利用农用塑料薄膜制备微纳米塑料用于基础科学研究

摘要

我们展示了微塑料和纳米塑料（分别为 MPs 和 NPs）的形成及其尺寸表征，该过程采用逐步的机械研磨、研磨和成像分析方法。

摘要

分散在农业生态系统中的微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）可能对土壤生物及附近水道生物构成严重威胁。此外，被NPs吸附的农药等化学物质可能对土壤生物造成伤害，并有可能进入食物链。在此背景下，农业中使用的塑料（如地膜）是农业生态系统中塑料污染的重要来源。然而，目前大多数关于其归趋和生态毒性的基础研究采用的是理想化且代表性较差的MP材料，例如聚苯乙烯微球。

因此，如本文所述，我们开发了一种实验室规模的多步骤方法，通过机械方式制备具有代表性的微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs），用于此类研究。塑料材料来源于市售的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）地膜，通过低温处理（CRYO）或环境老化（W）使其脆化，同时也使用未经处理的PBAT颗粒作为原料。随后对这些塑料材料进行机械研磨，生成粒径为46–840 µm的微塑料，模拟风力和机械装置对塑料碎片的磨损过程。接着将微塑料过筛，分为多个粒径组分，以便进一步分析。最后，将106 µm筛分组分进行湿法研磨，生成粒径为20–900 nm的纳米塑料，该过程模拟了陆地环境中微塑料缓慢降解并减小粒径的过程。微塑料的尺寸和形态通过体视显微图像的图像分析确定，而纳米塑料的粒径则采用动态光散射（DLS）技术进行表征。通过该方法制备的微塑料和纳米塑料具有不规则形状，与从农田中回收的实际微塑料的几何特征一致。总体而言，该粒径减小方法在制备由可生物降解塑料（如聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯，PBAT）组成的微塑料和纳米塑料方面表现出高效性，所用材料代表了农业特种作物生产中使用的地膜材料。

引言

近几十年来，全球塑料产量迅速增加，而塑料废弃物的处置不当及回收不足，已导致环境污染，影响了海洋和陆地生态系统^1,2,3塑料材料在现代农业中至关重要，尤其用于蔬菜、小果类及其他特色作物的种植。作为地膜、高低隧道覆盖物、滴灌带及其他应用的材料，其使用旨在提高作物产量和品质，降低生产成本，并促进可持续农业的发展^4,5然而，不断扩大的应用 "塑料栽培" 引发了人们对农业环境中塑料碎片的形成、分布和残留问题的担忧。在使用期间，由于环境降解导致材料脆化，经过持续的破碎过程，较大的塑料碎片会形成微塑料和纳米塑料（MNPs），这些颗粒可在土壤中长期残留，或迁移至邻近水体 通过 地表径流和风力^6,7,8环境因素（如阳光中的紫外线辐射、水的机械作用力）以及生物因素会引发环境中分散塑料的脆化，导致较大的塑料碎片分解为大块或中等大小的塑料颗粒^9,

方案

1. 通过低温预处理和研磨将塑料颗粒加工成微塑料

注意：本方法基于其他地方描述的程序，使用由本研究中所用相同材料制成的PBAT薄膜²⁹。

1. 称取约 1 g 的聚合物颗粒样品，转移至 50 mL 玻璃广口瓶中。
2. 将带有 20 目（840 µm）筛网的“矩形出料管”插入旋转切割研磨机前方的插槽中，并向上提升出料管，直至其接触限位销钉。
3. 将玻璃板置于研磨室正面并用可调节夹具固定；随后，在研磨机出料口下方放置一个 50 mL 玻璃广口瓶（图 2）。
4. 将研磨机右侧上方的滑动侧臂支撑装置置于前部玻璃板的中部位置，并用滚花螺栓拧紧。确保研磨机的前部玻璃板牢固固定（图 2a）。
5. 将漏斗插入研磨机顶部，对准上部研磨腔的开口。
6. 将电源线插入电源插座，按下电源线开关以启动研磨机。
   注意：为防止堵塞，仅在研磨机通电并运转后才开始进料。整个研磨过程中需佩戴眼部和耳部防护装备。
7. 缓慢将样品加入漏斗中（约 10 颗/分钟），以避免转速下降或堵塞。当听觉噪声降低后，再加入下一批颗粒（约 10 颗）。完成一批样品（1 g）处理后，按下电源线开关停止研磨机运行，冷....

结果

为验证实验方法与分析流程，通过显微图像对由颗粒和薄膜材料制备的微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）的尺寸与形态进行比较。如图1所述方法，通过低温冷却、研磨及湿法研磨和表征，可高效地从可生物降解塑料颗粒和薄膜中制备出MPs和NPs；而对于经环境老化的薄膜，由于老化已导致材料脆化，因此无需进行前述低温预处理步骤（Astner等，未发表）。颗粒也可在未经低温预处理的情况下直接进行研磨。研磨后，通过筛分将颗粒分为四个粒径组分：840 µm、250 µm、106 µm 和 45 µm，具体操作见实验方案第4步。其中后三个组分仅包含微塑料（MPs）。随后，通过ImageJ软件分析体视显微镜图像，评估各组分颗粒的粒径分布(d_p)及形态因子（即圆形度和长宽比），具体步骤见8.1–8.6。体视显微镜获取的图像示例如下：PBAT颗粒经106 µm筛分组分（图3a,c）和未经老化的PBAT薄膜经250 µm筛分组分（图3b

讨论

本方法描述了一种此前文献中首次报道的有效流程²⁹，用于制备来源于颗粒和地膜的微纳塑料（MNPs），以开展环境研究。尺寸减小过程包括低温冷却（仅针对薄膜）、干法研磨和湿法研磨阶段，以制备模型微纳塑料。我们已应用该方法从多种聚合物原料中制备微纳塑料，包括低密度聚乙烯（LDPE）、聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）和聚乳酸（PLA）²⁹（Astner 等人，待发表手稿）。然而，对于 LDPE，仅颗粒可作为原料；由于在挤出过程中地膜内嵌了增强网格，无法对其进行加工处理，这一点已在先前的文献中有所说明²⁹。

该方案中的关键步骤包括：a）冷冻预处理，使通常具有柔韧性的薄膜发生脆化；b）研磨，以模拟农业生产（如犁地、耕作）过程中的机械冲击；c）湿法研磨，模拟微塑料与土壤颗粒碰撞时所经历的环境剪切作用。通过该方法生成的微纳塑料颗粒相较于聚苯乙烯微球和纳米球，更接近农业土壤中实际存在的颗粒形态。然而，后者常被用作人工设计的模型材料，广泛应用于研究微塑料.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
铝制培养皿，150 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	08-732-103	收集的纳米塑料（NPs）干燥
铝制培养皿，500 mL	VWR International, Radnor, PA, USA	25433-018	湿法研磨后收集纳米塑料（NPs）
离心机	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	Centrific 228	用于离心的容器
导管，#20，840 µm	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M30	研磨过程中第一级分的筛分
导管，#60，250 µm	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M45	研磨过程中第二级分（3次） 的筛分
恒温混匀仪， 5350 混匀仪	Eppendorf North America, Enfield, CT, USA	05-400-200	筛分实验的分析
傅里叶变换红外光谱仪 Two，配备衰减全反射（ATR）附件的光谱仪	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	L1050228	测量傅里叶变换红外（FTIR）光谱
玻璃烧杯，1000 mL	DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA	02-555-113	研磨前搅拌微塑料（MPs）-水浆液
玻璃前板	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383N55	Wiley Mini Mill 的前盖板
玻璃瓶，50 mL	Uline, Pleasant Prairie, WI, USA	S-15846P	研磨后收集微塑料（MPs）
丁腈手套	Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA	BEL-H500290000	22英寸，10号尺寸
Zetasizer Nano ZS 90 粒径分析仪	Malvern Panalytical, Worcestershire, UK	Zetasizer Nano ZS	测量分散在去离子水中的纳米塑料
显微镜相机	Nikon, Tokyo, 108-6290, Japan	Nikon Digital Sight 10	与 Olympus 显微镜联用以获取数字图像
显微镜	Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japan	Model SZ 61	微塑料（MPs）成像
氮气罐，低型杜瓦瓶	Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA	UX-03771-23	低温冷却过程中液氮的储存
Accurate Blend 200，12速搅拌机	Oster, Boca Raton, FL, USA	6684	启动经低温处理的塑料薄膜的尺寸减小
PBAT 薄膜，- BioAgri™（Mater-Bi®）	BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA	0.7 mm 厚	用于制备微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）的原料，农业地膜
PBAT 颗粒	Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA	直径 3 mm	通过研磨和研碎制备微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）的原料
塑料离心管，50 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	06-443-18	湿法研磨后浆液的离心
塑料瓶，1000 mL，预清洗，直壁	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	05-719-733	湿法研磨过程中及之后收集纳米塑料（NPs）
多边形搅拌子，直径ø=8 mm，长度=50.8 mm	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	14-512-127	湿法研磨前搅拌微塑料（MPs）浆液
钛合金涂层剪刀	Westcott, Shelton, CT, USA	13901	切割初始 PBAT 薄膜原料
带方形开口和盖子的方形玻璃池，外径 12 mm	Malvern Panalytical, Worcestershire, UK	PCS1115	测量纳米塑料（NPs）粒径
不锈钢底座，3 英寸，盘状	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8401	Wiley 研磨后的筛分
不锈钢筛网，3 英寸，No. 140（106 µm）	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1308	Wiley 研磨后的筛分
不锈钢筛网，3 英寸，No. 20（850 µm）	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1296	Wiley 研磨后微塑料（MPs）的筛分
不锈钢筛网，3 英寸，No. 325（45 µm）	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1313	Wiley 研磨后微塑料（MPs）的筛分
不锈钢筛网，3 英寸，No. 60（250 µm）	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1303	Wiley 研磨后微塑料（MPs）的筛分
不锈钢顶盖，3 英寸	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8406	Wiley 研磨后微塑料（MPs）的筛分
不锈钢镊子	Global Industrial, Port Washington, NY, USA	T9FB2264892	将冷冻的薄膜颗粒从瓶中转移至搅拌机
真空烘箱，型号 281A	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	13-262-50	湿法研磨后用于干燥纳米塑料（NPs）的真空烘箱
摩擦研磨机，Supermass Colloider	Masuko Sangyo, Tokyo, Japan	MKCA6-2J	将微塑料（MPs）研磨成纳米塑料（NPs）的研磨设备
湿法研磨石，粒径：297 μm -420 μm	Masuko Sangyo, Tokyo, Japan	MKE6-46DD	将微塑料（MPs）研磨成纳米塑料（NPs）的研磨石
Wiley Mini Mill，旋转切割研磨机	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	NC1346618	将颗粒和薄膜减小尺寸以制备微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）
软件
傅里叶变换红外光谱（FTIR）软件	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	Spectrum 10	采集初始塑料、微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）的光谱
Image J，图像处理程序	National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA	版本 1.53n	分析显微镜获取的数字图像
显微镜软件，ds-fi1 软件	Malvern Panalytical , Malvern, UK	固件 DS-U1 Ver3.10	记录数字图像
Microsoft, Windows,  Excel 365，电子表格软件	Microsoft, Redmond, WA, USA	Office 365	计算平均粒径并生成傅里叶变换红外（FTIR）光谱图像
JMP 软件，统计分析软件	SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021	版本 15	粒径的统计分析及数据集的最佳拟合
Unscrambler 软件	Camo Analytics, Oslo, Norway	版本 9.2	将傅里叶变换红外（FTIR）光谱归一化并转换为 .csv 格式