Name: 农用塑料薄膜中微纳米塑料的成型，用于基础研究的就业 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-27T14:15:00.000+00:00
Duration: 8 min 21 s
Description: 学习利用低温研磨和湿法研磨等机械方法制备微纳米塑料，用于环境科学研究。该方法可从多种聚合物原料中高效生成微纳米塑料颗粒，为塑料污染研究提供标准化材料。

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本研究由田纳西大学诺克斯维尔分校农业科学学院、生物系统工程与土壤系以及科学联盟资助。此外，作者衷心感谢美国农业部（USDA）通过资助项目2020-67019-31167为本研究提供的经费支持。制备基于PBAT的可生物降解地膜微塑料（MNPs）所用的初始原料由BioBag Americas, Inc.（Dunevin, FL, USA）慷慨提供。&#160;PBAT 颗粒，由 Mobius, LLC（Lenoir City, TN）提供。

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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 &#34;塑料栽培&#34; 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9,10进一步破碎会形成微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs），指平均尺寸的颗粒（标称直径； dp分别为 1-5000 µm 和 1-1000 nm11。然而，上部 dp 纳米颗粒（NPs）的界限（即微米颗粒（MPs）的下限）尚未达成普遍共识&#160;在多篇论文中，此值被列为 100 nm12.
来自塑料废物的微纳塑料颗粒（MNPs）对土壤健康和生态系统服务构成了日益严重的全球性威胁。微塑料（MPs）从淡水中吸附重金属，导致重金属浓度比周围环境高出800倍13。此外，水生生态系统中的微塑料通过改变光穿透性、引起缺氧，并黏附于各类生物体（包括在水生生物体内穿透和积累）而带来多重胁迫和污染14。
近期研究表明，微纳塑料（MNPs）可影响土壤地球化学过程及生物群，包括微生物群落和植物15,16,17。此外，纳米塑料（NPs）对食物网构成威胁17,18,19,20。由于MNPs在土壤中易于发生垂直和水平迁移，它们可携带吸附的污染物（如农药、增塑剂和微生物）通过土壤进入地下水或河流、溪流等水生生态系统21,22,23,24。传统的农用塑料（如地膜）由聚乙烯制成，使用后必须从田间移除并填埋处理。然而，移除不彻底会导致大量塑料残片在土壤中累积9,25,26。相比之下，土壤可生物降解塑料地膜（BDMs）设计为使用后可直接翻耕入土，在土壤中随时间逐渐降解。然而，BDMs在土壤中仍会暂时存留，并逐步降解和碎裂为微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）9,27。
目前许多环境生态毒理学和归趋研究采用的是理想化且不具代表性的微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）模型材料。最常用的替代性微纳塑料（MNPs）是单一分散的聚苯乙烯微球或纳米球，这类材料并不能反映环境中实际存在的MNPs特征12,28因此，选择不具代表性的微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）可能导致测量结果不准确。由于目前缺乏适用于陆地环境研究的合适模型微纳塑料（ΜNPs），作者受到启发，尝试利用农用塑料制备此类模型。我们此前已报道过通过机械研磨塑料颗粒和薄膜材料，从可生物降解地膜（BDMs）和聚乙烯颗粒中制备微纳塑料（MNPs）的方法，以及所获得MNPs的尺寸和分子特性。29本文提供了一种更为详细的制备磁性纳米颗粒（MNPs）的方案，该方案可更广泛地应用于所有农用塑料，例如地膜或其颗粒化原料。图1在此，作为示例，我们选择地膜和可生物降解聚合物聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）的球形颗粒来代表农用塑料。

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

利用农用塑料薄膜制备微纳米塑料用于基础科学研究

Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies

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。

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(dp)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</...

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。

农业生态系统中分散的微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）可能对土壤生物及附近水道生物群造成严重威胁。在……

Anton Astner：本方案描述了利用多种聚合物原料（如代表真实模型材料的颗粒和薄膜）制备工程化微纳米塑料的方法。该方法通过包括低温研磨、沸腾和湿法研磨在内的简单机械处理，高效地生成微纳米塑料，可作为环境研究中的替代材料。首先，从卷材中取出泡沫，使用切纸机将PBAT泡沫切成条状，将碎片预先浸泡在去离子水中10分钟，然后将泡沫材料转移至低温容器中。用钢制镊子小心地将浸有液氮的泡沫碎片或颗粒转移到低温容器中，然后缓慢加入200毫升液氮。接着，将冷冻的泡沫碎片或颗粒转移至搅拌机中，处理10秒。加入400毫升去离子水，将泡沫水浆搅拌5分钟。将混合物转移至带有滤纸的布氏漏斗中，抽真空过滤一小时。然后将样品连同漏斗一起放入真空干燥箱中，在30 °C下干燥至少48小时。称取聚合物薄膜或颗粒样品，并转移至50毫升玻璃瓶中。将带有20目筛网的矩形送料管插入旋转切削磨前方的插槽中，并向上提升送料管，直至其接触定位销。将玻璃板置于研磨室面上，并用可调夹具固定。接下来，将一个50毫升的玻璃罐放在研磨机出料口下方。将研磨机前部玻璃上的滑动侧臂支架略微偏心放置，并用神经螺栓拧紧。将漏斗插入研磨机顶部，对准上部研磨腔的开口。将电源线插入电源插座，然后按下电源线上的开关以启动研磨机运行。缓慢加入样品，并在听到的声音减弱后，再添加下一批薄膜或颗粒碎片。处理完薄膜或颗粒碎片后，按下电源线上的开关停止研磨机运行，使其冷却约20分钟。使用刮刀和毛刷清洁切割室，并将颗粒收集到玻璃罐中。取下20目840微米的输送管，更换为60目的输送管。完成第一批处理后，将收集的物料重新加入研磨机料斗中。对60目研磨筛分部分采用相同的步骤。回收腔室内剩余的颗粒，并将其加入已收集的主要组分中。制备微塑料浆液。首先，取去离子水加入玻璃烧杯中，并放入搅拌子。加入8克收集得到的250微米塑料组分。将玻璃烧杯置于搅拌板上，在400转/分钟的条件下磁力搅拌24小时。将颗粒转移至塑料容器中，用水浸泡。另准备两个一升的塑料容器，装入去离子水，用于冲洗研磨机料斗上附着的颗粒。此步骤在研磨过程中进行。将46号绿色尺寸的磨石放入湿式摩擦研磨机中，并拧紧中心螺母。使用17毫米扳手手动拧紧，将料斗安装在顶部，并用5毫米内六角扳手固定四个螺栓。在研磨机出口下方放置一个一升的塑料收集罐。将第二个空的1升桶放置在出口旁边，用于处理过程中更换。打开电源，通过顺时针旋转调节轮，将量规间隙小心调整至比零位置增加0.10微米，直至听到研磨石接触的声音为止。接着，将柔性测量环调至零位，并立即逆时针旋转调节轮。默认情况下，转速调整为每分钟1500转。顺时针转动调节轮，直至研磨石接触，然后轻轻将水性纳米塑料浆料填入料斗中。在引入浆料后，持续减小间隙，直至间隙规显示负2.0，相当于从零位向负方向移动0.20微米。通过更换收集桶来收集浆料。当收集桶中的液位超过0.5升时，将浆料收集并重新引入研磨机中，循环30至60次。循环次数越多，所得颗粒粒径越小。使用准备好的去离子水瓶冲洗料斗上的亲和性颗粒，以便在处理过程中实现适当的浆料混合。收集浆料并在25摄氏度下以每分钟400转的速度搅拌四小时，使其充分混合，然后让浆料静置48小时以达到稳定。数值分析显示，由两种原料产生的纳米塑料均呈现双峰粒径分布。来自PBAT颗粒的纳米塑料主要颗粒群体分别在约79纳米和530纳米处，对应的数量密度频率值分别为25%和5%。另一方面，来自PBAT泡沫的纳米塑料在约50纳米和106纳米处出现粒径峰值，对应的数量密度频率值分别为11%和10%。PBAT纳米塑料的傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果显示，在980至1200厘米⁻¹波数范围内吸光度显著下降，反映出湿法研磨过程中淀粉组分的溶出。与先前研究的观察结果一致，Anton Astner 指出：通过塑料薄膜和塑料颗粒形成微塑料时，低温预处理可使塑料发生脆化。该过程可模拟环境风化的影响，但并不完全等同，因而能够实现加速碎裂。低温研磨结合湿法研磨工艺，可处理多种不同类型的塑料原料，从而制备出适用于环境研究的真实性微/纳米塑料。

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地下水微塑料的采样与鉴定

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用于在聚合物基底上生成微米及亚微米级图案的微孔冲压光刻技术

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