Waiting
登录处理中...

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

Engineering

Het vormen van micro- en nanoplastics uit plastic agrarische films voor werkgelegenheid in fundamentele onderzoeksstudies

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

We tonen de vorming en dimensionale karakterisering van micro- en nanoplastics (respectievelijk parlementsleden en NP's) met behulp van een stapsgewijs proces van mechanisch frezen, slijpen en beeldvormingsanalyse.

Abstract

Microplastics (MPs) en nanoplastics (NP's) verspreid in agrarische ecosystemen kunnen een ernstige bedreiging vormen voor de biota in de bodem en nabijgelegen waterwegen. Bovendien kunnen chemicaliën zoals pesticiden die door NP's worden geadsorbeerd, bodemorganismen schaden en mogelijk in de voedselketen terechtkomen. In deze context dragen in de landbouw gebruikte kunststoffen zoals plastic mulchfolies aanzienlijk bij aan plasticvervuiling in agrarische ecosystemen. De meeste fundamentele studies van het lot en ecotoxiciteit maken echter gebruik van geïdealiseerde en slecht representatieve MP-materialen, zoals polystyreenmicrosferen.

Daarom hebben we, zoals hierin beschreven, een meerstappenprocedure op laboratoriumschaal ontwikkeld om mechanisch representatieve kamerleden en np's voor dergelijke studies te vormen. Het kunststofmateriaal werd bereid uit in de handel verkrijgbare plastic mulchfilms van polybutyraatadipaat-co-tereftalaat (PBAT) die werden verbroed door cryogene behandeling (CRYO) of omgevingsverwering (W), en uit onbehandelde PBAT-pellets. De plastic materialen werden vervolgens behandeld door mechanisch frezen om parlementsleden te vormen met een grootte van 46-840 μm, waarbij de slijtage van plastic fragmenten door wind en mechanische machines werd nagebootst. De Kamerleden werden vervolgens in verschillende groottefracties gezeefd om verdere analyse mogelijk te maken. Ten slotte werd de zeeffractie van 106 μm onderworpen aan nat malen om NP's van 20-900 nm te genereren, een proces dat het langzame verkleiningsproces voor terrestrische parlementsleden nabootst. De afmetingen en de vorm voor kamerleden werden bepaald door middel van beeldanalyse van stereomicrografen, en dynamische lichtverstrooiing (DLS) werd gebruikt om de deeltjesgrootte voor NP's te beoordelen. Parlementsleden en NP's die door dit proces werden gevormd, bezaten onregelmatige vormen, wat in overeenstemming is met de geometrische eigenschappen van parlementsleden die uit landbouwvelden zijn hersteld. Over het algemeen bleek deze methode voor verkleining efficiënt voor het vormen van parlementsleden en NP's die zijn samengesteld uit biologisch afbreekbare kunststoffen zoals polybutyleenadipaat-co-tereftalaat (PBAT), die mulchmaterialen vertegenwoordigen die worden gebruikt voor de productie van landbouwspeciale gewassen.

Introduction

In de afgelopen decennia heeft de snel toenemende wereldwijde productie van kunststoffen en onjuiste verwijdering en het gebrek aan recycling voor plastic afval geleid tot milieuvervuiling die van invloed is geweest op mariene en terrestrische ecosystemen 1,2,3. Plastic materialen zijn essentieel voor de hedendaagse landbouw, met name om groenten, klein fruit en andere speciale gewassen te verbouwen. Het gebruik ervan als mulchfolie, hoge en lage tunnelbekleding, druppeltape en andere toepassingen is gericht op het verbeteren van de gewasopbrengst en -kwaliteit, het verlagen van de productiekosten en het bevorderen van duurzame landbouwmethoden 4,5. De groeiende werkgelegenheid van "plasticulture" heeft echter bezorgdheid gewekt over de vorming, distributie en retentie van plastic stukken in agrarische omgevingen. Na een continu fragmentatieproces veroorzaakt door verbrossing door aantasting van het milieu tijdens de levensduur, vormen grotere plastic fragmenten micro- en nanoplastics (MNP's), die in de bodem blijven bestaan of migreren naar aangrenzende waterwegen via waterafvoer en wind 6,7,8. Omgevingsfactoren zoals ultraviolette (UV) straling door zonlicht, mechanische krachten van water en biologische factoren veroorzaken plastic verbrossing van milieuverdeelde kunststoffen, wat resulteert in de afbraak van grotere plastic fragmenten in macro- of meso-plastic deeltjes 9,10. Verdere defragmentatie vormt microplastics (MP's) en nanoplastics (NP's), die deeltjes van gemiddelde grootte (nominale diameter; dp) van 1-5000 μm en 1-1000 nm, respectievelijk11. De bovenste dp-grens voor NP's (d.w.z. een ondergrens voor Kamerleden) is echter niet universeel overeengekomen en in verschillende papers wordt dit vermeld als 100 nm12.

MNP's van plastic afval vormen een opkomende wereldwijde bedreiging voor de gezondheid van de bodem en ecosysteemdiensten. Adsorptie van zware metalen uit zoet water door Kamerleden leidde tot een 800-voudig hogere concentratie zware metalen in vergelijking met de omgeving13. Bovendien vormen parlementsleden in aquatische ecosystemen meerdere stressoren en verontreinigingen door de lichtpenetratie te veranderen, zuurstofuitputting te veroorzaken en hechting aan verschillende biota te veroorzaken, waaronder penetratie en accumulatie in waterorganismen14.

Recente studies suggereren dat MNPs de geochemie en biota van de bodem kunnen beïnvloeden, inclusief microbiële gemeenschappen en planten 15,16,17. Bovendien bedreigen NP's het voedselweb 17,18,19,20. Omdat MNP's gemakkelijk verticaal en horizontaal transport in de bodem ondergaan, kunnen ze geabsorbeerde verontreinigingen zoals pesticiden, weekmakers en micro-organismen door de bodem naar grondwater of aquatische ecosystemen zoals rivieren en bekenvervoeren 21,22,23,24. Conventionele landbouwplastics zoals mulchfilms zijn gemaakt van polyethyleen, dat na gebruik van het veld moet worden verwijderd en op stortplaatsen moet worden verwijderd. Onvolledige verwijdering leidt echter tot aanzienlijke ophoping van plastic afval in de bodem 9,25,26. Als alternatief zijn bodem-biologisch afbreekbare plastic mulches (BDM's) ontworpen om na gebruik in de grond te worden bewerkt, waar ze na verloop van tijd zullen afbreken. BDM's blijven echter tijdelijk in de bodem en degraderen en fragmenteren geleidelijk in Kamerleden en NP's 9,27.

Veel huidige milieu-ecotoxicologische en lotgevallenstudies maken gebruik van geïdealiseerde en niet-representatieve parlementsleden en NP's-modelmaterialen. De meest gebruikte surrogaat-MNPs zijn monodisperse polystyreen micro- of nanosferen, die niet de werkelijke MNP's weerspiegelen die in de omgeving wonen12,28. Bijgevolg kan de selectie van niet-representatieve parlementsleden en np's leiden tot onnauwkeurige metingen en resultaten. Op basis van het ontbreken van geschikte modelμnp's voor terrestrische milieustudies, waren de auteurs gemotiveerd om dergelijke modellen te bereiden op basis van landbouwplastics. We rapporteerden eerder over de vorming van MNP's uit BDM's en polyethyleenpellets door mechanisch frezen en malen van plastic pellets en filmmaterialen en de dimensionale en moleculaire kenmerken van MNP's29. Het huidige artikel biedt een meer gedetailleerd protocol voor het voorbereiden van MNP's dat breder kan worden toegepast op alle landbouwplastics, zoals mulchfolies of hun gepelletiseerde grondstoffen (figuur 1). Hier, om als voorbeeld te dienen, kozen we een mulchfilm en bolvormige pellets van het biologisch afbreekbare polymeer polybutyleenadipaattereftalaat (PBAT) om landbouwplastics te vertegenwoordigen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Verwerking van parlementsleden van plastic pellets via cryogene voorbehandeling en frezen

OPMERKING: Deze methodologie is gebaseerd op een elders beschreven procedure, waarbij gebruik wordt gemaakt van een PBAT-film die is samengesteld uit hetzelfde materiaal dat voor deze gepresenteerde studie is gebruikt29.

  1. Weeg polymeer pelletmonsters van ~ 1 g en breng over in een glazen pot van 50 ml.
  2. Plaats de "rechthoekige afleverbuis" met een zeef van 20 mazen (840 μm) in de sleuf voor de roterende snijmolen en til de toedieningsbuis op totdat deze de stoppen raakt.
  3. Plaats de glasplaat over het vlak van de freeskamer en bevestig deze met de verstelbare klem. Plaats vervolgens een glazen pot van 50 ml onder de molenuitlaat (figuur 2).
  4. Plaats de schuifarmsteun op de molen (rechtsboven) in het midden van het voorglas en draai deze vast met de gekartelde bout. Zorg ervoor dat het voorste glas van de molen stevig is geplaatst (figuur 2a).
  5. Steek de trechtertrechter bovenop de molen in de opening van de bovenste freeskamer.
  6. Sluit een lijnsnoer aan op een stopcontact en de perskabelschakelaar om de molen te laten draaien.
    OPMERKING: Om vastlopen te voorkomen, voer alleen materiaal nadat de molen is ingeschakeld en draait. Draag ook oog- en oorbescherming tijdens de hele freesprocedure.
  7. Voer het monster langzaam in de trechter (ongeveer 10 pellets/min) om vertraging of vastlopen te voorkomen. Nadat het hoorbare geluid is verminderd, voegt u de volgende batch pellets (~ 10 stuks) toe. Nadat u de pellets (1 g) hebt verwerkt, drukt u op de snoerschakelaar om de molen gedurende ~ 20 minuten te stoppen om af te koelen. Gebruik een houten plunjer om het monster te voeden en voorkom het uitwerpen en agglomereren van deeltjes in de voertrechter.
    LET OP: De optimale toevoersnelheid varieert afhankelijk van het type verwerkingsmateriaal. Schakel de molen onmiddellijk uit als de verwerkingssnelheid afneemt als gevolg van deeltjeswrijving in de snijkamer, of als vorming van gesmolten polymeer op de glasplaat wordt waargenomen, om oververhitting en verder smelten van de polymeerdeeltjes te voorkomen.
  8. Verwijder de 20 mesh (840 μm) toedieningsbuis en vervang deze door de 60 mesh (250 μm) toedieningsbuis na voltooiing van de eerste batch (figuur 2b).
  9. Breng het verzamelde materiaal opnieuw in de molentrechter. Volg stap 1.1 en 1.7 voor de maalfractie van 250 μm.
  10. Voer de verzamelde fracties van 250 μm tot drie keer opnieuw in.
  11. Herstel de resterende deeltjes in de kamer en voeg ze toe aan de verzamelde hoofdfractie.

2. Verwerking van kunststoffolies door cryogene voorbehandeling en frezen

  1. Haal een filmmonster uit de rol en snijd het monster in stroken van ~120 mm (kruisrichting) x 20 mm (machinerichting) met een papiersnijder.
  2. Presoak fragmenten (~1 g) in 800 ml gedeïoniseerd (DI) water gedurende 10 minuten in een glazen bekerglas van 1000 ml. Deze stap verbetert de verbrossing voor de daaropvolgende cryogene koelprocedure door het polymeer vooraf te laten sussen.
    LET OP: Behandel vloeibare stikstof met veiligheidsuitrusting door cryogene handschoenen en een veiligheidsbril te dragen.
  3. Voeg langzaam 200 ml vloeibare stikstof (N2) toe aan een cryogene container.
  4. Breng de voorgekookte filmdeeltjes voorzichtig over in de cryogene container met een stalen pincet. Presoak gedurende 3 min in vloeistof N2.
  5. Breng de bevroren filmfragmenten over in een 200 W, 14-speed blender.
  6. Verwerk het bevroren materiaal op snelheidsniveau 3 gedurende 10 s om de bevroren glasfilmstructuur te breken. Om verdere verkleining te bevorderen, voegt u 400 ml DI-water toe en mengt u de filmwaterbrij gedurende 5 minuten.
  7. Breng de drijfmest over in een Büchner-trechter met filter (1 μm gaas) en breng gedurende ten minste 1 uur vacuüm aan.
  8. Vacuümdroge vaste deeltjes bij 30 °C gedurende ten minste 48 uur in een aluminium schaal.
  9. Voer droge deeltjes in de molen met een pincet. Volg voor het frezen de stappen 1.1-1.11.

3. Verwerking van kunststoffolies die zijn voorbehandeld door milieuverwering en frezen

  1. Leg plastic filmfragmenten die uit het veld zijn teruggevonden op een glad oppervlak (laboratoriumbank). Verwijder zorgvuldig geabsorbeerde bodemdeeltjes en plantenresten met de borstel met zachte haren.
  2. Knip de film met een schaar in ~4 cm2 monsters van ~1,0 g.
  3. Voeg filmfragmenten toe aan een bekerglas van 1000 ml gevuld met 500 ml DI-water. Roer met een snelheid van 300 min-1 met 20 mm roerstaaf gedurende 1 uur.
  4. Verwijder opgeloste bodemdeeltjes door DI-water onder lichte roering van het bekerglas in een gootsteen of plastic emmer te decanteren en opnieuw in te brengen. Herhaal deze stap drie keer. Continue agitatie houdt bodemdeeltjes verspreid in water en kan gemakkelijker worden gedecanteerd.
  5. Breng monsters van het bekerglas over in een aluminium schaal. Droog de kunststofmonsters gedurende 12 uur aan de lucht en breng ze vervolgens over en droog ze in een vacuümoven gedurende 24 uur bij 30 °C. Volg voor het frezen de stappen 1.1-1.11.

4. Zevenprocedure door cascadezeven

  1. Stapel de zeven (3 inch in diameter) te beginnen met de pan aan de onderkant, gevolgd door de fijnste zeef (# 325; 45 μm), en vervolgens door steeds grovere zeven (zoals # 140; 106 μm en # 60; 250 μm, waar de # 20; 840 μm zeef de grofste is), en plaats het deksel erop.
  2. Monteer alle vier de zeven op de shaker door vier pinnen in de openingen van de zeefschudder te steken.
  3. Breng individuele fracties die in stap 1, 2 of 3 zijn verzameld over op de vier cascadezeven. Schud gedurende 10 min op 300 min-1.
  4. Herstel de grotere (bovenste) fractie afzonderlijk, die verder zal worden gefreesd.
    OPMERKING: Pas de schudsnelheid op de shaker indien nodig aan. Als alternatief is het schudden van zeven met de hand mogelijk. Gebruik slechts één zeef tegelijk, te beginnen met de zeef van gaas #20: houd de bodem en het deksel stevig met de hand tegen de zeef en schud axiaal en horizontaal gedurende 5 minuten.
  5. Gezeefde deeltjes van dp > 106 μm opnieuw inbrengen in de roterende snijwalserij zoals beschreven in stap 1.6-1.10.
  6. Herstel de onderste fracties uit de pan en breng de deeltjes opnieuw in de volgende kleinere zeefgrootte. Herhaal de procedure totdat 106 μm deeltjes de hoofdfractie vertegenwoordigen.
  7. Voeg de verzamelde fracties van 106 μm samen en bewaar de deeltjes in een droge ruimte (exsiccator of luchtdichte plastic zak).
    OPMERKING: De 45 μm fractie maakt deel uit van de 106 μm fractie; de eerste fractie werd echter niet geïsoleerd en afzonderlijk geanalyseerd, omdat de opbrengst over het algemeen erg laag is. Opbrengstterugwinningen en deeltjesgroottefracties van individuele fracties kunnen worden bepaald door gravimetrische metingen in wt% voor elke zeefractie (maas #20 - maas #325) in relatie tot de initiële voedingsfractie met behulp van een uiterst nauwkeurige microbalans.

5. Bereiding van een waterige NP-drijfmest voor nat malen

  1. Bereid een slurry van parlementsleden gedispergeerd in DI-water door 800 ml gedestilleerd water toe te voegen aan het glazen bekerglas van 1000 ml en een roerstaaf in te brengen (diameter = 8 mm, lengte = 50,8 mm).
  2. Breng 8 g van de 106 μm plastic fractie uit stap 1, 2, 3 of 4 in DI-water, waardoor een 1 wt% slurry ontstaat.
  3. Plaats het glazen bekerglas op een roerplaat en roer magnetisch gedurende 24 uur op 400 min-1 om de deeltjes in water te weken om deeltjesontharding te bevorderen.
  4. Breng de deeltjes over in een plastic container van 1000 ml.
  5. Vul nog eens twee plastic containers van 1000 ml met DI-water, dat wordt gebruikt om klevende deeltjes op de trechter van de molen af te spoelen tijdens het maalproces.

6. Voorbereiding van de natte slijpmachine voor NP-productie

  1. Plaats stenen met een 46-korrelgrootte (korrel van een slijpsteen = 297-420 μm) in de natte wrijvingsmolen en bevestig de middelste moeren handvast met een moersleutel van 17 mm.
  2. Voeg de trechter bovenop toe en bevestig de drie moeren en bouten met de 17 mm moersleutel.
  3. Plaats een plastic opvangpot van 1 L onder de uitlaat van de collider. Plaats een tweede lege emmer van 1 L naast de uitlaat, die zal worden gebruikt voor het uitwisselen tijdens de verwerking.
  4. Stel de vrije ruimte van de meter in op + 1,0, wat overeenkomt met een positieve verschuiving van 0,10 μm vanaf de nulpositie.
  5. Schakel de stroom in en draai voorzichtig aan het instelwiel met de klok mee totdat u de slijpstenen hoort aanraken. Stel vervolgens de flexibele meetring in op nul en draai het wiel onmiddellijk tegen de klok in. Standaard wordt de snelheid aangepast naar 1500 min-1.
    OPMERKING: Vermijd "droogslijpen" van de stenen, omdat dit overmatige hitte op de maalstenen creëert.
  6. Draai het instelwiel met de klok mee totdat de stenen elkaar raken en vul de water-NP-slurry voorzichtig in de trechter. Verklein de opening voortdurend tot een spelingsmeter van -2,0, wat overeenkomt met een negatieve verschuiving van 0,20 μm vanaf de nulpositie nadat de slurry is geïntroduceerd. Plastic deeltjes-water slurries tussen de twee stenen schijven bevorderen de transformatie van parlementsleden in NP's en voorkomen directe wrijving tussen de slijpstenen.
  7. Verzamel de drijfmest door de verzamelemmers te verwisselen zodra het vulniveau in de emmer hoger is dan 0,5 L.
  8. Verzamel en herintroduceer de deeltjes in de molen tussen 30-60 keer; hogere passages (aantal herintroducties) resulteren in kleinere deeltjesgroottes.
  9. Was hechtende deeltjes die aan de trechter zijn geadsorbeerd met de bereide DI-waterfles om geschikte mengmest tijdens de verwerking mogelijk te maken.
    OPMERKING: Het verzamelen van tussenmonsters tijdens het proces is mogelijk door glazen injectieflacons van 20 ml in de uitlaatstroom te houden. De afzonderlijke stappen zullen de deeltjesfragmentatiemechanismen beoordelen terwijl de ernst van het proces (aantal passages) toeneemt. Herstel de drijfmest en roer gedurende 4 uur bij 400 min-1 bij 25 °C voor een goede menging; laat de drijfmest 48 uur staan om te stabiliseren.

7. Terugwinning en droging van NP's uit de drijfmest

  1. Isoleer de onderste fractie (of fase met de hoogste NP-concentratie) als meerdere lagen in de drijfmest worden waargenomen door de slurry langzaam in een extra glazen bekerglas van 1000 ml te gieten.
  2. Breng de fracties over in centrifugatieflacons (50 ml) en centrifugeer gedurende 10 minuten (relatieve centrifugale kracht [RCF] = 20 x 102 g). De RCF (ook wel g-kracht genoemd) is de gegenereerde radiale kracht als functie van de rotorradius en rotorsnelheid, die scheiding van de zwaardere deeltjes en het water van de slurry veroorzaakt.
  3. Verwijder de transparante toplaag door deze in een aparte aluminium pan te decanteren.
  4. Breng de resterende onderste laag (met een NP-slurry) over in een extra aluminium schaal en plaats deze gedurende 48 uur in een vacuümoven bij 30 °C.
  5. Herstel gedroogd materiaal met een spatel onder een zuurkastje of handschoenenkastje terwijl u een ademhalingsmasker draagt. Breng de gedroogde inhoud over in een glazen container van 100 ml en sluit af met een deksel.
  6. Bewaar NP's in een injectieflacon en bewaar ze op een luchtdichte, droge en koele plaats (bijvoorbeeld een exsiccator).
    OPMERKING: MNP's die tijdens het productieproces in het milieu vrijkomen (hier, hetzij tijdens het natte maalproces of als gedroogde deeltjes) kunnen een ernstige bedreiging vormen voor aquatische en terrestrische ecosystemen. In het bijzonder zijn regelgevende maatregelen ontworpen om het risico voor de productie en het gebruik ervan voor technisch vervaardigde nanomaterialen tot een minimum tebeperken 30. Daarom vereist de vorming van MNPs specifieke voorzorgsmaatregelen zoals material handling in een zuurkastje of handschoenenkastje. Bovendien zullen waterige afvaloplossingen die worden gevormd tijdens de isolatie van NP's (stappen 6.7-6.9) worden onderworpen aan een verwijderingsprocedure aan het einde van de levensduur die wordt uitgevoerd door de afdeling Milieugezondheid en -veiligheid.

8. MP-beeldvorming via stereomicroscopie

  1. Dispergeer ~ 20 mg deeltjes (verzameld in stap 4) op een oppervlak van ~ 4 cm2. Verspreid witte of doorschijnende parlementsleden op een donker oppervlak en verspreid zwarte of donkergekleurde parlementsleden op een witte achtergrond (papieren vel) om het achtergrondcontrast te maximaliseren.
  2. Stel de microscoop in op de laagste vergroting om het grootst mogelijke gebied (midden van het deeltjesgebied) vast te leggen. Richt vervolgens de externe lamp op het scherpstelcentrum om verlichting te bereiken op de interessante regio's.
  3. Pas een vergroting toe waarmee > 50 deeltjes in het midden van het gezichtsveld kunnen worden gedetecteerd. Deze hoeveelheid wordt aanbevolen om robuuste statistische evaluatieresultaten te verkrijgen.
  4. Focus op gebieden met geen of kleine deeltjesoverlapping en een goed kleurcontrast.
  5. Leg ten minste vijf representatieve beelden vast door scherp te stellen op de buitenste deeltjesvormen. De lokale computer die wordt gebruikt voor beeldvorming slaat afbeeldingen met een hoge resolutie op als een bitmap in de software.
  6. Sla de stereomicroscoop opgenomen afbeeldingen op in een bestandsindeling die wordt herkend door ImageJ (bitmap, tiff of jpeg) voor de volgende kwantitatieve gegevensanalyse.
    OPMERKING: Neem één referentieafbeelding met de exacte vergrotingsinstellingen waarvoor de hoofdafbeelding is gemaakt met een liniaal of een ander referentieobject dat in de afbeelding is opgenomen. Deze procedure maakt eenvoudige kalibratie van de beelden mogelijk bij het voorbereiden en analyseren via ImageJ-software.

9. Beeldanalyse via ImageJ

  1. Open ImageJ-software31 en bereid het importeren van bestanden voor door (CTRL + L) in te voeren om Command finder te openen. Voer vervolgens Bio-Formats in de rechterbenedenhoek in. Deze functie activeert het menupad Bestand > Importeer > Bio-indelingen (> verwijst naar navigatiestappen binnen de software). Zoek naar de map met opgeslagen afbeeldingsbestanden.
    OPMERKING: Als het pakket Bio-indelingen niet wordt weergegeven in de opdrachtzoeker, zoekt u online onder Bio-indelingen ImageJ. Volg de instructies voor het downloaden en installeren van ImageJ. De Bio-Formats-importeur maakt het eenvoudig om afbeeldingen binnen ImageJ te importeren/exporteren en opdrachten te zoeken.
  2. Open de afbeelding (als alternatief bio-indelingen importeren zoals beschreven in stap 9.1) door te klikken op Bestand > open > selecteer deeltjesafbeelding op de bestandslocatie die is verzameld in stap 4.7 en de liniaalverwijzingsafbeelding die wordt beschreven in stap 1.6. Het wordt aanbevolen om een dubbele afbeelding te maken door op Shift + Command + D te klikken om te vergelijken met de oorspronkelijke afbeelding terwijl u de drempelinstellingen van de kopieafbeelding aanpast.
    OPMERKING: File > opdracht Open opent verschillende indelingen die native worden ondersteund door ImageJ, zoals beschreven in stap 8.7. U kunt ook de afbeeldingslocatie op de computer selecteren en het bestand slepen en neerzetten op de statusbalk van het hoofdvenster imageJ. Het afbeeldingsbestand wordt automatisch geopend in een apart venster.
  3. Zoom in en uit op de afbeelding met respectievelijk CTRL + en CTRL -.
  4. Stel de metingen in door te klikken op Analyseren > Metingen instellen en selecteer vervolgens Gebieds- en vormdescriptoren als standaardwaarden.
  5. Definieer de schaalbalk door een lijn recht over de lengte van de schaalbalk te tekenen met behulp van de liniaalverwijzingsafbeelding zoals beschreven in stap 8. Druk op Analyseren > Schaal instellen en voer de numerieke waarde van de staaflengte in onder Bekende afstand en de eenheid van de overeenkomstige lengte.
  6. Visualiseer de schaalbalk op de afbeelding door te klikken op > hulpmiddelen analyseren > schaalbalk en pas instellingen aan zoals het weergeven van scherp contrast op de afbeelding. Selecteer een positie op de afbeelding waar de schaalbalk moet worden geplaatst voor de instellingen van de schaalbalk. Selecteer Breedte om de balk in gekalibreerde eenheden, Hoogte van de balk in pixels en Tekengrootte van het schaalbalklabel aan te passen. Selecteer achtergrond om de vulkleur van het labeltekstvak aan te passen.
    OPMERKING: Voor micrometers is de invoer van μm voldoende; het programma past μm automatisch aan in de gegevensuitvoer.
  7. Transformeer de afbeelding in een 8-bits afbeelding door Afbeelding > Type > 8-bits te selecteren.
  8. Converteer de gekopieerde afbeelding naar 8-bits door Afbeelding > Type > 8-bits te selecteren.
  9. Aanpassen door Afbeelding > > drempel aanpassen > Set (grootte vergelijken met de oorspronkelijke afbeelding) te selecteren.
  10. Bepaal welke metingen u wilt uitvoeren door Metingen analyseren > instellen te selecteren.
  11. Selecteer Deeltjes analyseren > 0-oneindig, klik op Resultaten weergeven en in situ weergeven.
  12. Sla de ROI-resultaten (.zip) op onder Metingen opslaan en Map selecteren.
  13. Resultaten (*.csv) opslaan onder Bestand > Opslaan als > Map selecteren.

10. Deeltjesdiameter (dp) en vormfactorberekening in spreadsheetsoftware

OPMERKING: Kennis van deeltjesdiameter en vormfactoren zijn essentieel voor deeltjesgedrag (lot, transport) in de omgeving en de bepaling van het oppervlak. Daarom is geometrie essentieel wanneer Kamerleden worden gebruikt voor milieustudies. Er werden bijvoorbeeld verschillende interactiemechanismen met de bodem waargenomen, afhankelijk van de maten en vormen van parlementsleden, zoals MP-MP en MP-bodem agglomeraties, die de deeltjesbeweging in de bodem beïnvloeden15,32. Daarom worden de volgende stappen voorgesteld om de d p-deeltjesgrootteverdeling en geometrische parameter te bepalen.

  1. Importeer het bijbehorende *.csv bestand dat is verkregen en opgeslagen uit imagej-analyse (stap 9.13) in de spreadsheetsoftware.
    OPMERKING: De numerieke waarden in elke kolomregel weerspiegelen individuele berekeningen voor elk deeltje volgens vergelijking 1 en vergelijking 2.
  2. Evalueer de gemiddelde vormparameterwaarden zoals circulariteit (CIR) en beeldverhouding (AR) door onder aan elke kolom = gemiddelde (x,y) in te voeren, waarbij x de eerste regel en y laatste regel van de kolom vertegenwoordigt en druk vervolgens op Enter. De CIR-waarden beschrijven de relatie tussen het geprojecteerde gebied en de perfecte cirkel met het CIR = 1 van een individueel deeltje (vergelijking 1). De AR vertegenwoordigt de verhouding tussen deeltjeslengte en -breedte zoals beschreven in vergelijking 2.
  3. Bepaal of de gemiddelde AR-< 2,5 en bereken vervolgens dp-waarden in een nieuwe kolom met behulp van vergelijking 3. Als AR ≥ 2,5, bereken dan dp-waarden die vergelijking 4 weerspiegelen. Voeg een nieuwe kolom toe om dp te berekenen op basis van de gebiedskolom die is ontvangen van de ImageJ-uitvoer.
    OPMERKING: Selectie van de AR-drempelwaarden ≥ 2,5 meer rechthoekige deeltjes vertegenwoordigt, terwijl AR < 2,5 meer ronde deeltjes weerspiegelt. Deze selectie maakt het mogelijk om de d p-berekeningsfout te minimaliseren die is afgeleid van het gebied dat is gemeten met microscopie en is bepaald via ImageJ.
    (1) Equation 1
    (2) Equation 2
    (3) Equation 3
    (4) Equation 4

11. Statistische analyse voor kamerleden en parlementsleden

  1. Open het *.csv gegevensbestand met de statistische software van Bestand > Open > Selecteer de bestandslocatie van het overeenkomstige bestand zoals gemaakt in stap 9.13.
    OPMERKING: Als alternatief kan de tabel rechtstreeks via de kopieer- en plakfunctie worden overgebracht naar de statistische software. Raadpleeg de tabel met materialen voor het merk en de versie van de statistische software Bewerken > plakken met kolomnamen.
  2. Evalueer de dp-gegevens door Analyseren > distributie te selecteren.
  3. Selecteer dp, dat de gegevens van de kolom weergeeft, sleep en zet neer in Y-kolommen en druk op de knop OK . Met deze functie maakt u een histogram met een statistische uitvoer, inclusief samenvattingsstatistieken, gemiddelde en Std Dev-waarden in een afzonderlijk venster.
  4. Evalueer of het histogram een normale verdeling volgt (of de beste pasvorm voor dp) met de best fit curve door de driehoek naast dp te selecteren > Continuous Fit, en selecteer vervolgens de curve die als de beste pasvorm is ontvangen (bijvoorbeeld Fit Normal). Deze stap plaatst het histogram over elkaar heen met een normaal verdeelde pasvorm.
  5. Bepaal en rapporteer de gemiddelde en standaarddeviatiewaarden van de samenvattende statistische output van de gemiddelde vormparameterwaarden van circulariteit (Cir), beeldverhouding (AR), rondheid (Rond) en soliditeit (Sol).
    OPMERKING: Een statistisch significantieniveau van α = 0,05 wordt aanbevolen en werd gebruikt voor alle evaluaties. Het significantieniveau is de waarschijnlijkheid van het verwerpen van de nulhypothese wanneer deze waar is bij het vergelijken van numerieke resultaten.

12. Beste pasvorm van dp grootteverdeling en deeltjesvormfactoren

  1. Laad de dataset in statistische software en gebruik dezelfde *.csv dataset voor de verdeling van dp zoals berekend in stap 10.
  2. Selecteer > betrouwbaarheid en overleving analyseren > levensverdeling.
  3. Sleep de kolom dp naar het veld Y, Tijd tot gebeurtenis en selecteer OK. Deze functie creëert een uitvoer met een waarschijnlijkheidsplot als functie van dp.
  4. Bepaal de optimale verdeling onder Distributies vergelijken door Niet-parametrisch, Lognormaal, Weibull, Loglogistiek en Normaal te controleren.
  5. Evalueer de kwaliteit van het model past aan de hand van de laagste numerieke waarden voor de Akaike's en Bayesiaanse informatiecriteria (respectievelijk AIC en BIC) in de statistische modelvergelijkingstabel onder de grafiek met de laagste BIC-cijfers . Het best passende model wordt standaard op de eerste rij gepresenteerd. Parametrische of niet-parametrische schattingsoutputvelden voor elke distributie-evaluatie bevinden zich onder de grafiek Distributies vergelijken.
  6. Sla het uitvoerscript op in de gegevenstabel door het rode vervolgkeuzedriehoekje in de linkerbovenhoek te selecteren bij Script opslaan > tabel Met gegevens. Sla vervolgens de oorspronkelijke gegevenstabel op de gewenste bestandslocatie op door Bestand > Opslaan als > *.jmp te selecteren.

13. Dimensionale karakterisering van NP's door dynamische lichtverstrooiing

  1. Start de DLS-software (Dynamic Light Scattering) door te dubbelklikken op het bureaubladpictogram. Selecteer Bestand > Nieuwe > SOP. Voeg de monsternaam toe en selecteer de brekingsindex van het materiaal op 1,33 voor gedestilleerd water en 1,59 voor polymeren33 in de DLS-software onder Sample Setup. Selecteer Materiaal in het vervolgkeuzemenu en klik op OK.
    OPMERKING: Als u op het vervolgkeuzemenu klikt, wordt Materiaalbeheer geopend, waarin wordt aangeboden nieuwe monsters toe te voegen of bestaande monsters te wijzigen door de brekingsindex en absorptie te wijzigen. Selecteer als dispergeermiddel Water.
  2. Selecteer de juiste cel onder Cel > celtype en selecteer Rapporten om te bepalen welke uitvoer na elke meting wordt weergegeven.
  3. Start het instrument door het instrumentdeksel te sluiten en het systeem in te schakelen door het deksel te sluiten (indien geopend) en op de AAN-knop te drukken. Wacht na de eerste pieptoon en wacht ongeveer 30 minuten om stabilisatie van de bundel mogelijk te maken.
  4. Wacht tot de initialisatieroutine is voltooid en wacht op een tweede pieptoon, die aangeeft dat de vooraf ingestelde temperatuur (meestal 25 °C) is bereikt.
  5. Bereid een monsterbrij van NP's (zoals ontvangen in stap 7) en DI-water in een injectieflacon van 15 ml met een concentratie van ~ 0,1 wt% door magnetisch gedurende ~ 1 uur te roeren om goed te kunnen mengen.
  6. Schud de slurry voordat u ~ 1,0 ml in de kwartscuvette van 4,5 ml overbrengt en open het deksel. Plaats vervolgens voorzichtig de monstercel in de monsterhouder van het DLS-instrument.
    OPMERKING: Bereid drie monsters van dezelfde slurrypartij in dezelfde concentratie als beschreven in stap 13.5.
  7. Voer drie metingen uit (selectie in de DLS-software) voor elk monster. Verwijder tussen de metingen de monstercel en schud de monsters voorzichtig gedurende 5 s om het mengen van het monster mogelijk te maken.
  8. Extraheer en exporteer gegevens via de DLS-software, breng de dataset over naar de spreadsheetsoftware en maak histogrammen voor parlementsleden en NP's zoals beschreven in stap 11.1-11.5 (figuur 1). Kopieer vanaf het tabblad Recordweergave een tabel of grafiek door Bewerken en kopiëren te selecteren, dat in een andere toepassing, zoals de spreadsheetsoftware, kan worden geplakt.

14. Chemische analyse van MNP's met behulp van Fouriertransformatie infrarood (FTIR) spectrometrie-verzwakte totale reflectie (ATR)

OPMERKING: Chemische analyses van MNP's door Fouriertransformatie-infrarood (FTIR) en kernspinresonantie (NMR) spectroscopieën zijn zeer geschikte hulpmiddelen om de impact van nat malen op chemische bindingseigenschappen te beoordelen, evenals de relatieve hoeveelheden belangrijke componenten en de monomere bestanddelen van de polymeren, respectievelijk10. Bovendien kunnen de thermische eigenschappen en de stabiliteit van de polymere bestanddelen van MNPs worden beoordeeld door middel van differentiële scanningcalorimetrie (DSC) en thermogravimetrische analyse (TGA), respectievelijk29.

  1. Reinig het detectiesysteem (ATR-kristaloppervlak) met ethanol en een pluisvrije doek.
  2. Start de software en druk op de achtergrondknop in de opdrachtbalk om een achtergrondscan in de lucht uit te voeren door het pad van de instrumentbundel vrij te maken. Het achtergrondspectrum wordt kort na het verzamelen weergegeven.
  3. Voer Voorbeeld-ID en Voorbeeldbeschrijving in op de werkbalk instrumentinstellingen.
  4. Stel het spectrale golfnummer in tussen 4000 cm-1 en 600 cm-1 en selecteer een resolutie van 2,0 cm-1 in absorptiemodus. Selecteer 32 scans per spectrum en start.
  5. Plaats een plastic monster (~ 20 mg of ~ 1-3 mm3) van parlementsleden (106 μm) en NP's (~ 300 nm) in een stalen wasmachine met een binnendiameter van ~ 10 mm, of gelijkwaardig, op het kristaloppervlak.
    OPMERKING: De wasmachine voorkomt dispersie op kristal wanneer de monsterhouder het monster samendrukt, wat resulteert in materiaalinhomogeniteiten en gegevensbias als gevolg van inconsistente metingen.
  6. Plaats de wasmachine in het midden van het ATR-kristal en voeg het polymeermonster met een spatel toe aan het midden van de ringopening.
  7. Draai de monsterhendel hierboven in het midden van het monster en draai de knop met de klok mee door de krachtmeterkracht tussen 50-90 te bewaken. Het monster toont de voorlopige spectra. Druk een tweede keer op de knop Scannen om het spectrum te verzamelen.
  8. Verzamel tussen de 8-10 spectra door op de knop Scannen te klikken en meng de monsters zorgvuldig na elke meting met een spatel om representatieve resultaten te kunnen verzamelen.
  9. Klik op de map Voorbeeldweergave in de Gegevensverkenner om alle verzamelde voorbeelden weer te geven die in het weergavegebied zijn geplaatst. Verwijder eerst aanzienlijk afwijkende spectra die uitschieters vertegenwoordigen. Selecteer vervolgens absorptie- of transmissiemodus in de werkbalk.
  10. Sla spectra op door de map Sample View met de spectra te selecteren en Opslaan als te selecteren in het bestandsmenu. Het dialoogvenster schakelt de bestandsnaam, de doelmap en de standaardlocatiewijziging voor alle spectra in.
    OPMERKING: Als alternatief kunnen de spectra worden opgeslagen als een *.sp-bestand door een spectrum te selecteren en met de rechtermuisknop te klikken om de binaire optie weer te geven. Selecteer Binair opslaan en blader door de uiteindelijke opslaglocatie.
  11. Voer basislijncorrectie en gemiddelde normalisatie uit door één spectrum in de Data Explorer te selecteren door Proces > normalisatie in het menu te selecteren via de software of in de volgende stap.
    OPMERKING: Gemiddelde normalisatie compenseert spectrale fouten als gevolg van de dikte of materiaalvariatie in het monster.
  12. Reinig het kristalgebied met ethanol en pluisvrije doek na voltooiing van de gegevensverzameling.
  13. Interpreteer verschillen tussen parlementsleden en NP's volgens toegewezen FTIR-trillingsbanden, toegewezen en geëvalueerd in een eerdere publicatie10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Om de experimentele proceduremethode en -analyse te valideren, werden kamerleden en NP's gevormd uit pellets en filmmaterialen en vergeleken op grootte en vorm met behulp van microscopische beelden. De in figuur 1 beschreven methode vormde efficiënt parlementsleden en np's uit biologisch afbreekbare plastic pellets en folies; dit werd bereikt door cryogene koeling, frezen en natslijpen en karakteriseren. De eerste stap was niet nodig voor milieuvriendelijke films omdat verwering verbrossing veroorzaakte (Astner et al., ongepubliceerd). Pellets werden ook direct onderworpen aan frezen zonder cryogene voorbehandeling. Na het frezen werden deeltjes gefractioneerd door zeven in vier groottefracties: 840 μm, 250 μm, 106 μm en 45 μm, zoals beschreven in protocolstap 4. De laatste drie fracties bestonden uitsluitend uit Kamerleden. Vervolgens werd de deeltjeskarakterisering voor elke fractie beoordeeld door de verdeling van grootte (dp) en vormfactoren (d.w.z. circulariteit en beeldverhouding) van verzamelde stereomicroscopische beelden te bepalen met behulp van ImageJ-software zoals gegeven in stappen 8.1-8.6. Voorbeelden van beelden verkregen door een stereomicroscoop worden getoond voor de zeeffractie van 106 μm voor PBAT-pellets (figuur 3a,c) en de zeefractie van 250 μm, en voor niet-verweerde PBAT-film behandeld met cryogene blootstelling (figuur 3b,d).

Statistische analyse van deeltjesafmetingen gaf een gemiddelde dp aan dat 41 μm kleiner was dan de nominale zeefgrootte (106 μm) voor de PBAT-pellet en 137 μm kleiner voor de PBAT-film (250 μm nominale grootte), wat suggereert dat de kleinere zeeffractie een homogenere deeltjesgrootteverdeling vertegenwoordigt (tabel 1). Deze waarneming werd ook bevestigd door een grotere waarde in circulariteit en lagere beeldverhoudingen (wat meer ronde deeltjes suggereert) voor de verwerkte pellets in vergelijking met het filmmateriaal, wat kan worden toegeschreven aan de verschillende eigenschappen (dichtheid) van de uitgangsmaterialen. Een normale verdeling was het beste model voor het beschrijven van de deeltjesgrootteverdeling voor beide fracties. Voor het bepalen van circulariteit en beeldverhouding waren de Weibull- en Lognormal-modellen echter optimaal (figuur 4a-d; Tabel 1). Voor beide grondstoffen vormde een nat maalproces toegepast op de 106 μm MP zeeffracties NP's en hun deeltjesgrootteverdeling werd gemeten via DLS. Numerieke analyse onthulde een bimodale deeltjesgrootteverdeling voor NP's geproduceerd uit beide grondstoffen (figuur 5). De belangrijkste deeltjespopulaties voor NP's van PBAT-pellets waren op ~ 80 nm en 531 nm, en overeenkomstige getaldichtheidsfrequentie (NDF) waarden waren respectievelijk 25% en 5%. Aan de andere kant bezaten NP's afgeleid van PBAT-films groottemaxima bij ~ 50 nm en 106 nm, met overeenkomstige NDF-waarden van respectievelijk 11% en 10%. De waarnemingen suggereren dat NP's van PBAT-pellets meer uniforme dp-waarden (~ 50-110 nm) opleverden dan PBAT-films; een deeltjessubpopulatie tussen 300 nm en 700 nm, met een maximum bij 531 nm, bestond echter ook naast elkaar (figuur 5).

De chemische bindingseigenschappen van de PBAT-film werden geëvalueerd door FITR-spectroscopie. Spectra vertoonde slechts kleine veranderingen als gevolg van frezen voor kamerleden en natslijpen voor np's in de regio's tussen 1300 en 700 cm-1. Er werd echter een significante afname van de C-O-rek van zetmeel waargenomen, die de absorptie van het zetmeelbestanddeel10 weerspiegelt, voor de mulchfilm. Er werden echter kleine veranderingen waargenomen voor de banden die PBAT vertegenwoordigen, zoals C-H en C-O stretching, tussen 1800 cm-1 en 1230 cm-1, wat wijst op onbeduidende veranderingen in structuur voor het polyester toegeschreven aan het natte slijpproces (figuur 6).

Figure 1
Figuur 1: Stroomdiagram om micro- en nanoplastics te vormen en te karakteriseren. De voorstelling toont het vormingsproces en de daaropvolgende geometrische en chemische deeltjesevaluatie. Geometrische eigenschappen werden bepaald door stereomicroscopie en beeldanalyse (ImageJ) te combineren, gevolgd door een numerieke statistische analyse. Chemische karakterisering zoals moleculaire binding werd uitgevoerd door middel van Fouriertransformatie infrarood spectrometrie met behulp van verzwakte totale reflectie (FTIR-ATR). De moleculaire structuur van polymeren kan worden beoordeeld door middel van kernspinresonantie (NMR) spectroscopie als een complementaire methode (niet beschreven in deze studie). Voor elke stap worden de belangrijkste punten gemarkeerd in de volgende procedure. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Roterende snijmachine. Afbeeldingen van a) de roterende molen, met inbegrip van de invoertrechter, de glasplaat aan de voorzijde en de zeefsleuf; b) individuele afleverbuizen met zeefgrootten #20 (840 μm) en #60 (250 μm) worden in de zeefsleuf van de molen aangebracht, te beginnen met de grovere; en (c) dubbellaagse glazen frontplaat is bevestigd aan de voorkant van de slijpkamer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Stereomicrografen van microplastics (MPs), inclusief softwarematig verwerkte beelden. De beelden waren van parlementsleden afgeleid van (a) PBAT-pellets (106 μm zeeffractie) en (b) PBAT-film (250 μm zeeffractie) bereid door cryogene blootstelling gevolgd door mechanisch malen. Een zwarte achtergrond werd geselecteerd voor het afbeelden van witte PBAT-deeltjes (a) en een witte achtergrond werd geselecteerd voor een zwarte PBAT-film (b). Overeenkomstige beelden werden verwerkt door ImageJ-software31 (c) en (d), respectievelijk. Een best passend model van de verdeling van dp, weergegeven in histogrammen van deeltjes afgeleid van stereografieën van (e) PBAT-pellets en (f) PBAT-film, wordt weergegeven door een normale verdeling. Foutbalken geven één standaarddeviatie weer. Een stereomicroscoop verzamelde stereomicrografen met een geïntegreerde camerakop. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Histogrammen met de deeltjesvormfactorverdeling met de beste curve-aanpassing over elkaar heen. De afbeelding vertegenwoordigt parlementsleden: (a) circulariteit en (c) beeldverhouding voor PBAT-pellets en (b) circulariteit en (d) beeldverhouding voor PBAT-film, gebaseerd op ImageJ-analyse31. Stereomicrografen zijn gebaseerd op twee zeeffracties deeltjes pbat pellets (106 μm) en PBAT BDM MPs (250 μm). Numerieke analyse werd uitgevoerd in de statistische software, V 15. Stereografieën en histogrammen vertegenwoordigen de overeenkomstige beelden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Histogrammen van deeltjesgrootte (dp) voor NP's. De figuur geeft deeltjesverdelingen weer die zijn afgeleid van PBAT-film en PBAT-pellets die zijn gevormd door de natte maalbehandeling van de 106 μm MP zeeffractie. Curven vertegenwoordigen twee-parameter Weibull model past bij grootteverdeling, uitgevoerd met behulp van de statistische software. Gegevensmetingen werden uitgevoerd met behulp van dynamische lichtverstrooiing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6. Representatieve FTIR-spectra van MNP-vergelijking tussen verschillende verwerkingsstappen. De figuur toont de vergelijking tussen de beginvoorwaarden van de PBAT-film, PBAT-MPs en PBAT-NP's. De PBAT-folie werd cryogenisch behandeld voorafgaand aan het mechanisch frezen van parlementsleden, bestaande uit de 106 μm zeeffractie van droog gemalen kunststoffen; NP's werden geproduceerd via nat malen van de 106 μm zeefractie-parlementsleden na droog frezen en zeven. Spectrale gegevens werden verzameld met behulp van een spectrometer uitgerust met een diamant verzwakte totale reflectie (ATR) bijlage. Spectrale data-analyse werd uitgevoerd met behulp van FTIR-spectrumanalysesoftware. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

PBAT pellets PBAT-folie
Zeeffractie, μm 106 250
Normaal dp, μm 65 113
Std Dev, μm 24 58
Circulariteit 0.68 0.47
Aspectverhouding 1.73 2.33
Beste pasvorm, dp Normaal Normaal
Beste pasvorm, Circulariteit Weibull Weibull
Beste pasvorm, beeldverhouding Lognormaal Lognormaal
N 83 125

Tabel 1: Representatieve deeltjesgrootte en vormparameters. De resultaten werden afgeleid van statistische analyse voor parlementsleden verwerkt uit PBAT-pellets en PBAT-film afgebeeld in figuur 3 en figuur 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Deze methode beschrijft een effectief proces dat oorspronkelijk werd beschreven in een eerdere publicatie29, om MNPs afkomstig van pellets en mulchfilms voor te bereiden op milieustudies. Het verkleiningsproces omvatte cryogene koeling (alleen voor film), droog frezen en natte slijpfasen om model-MNPs te produceren. We hebben deze methode toegepast om MNP's te bereiden uit een breed scala aan polymere grondstoffen, waaronder polyethyleen met lage dichtheid (LDPE), polybutyraatadipaat-co-tereftalaat (PBAT) en polymelkzuur (PLA)29 (Astner et al., manuscript in voorbereiding). Voor LDPE kunnen echter alleen pellets als grondstof dienen; mulchfilms konden niet worden verwerkt vanwege een versterkingsraster dat tijdens de extrusie in de film was opgenomen, zoals beschreven in een eerdere publicatie29.

Kritieke stappen binnen het protocol omvatten a) cryogene voorbehandeling, het bieden van verbrossing van de over het algemeen flexibele film, b) frezen om de mechanische impact te simuleren door middel van landbouwpraktijken (ploegen, grondbewerking) en c) nat malen, waarbij de milieuschuifgebeurtenissen tussen MP-bodembotsingen worden nagebootst. MNP's die door deze methode worden gevormd, vertegenwoordigen eerder deeltjes die voorkomen in landbouwgronden dan polystyreen micro- en nanosferen. Deze laatste worden echter vaak gebruikt als gemanipuleerde modelmaterialen in milieustudies die de impact op microbiële gemeenschappen in de bodem onderzoeken 34,35,36, planten 37 en bodemfauna38.

Verschillende methoden hebben surrogaat-NP's gegenereerd, waaronder cryogeen frezen en malen met behulp van roterende en kogelmolens 39,40,41,42. Daarnaast werd veelvuldig frezen in combinatie met vloeibare stikstof gebruikt om MNP's40,41,42,43,44,45 te vormen. Daarentegen werd een ultracentrifugaal droge maalprocedure (zonder cryogene behandeling) in combinatie met natkogelfrezen gebruikt om respectievelijk Kamerleden en NP's39 te genereren. Daarentegen gebruikt de methode die in dit artikel wordt beschreven een goedkope combinatie van cryogene soaking-blending-milling-grinding om MNP's te genereren uit plastic films om milieueffecten zoals verwering en mechanische schuifkrachten na te bootsen. Daarom vergeleek een recente studie de mechanische en chemische eigenschapsveranderingen tussen cryogene gevormde milieuverwerende plastic folies uit de landbouw. De resultaten toonden statistisch significante verschillen in geometrische kenmerken, fysisch-chemische eigenschappen en biologische afbreekbaarheid van de gevormde MNP's (Astner et al., ongepubliceerd).

Een beperking van de mechanisch-cryogene freesmethode is de relatief lage zeefopbrengst na de eerste freespas (~10 wt%) van fracties <840 μm, die nog twee gangen vereist, wat resulteert in een langere verwerkingstijd in vergelijking met de grotere fracties van >840 μm29. Aangezien de 46 μm fractieopbrengsten tussen 1 en 2 wt% liggen, werd de deeltjesfractie van 106 μm gebruikt voor de natte maalprocedure om NP's te vormen. Bovendien kan wrijving tijdens het freesproces leiden tot oververhitting van de verwerkingskamer, wat resulteert in de agglomeratie en thermische degradatie van deeltjes of filmfragmenten tijdens het freesproces, zoals beschreven in andere studies29,46. Een andere beperking van de cryogene maalmethode die in dit artikel wordt beschreven, is de beperkte toepassing voor kunststoffen zoals LDPE-films of PBS-pellets met slechte thermische eigenschappen (d.w.z. lage glasovergangstemperaturen). De voormalige kunststoffen waren onmogelijk te commineren vanwege de vezelachtige structuur van LDPE-films. Bovendien verstopte deze laatste de molen, omdat mechanische afschuiving de temperatuur in de freeskamer verhoogde. LDPE-pellets waren daarentegen gemakkelijk te verwerken door middel van frezen zonder de inzet van cryogene koeling. De vergelijking van de dps voor parlementsleden laat een grotere afwijking zien voor de 250 μm fractie van de nominale zeefgrootte dan de 106 μm dp fractie. Beide zeeffracties volgden echter een monodisperse normale verdeling (figuur 3e, f en tabel 1), wat vergelijkbare afbraakmechanismen voor film- of pelletgrondstoffen suggereert. Np-grootteanalyse resulteerde daarentegen in een bimodale verdeling voor PBAT-films, vergelijkbaar met een eerdere publicatie29, en PBAT-pellets met representatieve grootteverdelingspieken bij 50 nm en 107 nm. De pelletverdelingsgegevens vertoonden echter pieken rond 80 nm en 531 nm, wat suggereert dat de afbraak minder uniform optreedt dan in films. De betekenis van de eerder vastgestelde methode ligt in de efficiënte en goedkope combinatie van verwerkingsstappen zoals cryogene voorbehandeling, frezen en nat malen. Deeltjesgrootteverdelingen voor NP's van PBAT-film in deze studie zijn vergelijkbaar met een voorlopige studie uitgevoerd op de NP-vorming van biologisch afbreekbare kunststoffen29, die wordt gekenmerkt door een bimodale verdeling met deeltjessubpopulaties die pieken op ~ 50 nm en ~ 200 nm; dit laatste resulteerde echter in iets kleinere deeltjes (106 nm), zoals weergegeven in figuur 5, op basis van het hogere aantal passages (60) in deze huidige studie, vergeleken met 27 passages zoals eerder uitgevoerd door Astner, et al. 29. Deze studie suggereert dat np-formatie afgeleid van PBAT-films volgt op de voorlopige studieresultaten.

Verder bewijs van de robuustheid van deze methode is dat de chemische samenstelling niet significant veranderde als gevolg van cryogene behandeling, frezen en nat malen (figuur 6). Bovendien verschilden verschillen verschillen tussen grondstoffen zoals pellets versus film (deeltjesgrootteverdelingen), gemiddelde dp of vormparameters niet significant (figuur 3 en figuur 4). Ecologisch verspreide MNP's en hun ecotoxische effecten op terrestrische organismen47,48 en mariene biota49,50 zijn op grote schaal gerapporteerd. Hoewel bodems het meest prominente wereldwijde milieureservoir vormen voor MNP-translocatie, -afbraak en bioaccumulatie, resulteert het gebrek aan robuuste en uniforme analysemethoden voor deze materialen in cruciale kennislacunes in de risicobeoordeling van parlementsleden en NP's in terrestrische ecosystemen51. Bijgevolg kunnen toekomstige toepassingen van deze methode betrekking hebben op het voorbereiden en karakteriseren van MNP's van nieuw ontwikkelde kunststofmaterialen voor landbouwpolymeerfilms (bijv. PBAT in combinatie met lignine) om het lot en de ecotoxiciteit van MNP's vóór de marktintroductie te beoordelen. Daarom kan dit protocol dienen als een gestandaardiseerd protocol voor het genereren van parlementsleden door cryogene frezen en NP's door nat malen en voor dimensionale en chemische karakterisering van de resulterende MNP's. Bovendien kunnen afgeleide deeltjes worden gebruikt in milieustudies zoals lot, ecotoxiciteit, transport en biologische afbraak in terrestrische en mariene omgevingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd gefinancierd door het Herbert College of Agriculture, de Biosystems Engineering and Soil Department en de Science Alliance aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville. Bovendien erkennen de auteurs dankbaar de financiële steun die via de USDA Grant 2020-67019-31167 voor dit onderzoek is verstrekt. De eerste grondstoffen voor het voorbereiden van MNPs van PBAT-gebaseerde biologisch afbreekbare mulchfolie werden vriendelijk geleverd door BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, VS) en PBAT-pellets door 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

Engineering Terrestrische mechanische vorming milieustudies microplastic nanodeeltjes
Het vormen van micro- en nanoplastics uit plastic agrarische films voor werkgelegenheid in fundamentele onderzoeksstudies
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