Formation de micro et nanoplastiques à partir de films plastiques agricoles pour l’emploi dans les études de recherche fondamentale

Résumé

Nous montrons la formation et la caractérisation dimensionnelle des micro et nanoplastiques (MP et NP, respectivement) en utilisant un processus par étapes de fraisage mécanique, de meulage et d’analyse d’imagerie.

Résumé

Les microplastiques (MP) et les nanoplastiques (NP) dispersés dans les écosystèmes agricoles peuvent constituer une grave menace pour le biote dans le sol et les cours d’eau avoisinants. En outre, les produits chimiques tels que les pesticides adsorbés par les NP peuvent nuire aux organismes du sol et potentiellement entrer dans la chaîne alimentaire. Dans ce contexte, les plastiques utilisés à des fins agricoles, tels que les films de paillis plastique, contribuent de manière significative à la pollution plastique dans les écosystèmes agricoles. Cependant, la plupart des études fondamentales sur le devenir et l’écotoxicité utilisent des matériaux MP idéalisés et peu représentatifs, tels que les microsphères de polystyrène.

Par conséquent, comme décrit ici, nous avons développé une procédure en plusieurs étapes à l’échelle du laboratoire pour former mécaniquement des MP et des IP représentatifs pour de telles études. La matière plastique a été préparée à partir de pellicules de paillis plastique disponibles dans le commerce de polybutyrate d’adipate-co-téréphtalate (PBAT) qui ont été fragilisées par traitement cryogénique (CRYO) ou altération environnementale (W), et à partir de granulés PBAT non traités. Les matières plastiques ont ensuite été traitées par fraisage mécanique pour former des MPs d’une taille de 46 à 840 μm, imitant l’abrasion des fragments de plastique par le vent et les machines mécaniques. Les MP ont ensuite été tamisés en plusieurs fractions de taille pour permettre une analyse plus approfondie. Enfin, la fraction tamisée de 106 μm a été soumise à un broyage humide pour générer des NP de 20 à 900 nm, un processus qui imite le processus de réduction lente de la taille pour les MP terrestres. Les dimensions et la forme des MP ont été déterminées par l’analyse d’images de stéréomicrographies, et la diffusion dynamique de la lumière (DLS) a été utilisée pour évaluer la taille des particules pour les NP. Les MP et les IP formés par ce processus possédaient des formes irrégulières, ce qui correspond aux propriétés géométriques des MP récupérés dans les champs agricoles. Dans l’ensemble, cette méthode de réduction de la taille s’est avérée efficace pour former des MP et des NP composés de plastiques biodégradables tels que le polybutylène adipate-co-téréphtalate (PBAT), représentant des matériaux de paillis utilisés pour la production de cultures spéciales agricoles.

Introduction

Au cours des dernières décennies, l’augmentation rapide de la production mondiale de plastiques, l’élimination inappropriée et le manque de recyclage des déchets plastiques ont entraîné une pollution environnementale qui a eu un impact sur les écosystèmes marins et terrestres ^1,2,3. Les matières plastiques sont essentielles pour l’agriculture contemporaine, en particulier pour cultiver des légumes, des petits fruits et d’autres cultures spéciales. Leur utilisation comme films de paillis, revêtements de tunnel hauts et bas, ruban d’égouttage et autres applications vise à améli....

Protocole

1. Traitement des MP à partir de granulés de plastique par prétraitement cryogénique et broyage

NOTE: Cette méthodologie est basée sur une procédure décrite ailleurs, utilisant un film PBAT composé du même matériau utilisé pour cette étude^{présentée 29}.

1. Peser les échantillons de granulés de polymère de ~1 g et les transférer dans un bocal en verre de 50 mL.
2. Placez le tube de « livraison rectangulaire » avec un tamis de 20 mailles (840 μm) dans la fente devant le train de coupe rotatif et soulevez le tube de refoulement jusqu’à ce qu’il atteigne la goupille d’arrêt.
3. Placez....

Résultats

Pour valider la méthode et l’analyse de la procédure expérimentale, des MP et des NP ont été formés à partir de granulés et de matériaux de film et comparés par taille et forme à l’aide d’images microscopiques. La méthode décrite à la figure 1 a permis de former efficacement des MP et des NP à partir de granulés et de films plastiques biodégradables; Ceci a été réalisé grâce au refroidissement cryogénique, au broyage, au broyage humide et à la caractérisation. La première étape n’était pas n.......

Discussion

Cette méthode décrit un procédé efficace initialement décrit dans une publication précédente²⁹, pour préparer des MNP provenant de granulés et de films de paillis pour des études environnementales. Le processus de réduction de la taille impliquait un refroidissement cryogénique (pour film seulement), un broyage à sec et des étapes de broyage humide, pour fabriquer des MNP modèles. Nous avons appliqué cette méthode pour préparer des MNP à partir d’une large gamme de matières premières polymères, y .......

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Plat en aluminium, 150 mL  ;	Fisher Scientific, Waltham, MA,	États-Unis 08-732-103	Séchage des NP collectés
Plat en aluminium, 500 mL	VWR International, Radnor, PA, USA	25433-018	Collecte des NP après broyage humide
Centrifugeuse	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	Centrific 228	Conteneur pour centrifugation
Tube de distribution, #20, 840 µ ; m	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M30	Tamisage de la première fraction pendant le broyage
Tube de livraison, #60, 250 & micro ; m	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M45	Tamisage de la deuxième fraction (3x)  ; pendant le broyage
Thermomixeur,  ; 5350 Mélangeur	Eppendorf North America, Enfield, CT, USA	05-400-200	Analyse des expériences de tamisage
FT-IR Spectrum Two, spectromètre à réflectance totale atténuée (ATR)	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	L1050228  ;	Mesure des spectres FTIR
Bécher en verre, 1000 mL	DWK Life Sciences, Milville, NJ, États-Unis	02-555-113	Agitation de la suspension d’eau MPS avant broyage
Plaque frontale en verre	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, États-Unis	3383N55  ;	Couverture avant plaste pour Wiley Mini Mill
Pot en verre, 50 mL	Uline, Pleasant Prairie, WI, États-Unis	S-15846P	Collective MPS après fraisage
Boîte à gants, néoprène	Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, États-Unis	BEL-H500290000	22 pouces, taille 10
Zetasizer Nano ZS 90 analyseur de taille	Malvern Panalytical, Worcestershire, Royaume-Uni  ;	Zetasizer Nano ZS	Mesure des nanoplastiques dispersés dans l’eau DI
Caméra microscope	Nikon, Tokyo,  ; 108-6290, Japon	Nikon Digital Sight 10	Combiné avec le microscope Olympus pour recevoir des images numériques
Microscope	Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japon	Modèle SZ 61	Imagerie des MP Pot d’azote
, flacons de Dewar de forme basse	Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA	UX-03771-23	Stockage de l’azote liquide pendant le refroidissement cryogénique
Accurate Blend 200, mélangeur à 12 vitesses	Oster, Boca Raton, FL, USA	6684	Initier la réduction de la taille des films plastiques traités cryogéniquement
PBAT, - BioAgri&trade ; (Mater-Bi® ;)	BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, États-Unis	0,7 mm	d’épaisseur Matière première pour former des MP et des NP, film de paillis agricole
Granulés PBAT	Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA	Diamètre 3 mm Matière	première pour former des microplastiques (MP) et des nanoplastiques (NP) Fraisage et broyage en auge
Tubes à centrifuger en plastique, 50 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	06-443-18	Centrifugation du lisier après broyage humide
Pot en plastique, 1000 mL, pré-nettoyé, à parois droites	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	05-719-733	Collecte des NP pendant et après le broyage humide Barres d’agitation
polygonales, diamètreø ;=8 mm, longueur=50.8 mm  ;   ;	Fisher Scientific, Waltham, MA, États-Unis	14-512-127	Agitation de la boue de MP avant broyage humide
Ciseaux, liés au titane	Westcott, Shelton, CT, USA	13901	Découpe de matières premières en film PBAT
Cellule de verre carrée avec ouverture carrée et capuchon, 12 mm de diamètre extérieur.	Malvern Panalytical, Worcestershire, Royaume-Uni  ;	PCS1115	Mesure de la taille des particules NPs
Fond en acier inoxydable, 3 pouces, casserole	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8401	Pour le tamisage après le broyage Wiley
Tamis en acier inoxydable, 3 pouces, n° 140 (106 µ ; m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1308	Pour le tamisage après le broyage Wiley
Tamis en acier inoxydable, 3 pouces, n° 20 (850 µ ; m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1296	Tamis en acier inoxydable après fraisage Wiley
, 3 pouces, n° 325 (45 & micro ; m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1313	Tamis en
acier inoxydable, 3 pouces, n° 60 (250 µ ; m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1303	Tamisage des MP après fraisage Wiley
Couvercle supérieur en acier inoxydable, 3 pouces	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8406	Tamisage des MP après fraisage Wiley
Pince à épiler en acier inoxydable	Global Industrial, Port Washington, NY, USA	T9FB2264892	Transfert de particules de film congelées du bocal vers le mélangeur
Four à vide, modèle 281A	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	13-262-50	Four à vide pour sécher les NP après le meulage humide
Rectifieuse par friction, colloïde Supermass	Masuko Sangyo, Tokyo, Japon	MKCA6-2J	Rectifieuse pour former des NP à partir de MP
Pierre de meulage humide, granulométrie : 297 &mu ; m -420 &mu ; m	Masuko Sangyo, Tokyo, Japon	MKE6-46DD	Meulière pour former des NP à partir de MP
Wiley Mini Mill, broyeur rotatif	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, États-Unis	NC1346618	Réduction de la taille des granulés et des films en MP et
NPsSoftware
FTIR-Spectroscopy	Software Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	Spectrum 10  ;	Collecte des spectres des plastiques initiaux, des MP et des NP
Image J, programme de traitement	d’images National Institutes of Health, Bethesda, MD, États-Unis	Version 1.53n	Analyse des images numériques reçues de la microscopie  ;
Logiciel de microscope, logiciel ds-fi1	Malvern Panalytical , Malvern, Royaume-Uni	Firmware DS-U1 Ver3.10	Enregistrement d’images numériques
Microsoft, Windows,   ; Excel 365, tableur	Microsoft, Redmond, WA, États-Unis	Office 365	Calcul de la taille moyenne des particules et création d’images spectrales FTIR
Logiciel JMP, logiciel statistique	SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021	Version 15	Analyse statistique de la taille des particules et exécution du meilleur ajustement de l’ensemble de données
Logiciel de désagrégation	Camo Analytics, Oslo, Norvège	Version 9.2	Normalisation et conversion des spectres FTIR en .csv à partir de

Matière première de