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Methodenartikel

Bewertung der verlorenen Fraktion: Diversität, Abundanz und Masse von Mikroplastik (1-300 μm) in aquatischen Systemen

527 Ansichten

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DOI:

10.3791/68148

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22. August 2025

 ,  , 
1School of Marine and Atmospheric Science, Stony Brook University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt eine Methodik, die auf aquatische Proben angewendet werden soll, die auf Filtern gesammelt wurden, um mikrometergroße (1-300 μm) MP zu detektieren, zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Raman-Mikrospektroskopie kann die polymerchemische Struktur von MP-Partikeln identifizieren und ihre Häufigkeit in Bezug auf die Anzahl der Partikel und ihre Masse in Wasserproben quantifizieren.

Zusammenfassung

Das hier vorgestellte Protokoll ermöglicht die Quantifizierung von Mikroplastik (MP) mit einem Durchmesser von nur ~1 μm, die genaue Identifizierung von Polymertypen und die Schätzung des Partikelvolumens, was die Berechnung der MP-Masse entscheidend ermöglicht. Repräsentative Ergebnisse von Proben, die in der Great South Bay (GSB), NY, gesammelt wurden, zeigten, dass Partikel im Bereich von 1-6 μm äquivalentem sphärischem Durchmesser (ESD) am häufigsten vorkamen, wobei etwa 75 % der Partikel weniger als 5 μm missten. Bemerkenswert ist, dass der Vorsiebschritt keine Partikel ergab, die größer als 60 μm waren, was darauf hindeutet, dass große MP an den beprobten Küstenstandorten selten waren. Vor der Filtration wurde ein chemischer Oxidationsschritt verwendet, um organische Rückstände zu entfernen, was die Filtration größerer Wassermengen (>1 l) aus diskreten, in der Flasche gesammelten Proben erleichterte und die Verstopfung des Filters reduzierte. Obwohl dieser Ansatz die Filtrationseffizienz erheblich verbesserte, müssen Aspekte der Methodik noch verfeinert werden, um den Gesamtzeitaufwand für die Probenvorbereitung und Datenanalyse zu reduzieren. Die Raman-Mikrospektroskopie und die damit verbundene Datenverarbeitung sind nach wie vor zeitintensiv, insbesondere für die genaue Analyse von Partikeln kleiner als 10 μm in komplexen Umweltmatrizen. Die laufenden Bemühungen konzentrieren sich auf die Minimierung analytischer Unsicherheiten, die Optimierung des Kompromisses zwischen Partikelzählgenauigkeit und Verarbeitungszeit sowie die Reduzierung von Artefakten im Detektionsablauf.

Einleitung

Mikroplastik (MP) ist eine sehr heterogene Gruppe von Partikeln, die sich in Größe, Form, Farbe, Dichte, chemischer Zusammensetzung und anderen physikalischen Eigenschaften stark unterscheiden, was ihre Identifizierung und Quantifizierung besonders schwierig macht1. Eine Vielzahl von Analysemethoden wurde bei MP-Erhebungen eingesetzt, von visuellen Techniken wie der Lichtmikroskopie2 bis hin zu fortschrittlicheren chemischen Ansätzen wie der Pyrolyse-Gaschromatographie3. Die Lichtmikroskopie ist aufgrund ihrer Einfachheit, Geschwindigkeit und Kosteneffizienz eine häufig verwendete Methode zur Charakterisierung größerer MP (typischerweise 0,5-5 mm)1. Es ermöglicht die visuelle Identifizierung und Quantifizierung von kunststoffähnlichen Partikeln und liefert gleichzeitig Informationen über Oberflächenmorphologie und -struktur2. Diese Technik liefert jedoch keine chemischen Informationen über die chemische Zusammensetzung und beruht auf der Expertise des Analytikers. Die Fehlidentifikation ist eine gut dokumentierte Einschränkung der visuellen Analyse, mit gemeldeten Fehlerraten von 20 % bis 70 %, insbesondere bei kleinen, transparenten Partikeln. Solche Fehler können die MP-Konzentrationen in Umweltproben erheblich überschätzen4.

Andererseits kann die Pyrolyse-Gaschromatographie (GC) in Kombination mit der Massenspektrometrie (MS) durch die Analyse von thermischen Abbauprodukten detaillierte Informationen über die chemische Zusammensetzung von MP liefern3. In Kombination mit einem thermischen Desorptionsschritt kann es während derselben Analyse auch Kunststoffadditive nachweisen5. Diese Methode erfordert jedoch eine manuelle Vorselektion von kunststoffähnlichen Partikeln und deren sorgfältige Platzierung im Pyrolysesystem, was zu einem geringen Probendurchsatzführt 1.

Um die Einschränkungen traditioneller Methoden zu überwinden, werden automatisierte Techniken, die sowohl die Identifizierung als auch die Quantifizierung von MP ermöglichen, immer wichtiger. Die Raman- und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) ermöglicht eine genaue Polymeridentifikation durch ihre einzigartigen spektralen Fingerabdrücke 6,7,8. Diese Schwingungsspektroskopie-Methoden detektieren molekulare Schwingungen, die durch Licht, Laser für Raman und Infrarot für FTIR induziert werden, und erzeugen Spektren, die spezifische molekulare Strukturen widerspiegeln7. Beide Techniken haben die Detektion und Charakterisierung kleiner MP-Partikel (<300 μm) in verschiedenen Umweltmatrizen erheblich vorangetrieben8. Sie reduzieren falsch positive Ergebnisse, indem sie kunststoffähnliche Partikel chemisch bestätigen, minimieren falsch negative Ergebnisse und sind zerstörungsfrei. In Verbindung mit der Mikroskopie (Mikrospektroskopie) ermöglichen diese Techniken die Identifizierung und Quantifizierung von polymeren Partikeln, die kleiner als 0,3 mm sind (wobei μFTIR bis zu ~10 μm und μRaman bis zu ~0,3 μm detektieren kann)8. Jede Methode hat jedoch ihre Grenzen: Raman bietet eine höhere räumliche Auflösung und eine verbesserte Detektion für bestimmte Polymere (z. B. Polystyrol), ist aber anfälliger für Fluoreszenzinterferenzen und erfordert in der Regel längere Erfassungszeiten. Nichtsdestotrotz kann die Raman-Mikrospektroskopie Partikel mit einer Größe von weniger als 0,3 μm nachweisen und deckt damit einen breiteren Größenbereich von Mikroplastik ab als die FTIR-Bildgebung 8,9.

Das Hauptwerkzeug für die hier beschriebene Arbeit ist ein konfokales Raman-Mikrospektrophotometer, das im NAno-Raman Molecular Imaging Laboratory (NARMIL) von SoMAS zur Verfügung steht. Das Protokoll wurde optimiert, um mikrogroße MP (<300 μm) auf Filtern aus Wasserproben zu erkennen, zu identifizieren und zu quantifizieren, die normalerweise ausgeschlossen werden, wenn Plankton- oder Mantanetze zur Probenahme von Meeresplastik verwendet werden. Außerdem ist ein Chemi-Oxidationsprozess notwendig, um das Vorhandensein von nicht-plastischen Rückständen (organischen Abfällen) zu reduzieren. Dies minimiert analytische Interferenzen vor der mikrospektroskopischen Raman-Analyse und verhindert vor allem das Verstopfen der Filterporen, was die Filtration größerer Wassermengen ermöglicht. Mit dieser Technologie ist es möglich, MP-Partikel in der Submikron- bis Millimetergrößenfraktion zu detektieren, die auf Filtern aus Wasserproben gesammelt werden, und sie ermöglicht die Berechnung spezifischer MP-Konzentrationen, Partikelgrößen und Massen.

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Protokoll

Dieses Protokoll wurde gegenüber der ursprünglichen Version9 modifiziert. Das Protokoll ist ein Leitfaden für die Analyse von Wasserproben (Trinkwasser, Fluss, See, Küste oder offener Ozean) zur Extraktion, Detektion und Quantifizierung von MP (<300 μm) auf Filtern. Die verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Qualitätskontrolle

  1. Stellen Sie sicher, dass alle Reagenzien vor der Verwendung durch einen 0,22-μm-Membranfilter gefiltert werden.
  2. Stellen Sie sicher, dass das Personal Laborkittel aus Baumwolle (keine synthetischen Materialien) trägt und sich vor und zwischen der Probenhandhabung die Hände wäscht.
  3. Spülen Sie die Filtrationsanlage vor und zwischen den Filtrationen mit 0,22 μm gefiltertem destilliertem Wasser. Bei Nichtgebrauch mit sauberer Alufolie abdecken.
  4. Feldleerzeichen: Befüllen Sie gespülte Probenflaschen mit 0,22 μm gefiltertem destilliertem Wasser und verarbeiten Sie sie wie Umweltproben.
  5. Laborrohlinge: Verarbeiten Sie 1 l 0,22 μm gefiltertes destilliertes Wasser durch Al2O3 Filter neben jeder Probencharge.

2. Entnahme und Aufbereitung von natürlichen Wasserproben für die MP-Quantifizierung

  1. Spülen Sie alle Probenflaschen (einschließlich Niskin- und Glasbehälter) mit 0,22 μm gefiltertem destilliertem Wasser vor, um Kontaminationen zu minimieren.
  2. Diskrete Wassersäulenproben (>1 L) aus aquatischen Systemen können mit Standard-Probenahmemethoden entnommen werden, z. B. Glasflaschen (Oberflächenwasser) oder auf Rosetten montierte Niskin-Flaschen aus Polyvinylchlorid (PVC) (Wassersäule) und direkt in Glasflaschen überführt.
  3. Das gesammelte Wasser wird mit 200 μm und 60 μm Metallsieben vorgefiltert, um organische Ablagerungen zu entfernen und MP in Größenfraktionen zu trennen.
    HINWEIS: Zurückgehaltene Partikel können direkt unter dem Mikroskop identifiziert werden.
  4. Bewahren Sie das Wasser, das durch das 60 μm große Metallsieb läuft, in Glasflaschen auf. Später filtrieren Sie diese Fraktion auf Aluminiumoxid-Membranfilter (Al2O3) (25 mm Durchmesser, 0,2 μm Porengröße).

3. Chemi-Oxidation von Wasserproben

HINWEIS: Um analytische Interferenzen durch reichlich vorhandene biogene Partikel zu minimieren, werden die Proben vor der mikrospektroskopischen Raman-Analyse durch chemische Oxidation gereinigt.

  1. 100 ml 30 % (v/v) Wasserstoffperoxid mit 1 l Probe in einem Glasbehälter mischen und gründlich mischen.
    ACHTUNG: Gehen Sie mit H2O2 vorsichtig um - starkes Oxidationsmittel, kann Haut- und Augenreizungen verursachen. Tragen Sie Handschuhe und eine Schutzbrille und befolgen Sie die Sicherheitsvorkehrungen im Labor.
  2. Decken Sie den Behälter mit einem Deckel oder Alufolie ab und stellen Sie ihn für ~10 h bei 60 °C in den Ofen.
  3. Lassen Sie die Probe 10 Minuten abkühlen und fahren Sie dann mit der Filtration fort, solange sie noch warm ist.

4. Filtration von Wasserproben

HINWEIS: Aufgrund der inhärenten Sprödigkeit des Filters sollte darauf geachtet werden, dass die Al2O3 Membranfilter während des Ein- und Ausbaus nicht verbogen werden, indem der Filter ausschließlich mit dem ringförmigen Polypropylenring behandelt wird, der mit der Membran verbunden ist.

  1. In einer Laminar-Flow-Haube filtrieren Sie 1-Liter-Proben und Leerproben mit einem Ganzglas-Filtersystem mit einem Sinterglasboden und einer Metallklemme.
  2. Spülen Sie die Filter nach der Filtration mit 0,22 μm gefiltertem destilliertem Wasser.
  3. Montieren Sie den Filter auf einem Objektträger ohne Deckglas für die Raman-Analyse.

5. Raman-mikrospektroskopische Analyse von gefilterten MP-Partikeln

HINWEIS: Ein konfokales Raman-Mikrospektrophotometer und seine Software werden als Analysemethode zur Identifizierung und Quantifizierung von MP-Partikeln verwendet. Das Gerät ist mit einem modifizierten aufrechten Epifluoreszenzmikroskop, einem computergesteuerten motorisierten x-y-z-Tisch mit einer Schrittweite von 0,1 μm in allen Dimensionen, vier Laserlinien (457/514 nm Ar+-Ionenlaser, 633 nm He/Ne-Laser, 785 nm Diodenlaser) und einem 1.040 × 256 peltiergekühlten CCD-Detektor ausgestattet.

  1. Mit der Bilderfassungsfunktion in der Raman-Software können Sie die Gerätekonfiguration für die MPs-Analyse von Wasserproben einrichten.
    1. Laser: 633 nm He/Ne bei ~9,3 mW Laserleistung (über 50× Objektiv).
    2. Gitterrost: 1200 Linien/mm.
    3. Spektralbereich: 200-2500 cm-1.
    4. Belichtungszeit: 0,7 s/Spektrum.
  2. Richten Sie ein Gitter innerhalb eines Interessenbereichs (ROI) ein, indem Sie alle 1 μm Spektren in den x- und y-Dimensionen aufnehmen.
  3. Definieren Sie jede ROI als ein Raster von 100 μm x 100 μm im Kamerabild (10.000 μm2).
    HINWEIS: Der ROI-Bereich kann geändert werden; Kleinere Flächen reduzieren beispielsweise die Gesamtzeit für die Analyse.
  4. Analysieren Sie ~40 ROIs pro Filter, die zufällig mit einem Cross-Pattern-Modell ausgewählt wurden, um die räumliche Verteilung der MP über den gesamten exponierten Filterbereich darzustellen.
  5. Verwenden Sie nach der automatisierten Datenerfassung die Bilderfassungsfunktion in der Software, um detaillierte 2D-Chemikalienkarten für jeden ROI zu erstellen.
  6. Identifizieren und quantifizieren Sie aus jeder chemischen Karte MP-Partikel mithilfe der Komponentenanalyse (nicht-negative Korrelationsmethode der kleinsten Quadrate) gemäß den Softwarefunktionen.
  7. Vergleichen Sie Spektren mit Referenzbibliotheken. Akzeptieren Sie Übereinstimmungen mit einer Punktzahl von >60 (interne Bibliothekspunktzahl 0-100) als bestätigte MPs10.

6. Filterbasierte quantitative Aufzählung von MP-Partikeln

  1. Nachdem Sie die Anzahl der Partikel aus ~40 ROIs addiert haben, berechnen Sie die Anzahl der MP-Partikel pro Liter Probe (N) gemäß Gleichung 111.
    figure-protocol-1(1)
    Dabei ist Af die gesamte exponierte Filterfläche (mm2), n die Gesamtzahl der gezählten MP-Partikel, summiert über alle untersuchten ROI, b die Anzahl der untersuchten ROI, M die Flächengröße eines ROI (mm2) und V das Volumen (l) des aus der Probe gefilterten Wassers.
  2. Ermitteln Sie die analytische Unsicherheit der Gesamtzahl der Partikel (N) in jeder Probe, indem Sie den Standardfehler aus dem gesamten pro Probe gezählten ROI berechnen.
  3. Geben Sie die Gesamtzahl der Partikel pro l als N ± 1S.E. an.

7. Berechnung von Partikelgröße, -volumen und -masse

HINWEIS: Bestimmen Sie die Abmessungen, die Fläche und den äquivalenten Kugeldurchmesser (ESD) jedes Partikels mit Hilfe einer Bildanalysesoftware.

  1. Bestimmen Sie den Bereich, indem Sie die Gesamtzahl der plastisch positiven Pixel zählen, die jedem Partikelbild zugewiesen sind.
  2. Verwenden Sie diese Teilchenfläche (Ap), um die ESD zu berechnen, indem Sie Gleichung 211 anwenden:
    figure-protocol-2(2)
  3. Berechnen Sie eine idealisierte Schätzung des Ellipsoidvolumens für jedes Teilchen mit Hilfe von Gleichung 312.
    figure-protocol-3(3)
  4. Berechnen Sie die Massen (M) jedes Kunststoffpolymers im MP-Pool unter Verwendung von Volumenschätzungen und veröffentlichten spezifischen Dichten (ρ; g cm3) jedes Kunststoffpolymers (d. h. M = ρV). Die Masse wird in der Regel in μg/L angegeben
    HINWEIS: Zur Schätzung der in der Massenberechnung propagierten Unsicherheit (relativer Massenfehler, RE = SD/Mittelwert) für jedes Teilchen wird die analytische Unsicherheit sowohl im Volumenalgorithmus als auch in der mittleren Dichte berücksichtigt, indem die folgende Gleichung13 angewendet wird:
    figure-protocol-4(4)
    Dabei ist R.E. vol der relative Fehler (S.E. der Steigung/Steigung) der linearen Regressionssteigung (3-D und "2-D-Volumen")9. R.E. den ist die relative Variation (S.E. / Mittelwert) im Bereich der gemeldeten Dichtewerte für jedes Polymer, das in einem bestimmten Partikel enthalten ist.

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Ergebnisse

Im Folgenden werden Ergebnisse vorgestellt, die mit der neuesten Version der Methodik erzielt wurden. Das Verfahren wurde gegenüber seiner ursprünglichen Anwendung modifiziert 9,14. Die in diesem Artikel verwendeten Proben sind Teil eines Projekts zur Bewertung der MP-Verschmutzung in drei Hauptküstengewässern von Long Island, NY: Great South Bay, der Peconic Estuary und der Shinnecock Bay. Die hier vorgestellten Ergebnisse dienen eher als Proof-of-Concept für un...

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Diskussion

Diese Methode ermöglicht die Quantifizierung von Mikroplastikpartikeln (MP) mit einer Größe von nur 1 μm aus Wasserproben, die auf Filtern gesammelt wurden, und ermöglicht so detaillierte Messungen der Partikelhäufigkeit, der chemischen Zusammensetzung, der Größe und der Masse. Es ist jedoch wichtig, die Unsicherheitsquellen zu erkennen und zu beseitigen, die diesem Ansatz innewohnen, insbesondere bei der Analyse von Partikeln kleiner als 10 μm in komplexen Umweltmatrizen.

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die die in diesem Artikel berichtete Arbeit beeinflusst haben könnten.

Danksagungen

Die Autoren danken Larissa Chraim, Anthony Hill, Alanna Chen, Maya Butkevich und Leslie Mejia für ihre Unterstützung im Labor und bei der Datenanalyse. Alle Raman-Spektraldaten wurden im NAno Raman Molecular Imaging Laboratory (NARMIL) der SBU School of Marine and Atmospheric Sciences erstellt, einer Community-Ressource, die sich umweltwissenschaftlichen Anwendungen widmet und mit dem NSF-MRI-Zuschuss OCE-1336724 gegründet wurde. Die Forschung wurde teilweise durch ein Seed-Stipendium der Stony Brook University (SBU) und das SBU Presidential Dissertation Completion Fellowship CF21 unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Aluminiumfolie jede Handelsmarke
Analytische EdelstahlsiebeRetsch GmbH, DeutschlandDIN 4188
Anodisc-FilterWhatman
FilterhalterFisherBrand-Millipore SigmaXX1012542
GlasflaschenFisherBrand-Millipore Sigma02-912-313Jeder Glasbehälter eignet sich für den Probenahmeprozess
Trichter für GlaswarenFisherBrand-Millipore SigmaXX1012514
Hidrogenperoxid 30 %Innovative Wissenschaften7722-84-1
inVia konfokales Raman-Mikrospektrophotometer Renishaw
Laminare StrömungshaubeLabconco oder jede andere Laminarhaube für den Laborgebrauch
Klemme aus MetallFisherBrand-Millipore SigmaXX1012503
Pinzette aus MetallFisherBrand-Millipore Sigma13-820-061
ObjektträgerThermo Fischerhttps://www.thermofisher.com/
Nitril-HandschuheKimtech55080-54
Nitrocelulose Membran fliter 0,22GVS Filtertechnik 1214898
Radialer OfenInstrumente der Laborlinie 3609
VakuumpumpeWelch25468-01 A
WiRE 5.2Renishaw

Referenzen

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