Mostramos la formación y caracterización dimensional de micro y nanoplásticos (MPs y NPs, respectivamente) utilizando un proceso paso a paso de fresado mecánico, rectificado y análisis de imágenes.
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Artículo de método
Formación de micro y nanoplásticos a partir de películas plásticas agrícolas para el empleo en estudios de investigación fundamental
En este artículo
Resumen
Resumen
Los microplásticos (MP) y los nanoplásticos (NP) dispersos en los ecosistemas agrícolas pueden representar una grave amenaza para la biota en el suelo y las vías fluviales cercanas. Además, los productos químicos como los pesticidas adsorbidos por las NP pueden dañar los organismos del suelo y potencialmente entrar en la cadena alimentaria. En este contexto, los plásticos utilizados en la agricultura, como las películas de mantillo de plástico, contribuyen significativamente a la contaminación plástica en los ecosistemas agrícolas. Sin embargo, la mayoría de los estudios fundamentales sobre el destino y la ecotoxicidad emplean materiales MP idealizados y poco representativos, como las microesferas de poliestireno.
Por lo tanto, como se describe en este documento, desarrollamos un procedimiento de múltiples pasos a escala de laboratorio para formar mecánicamente MP y NP representativos para dichos estudios. El material plástico se preparó a partir de películas de mantillo de plástico disponibles comercialmente de adipato-co-tereftalato de polibutirato (PBAT) que se rompieron mediante tratamiento criogénico (CRYO) o intemperie ambiental (W), y a partir de gránulos de PBAT no tratados. Los materiales plásticos fueron tratados por fresado mecánico para formar MPs con un tamaño de 46-840 μm, imitando la abrasión de fragmentos de plástico por el viento y la maquinaria mecánica. Luego, los parlamentarios se tamizaron en varias fracciones de tamaño para permitir un análisis adicional. Finalmente, la fracción de tamiz de 106 μm se sometió a molienda húmeda para generar NP de 20-900 nm, un proceso que imita el lento proceso de reducción de tamaño para los MP terrestres. Las dimensiones y la forma de los MP se determinaron mediante el análisis de imágenes de estereomicrografías, y se empleó la dispersión dinámica de la luz (DLS) para evaluar el tamaño de partícula para las NP. Los MP y NP formados a través de este proceso poseían formas irregulares, lo que está en línea con las propiedades geométricas de los MP recuperados de los campos agrícolas. En general, este método de reducción de tamaño demostró ser eficiente para formar MPs y NP compuestos de plásticos biodegradables como el adipato de polibutileno-co-tereftalato (PBAT), que representa materiales de mantillo utilizados para la producción de cultivos agrícolas especializados.
Introducción
En las últimas décadas, el rápido aumento de la producción mundial de plásticos y la eliminación inadecuada y la falta de reciclaje de residuos plásticos ha llevado a la contaminación ambiental que ha afectado a los ecosistemas marinos y terrestres 1,2,3. Los materiales plásticos son esenciales para la agricultura contemporánea, particularmente para cultivar verduras, frutas pequeñas y otros cultivos especiales. Su uso como películas de mantillo, cubiertas de túneles altos y bajos, cinta de goteo y otras aplicaciones tienen como objetivo mejorar el rendimiento y la calidad de....
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Protocolo
1. Procesamiento de MPs a partir de pellets de plástico mediante pretratamiento criogénico y molienda
NOTA: Esta metodología se basa en un procedimiento descrito en otra parte, empleando una película PBAT compuesta del mismo material utilizado para este estudio presentado29.
- Pesar muestras de pellets de polímero de ~1 g y transferirlas a un frasco de vidrio de 50 ml.
- Coloque el tubo de "entrega rectangular" con un tamiz de malla 20 (840 μm) en la ranura frente al molino de corte rotativo y levante el tubo de suministro hasta que toque el pasador de cierre.
- Coloque la pla....
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Resultados
Para validar el método y análisis del procedimiento experimental, se formaron MP y NP a partir de pellets y materiales de película y se compararon por tamaño y forma utilizando imágenes microscópicas. El método descrito en la Figura 1 formó eficientemente MP y NP a partir de gránulos y películas de plástico biodegradables; Esto se logró a través del enfriamiento criogénico, el molienda y la molienda húmeda y la caracterización. El primer paso era innecesario para las películas ambientalmente.......
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Discusión
Este método describe un proceso efectivo descrito inicialmente en una publicación anterior29, para preparar MNP obtenidos de pellets y películas de mantillo para estudios ambientales. El proceso de reducción de tamaño involucró enfriamiento criogénico (solo para película), molienda en seco y etapas de molienda húmeda, para fabricar modelos MNP. Hemos aplicado este método para preparar MNPs a partir de una amplia gama de materias primas poliméricas, incluyendo polietileno de baja densidad (LDPE), a.......
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Esta investigación fue financiada por el Herbert College of Agriculture, el Departamento de Ingeniería de Biosistemas y Suelos, y la Alianza de Ciencias de la Universidad de Tennessee, Knoxville. Además, los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado a través de la subvención del USDA 2020-67019-31167 para esta investigación. Las materias primas iniciales para preparar MNP de película de mantillo biodegradable a base de PBAT fueron amablemente proporcionadas por BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, EUA), y los pellets PBAT por Mobius, LLC (Lenoir City, TN).
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Plato de aluminio, 150 mL | Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU | . 08-732-103 | Secado de NPs recolectados Plato de |
| aluminio, 500 mL | VWR International, Radnor, PA, EE. UU | . 25433-018 | Recolección de NPs después de la molienda |
| en húmedo Centrífuga | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | Centrific 228 | Contenedor para centrifugación |
| Tubo de entrega, #20, 840 y micro; m | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EE. UU | . 3383M30 | Tamizado de la primera fracción durante la molienda |
| Tubo de entrega, # 60, 250 y micro; m | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EE. UU | . 3383M45 | Tamizado de la segunda fracción (3x) durante la molienda |
| Thermomixer, 5350 Mezclador | Eppendorf North America, Enfield, CT, EE. UU | 05-400-200 | Análisis de experimentos de tamizado |
| FT-IR Spectrum Two, espectrómetro con reflectancia total atenuada (ATR) | Perkin Elmer, Waltham, MA, EE. UU. | L1050228 | Medición de espectros FTIR |
| Vaso de precipitados de vidrio, 1000 mL | DWK Life Sciences, Milville, NJ, EE. UU | 02-555-113 | Agitación de la lechada de agua MPs antes de la molienda |
| Placa frontal de vidrio | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EE. UU. | 3383N55 | Tapa frontal para Wiley Mini Mill |
| Tarro de vidrio, 50 mL | Uline, Pleasant Prairie, WI, EE. UU. | S-15846P | Colectivo MPs después de la molienda |
| Guante, neopreno | Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, EE. UU | BEL-H500290000 | 22 pulgadas, tamaño 10 |
| Zetasizer Nano ZS 90 analizador de tamaño | Malvern Panalytical, Worcestershire, Reino Unido | Zetasizer Nano ZS | Medición de nanoplásticos dispersos en la cámara microscópica de agua desionizada |
| Nikon, Tokio, 108-6290, Japón | Nikon Digital Sight 10 | Combinado con el microscopio Olympus para recibir imágenes digitales | |
| Microscopio | Olympus, Shinjuku, Tokio, Japón | Modelo SZ 61 | Imágenes de MPs |
| Frasco de nitrógeno, matraces dewar de forma baja | Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, EE. UU | UX-03771-23 | Almacenamiento de nitrógeno líquido durante el enfriamiento criogénico |
| Accurate Blend 200, mezcladora de 12 velocidades | Oster, Boca Ratón, FL, EE. UU. | 6684 | Iniciando la reducción de tamaño de la película plástica PBAT tratada criogénicamente |
| , - BioAgri™ (Mater-Bi®) | BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, EE. UU | 0,7 mm de espesor | para formar MP y NP, película de mantillo agrícola |
| Pellets de PBAT | Mobius, LLC, Lenoir City, TN, EE. UU | Diámetro 3 mm | Materia prima para formar microplásticos (MP) y nanoplásticos (NP) mediante molienda y molienda |
| Tubos de centrífuga de plástico, 50 mL | Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU | 06-443-18 | Centrifugación de lodos después de la molienda húmeda |
| Frasco de plástico, 1000 ml, prelavado, de lados rectos | Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU | 05-719-733 | Colección de NP durante y después de la molienda en húmedo Barras agitadoras |
| poligonales, diámetro ø=8 mm, longitud=50.8 mm | Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU | . 14-512-127 | Agitación de la lechada de MPs antes de la molienda húmeda |
| Tijeras, aglomeradas con titanio | Westcott, Shelton, CT, EE. UU | . 13901 | Corte de materias primas iniciales de película PBAT |
| Celda de vidrio cuadrada con apertura cuadrada y tapa, 12 mm de diámetro exterior. | Malvern Panalytical, Worcestershire, Reino Unido | PCS1115 | Medición del tamaño de partícula de NPs |
| Fondo de acero inoxidable, 3 pulgadas, bandeja | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EE. UU | . 8401 | Para tamizado después de la molienda Wiley |
| Tamiz de acero inoxidable, 3 pulgadas, Nº 140 (106 y micro; m) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EE. UU | . 1308 | Para tamizado después de la molienda |
| Wiley Tamiz de acero inoxidable, 3 pulgadas, Nº 20 (850 y micro; m) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EE.UU | . 1296 | Tamizado de MPs después de la molienda Wiley |
| Tamiz de acero inoxidable, 3 pulgadas, Nº 325 (45 & micro; m) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EE.UU | . 1313 | Tamizado de MP después de la molienda Wiley |
| Tamiz de acero inoxidable, 3 pulgadas, Nº 60 (250 & micro; m) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EE. UU | . 1303 | Tamizado de MP después del fresado de Wiley |
| Cubierta superior de acero inoxidable, 3 pulgadas | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EE. UU | . 8406 | Tamizado de MP después del fresado de Wiley Pinzas de |
| acero inoxidable | Global Industrial, Port Washington, NY, EE. UU | . T9FB2264892 | Transferencia de partículas de película congeladas del frasco a la licuadora |
| Horno de vacío, modelo 281A | Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU | . 13-262-50 | Horno de vacío para secar NP después de la molienda en húmedo |
| Máquina de molienda por fricción, coloidor de supermasa | Masuko Sangyo, Tokio, Japón | MKCA6-2J | Máquina de molienda para formar NP a partir de MP |
| Piedra de molienda húmeda, tamaño de grano: 297 μ m -420 y mu; m | Masuko Sangyo, Tokio, Japón | MKE6-46DD | Piedra de molienda para formar NPs de MPs |
| Wiley Mini Mill, molino de corte rotativo | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EE. UU | NC1346618 | Reducción del tamaño de los gránulos y la película en MPs y NP |
| Software | |||
| FTIR-Software de espectroscopía | Perkin Elmer, Waltham, MA, EE. UU | . Spectrum 10 | Colección de espectros del plástico inicial, MPs y NPs |
| Imagen J, programa de procesamiento de imágenes | Institutos Nacionales de Salud, Bethesda, MD, EE. UU. | Versión 1.53n | Análisis de imágenes digitales recibidas de microscopía |
| Software de microscopio, software ds-fi1 | Malvern Panalytical , Malvern, Reino Unido | Firmware DS-U1 Ver3.10 | Registro de imágenes digitales |
| Microsoft, Windows, Excel 365, software de hoja de cálculo | Microsoft, Redmond, WA, EE. UU | Office 365 | Cálculo del tamaño medio de partícula y creación de imágenes de espectros FTIR |
| Software JMP, software estadístico | SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021 | Versión 15 | Análisis estadístico del tamaño de partícula y realizar el mejor ajuste del conjunto de datos |
| Software Unscrambler | Camo Analytics, Oslo, Noruega | Versión 9.2 | Normalización y conversión de espectros FTIR en .csv fromat |
Referencias
- 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).
- Kumar, M., et al.
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Reimpresiones y permisos
