يصف البروتوكول إجراءات التشغيل القياسية لاختبار المواد الاصطناعية والطبيعية القابلة للتحلل البيولوجي في ظل الظروف الهوائية باستخدام لقاح مياه البحر الطبيعي ونظام قياس التنفس الآلي مغلق الحلقة.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
يصف البروتوكول إجراءات التشغيل القياسية لاختبار المواد الاصطناعية والطبيعية القابلة للتحلل البيولوجي في ظل الظروف الهوائية باستخدام لقاح مياه البحر الطبيعي ونظام قياس التنفس الآلي مغلق الحلقة.
يعتمد التقييم الصحيح للمواد القابلة للتحلل الحيوي على الاعتماد الواسع لطرق الاختبار القياسية. على الرغم من وجود مثل هذه الأساليب ، لا تزال قدرة الاختبار محدودة ، مقيدة بالتكلفة ووقت بدء إنشاء مختبرات جديدة. يعتمد بروتوكول الفحص المعدل هذا على ASTM International D6691-24a ، طريقة الاختبار القياسية لتحديد التحلل البيولوجي الهوائي للمواد البلاستيكية في البيئة البحرية بواسطة اتحاد ميكروبي محدد أو لقاح مياه البحر الطبيعي. يقيم التحلل البيولوجي للمواد في بيئة بحرية ، ويقارن النتائج بالضوابط الإيجابية والسلبية ، ويستخدم لقاح مياه البحر الطبيعي المكمل بالأمونيوم والفوسفات لمنع الحد من المغذيات. تتعرض المواد لمياه البحر الغنية بالمغذيات وتحضنها عند 30 درجة مئوية. يقيس مقياس التنفس Micro-Oxymax إنتاج الغاز الحيوي (ثاني أكسيد الكربون ، ثاني أكسيد الكربون2) بمرور الوقت. يتم تحديد درجة التمعدن (التحلل البيولوجي) عن طريق حساب نسبة الكربون المشتق من المواد المحول إلى الغاز الحيوي والكربون. يتم الإبلاغ عن النسبة المئويةلإنتاج ثاني أكسيد الكربون 2 ، معبرا عنها كجزء من محتوى الكربون المقاس أو النظري ، كدالة للوقت. يستوعب نظام قياس التنفس ذو الحلقة المغلقة مجموعة من أوعية المفاعلات ، المعدة في ثلاث نسخ لكل مادة ، وتحكم سلبي (لقاح مياه البحر فقط) ، وتحكم إيجابي (سليلوز كروماتوغرافيا رقيقة الطبقة). هذه الطريقة مهمة لتقييم المواد في البيئة البحرية وتعالج منع التلوث العالمي.
تشكل النفايات البلاستيكية تهديدا للنظم البيئية البحرية وصحة الإنسان1. ويؤكد القلق المتزايد بشأن التلوث البلاستيكي، إلى جانب الحطام البحري من أي مواد في المحيطات، الحاجة إلى حلول مستدامة، مثل تحسين إدارة النفايات المنتهية الصلاحية والمواد القابلة للتحلل البيولوجي التي تتحلل بيولوجيا بسهولة في البيئة البحرية. على عكس البلاستيك الاصطناعي التقليدي ، الذي يستمر لعقود إلى قرون ويولد اللدائن الدقيقة التي تتراكم في شبكات الغذاء2،3،4 ، يمكن استقلاب المواد القابلة للتحلل الحيوي ، والمكونات العضوية للكربون ، إلى ثاني أكسيد الكربون2 والميثان (CH4) ، أو استيعابها في الكتلة الحيوية الميكروبية5. ولذلك فإن فهم التحلل الأحيائي للمواد في مياه البحر أمر أساسي لقياس الآثار البيئية للحطام البحري والتخفيف من حدتها.
يتم التحكم في التحلل البيولوجي في البيئة البحرية من خلال تفاعل المتغيرات الزمانية المكانية ، بما في ذلك توافر الضوء والمغذيات ، والضغط ، ودرجة الحرارة ، وتكوين الأنواع الميكروبية ، والطبيعة الفيزيائية والكيميائية وهيكل البوليمر ، والتي تحدد جميعها معدل ودرجة وآلية التحلل6. تمثل هذه المتغيرات تحديا كبيرا لدراسات التحلل البيولوجي القائمة على المختبر التي تحاكي البيئات البحرية. يستخدم إجراء التشغيل القياسي هذا مياه البحر الطبيعية كلقاح ، ويلتقط المجتمع الميكروبي الموجود في الموقع ، ويسجل المتغيرات ذات الصلة بما في ذلك المغذيات الذائبة في مياه البحر ، والكربون والنيتروجين الجسيمات ، والكلوروفيل ، والملوحة ، ودرجة الحموضة ، ودرجة الحرارة. يعمل هذا النهج القائم على المختبر الخاضع للرقابة على تحسين الظروف لتعزيز التمعدن ويسمح بقياسات التحلل البيولوجي المباشرة غير المجدية في الموقع. تم تطوير طريقة الاختبار القياسية ASTM International D6691-24a لتحديد التحلل البيولوجي الهوائي للمواد البلاستيكية في البيئة البحرية بواسطة اتحاد ميكروبي محدد أو لقاح مياه البحر الطبيعي (يشار إليه فيما يلي ASTM D6691) ، وهذا الإجراء التشغيلي الموحد كأداة فحص سريعة وموثوقة لتقييم قابلية التحلل البيولوجي للمواد7،8،9،10.
يتماشى هذا البروتوكول مع ASTM D6691 ، وهو اختبار فحص للتحلل البيولوجي المتأصل في البوليمر ، ويقيم التحلل البيولوجي للمواد في ظل الظروف المثلى ، 30 درجة مئوية ، ومساحة السطح القصوى من العينة المطحونة ، والمغذيات غير العضوية الزائدة (النيتروجين ، 130 مجم / لتر ؛ الفوسفور ، 23 مجم / لتر) 9 ، لتعزيز التمعدن ومنع قيود المغذيات. في حين أن اختبارات الفحص تقدم رؤى أولية قيمة ، فقد يكون من الضروري إجراء مزيد من الاختبارات ، مثل المراسي الساحلية وأعماق البحار ، التي تقيس فقدان الوزن كدالة للوقت ، لإجراء تقييم شامل في ظل الظروف البحرية الطبيعية. نظرا لأن اختبارات الإرساء الساحلية وأعماق البحار تقدر التحلل البيولوجي بناء على فقدان الوزن كدالة للوقت10،11 ، يجب على الباحثين أولا إجراء اختبار الفحص هذا ، الذي يقيس التمثيل الغذائي الميكروبي مباشرة ، قبل الذهاب إلى تجربة الإرساء الساحلية وأعماق البحار في الموقع ، وهي أيضا أكثر تكلفة.
تحدد طريقة الاختبار القياسية ASTM D6691 إجراءات تقييم التحلل البيولوجي الهوائي للمواد البلاستيكية غير العائمة في البيئات البحرية. توفر هذه المواصفة القياسية ، جنبا إلى جنب مع معايير المواصفات ، مثل ASTM D7081 (المواصفات القياسية للبلاستيك غير العائم القابل للتحلل الحيوي في البيئة البحرية ؛ مع التركيز على التحلل البيولوجي في وسط مائي ، يتم سحبه حاليا من ASTM وإعادة الاقتراع) ، إطارا للتصديق على البوليمرات التجريبية على أنها قابلة للتحلل الحيويالبحرية 9،12. بشكل عام ، المواصفات هي معيار إجماع من ASTM International يحدد المتطلبات التي يجب أن تفي بها المادة أو المنتج أو النظام. يضمن أن المواد المصممة للتحلل البيولوجي في البيئات البحرية تفعل ذلك ضمن أطر زمنية مقبولة ولا تطلق إضافات يحتمل أن تكون سامة ، مثل الأصباغ أو الملدنات.
بناء على ASTM D6691 ، يحدد هذا البروتوكول معدل ودرجة التحلل البيولوجي الهوائي للمواد (الركيزة التجريبية) في مياه البحر الطبيعية ويتوسع في ضوابط المواد الإيجابية (مثل السليلوز وورق الكرافت والكيتين / الكيتوزان) ، والتي ثبت تاريخيا أنها قابلة للتحلل البيولوجي في البيئة البحرية7،9،10. الهدف من هذه الطريقة هو فحص المواد في ظل ظروف محسنة لمعرفة ما إذا كانت المواد تتحلل بيولوجيا في البيئة البحرية. يستفيد اللقاح من المجتمع الميكروبي الطبيعي الموجود في مياه البحر ، والذي تم جمعه وفقا لإرشادات محددة موضحة في ASTM. تؤكد هذه الإرشادات على استخدام مياه البحر ذات الملوحة حوالي 32 ، والتي يتم جمعها من موقع خال من الملوثات مثل مياه الصرف الصحي أو الإغراق الكيميائي أو الانسكابات النفطية. يستخدم الاختبار مقياس تنفس آلي مغلق الحلقة مع أوعية مفاعل 250 مل يتم الحفاظ عليها عند 30 درجة مئوية ، كل منها يحتوي على 75 مل من مياه البحر و ~ 20 مجم من الركيزة التجريبيةأو التحكم 8. يتم التعبير عن التمعدن (التحلل البيولوجي) على أنه النسبة المئوية لصافي الغاز الحيوي الكربوني (CO2-C) المنتج بالنسبة لكتلة الكربون الأولية المضافة. هذه الطريقة لا تأخذ في الحسبان امتصاص الكربون في الكتلة الحيوية الميكروبية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. جمع وتوصيف مياه البحر
2. تحضير الركيزة التجريبية
3. تحضير العناصر الغذائية الإضافية لمياه البحر
4. التحضير لحضانة أوعية المفاعل
5. إعداد أوعية المفاعل

الشكل 1: إعداد السفينة وإعدادها. (أ) إضافة مياه البحر ، (ب) إضافة العينة ، و (ج) إضافة الحلقة O ، والغطاء المعدني ، والغطاء اللولبي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
6. بدء تشغيل نظام قياس التنفس
7. معايرة مستشعر ثاني أكسيد الكربون2
8. إعداد التجربة في البرنامج
9. تحطيم التجربة
10. حساب النسبة المئوية للتحلل البيولوجي




11. نهاية البروتوكول
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يتم تقديم نتائج اختبارات التحلل البيولوجي البحري. تم تقييم التحلل البيولوجي لكل عينة عن طريق قياس نسبة الكربون المحول إلى ثاني أكسيد الكربون. عادة ما تظهر مخططات التحلل البيولوجي التراكمي والمعدل والنسبة المئوية مرحلة تأخر ، تليها مرحلة نمو ، وفي النهاية هضبة. يعتمد توقيت وحجم هذه المراحل على مادة العينة والظروف التجريبية وتكوين لقاح مياه البحر.
تظهر مياه البحر التي يتم جمعها على مدار العام من الخليج المعتدل تباينا في مكونات جودة المياه. على سبيل المثال ، يختل...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يحدد أداء التحكم الإيجابي صلاحية الاختبار. مطلوب ما لا يقل عن 70٪ من التحلل البيولوجي لركيزة التحكم الإيجابية البحرية القابلة للتحلل الحيوي بسهولة (مثل السليلوز التحليلي ، ورق الكرافت ، إلخ) ، بناء على إنتاجها النظري الأقصى للغاز. يتحقق هذا المعيار من الظروف المواتية والنشاط الميكروبي الكافي في مياه البحر الطبيعية أثناء الحضانة. يشير الفشل في تلبية هذه العتبة إلى وجود مشكلة محتملة في تحضير النسخ المتماثل ، أو التعامل مع لقاح مياه البحر (أي موت المجتمع الميكروبي) ، أو وظيفة نظام قياس التن...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح مالية متنافسة.
يشكر المؤلفون شركة Columbus Instruments ومختبر التحلل البيولوجي في كلية علوم وتكنولوجيا البحار بجامعة ماساتشوستس دارتموث على الدعم الفني والوصول إلى المرافق. تم توفير التمويل لنظام قياس التنفس Micro-Oxymax Columbus Instruments وبدء تشغيل المختبر من قبل PrimaLoft و Massachusetts Technology Collaborative.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 0.2 & M، فلتر أسيتات السليلوز بقطر 47 مم | جيوتكيك جيوفلتر | 83100056 | فلتر مياه البحر |
| ماصة حجمية بسعة 100 مل | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | 13-650-2U | الفئة أ؛ تم تسريب الحمض وشطفه بماء منزوع الأيونات |
| كؤوس زجاجية بسعة 100-600 مل | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | 50-194-5690 | الفئة أ؛ تم تسريب الحمض وشطفه بماء منزوع الأيونات |
| كرات الطحن بقطر 20 مم | ريتش | 53680062 | الفولاذ المقاوم للصدأ. يستخدم مع برطمان الطحن في الطحن المبرد للبوليمر |
| برطمانات الطحن بسعة 50 مل | ريتش | 14620216 | الفولاذ المقاوم للصدأ. يستخدم مع كرات الطحن بحجم 400 و20 مم في الطحن المبرد للبوليمر |
| ماصة حجمية بحجم 75 مل | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | 13-650-2T | الفئة أ؛ تم تسريب الحمض وشطفه بماء منزوع الأيونات |
| مضخة الهواء ونظام الفقاعات | تترا | 77846 | تهوية مياه البحر أثناء التوازن قبل الحضانة |
| رقائق الألمنيوم | فيشربراند | 01-213-100 | غطاء للنظام اليدوي والتخزين النظيف |
| كلوريد الأمونيوم (NH4Cl) | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشر كيميكال | A661-500 | ارتفاع مغذيات مياه البحر |
| التوازن التحليلي | ميتلر | AT201 | وزن الركائز التجريبية والضابطة |
| الأوتوكلاف | توتناور | MFI-TTN-3870EA | لتعقيم الأوعية ومجموعات الأغطية |
| قناة واحدة أساسية Micro-Oxymax 120VAC | كولومبوس إنسترومنتس | 0135-8000 | يستخدم لتخزين أدوات التحكم الإيجابية والبوليمر |
| غاز المعايرة | إيرغاز | X03NI92P3000001 | خلطات الغاز القياسية الأولية؛ 2.7٪ ثاني أكسيد الكربون، 4.5٪ ميثان، النيتروجين الباقي |
| جهاز كمبيوتر مونيتور | ديل | 210-BMKK | شاشة Dell Pro 24 Plus Hub USB-C. يستخدم مع الكمبيوتر لتشغيل برنامج Micro-Oxymax |
| قفازات التبريد | ثيرمو فيشر ساينتيفيك، تمبشيلد، قفازات التجمد | 11-394-306 | يستخدم للتعامل مع النيتروجين السائل |
| مقياس الحرارة الديالي | ثيرمو فيشر ساينتفيك، H-B instrument Durac | 13-201-433 | مقياس حرارة معاير لدرجة حرارة مياه البحر وقت الجمع |
| الماصات ذات الاستخدام الواحد | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | 13-711-7M | شطف جوانب الوعاء لتحرير المادة |
| حاوية ENC52 للتحكم في درجة الحرارة والضوء | كولومبوس إنسترومنتس | 4740-4054 | الحفاظ على درجة الحرارة وظروف الإضاءة |
| ملقط القارورة | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | S07387 | يستخدم للتعامل مع برطمانات الطحن في النيتروجين السائل |
| قوارير، 250 مل | علوم الحياة DWK | 14395-250 | أوعية مفاعلات عينات |
| قوارير الغلاف الزجاجي مع إغلاق على شكل سدادات | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | 03-339-26D | تخزين العينات |
| جهاز تحديد الأعماق المحمول H22PX | ويست مارين، نوركروس مارين | 6849368 | تحديد عمق موقع جمع مياه البحر |
| جهاز GPS 73 المحمول | جارمين | 10-01504-00 | يستخدم لتحديد موقع جمع مياه البحر |
| مقلاة HDPE | ثيرمو ساينتيفيك، نالجين | 13-359-26 | اعتدت على تسريب الحمض لأدوات الزجاج في محلول 10٪ HCl |
| حمض الهيدروكلوريك (محلول ماء حمضي) | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشر كيميكال | A144-212 | ACS Plus المعتمد، 36.5 إلى 38.0٪. فحص مستشعر CO2 وأدوات زجاجية تتسرب الحمض |
| غطاء التدفق الطبقي | علوم الهواء | فلو-48-أ | تقليل الملوثات المحمولة جوا أثناء تحضير العينة |
| نيسكين الكبير؛ زجاجة بيتا بلس فقط - 8.2 لتر أفقية، PVC | العلم أولا | 3-1980-H65 | لجمع مياه البحر من الرصيف أو القارب |
| مقلاة النيتروجين السائل | ثيرمو فيشر ساينتفيك، بيل آرت ماجيك تاتش 2 | 11-999-063 | هولد ليكليد نيتروجين |
| وعاء نقل النيتروجين السائل، 10 لتر | ثيرمو ساينتفيك | TY509X2 | تخزين وتوزيع النيتروجين السائل للعمل بالتبريد |
| النيتروجين السائل، درجة صناعية، 22 PSI | إيرغاز | NI 180LT22 | يستخدم لطحن وطحن البوليمرات |
| هز المنخل الميكانيكي | هومبولت، غرينجر | 5DPL6 | تحليل الغربال لتوزيع حجم الجسيمات |
| ميكرو-أوكسيماكس | كولومبوس إنسترومنتس | 7395-113-D64 | حلقة O مختومة بالسيليكون وفتحة معدنية مع 3 وصلات، وغطاء برغي GL45 |
| واجهة التوسع ب 10 قنوات Micro-Oxymax | كولومبوس إنسترومنتس | 0135-8101 | مكون نظام قياس التنفس |
| مقياس التنفس Micro-Oxymax (3٪ CO2) | كولومبوس إنسترومنتس | 0135-8403 | الأشعة تحت الحمراء غير التشتتية |
| مطحنة الخلط 400 | ريتش | 207450001 | مطحنة الخلاط 400. يستخدم في الطحن البارد للبوليمر |
| وحدة تحكم الماصات الآلية | إبندورف | 4430000018 | نقل مياه البحر إلى سفن المفاعلات العينات |
| زجاجة مختبر HDPE ذات الفم الضيق، 1 لتر | ثيرمو ساينتيفيك، نالجين | 02-923-5 | عينة منفصلة من مياه البحر الكاملة |
| شبكة النايلون 20 ميكرون | شركة ELKO للترشيح | 41718 | يستخدم لغربال مياه البحر الخام لإزالة الجسيمات الأكبر غير المتجانسة |
| هزاز مداري في الهواء الطلق | ثيرمو فيشر العلمي | SK4000 | الحفاظ على حركة المدارات لأوعية المفاعل أثناء الحضانة |
| كمبيوتر OptiPlex 5090 صغير الحجم | ديل | C0SL03 | كمبيوتر ديسكتوم المستخدم لتشغيل برنامج Micro-Oxymax |
| مقياس الرقم الهيدروجين/المقاومة | ميتلر توليدو، سيفن إكسلنس S470-بيسكان | 30046252 | مقياس الرقم الهيدروجيني/التوصيل على سطح الطاولة لقياس اللقاح الأولي والنهائي لمياه البحر |
| زجاجة بولي إيثيلين، 60 مل | قورباك | PLC-03564 | عينة من مياه البحر المصفاة بشكل منفصل |
| فوسفات البوتاسيوم أحادي البازي (KH2(PO4)) | ثيرمو فيشر العلمي، فيشر بيولوجيا | BP362-500 | ارتفاع مغذيات مياه البحر |
| توازن الدقة | سارتوريوس | Practum2102-1S | لوزن القطر والوزن الكامل للأوعية |
| راوند كاربوي، 20 لتر | ثيرمو فيشر العلمي | 02961A | يتم تنظيفه بحمض لتخزين مياه البحر |
| نظارات السلامة | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | 19-181-513 | |
| سكوبولا | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند، سكوبولا | 01-257-567 | سكوبولا مختبرية من الفولاذ المقاوم للصدأ |
| غربال | أدفانتيك، غراينجر | 40PR18-40PR55 | مناخل من الفولاذ المقاوم للصدأ. عدد المصلاة والأحجام يعتمد على المادة التي يتم اختبارها. |
| سليلوز سيغماسيل، النوع 101 | سيغما-ألدرتش | 435236-250G | البودرة، ركيزة التحكم الإيجابي |
| بيكربونات الصوديوم | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشر كيميكال | S233-500 | فحص مستشعر CO2 |
| كبريتات الصوديوم، لا مائية، 98٪ | ثرمو فيشر العلمي، كيميائيات ثيرمو ساينتيفية | AAA1793336 | فحص مستشعر CO2 |
| مقياس الحرارة/مسبار الحرارة | فيشربراند | 15-079-700 | تحقق من درجة حرارة الحاضنة |
| بارومتر القرص الدقيق القابل للتتبع | فيشربراند | 14-648-51 | سجل ضغط الغلاف الجوي عند بداية التجربة |
| هيدروجين فيكتور متوسط الخدمة، منظم الميثان ذو مرحلتين، CGA - 350 | غاز | VIC0781-3559 | منظم الغازات المعايرة |
| قوارير حجمية، 2 لتر | ثيرمو فيشر ساينتفيك، فيشربراند | FB4002000 | الفئة أ؛ تم تسريب الحمض وغسلته بماء منزوع الأيون. يستخدم لتحضير مياه البحر المغذية. |
| أواني الوزن | ثيرمو فيشر العلمي | 02-202-101 | البولي إيثيلين |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.