي للنواب في التربة ، مع ملاحظة تباين كبير في طرق الاستخراج والكشف23. بعد الجمع الدقيق للعينات (لتقليل تلوث النواب) ، يتضمن بروتوكول تحليل النواب عادة ثلاث خطوات رئيسية. أولا ، تم اعتماد فصل الكثافة على نطاق واسع لعزل جزيئات MPS من مصفوفة التربة. تستخدم هذه العملية عادة الكواشف مثل الماء المقطر (DI) (1.0 جم سم -3) ، كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم ، 1.2 جم سم -3) ، أو كلوريد الزنك (ZnCl2 ، 1.6 جم سم -3). ثانيا ، تشمل طرق إزالة الشوائب العضوية من سطح MPS التنظيف بالمحاليل الحمضية والقلوية أو غيرها من العوامل المؤكسدة والهضم الأنزيمي24. عادة ما يتم هضم المواد العضوية في مصفوفة التربة أو الالتصاق بجزيئات MPS باستخدام 30٪ بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) ، أو 65٪ حمض النيتريك (HNO3) ، أو 50٪ هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) 25. بعد فصل الكثافة وهضم المواد العضوية ، يلزم إجراء فحص مجهري لعينات MPS لتحديد عدد الجسيمات. يتم استكمال هذا الفحص بتحليل التركيب الكيميائي للبوليمرات من خلال تقنيات مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) ، أو التحليل الطيفي رامان ، أو تقنيات التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبةالأخرى 26.
ومع ذلك ، فإن كل خطوة في عملية استخراج النواب والكشف عنها تنطوي على إمكانية المبالغة في تقدير أو التقليل من واقع النواب. على سبيل المثال ، على الرغم من الاستخدام الواسع النطاق لمياه DI ككاشف لفصل الكثافة نظرا لفعاليته من حيث التكلفة ونقص الخصائص الخطرة ، فقد يؤدي ذلك إلى استبعاد جزيئات MPS ذات الكثافة العالية27. وعلى العكس من ذلك، فإن الاستخدام الواسع النطاق للكواشف عالية الكثافة قد يكون محدودا بسبب المخاطر البيئية وزيادة التكاليف. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بعض الكواشف المستخدمة في الهضم العضوي لديها القدرة على التسبب في تلف جزيئات MPS29. علاوة على ذلك ، فإن التصنيف البصري باستخدام الفحص المجهري البصري والمجسم والتشريحي لا يخلو من التحديات26،30. يعتمد تحديد جزيئات النواب بشكل كبير على خبرة وتشغيل المحللين ، بالإضافة إلى إعدادات الأداة. تؤكد هذه النتائج على صعوبة تحقيق الاتساق والدقة عند استخدام منهجيات مختلفة ، مما يعقد مقارنة النتائج عبر الدراسات المختلفة.
لضمان موثوقية البيانات وقابليتها للمقارنة عبر الدراسات ، من الضروري إنشاء بروتوكول موحد لاستخراج MPS واكتشافها في التربة. لن يعزز هذا التوحيد دقة تقييمات حدوث النواب فحسب ، بل سيسهل أيضا فهما أكثر شمولا وتوحيدا للتأثير البيئي للنواب في النظم البيئية للتربة. لمعالجة قيود طرق الاستخراج والكشف ، يجب أن تكون الكواشف المختارة للطرق المعيارية متاحة بسهولة ، ويجب ألا تؤثر على سلامة أو تركيب كيميائي لجزيئات MPS ، وتشكل أقل مخاطر بيئية ممكنة. علاوة على ذلك ، يجب أن تظهر الطرق الموحدة كفاءة عالية في كل من استعادة أعضاء البرلمان وإزالة المواد العضوية من مصفوفة التربة.
يعد البروتوكول سهل المتابعة أمرا حيويا للاعتماد على نطاق واسع عبر إعدادات البحث المختلفة. بالنظر إلى كل من معدلات استرداد أعضاء البرلمان والفعالية من حيث التكلفة ، فإن كلوريد الصوديوم المشبع هو الخيار الأمثل لفصل كثافة عينات التربة على نطاق واسع. لهضم المواد العضوية ، تم استخدام هيدروكسيد الصوديوم ، حيث أظهرت تجارب العزل الأولية أن محلول هيدروكسيد الصوديوم 4 M يتحلل بشكل فعال شوائب عينات التربة ، مثل بقايا النباتات ، دون التسبب في أضرار جسيمة للنواب. بشكل عام ، تستخدم هذه الطريقة التجريبية مواد متاحة بسهولة وفعالة من حيث التكلفة ، ولها تعقيد تشغيلي منخفض ، وتضمن معدل استخراج موثوق.
نوصي باستخدام منهجية الفصل السريع والاقتصادي التي اقترحتها الأكاديمية الصينية للعلوم الزراعية لتحديد أعضاء البرلمان الذين تم جمعهم في الحقولالزراعية 31. لجميع الخطوات التالية ، تأكد من تنظيف جميع الحاويات والأدوات والأواني الزجاجية بماء DI قبل الاستخدام لتقليل التلوث. تأكد أيضا من تشغيل الفراغات المنتظمة جنبا إلى جنب مع العينات لحساب التلوث الناتج عن إجراءات الجمع والاستخراج.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ملاحظة: يجب تحضير المحاليل التالية في درجة الحرارة المحيطة قبل عملية الاستخراج: 1) محلول كلوريد الصوديوم المشبع (5.7 م) - إذابة 1 كجم من كلوريد الصوديوم في 3 لتر DI H2O ؛ 2) 4 م هيدروكسيد الصوديوم - إذابة 480 جم هيدروكسيد الصوديوم في 3 لتر DI H2O ؛ 3) النيل الأحمر (100 ميكروغرام مل -1) - قم بإذابة 10 مجم من النيل الأحمر في 100 مل من المذيب المناسب (مثل الميثانول والأسيتون).
1. أخذ عينات التربة وتحضيرها
2. تعويم الكثافة
3. هضم الشوائب
4. التلوين بمحلول النيل الأحمر
5. الترشيح الفراغي
6. القياس الكمي للجسيمات MPS عن طريق المجهر الفلوري
7. تحديد بوليمر MPS باستخدام التحليل الطيفي FTIR أو LDIR
8. القياس الكمي للجسيمات لصور غشاء الفلورسنت باستخدام ImageJ
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
للتحقق من صحة معدلات الاسترداد لهذه المنهجية ، تم تحليل عينات من ثلاث مصفوفات صلبة مختلفة (ثاني أكسيد السيليكون (SD) ، وطين البنتونيت (BT) ، والتربة) في مجموعات من ثلاث مكررات. تم تحليل العينات باستخدام وبدون إضافة 0.04٪ وزن / وزن من البولي إيثيلين الأبيض (PE) (نطاق حجم الجسيمات 40-48 ميكرومتر). تم جمع عينات التربة من منطقة هايديان ، بكين ، الصين (الحرم الجامعي الغربي للجامعة الزراعية الصينية) ، وتم تصنيف التربة على أنها تربة خشبية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تضمين ثلاث نسخ مكررة من الفراغات لحساب أي تلوث محتمل يتم إ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يجب تصميم استراتيجية أخذ عينات التربة في الميدان ، بما في ذلك مناهج مثل أخذ العينات العشوائية البسيطة أو أخذ العينات الشبكية المنهجية ، بالإضافة إلى منطقة أخذ العينات وعمقها ، وفقا لأسئلة البحث المحددة وتحديدها بوضوح قبل جمع العينات. ركزت بعض الدراسات على طبقة التربة السطحية من 0-10 سم34،37 ، بينما جمعت عينات أخرى من التربة بعمق 0-40 سم38. نظرا لأن حجم ووفرة أعضاء البرلمان يختلفان في أعماق التربة المختلفة ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.
ودعم هذا المشروع المشروع الرئيسي للعلوم والتكنولوجيا في أوردوس بالصين [ZD20232320]؛ مشروع صندوق أبحاث التحديات العالمية في UKRI ومجلس أبحاث البيئة الطبيعية ، "هل تقوض اللدائن الدقيقة الزراعية الأمن الغذائي والتنمية المستدامة في البلدان الأقل نموا اقتصاديا؟" في إطار Grant [NE / V005871/1] ؛ والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين بموجب منحة [42277097]; مشروع الفريق الرفيع المستوى للجامعة الزراعية الصينية ، ومحطة الأستاذ بالجامعة الزراعية الصينية في مركز شينتشو لمكافحة الأمراض ، والوقاية وبرنامج البحوث الأساسية في شينتشو بمقاطعة شانشي [20230515] والتعاون الدولي والتبادل للمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين بموجب منحة [NSFC-UNEP: 32261143459].
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 2-التوازن العشري | n / a | n / a | قياسي 2 التوازن العشري |
| 40 & deg ؛ فرن C | n / a | n / a | فرن مروحة كبير قياسي مع ضبط درجة الحرارة على 40 درجة ؛ C |
| 8700 LDIR | Agilent Technologies | n / a | LDIR تستخدم لتحديد الجسيمات |
| حاوية الألومنيوم | n / a | n / a | حاوية قياسية من الألومنيوم الجاهزة |
| رقائق الألومنيوم | n / a | n / a | رقائق الألومنيوم القياسية شديدة التحمل |
| Axioplan 2 | Zeiss | n / a | يستخدم المجهر الفلوري لمراقبة جزيئات البلاستيك الدقيق في حالة الفلورسنت |
| طين البنتونيت | سيجما ألدريتش | 285234 | طين البنتونيت المستخدم في اختبارات الاسترداد |
| الفلوري BX53 | Olympus | n / a | لمراقبة جزيئات البلاستيك الدقيق في حالة الفلورسنت |
| دورق زجاجي (600 مل) | n / a | n / a | دورق زجاجي قياسي |
| زجاجة زجاجية (1 لتر) | n / a | n / a | زجاجة |
| قياسية مغناطيسية زجاجية شريط النمام | N / A | N / A | شريط النمام المغناطيسي المطلي بالزجاج القياسي |
| أسطوانة قياس الزجاج (500 مل) | n / a | n / A | أسطوانة قياس الزجاج القياسية |
| ماصة زجاجية (10 مل) جهاز | |||
| ترشيح الفراغ الزجاجي | Pyrex (تم شراؤه عبر Sigma Aldrich) | SLW5809 / KIT | جهاز ترشيح زجاجي مع قمع 500 مل ، لوح مسامي ، ودورق تجميع 1 لتر |
| يستخدم LUMOS Alpha II | Bruker | n / a | FTIR لتحليل اللدائن الدقيقة المشتبه بها. |
| لوحة التحريك المغناطيسية | ن / أ | ن / أ | لوحة التحريك المغناطيسية القياسية |
| MCE مرشح غشاء | شركة Jinteng | JTMF0441 / 0442 | أغشية MCE البيضاء ، 0.2 & مايكرو ؛ م حجم المسام ، قطر 50 مم ، مع طريقة FTIR |
| النيل الأحمر | فيشر العلمي | 10464311 | النيل الأحمر مسحوق يستخدم لصنع محلول مخزون من صبغة النيل الأحمر باستخدام المذيبات المناسبة (مثل الأسيتون) |
| غشاء مرشح PCTE | Sterlitech Corporation | 1270060 | أغشية PCTE سوداء ، خالية من PVP ، 0.2 & micro ؛ م حجم المسام ، قطر 47 مم ، بطريقة LDIR |
| ثاني أكسيد السيليكون | Sigma Aldrich | 18649 | ثاني أكسيد السيليكون المستخدم في اختبارات الاسترداد |
| كلوريد الصوديوم | Sigma Aldrich | S9888 | كلوريد الصوديوم المستخدم في فصل الكثافة |
| هيدروكسيد الصوديوم | فيشر العلمي | 10675692 | هيدروكسيد الصوديوم المستخدم في هضم المواد |
| العضوية اوجير التربة | n / a | n / a | الطول 30 سم ؛ قطر 2 سم ؛ مادة الفولاذ المقاوم |
| للصدأ مسحوق البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي | Sigma Aldrich | 434272 | البولي إيثيلين البلاستيك الدقيق يستخدم لارتفاع ثاني أكسيد السيليكون وطين البنتونيت وعينات التربة لاختبارات الاسترداد |
| مضخة فراغ | Vacuubrand GmBH Co KG | ME 2C NT | مضخة فراغ للترشيح الفراغي |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن