Artículo de método

Muestreo e identificación de microplásticos en aguas subterráneas

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DOI:

10.3791/68652

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7 de noviembre de 2025

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1National Institute of Biology, 2Geological Survey of Slovenia, Groundwater - Hydrogeology, 3Institute for Water of the Republic of Slovenia, Sector for Marine Waters

En este artículo

Resumen

Aquí, proporcionamos una descripción detallada del muestreo de agua subterránea de un pozo para el análisis de microplásticos utilizando un sistema de muestreo patentado desarrollado para este propósito. El protocolo detalla los métodos para tomar muestras de microplásticos de pozos, así como la separación e identificación química de microplásticos.

Resumen

La contaminación por microplásticos en las aguas subterráneas sigue siendo significativamente subdeclarada en la literatura científica. Este documento presenta un protocolo completo que describe la metodología para el muestreo de aguas subterráneas de pozos, así como los pasos de separación y análisis de microplásticos. Proporciona una descripción extensa de un sistema de muestreo de filtración diseñado específicamente para este propósito, junto con el procedimiento de muestreo detallado. Además, presenta el análisis de laboratorio de partículas microplásticas, incluyendo su caracterización basada en tamaño, forma, color, transparencia y estructura química mediante espectroscopia infrarroja atenuada de reflectancia total por transformada de Fourier (ATR-FTIR) y espectroscopia micro-FTIR. Se discuten los factores que pueden influir en los resultados y se presta especial atención a la prevención de la contaminación de las muestras. La metodología descrita también tiene en cuenta los requisitos del anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, de 11 de marzo de 2024, por la que se completa la Directiva (UE) 2020/2184 del Parlamento Europeo y del Consejo. Este protocolo escrito integral, acompañado de una guía en video, tiene como objetivo apoyar el desarrollo de una metodología sincronizada para monitorear los microplásticos en el agua subterránea o potable. Este recurso será de interés para los investigadores en el campo de los microplásticos en todo el mundo.

Introducción

En los últimos años, los microplásticos (MP) han sido identificados como un importante contaminante ambiental. Debido a su potencial para entrar en la atmósfera, los MP forman parte del ciclo del agua1. La deposición atmosférica y la escorrentía superficial son las principales vías a través de las cuales los MP ingresan a las aguas superficiales2. Los MP proceden de diversas fuentes terrestres y acuáticas, y las fuentes terrestres contribuyen al 80% de su cantidad total3. Al ingresar a los ecosistemas acuáticos, la mayoría de los MP terrestres son transportados a los océanos a través de los ríos. Los MP restantes persisten en ambientes de agua dulce, con aguas superficiales en áreas densamente pobladas y urbanizadas, caracterizadas por largos tiempos de residencia del agua y una influencia antropogénica significativa, que exhiben niveles más altos de contaminación por MP. Las aguas superficiales también pueden conectarse a las aguas subterráneas en lechos de ríos, llanuras aluviales, humedales y manantiales4.

Aunque la investigación realizada en hábitats de agua dulce representó menos del 4% de la literatura disponible en 20185, el creciente reconocimiento de la necesidad de comprender mejor las fuentes de MP en los ambientes acuáticos ha impulsado desde entonces un aumento notable en los estudios centrados en los sistemas de agua dulce6. Si bien el número de estudios sobre las aguas subterráneas sigue siendo limitado, la evidencia de la presencia de MP en las aguas subterráneas ha sido bien documentada. Dado que el agua subterránea es la fuente más importante de agua dulce en el mundo, proporcionando a más de dos mil millones de personas acceso a agua potable segura, agua para uso doméstico, agrícola e industrial7, la presencia de MP en las aguas subterráneas plantea nuevas preguntas sobre la seguridad de las aguassubterráneas en el siglo XXI8.

Las fuentes terrestres de MP pueden ser muy diversas, y las MP fibrosas del lavado de textiles representan aproximadamente el 35% de las MP detectadas en los sistemas acuáticos9. Otras fuentes importantes de diferentes tipos de MP en el medio ambiente incluyen productos cosméticos y de cuidado personal, neumáticos, películas plásticas agrícolas, césped artificial y revestimientos de carreteras, vertederos, plásticos desechados incorrectamente, envases y contaminantes de la industria de la construcción 9,10.

Debido a sus muchas fuentes diferentes, los MP pueden diferir sustancialmente en términos de su composición química, color, forma, densidad, tamaño y otras características11. La norma internacional ISO 24187:2023 clasifica los MP en dos categorías: 1) "microplásticos grandes": partículas de plástico sólidas e insolubles en agua con tamaños que oscilan entre 1 mm y 5 mm, y 2) "microplásticos": cualquier partícula de plástico sólido insoluble en agua con tamaños que oscilan entre 1 μm y 1 mm. Las partículas menores de 1 μm se consideran nanopartículas12. Los materiales poliméricos más frecuentemente encontrados en forma de MPs son el polietileno (PE) y el polipropileno (PP), como los materiales poliméricos más producidos13.

Los MP pueden transportarse a las aguas subterráneas desde suelos y sedimentos, a través de interacciones con aguas superficiales y agua de mar, y mediante procesos de recarga/descarga. Durante estos procesos, los MP pueden transportarse hacia y desde las aguas subterráneas14. La zona hiporreica (ZH) sirve como una interfaz importante para el intercambio entre el río y el sistema de aguas subterráneas poco profundas15. El transporte de MP a través del HZ está influenciado por varias propiedades de las partículas (tamaño, forma, composición del material), así como por ciertos factores hidrológicos y geoquímicos, incluida la morfología del lecho del río y la turbulencia del flujo15. La relación entre el diámetro de poro y el tamaño de MP es otro factor crucial en estos procesos16, ya que los MP con dimensiones más pequeñas se mueven más fácilmente a través del espacio poroso desde la superficie hacia las capas subsuperficiales15,16.

Los parlamentarios pueden ingresar al agua subterránea a través de la zona no saturada17. La zona no saturada representa una conexión importante entre la superficie terrestre y el agua subterránea18. Los procesos de transporte y retención de MP en la zona no saturada dependen de las propiedades de las partículas, las propiedades del suelo y los factores ambientales 17,19,20. Los organismos del suelo como las lombrices de tierra, los colémbolos y los ácaros pueden influir en el transporte de MP desde la superficie del suelo a capas más profundas a través de diversos mecanismos como el desplazamiento, la ingestión, el engullimiento y la adherencia21,22. Los invertebrados pueden afectar indirectamente el transporte de microplásticos al formar macroporos en el suelo, que actúan como vías para el movimiento de microplásticos a través de la lixiviación21.

La principal preocupación con respecto a la presencia de MP en las aguas subterráneas es su persistencia relacionada con la gran superficie, los procesos de degradación menos amigables con el medio ambiente (que conducen a la formación de micro e incluso nanopartículas) y la fuerte hidrofobicidad17. Su persistencia causa un riesgo potencial de afectar la calidad del agua subterránea desde una perspectiva química y biológica. Los MP pueden contaminar químicamente las aguas subterráneas mediante la lixiviación de monómeros y aditivos no unidos, así como de productos químicos absorbidos del medio ambiente (por ejemplo, contaminantes orgánicos persistentes hidrófobos)23. Los MPs también pueden servir como sustrato para la formación de biopelículas e influir en la microbiología de las aguas subterráneas. Las biopelículas en MP también pueden contener microorganismos y patógenos de vida libre23. Si se ingieren, las partículas en sí mismas representan un peligro físico. Cuanto menor sea el tamaño de partícula, mayor será la posibilidad de que sean absorbidas por las células o crucen las barreras biológicas de los organismos23.

La investigación sobre los MP en las aguas subterráneas se reconoce cada vez más como crítica debido al riesgo potencial que representan para la salud humana. En consecuencia, la Directiva revisada sobre el agua potable para medir los MP entró en vigor en enero de 2021. Los Estados miembros de la UE estaban obligados a transponer la Directiva a la legislación nacional y garantizar el cumplimiento de sus disposiciones a más tardar el 12 de enero de 2023. Sin embargo, el número de estudios sobre parlamentarios realizados hasta la fecha sigue siendo limitado. Actualmente no existe un procedimiento estándar para muestrear y analizar MP en aguas subterráneas. Los estudios que evalúan la presencia de MP en las aguas subterráneas son difíciles de comparar, ya que utilizan diferentes enfoques analíticos y de muestreo. Por lo tanto, estudios recientes han puesto de manifiesto la necesidad urgente de estandarizar los protocolos de muestreo y análisis de MP para garantizar la recolección de muestras de alta calidad y obtener resultados comparables 12,17,24,25.

El muestreo basado en filtración y el muestreo de agarre son dos métodos comúnmente utilizados para recolectar muestras de agua subterránea en estudios de MP hasta la fecha. La filtración consiste en hacer pasar el agua a través de filtros de malla, ya sean cartuchos de acero inoxidable26 o tamices27, en el campo para capturar partículas de MP. Un gran inconveniente del uso de cartuchos y tamices es la dificultad de limpiarlos a fondo de partículas residuales, lo que compromete la capacidad de garantizar un análisis completo de las muestras y aumenta el riesgo de contaminación cruzada. El muestreo de agarre, utilizado con frecuencia en muchos estudios 28,29,30, es un enfoque más simple en el que el agua se recolecta directamente usando botellas o recipientes sin tratamiento previo. Si bien es adecuado para estudios exploratorios, el muestreo por agarre no refleja con precisión las concentraciones de MP debido a los pequeños volúmenes de muestra.

Este estudio presenta un sistema recientemente desarrollado para muestrear MP en aguas subterráneas (Figura 1), basado en la filtración de campo utilizando filtros disponibles comercialmente de tamaños de poro personalizables. El sistema permite la filtración simultánea de múltiples muestras y admite la filtración en cascada. Diseñado como una configuración completamente cerrada, evita eficazmente la contaminación ambiental de las muestras. Se proporciona un protocolo de muestreo detallado, acompañado de pautas de video, junto con procedimientos para el análisis posterior de la composición química y otras características de los MPs detectados. El sistema tiene como objetivo mejorar la calidad, la consistencia y la comparabilidad de la investigación futura en este campo.

Protocolo

1. Preparación del pozo para el muestreo

NOTA: Para evitar la contaminación en el campo, mantenga cerrado el sistema de filtrado, excepto cuando inserte los filtros o tome muestras. Evite el uso de herramientas y recipientes de plástico. Evite la ropa sintética (por ejemplo, vellón); Usa una bata de laboratorio de algodón blanco.

  1. Abra el pozo y retire los muestreadores, si los hay. Mida el nivel del agua subterránea con un medidor de nivel de agua.
  2. Registre las coordenadas GPS del pozo, la fecha del muestreo, el nivel del agua y otros detalles del muestreo en la hoja de datos (Tabla 1).

2. Configuración del equipo de muestreo

  1. Ensamble y baje con cuidado la bomba sumergible en el pozo a la profundidad deseada. Asegúrese de que la entrada de la bomba esté colocada aproximadamente 1 m por encima de la parte superior de la pantalla del filtro para evitar la entrada de sedimentos y mantener un flujo de agua óptimo.
    NOTA: Durante la instalación, manipule la bomba con cuidado para evitar daños en su cableado o componentes mecánicos.
  2. Configure el sistema de filtrado sin el filtro, soporte de pantallas y filtros y colóquelo horizontalmente.
  3. Cierre la válvula principal y abra la válvula de derivación.
  4. Conecte la manguera de suministro de agua.

3. Limpieza del pozo

  1. Encienda la bomba sumergible y deje que el agua fluya a través del bypass para limpiar el pozo. Bombee al menos 3 veces el volumen de agua presente en el pozo o continúe bombeando hasta que los parámetros fisicoquímicos se estabilicen, para garantizar que se muestree agua subterránea fresca.

4. Limpieza del sistema de filtrado antes de la toma de muestras

  1. Abra las válvulas de los ramales de muestreo y la válvula principal del sistema de filtrado. Luego, cierre la válvula de derivación.
    NOTA: Deje que el agua fluya a través del sistema de filtrado durante un tiempo suficiente para garantizar un lavado efectivo, que puede depender de la velocidad de bombeo. Durante el proceso de limpieza, se deben quitar las pantallas de soporte del filtro y los filtros.

5. Inserción de los filtros

  1. Primero abra la válvula de derivación y luego cierre la válvula principal.
  2. Abra la cámara del filtro y verifique que las cámaras del filtro estén limpias. Enjuague con agua ultrapura, si es necesario.
  3. Inserte la pantalla de soporte del filtro.
  4. Enjuague el filtro del tamaño de poro deseado con agua ultrapura y colóquelo en la pantalla de soporte del filtro.
  5. Cierre la cámara del filtro.
  6. Repita el proceso para todas las ramas.
    NOTA: Se pueden insertar secuencialmente varios filtros con tamaños de poro decrecientes para la filtración en cascada. Posteriormente se pueden instalar cámaras de filtrado adicionales con filtros del mismo tamaño de poro que los filtros de muestreo. Así lo exige el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, de 11 de marzo de 2024, por la que se completa la Directiva (UE) 2020/2184 del Parlamento Europeo y del Consejo para la toma de muestras de MP en el agua potable, que exige el uso de filtros de 100 μm y 20 μm seguidos de otro conjunto de filtros de 100 μm y 20 μm (como blancos a efectos de control de calidad).

6. Recogida de muestras

  1. Lea y registre el medidor de agua o restablezca a cero.
  2. Abra la válvula principal, cierre la válvula de derivación y marque la hora de inicio del muestreo.
  3. Supervise el manómetro durante el muestreo para asegurarse de que la presión no supere los cuatro bares para evitar dañar el equipo y minimizar la fragmentación de MP.
  4. Detener el muestreo cuando se filtra el volumen de agua planificado o cuando los filtros comienzan a obstruirse, lo que indica un aumento de la presión o una disminución significativa del flujo.
  5. Para detener el muestreo, primero abra la válvula de derivación y luego cierre la válvula principal y las válvulas en las ramas de filtración.
  6. Apague la bomba.
  7. Registre la hora y las lecturas finales del medidor de agua.
    NOTA: Para obtener una muestra representativa de agua subterránea en el punto de muestreo, se recomienda tomar muestras de mayores volúmenes de agua, por ejemplo, al menos 1 m3/réplica.
    Es imperativo monitorear continuamente todo el sistema de muestreo, particularmente el medidor de agua y el manómetro, durante todo el procedimiento de muestreo. Un aumento de la presión acompañado de una disminución del flujo de agua indica que el filtro está empezando a obstruirse. Cuando esto ocurre, es recomendable detener el sistema y reemplazar los filtros usados por otros nuevos. Al recolectar la muestra a través de múltiples filtros de esta manera, el volumen deseado de agua filtrada aún se puede lograr de manera eficiente.

7. Recogida de los filtros

  1. Enjuague una placa de Petri de vidrio con agua ultrapura.
  2. Abra la cámara del filtro y transfiera con cuidado el filtro mantenido en posición horizontal, a una placa de Petri limpia.
  3. Selle la placa de Petri con una película de sellado y etiquétela con el nombre de la muestra y la fecha de muestreo.
  4. Repita este procedimiento para todas las cámaras de filtro (Figura 2).
  5. Después de la recolección de muestras, desmonte el sistema. Siempre enjuague el sistema con agua dulce y séquelo antes de guardarlo.
    NOTA: Alternativamente, almacene todo el componente de la cámara de filtro del sistema de filtrado para su posterior procesamiento en el laboratorio.

8. Separación de microplásticos de las muestras

NOTA: Para evitar la contaminación en el laboratorio, antes de comenzar el análisis de las muestras, asegúrese de que el laboratorio esté limpio de polvo, cierre la ventana y use aire acondicionado con filtro HEPA. Evite el uso de herramientas y recipientes de plástico. La cristalería debe enjuagarse con agua ultrapura y revisarse bajo el microscopio antes de su uso. Use ropa no sintética. Use una bata de laboratorio de algodón blanco para minimizar la contaminación.

NOTA: El microscopio estereoscópico debe estar equipado con una cámara y un software de análisis de imágenes que permita una medición precisa del tamaño de las partículas.

  1. Retire la película de sellado y abra la placa de Petri.
  2. Transfiera la placa de Petri al microscopio estereoscópico con un aumento de al menos 30x y busque partículas potencialmente plásticas, centrándose en características como el color, la forma y otras características visibles.
  3. Transfiera cada partícula que parezca ser plástico, tome una foto y mida su tamaño. Evalúe las siguientes propiedades para cada partícula de MP: tamaño (partículas: feretmax o diámetro equivalente al área; fibras: ancho y largo), forma (partículas: fragmento, película, espuma, gránulo, gránulo; fibras), color y composición química (la metodología se describe a continuación) (Figura 3).
    NOTA: Tenga en cuenta que algunos parlamentarios serán fácilmente identificables por su color y forma, mientras que otros pueden ser más desafiantes.
    Los principales parámetros para la identificación de MP se describen en el protocolo para el muestreo de MP en la superficie del mar y el análisis de muestras26. La luz polarizadora puede ser muy útil para separar MP de sedimentos y partículas orgánicas. Al aislar los MP potenciales de las muestras, opte por un enfoque conservador seleccionando más partículas en lugar de menos para un análisis detallado.

9. Identificación química de microplásticos

NOTA: El análisis químico de MP potencial se puede realizar para MP grandes (1-5 mm) usando ATR-FTIR y para MP pequeños (<1 mm) usando micro-FTIR. También son posibles métodos alternativos, como la espectroscopia Raman.
El software del instrumento FTIR debe admitir el control preciso de los parámetros de medición y la adquisición de datos espectrales en tiempo real, junto con herramientas de procesamiento avanzadas como la corrección de fondo y el suavizado. Debe incluir una biblioteca completa de polímeros y permitir una identificación fiable de sustancias mediante la comparación de bibliotecas espectrales para apoyar el análisis preciso de microplásticos en muestras ambientales, especialmente en matrices complejas como las aguas subterráneas.

  1. Espectroscopia ATR-FTIR
    1. Antes de comenzar el análisis, limpie a fondo el cristal ATR y el presor de muestras con alcohol al 70% y un paño sin pelusa.
    2. Configure los ajustes de medición en 16 escaneos típicos con un número de onda que oscila entre 4000 y 450 cm -1 y una resolución de 4 cm -1. Luego, recopile el espectro de fondo. Coloque las partículas una por una sobre el cristal ATR, aplique presión e inicie las mediciones.
    3. Haga coincidir los espectros infrarrojos adquiridos con los de las bibliotecas de referencia para confirmar que las partículas son MP. Por lo general, una correlación del 70% con los espectros de la biblioteca se considera suficiente para una identificación positiva (Figura 4).
    4. Exporte los datos obtenidos para su posterior análisis e informes.
  2. Espectroscopia Micro-FTIR
    1. Asegúrese de que todas las partes relevantes del instrumento, como la platina, se limpien con alcohol y un paño sin pelusa, antes del análisis.
    2. Si el muestreo no se ha realizado directamente en una superficie adecuada para el modo de medición seleccionado, como ATR o reflexión, coloque las posibles partículas de plástico en una superficie reflectante adecuada, como membranas recubiertas de oro o aluminio o portaobjetos de microscopio.
    3. Seleccione la configuración de medición para la sesión, incluido el número de escaneos, el rango espectral, la resolución y el nombre de la sesión. Localice la muestra y capture una imagen en mosaico del área donde se encuentran todas las partículas.
    4. Para las mediciones de reflexión, primero mida el fondo antes de medir los espectros infrarrojos de las posibles partículas de plástico.
    5. Identifique y marque los puntos donde se medirán los espectros infrarrojos de las partículas seleccionadas. Si es necesario, seleccione varios puntos en cada partícula. Después de seleccionar todos los puntos, inicie la medición.
      NOTA: También es factible obtener imágenes infrarrojas de áreas de interés más grandes, particularmente si la muestra se recolecta directamente en una superficie de medición infrarroja adecuada.
    6. Compare los espectros infrarrojos recopilados con los de las bibliotecas de referencia. Elija un valor umbral para establecer la presencia de parlamentarios. Por lo general, una coincidencia del 70% es suficiente para una identificación positiva.
    7. Exporte los datos obtenidos para su posterior análisis e informes.

Resultados

El primer resultado de este protocolo es la base de datos de todos los MP encontrados en cada muestra (Tabla 2), que se puede utilizar para un análisis posterior de la cantidad de MP y sus propiedades (color, tamaño, forma en la composición del material).

El objetivo principal del muestreo de MP y el análisis de muestras es determinar la cantidad de partículas de MP por muestra (Figura 5). Estos datos se pueden normalizar posteriormente por metro cúbico (m3). La fórmula de normalización es la siguiente:
Partículas MP por m3 por muestra = N / V

Dónde:
N = suma de partículas MP por muestra
V = volumen de muestra (m3)

figure-results-1
Figura 1: Esquema del sistema de muestreo utilizado en el protocolo. El sistema de muestreo consta de una tubería de entrada con tres patas, en la que una pata está dispuesta para la conexión a una bomba, una segunda pata está dispuesta para la conexión a una unidad de distribución y una tercera pata está dispuesta para garantizar un desvío del agua más allá de las unidades de muestreo. La unidad de distribución tiene cuatro ramas dispuestas simétricamente para la conexión a la unidad de muestreo correspondiente, en la que en el centro de la unidad de distribución se instala un dispositivo de medición de presión. Cada unidad de muestreo está provista de una válvula, tres portafiltros y un medidor de flujo instalado aguas abajo del portafiltros para evitar la contaminación de la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2: Ejemplo de filtros después de 1 m3 de agua subterránea muestreada. Izquierda: filtro de red de nailon con un tamaño de poro de 100 μm, derecha: filtro de red de nailon con un tamaño de poro de 20 μm. Los filtros pueden diferir en la cantidad de sedimentos y partículas orgánicas, según la ubicación del muestreo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 3: Ejemplos de partículas representativas de diversas formas. (A) fragmentos; (B) fibras. Las barras de escala se muestran en las imágenes. Las partículas pueden ser de muchos colores, formas y tamaños diferentes. El tamaño de los fragmentos se mide como diámetro de Feret o diámetro equivalente al área, mientras que las fibras se miden en su longitud y anchura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 4: Ejemplos de espectros medidos en una partícula seleccionada con picos marcados y sus longitudes de onda [cm-1], comparados con una biblioteca espectral. El espectro de la muestra debe mostrar al menos un 70% de correlación con los espectros de referencia de la biblioteca. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-5
Figura 5: Resultados de ejemplo del número de microplásticos por m3 por lugar de muestreo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Ubicación: Pozo 1Fecha: 1 de abrilInvestigador(es): Investigador 1, investigador 2, investigador 3
Coordenadas GPS: 46.056946 N 14.505751 E
Proyecto: Muestreo de aguas subterráneas
Condiciones climáticas: Soleado
Temperatura (°C): 20
Muestras
ID de muestraGW1.1GW1.2GW1.3GW1.4
Posición de filtración1234
Tipo de filtroNailon - 100 μm, 20 μmNailon - 100 μm, 20 μmNailon - 100 μm, 20 μmNailon - 100 μm, 20 μm
Profundidad de muestreo (m)25252525
Hora de comienzo10.0010.0010.0010.00
Contador de agua START (m3)437.4199
Hora de finalización10.45
Contador de agua END (m3)438.421
Volumen de agua muestreado (m3)1.001
Otro

Tabla 1: Ejemplo de hoja de datos de muestreo, que incluye parámetros como ubicación, fecha, condiciones ambientales y datos relacionados con la filtración de agua.

UbicaciónMuestraID de partículasFormaTamaño (mm)ColorComposición química% de coincidenciaPolímeros prioritariosInstrumentoEspectroOtro
Pozo 1Borehole1_1_202422041partícula0.54negroPolitetrafluoetileno80.2PTFEEspectro dosABC1111
Pozo 1Borehole1_1_202422042fibra0.98azulTerafalato de polietileno91.9MASCOTARaptIRABC1112
Pozo 1Borehole1_2_202422041fibra1.54azulPoliamida75.0PAPÁRaptIRABC1113
Pozo 1Borehole1_2_202422042fibra2.87rojoTerafalato de polietileno98.0MASCOTARaptIRABC1114
Pozo 1Borehole1_2_202422043fibra3.04rojoTerafalato de polietileno71.3MASCOTARaptIRABC1115
Pozo 1Borehole1_2_202422044fibra1.27azulTerafalato de polietileno83.6MASCOTARaptIRabc1116
Pozo 1Borehole1_3_202422041partícula1.93BlancoPolietileno85.3PEIEspectro dosABC1117
Pozo 1Borehole1_3_202422042partícula0.96azulPolietileno89.4PEIEspectro dosABC1118
Pozo 1Borehole1_3_202422043fibra0.54azulPoliamida73.2PAPÁRaptIRABC1119

Tabla 2: Ejemplo de base de datos de todas las partículas microplásticas aisladas por muestreo, incluidos parámetros como forma, tamaño, color y material para cada partícula.

Discusión

El análisis de laboratorio de los MP en este protocolo sigue el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, de 11 de marzo de 2024, por la que se completa la Directiva (UE) 2020/2184 del Parlamento Europeo y del Consejo mediante el establecimiento de una metodología para medir los MP en aguas destinadas al consumo humano [anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión] y las Orientaciones sobre el seguimiento de la basura marina en los mares europeos31 desarrollado para la aplicación de la Directiva marco sobre la estrategia marina (DMEM). Una vez completado este protocolo, cada partícula o fibra MP con su propia identificación se documenta con una imagen, espectros y todas las propiedades adquiridas. Cada partícula MP se describe en términos de su forma, tamaño, color, transparencia y composición química (tipo de polímero).

Según el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, los MP se dividen en dos tipos de formas: partículas y fibras. Las partículas se pueden clasificar además en fragmentos, películas, espumas, gránulos y gránulos. Esta clasificación se utiliza en la supervisión de los MP para la Directiva marco sobre la estrategia marina. La diferenciación entre los diferentes tipos de formas de MP se describe en las directrices de la DMEM31 y en el protocolo de vídeo para el muestreo de MP en la superficie del mar32. El tamaño de cada partícula se mide como el diámetro máximo de Feret31 o el diámetro equivalente a la superficie [anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión], mientras que las dimensiones de las fibras se registran en términos de su longitud y anchura31. Aunque el color y la transparencia no están incluidos en los datos adquiridos según el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, sí están incluidos en la lista de propiedades de los MP recopiladas para la Directiva marco sobre la estrategia marina. Las clasificaciones se describen en los cuadros 7.3 y 7.4 de las directrices de la Directiva marco sobre la estrategia marina31, respectivamente.

Sobre la base del resultado de la búsqueda de espectro en la biblioteca de espectro, las partículas MP se clasifican en uno de los grupos de polímeros prioritarios enumerados en el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, sección 1, puntos 14 y 15, o se clasifican como otros materiales en la sección 1, punto 15. La composición química de las fibras debe analizarse solo si sus dimensiones y las capacidades del instrumento permiten una identificación positiva del tipo de polímero; de lo contrario, se indicarán como fibras no identificadas.

El monitoreo de MP en aguas subterráneas se limita a un pequeño número de estudios de investigación con diferentes metodologías que pueden afectar los resultados finales14. Los factores clave incluyen: 1) lavado antes del muestreo, 2) tipo de bomba, 3) sistema de filtración, 4) material filtrante y tamaño de poro, 5) volumen de muestreo, 6) tratamiento de muestras, 7) detección y cuantificación de MPs y 8) control de calidad. Estos factores y sus características se analizan con más detalle a continuación.

En la mayoría de los estudios existentes, no se menciona el bombeo previo (lavado) antes del muestreo. Pero también se debe proporcionar información al respecto33, ya que la purga tiene un impacto significativo en la concentración de parlamentarios28. Nuestro protocolo incluye el bombeo previo, ya que este proceso es crucial para tomar muestras de agua subterránea dulce del acuífero en lugar del agua estancada acumulada en el pozo. Para limpiar eficazmente el pozo, es necesario bombear 2-3 veces el volumen del pozo o continuar hasta que los parámetros fisicoquímicos del agua se estabilicen14. La muestra de agua debe recogerse aproximadamente 1 m por encima de la parte superior de la pantalla del filtro para evitar la entrada de sedimentos y garantizar la homogeneidad de la muestra.

La recolección de muestras de agua subterránea de pozos requiere el uso de una bomba. El caudal está fuertemente influenciado por la profundidad de muestreo, el tipo de bomba utilizada y la condición del pozo, que está estrechamente relacionado con las características específicas del agua de la ubicación, como el contenido de sedimentos, así como con las condiciones climáticas prevalecientes y recientes en el momento del muestreo.

Por lo general, la mayoría de las bombas contienen piezas de plástico, que pueden contaminar las muestras, pero la mayoría de los estudios no especifican el tipo de bomba utilizada. Se recomiendan bombas con todos los componentes de acero inoxidable. Si esto no es posible, los materiales deben especificarse en términos de su composición química mediante análisis FTIR. Los espectros de los materiales utilizados deben incluirse en la biblioteca y las partículas de las muestras deben compararse con ellos para tener en cuenta la posible contaminación.

Para las bombas equipadas con impulsores, las partículas de MP más grandes pueden dañarse o incluso fragmentarse a medida que pasan a través de la bomba. Para evitar sobreestimar la presencia de MP, es esencial evaluar si la bomba de muestreo contribuye a la fragmentación de las partículas de plástico. Esto se puede probar introduciendo un número conocido de partículas de MP bien caracterizadas en agua previamente limpiada y bombeándola a través del sistema de filtrado. Después del bombeo, las partículas deben volver a caracterizarse para determinar si se han producido cambios físicos, como fragmentación o alteración de la superficie. Este paso de validación ayuda a garantizar que el proceso de muestreo no aumente artificialmente los recuentos de MP debido a la degradación mecánica.

Para proporcionar un gran volumen de agua muestreada, es necesario un sistema de filtrado adecuado para su uso en el campo. En nuestro protocolo, para evitar la contaminación, el sistema de filtrado (el sistema de muestreo está patentado bajo SLO-P-202300155 y está pendiente de patente EPO-EP24217168.4) está fabricado en acero inoxidable con todos sus componentes soldados y no incluye teflón (PTFE) ni ninguna otra cinta aislante fabricada con materiales plásticos. Como los filtros pueden obstruirse muy rápidamente, la filtración en cascada se incluye como opción, lo que también puede permitir la distribución directa de partículas en las clases de tamaño deseadas. Por lo general, se utilizan filtros con tamaños de poro de 100 μm y 20 μm o 10 μm. Se pueden agregar filtros adicionales para abordar posibles problemas de obstrucción (por ejemplo, un filtro adicional con poros entre 100 μm y 20 μm). El anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión recomienda la filtración en cascada con cuatro etapas: el primer filtro tiene poros de 100 μm, el segundo de 20 μm, el tercero de 100 μm y el cuarto de 20 μm. Los dos primeros filtros se utilizan para el análisis de MP, y el tercero y el cuarto se utilizan para la evaluación de los niveles de contaminación de MP (control de calidad del muestreo) y para garantizar que todas las partículas hayan sido filtradas por los dos primeros.

El caudalímetro (especialmente si es mecánico) debe instalarse después de la cascada de filtros para el muestreo para medir con precisión el volumen de agua muestreada. Durante el muestreo, es esencial controlar la presión del sistema. Si la presión supera los 4 bares, esto indica que el filtro está obstruido y el sistema debe apagarse inmediatamente para evitar daños al filtro o al sistema. Para evitar una fragmentación adicional de los MP, el muestreo debe realizarse a la presión más baja posible.

Como se ha mencionado, la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión propone utilizar filtros de 100 μm y 20 μm. En este estudio se utilizaron filtros de nylon. Sin embargo, en este caso, es necesario recoger las partículas de MP de los filtros y transferirlas directamente a ATR-FTIR o portaobjetos reflectantes adecuados para trabajar en modo de reflexión con microscopía FTIR o Raman. Los filtros de malla de nailon son eficaces para filtrar a través de filtros con tamaños de poro de 100 μm, ya que las partículas de este tamaño se pueden manipular manualmente. Sin embargo, cuando se utilizan filtros de 20 μm, se recomiendan filtros recubiertos de silicona o aluminio para facilitar las mediciones en modo de transmisión o reflexión mediante microscopía FTIR o Raman.

La literatura sugiere muestrear al menos 500 L de agua para evitar subestimar la presencia de MP34. De conformidad con el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, deben tomarse muestras de 1 m3 de agua. Se debe considerar el volumen recomendado para evitar sobrestimar la concentración de MP en la muestra. Este gran volumen de agua aumenta el riesgo de obstrucción del filtro, por lo que la filtración en cascada es muy recomendable.

Las muestras del sistema presentado se preparan inmediatamente para el análisis de MP utilizando un microscopio estereoscópico. Este es un método muy eficiente en tiempo y costo. Muchos estudios detallan los pasos previos al tratamiento para eliminar la arena y la materia orgánica; sin embargo, estos procedimientos requieren mucho tiempo y pueden implicar el uso de productos químicos tóxicos. Estos pasos de pretratamiento también pueden afectar negativamente a los resultados, ya que conducen a una fragmentación adicional o a la pérdida de partículas, especialmente las más pequeñas (< 100 μm)35. Por lo tanto, es preferible evitar estos pasos a menos que sea necesario. Dichas instrucciones también se describen en la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión, en la que se propone que el análisis de muestras mediante microespectroscopia FTIR pueda realizarse directamente en los filtros de recogida originales, si son compatibles con el método analítico utilizado, y que se utilice una etapa de flotación si es necesario.

Primero, las muestras de filtro se analizan con microscopios estereoscópicos, por lo que cada partícula se documenta fotográficamente, se etiqueta con identificación, se mide el tamaño y se evalúa la forma. La determinación de la forma es importante ya que puede proporcionar información sobre la fuente de los MPs. Las fibras generalmente provienen del lavado de textiles y se originan en plantas de tratamiento de aguas residuales, mientras que los fragmentos generalmente provienen de la degradación de partículas de plástico grandes en el medio ambiente. En la segunda parte del análisis, la composición química de cada partícula se determina mediante microscopía ATR-FTIR o FTIR/Raman. Generalmente, todas las partículas del filtro a los portaobjetos reflectantes se transfieren para realizar análisis en modo reflectante con microscopía FTIR. Si la muestra se recoge en un filtro de silicona de 20 μm, se puede realizar un análisis directo con el microscopio Raman o FTIR, siempre que el filtro no esté excesivamente cubierto de partículas de arena. Si las partículas están incrustadas en la arena, se pueden aplicar tratamientos de separación por densidad y/o químicos o enzimáticos para reducir la presencia de materiales no plásticos como minerales, óxidos metálicos y materia orgánica natural. Las partículas de MP deben secarse antes de la medición, ya que el agua absorbe fuertemente la radiación IR.

Para garantizar la credibilidad de los resultados, se deben considerar los siguientes elementos de control de calidad: Primero, prevención de la contaminación del aire: para evitar la contaminación atmosférica durante el muestreo, es esencial un sistema de filtro cerrado. Para evitar la contaminación del aire en el proceso de análisis, se requiere una bata de laboratorio de algodón blanco y filtración de aire a través de un filtro HEPA. En segundo lugar, la prevención de la contaminación por el sistema de filtrado: el único componente del sistema en el que los polímeros son inevitables son las mangueras. Se recomiendan mangueras de silicona y deben reemplazarse en caso de daños visibles. Es necesario conocer los componentes de la bomba y probar la bomba para detectar una posible contaminación de las muestras si se establece la presencia de polímeros. En tercer lugar, la prevención de la contaminación durante el trabajo de laboratorio: solo los equipos de laboratorio hechos de vidrio y lavados con agua ultrapura son adecuados para el análisis de MP. En cuarto lugar, muestras paralelas para garantizar la reproducibilidad y la significación estadística de los resultados: este sistema de filtración permite el muestreo simultáneo de cuatro ramas. Se debe obtener un mínimo de tres muestras paralelas para garantizar las mismas condiciones para todas las muestras y ahorrar tiempo. En quinto lugar, las muestras en blanco deben incluirse en todos los pasos del muestreo y los procesos de laboratorio. Durante el muestreo sobre el terreno, se instalan filtros en blanco de 100 μm y 20 μm después de los filtros de muestra de 100 μm y 20 μm, tal como se propone en el anexo de la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión. Las muestras en blanco obtenidas en el procedimiento de muestreo deben tenerse en cuenta en todas las etapas analíticas siguiendo el mismo procedimiento.

El protocolo descrito en este documento cumple todos los requisitos establecidos por la Decisión Delegada (UE) 2024/1441 de la Comisión y, por lo tanto, proporciona un excelente recurso para todos los investigadores que estudian o monitorean MP en aguas subterráneas. El sistema de filtración descrito también se puede utilizar para agua dulce o marina, ya que permite el muestreo de MP a diferentes profundidades. El método de muestreo es simple, fácil de usar y proporciona resultados rápidos y precisos en la mayoría de los casos sin necesidad de un tratamiento previo de la muestra.

Divulgaciones

Los autores no tienen conflictos de intereses que divulgar.

Agradecimientos

El desarrollo de este protocolo fue financiado por la Agencia Eslovena de Investigación e Innovación en el marco del proyecto de investigación "Métodos mejorados para la determinación de los procesos de transporte de MP en los recursos hídricos subterráneos" (GWMicroPlast) (J1-50030) y el programa de investigación Aguas subterráneas y geoquímica (P1-0020), así como por el proyecto de los Fondos de Investigación Científica "Microplástico en la geosfera" (Manca).

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Espectrómetro ATR-FTIRPerkinElmerL160000FSpectrumTwo
Microscopio FTIRThermoFischer ScientificIQLAADGAAGFARMMBMNRaptIR
Placas de Petri de vidrioMarca45571760 mm de diámetro
Membranas de rede de nylonMerckNY1H04700Hidrofílico, 100  & micro; m, 47  mm, 100
Membranas de rede de nylonMerckNY2004700Hidrofílico, 20  & micro; m, 47  mm, 100
Pinzas precisasBraunBBD335RMicropinza
Película de selladoAmcor Flexibles NortePM992Parafilm M
Estereomicroscopio Zeiss495015-9880-010StereoDiscovery V8
Bomba de agua sumergibleGrundfoss96510217SQ 5-70
Medidor de nivel de aguaHidrotecnik/Tipo 010

Referencias

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