מוצגת כאן שיטה למיצוי מיקרופלסטיק מהאדמה וזיהוי סוגי הפולימרים שלהם. השיטה עברה אופטימיזציה לביצוע, ישימות וחסכוניות. הוא מניח בסיס מדעי לסטנדרטיזציה של השיטה האנליטית לזיהוי מיקרופלסטיק בקרקעות.
מאמר שיטה
מוצגת כאן שיטה למיצוי מיקרופלסטיק מהאדמה וזיהוי סוגי הפולימרים שלהם. השיטה עברה אופטימיזציה לביצוע, ישימות וחסכוניות. הוא מניח בסיס מדעי לסטנדרטיזציה של השיטה האנליטית לזיהוי מיקרופלסטיק בקרקעות.
זיהום מיקרופלסטיק (MPs) בסביבה היבשתית זכה לתשומת לב הולכת וגוברת בעשור האחרון, עם יותר ויותר מחקרים המתארים את מספרם וסוגיהם של חברי הפרלמנט במערכות קרקע שונות ואת השפעותיהם על בריאות הקרקע והיבול. עם זאת, נעשה שימוש בשיטות חילוץ וניתוח שונות של חברי פרלמנט, המגבילים את ההזדמנויות להשוות תוצאות וליצור ראיות מהימנות לייעוץ בתעשייה ולקובעי מדיניות. כאן, אנו מציגים פרוטוקול המתאר את המתודולוגיה לדגימה, הפרדה וזיהוי כימי של חברי פרלמנט קונבנציונליים מהאדמה. השיטה זולה, והחומרים זמינים. זה משפר את הקלות התפעולית ועשוי לסייע באימוץ נרחב. הפרוטוקול מספק מידע מפורט על איסוף דגימות מ-0-30 ס"מ העליונים של האדמה באמצעות כלים נטולי פלסטיק; סימולציה של סוגי קרקע שונים באמצעות שימוש במדיות מוצקות שונות (כגון חימר בנטוניט, צורן דו חמצני ואדמה לא מזוהמת), בתוספת אותה מסה של פוליאתילן (PE)-MPs לכימות שלאחר מכן; הפרדת צפיפות של חלקיקי פלסטיק באמצעות תמיסת נתרן כלורי רווי (NaCl) ועיכול זיהומים אורגניים בסופרנטנט באמצעות תמיסת נתרן הידרוקסיד (NaOH) 4 M; כימות חלקיקים באמצעות מיקרוסקופיה פלואורסצנטית לאחר צביעה באדום הנילוס; וזיהוי פולימרים באמצעות ספקטרוסקופיה אינפרא אדום מיקרו פורייה-טרנספורמציה (μ-FTIR) או ספקטרוסקופיה אינפרא אדום ישיר לייזר (LDIR). שיעור ההחלמה של חברי הפרלמנט נע בין 83% ל-90% עבור התקשורת הנ"ל. פרוטוקול זה מציג שיטה יעילה לניתוח MPS קרקע המותאמת להיתכנות, ישימות וחסכוניות. יתר על כן, הסרטון הנלווה יכול להנחות את תהליך ניתוח חברי הפרלמנט של הקרקע צעד אחר צעד באופן וירטואלי. מחקר זה מוקדש לסטנדרטיזציה של השיטות לניתוח MPS קרקע, שיפור הקישוריות וההשוואה של מדידות, וביסוס בסיס למחקר סטנדרטי ומדעי יותר.
ההערכה היא כי 4.8 עד 12.7 מיליון טון מטרי של פלסטיק נכנסים לאוקיינוס מדי שנה ממקורות יבשתיים 1,2. חלקיקי פלסטיק אלה מתפרקים בהדרגה לשברים קטנים יותר בתגובה לקרינה אולטרה סגולה, שחיקה מכנית ופירוק ביולוגי 3,4. זיהום מיקרופלסטיק (MPs), עם חלקיקי פלסטיק בקוטר של פחות מ-5 מ"מ, בקרקע הופך לדאגה גוברת, במיוחד מבחינת השפעתו הפוטנציאלית על בריאות הקרקע והיבול. זה מונע בעיקר על ידי העלייה המתמשכת בייצור הפלסטיק והאתגרים סביב סילוק נכון של פסולת פלסטיק 5,6.
ניתן לייחס את הצטברות חברי הפרלמנט באדמה לגורמים חיצוניים שונים. המקורות הפוטנציאליים של MPS בקרקעות הם מורכבים, כולל ניצול שיטות פלסטיק (למשל, סרטי חיפוי פלסטיק, צינורות השקיה, סרטי חממה ותשתיות נלוות)7,8,9 ותשומות של תיקונים אורגניים (כגון יישום בוצת ביוב, קומפוסט חקלאי ודשן אורגני)10. בנוסף, סילוק לא הולם של פסולת פלסטיק11, פירוק פסולת מזון מעוכלת משאריות אריזות פלסטיק מזון12, ניצול דשנים מצופים13, בלאי של צמיגי גומי14 ותצהיר אטמוספרי15 ידועים גם הם כתורמים לחברי פרלמנט בקרקעות. על פי ההערכות, בסין, היצרנית והמשתמשת המובילה בפלסטיק חקלאי, יש שפע ממוצע של חברי פרלמנט באדמות חקלאיות מכוסות פלסטיק של כ-4231 פריטים ק"ג-1 (אדמה יבשה)16. בשנת 2018, כמויות ה-MPS בקרקעות חקלאיות סיניות בעומק של 0-10 ס"מ נעו בין 4.9 × 106 ל-1.0 × 107 טון, עם תרומה משמעותית מסרטי חיפוי חקלאיים17. יישומי בוצה בקרקעות חקלאיות באירופה ובצפון אמריקה עשויים להכניס למעלה מ-63,000 ו-44,000 טון של MPS בשנה, בהתאמה. מחקר בגרמניה הראה כי יישומי קומפוסט בשדות חקלאיים הובילו גם לכניסה שנתית של חלקיקי פלסטיק (>1 מ"מ) לשדות חקלאיים. יישום הקומפוסט הוביל ל-35 מיליארד עד 2.2 טריליון חלקיקי פלסטיק10. תרומתם של חברי הפרלמנט האטמוספרי לקרקעות עדיין אינה ודאית ודורשת כימות נוסף15. לדוגמה, התשומה השנתית הממוצעת של חברי פרלמנט אטמוספריים מוערכת ב-7.9 × 104 פריטים m-2 yr-1 בסין16. המגוון הרחב ביותר של מקורות MPS בקרקע משך את תשומת ליבם של חוקרים רבים, אך בשל מגוון שיטות הדגימה, המיצוי והזיהוי האנליטי, קשה לשלב ולהשוות את תוצאות המחקרים השונים.
הצטברות של חברי פרלמנט ממגוון רחב של מקורות מהווה איום סביבתי פוטנציאלי על קרקעות גלובליות,מה שמדגיש את הצורך הברור במחקרים של חברי פרלמנט בקרקע. כמה מחקרים הראו שההשפעות של MPS על קרקע חקלאית כוללות שינוי בתכונות הקרקע, עיכוב הצמיחה וההתפתחות של צמחים ואורגניזמים בקרקע, והשפעה על פעילות מיקרוביאלית בקרקע19,20. מחקרים אחרים מצאו שחברי פרלמנט יכולים להצטבר באורגניזמים ברמות הזנה גבוהות יותר לאורך שרשרת המזון21, מה שמוביל לסכנה פוטנציאלית לבריאות האדם22. כדי להבהיר את ההשפעות הסביבתיות של חברי הפרלמנט בקרקע, ראשית יש להבין את המצב הנוכחי של הזיהום שלהם, כולל שפעם, זיהוי הפולימרים ומאפייני התפוצה שלהם. לכן, לזיהוי וזיהוי מדויק של חברי פרלמנט בקרקע יש חשיבות עליונה.
נכון לעכשיו, מספר הולך וגדל של מאמרים בוחנים את הנוכחות הגלובלית של חברי פרלמנט באדמה, עם שונות ניכרת שנצפתה בשיטות החילוץ והגילוי23. לאחר איסוף קפדני של דגימות (כדי למזער את זיהום חברי הפרלמנט), הפרוטוקול לניתוח חברי הפרלמנט כולל בדרך כלל שלושה שלבים מרכזיים. ראשית, הפרדת צפיפות מאומצת באופן נרחב כדי לבודד חלקיקי MPS ממטריצת הקרקע. תהליך זה משתמש בדרך כלל בריאגנטים כגון מים מזוקקים (DI) (1.0 גרם סמ"ק), נתרן כלורי (NaCl, 1.2 גרם ס"מ-3) או אבץ כלורי (ZnCl2, 1.6 גרם ס"מ-3). שנית, שיטות להסרת זיהומים אורגניים מפני השטח של MPS כוללות ניקוי בתמיסות חומציות ואלקליות או חומרים מחמצנים אחרים ועיכול אנזימטי24. עיכול החומר האורגני במטריצת הקרקע או היצמדות לחלקיקי MPs מתבצע בדרך כלל באמצעות 30% מי חמצן (H2O2), 65% חומצה חנקתית (HNO3) או 50% נתרן הידרוקסיד (NaOH)25. לאחר הפרדת הצפיפות ועיכול החומר האורגני, נדרשת בדיקה מיקרוסקופית של דגימות MPS כדי לקבוע את מספר החלקיקים. בדיקה זו מתווספת לניתוח ההרכב הכימי של הפולימרים באמצעות טכניקות כגון ספקטרוסקופיה אינפרא אדום פורייה-טרנספורמציה (FTIR), ספקטרוסקופיה של ראמאן או טכניקות ספקטרוסקופיה אינפרא אדום אחרות26.
עם זאת, כל שלב בתהליך החילוץ והזיהוי של חברי הפרלמנט טומן בחובו פוטנציאל להערכת יתר או הערכת חסר של התרחשות חברי הפרלמנט. לדוגמה, למרות השימוש הנרחב במי DI כמגיב להפרדת צפיפות בשל עלות-תועלת והיעדר תכונות מסוכנות, זה עלול להוביל להחרגה של חלקיקי MPS בעלי צפיפות גבוהה יותר27. לעומת זאת, היישום הנרחב של ריאגנטים בצפיפות גבוהה עשוי להיות מוגבל על ידי מפגעים סביבתיים ועלויות מוגברות28. בנוסף, ריאגנטים מסוימים המשמשים לעיכול אורגני הם בעלי פוטנציאל לגרום נזק לחלקיקי MPs29. יתר על כן, סיווג חזותי באמצעות מיקרוסקופיה אופטית, סטריאוסקופית ואנטומית אינו חף מאתגרים26,30. קביעת חלקיקי הפרלמנט מסתמכת במידה רבה על המומחיות והתפעול של האנליסטים, כמו גם על הגדרות המכשיר. ממצאים אלה מדגישים את הקושי בהשגת עקביות ודיוק בשימוש במתודולוגיות שונות, ובכך מסבכים את השוואת התוצאות בין מחקרים שונים.
כדי להבטיח את האמינות וההשוואה של נתונים בין מחקרים, הכרחי לקבוע פרוטוקול סטנדרטי לחילוץ וזיהוי MPS באדמה. סטנדרטיזציה זו לא רק תשפר את הדיוק של הערכות ההתרחשות של חברי הפרלמנט, אלא גם תאפשר הבנה מקיפה ומאוחדת יותר של ההשפעה הסביבתית של חברי הפרלמנט במערכות אקולוגיות בקרקע. כדי להתמודד עם המגבלות של שיטות מיצוי וזיהוי, הריאגנטים שנבחרו לשיטות סטנדרטיות צריכים להיות זמינים, לא צריכים להשפיע על השלמות או ההרכב הכימי של חלקיקי ה-MPS, ולהוות את הסיכון הסביבתי הנמוך ביותר האפשרי. יתר על כן, שיטות סטנדרטיות צריכות להפגין יעילות גבוהה הן בשחזור MPS והן בהסרת חומר אורגני ממטריצת הקרקע.
פרוטוקול קל לביצוע חיוני לאימוץ נרחב במסגרות מחקר שונות. בהתחשב הן בשיעורי ההתאוששות של חברי הפרלמנט והן בעלות תועלת, NaCl רווי הוא הבחירה האופטימלית להפרדת צפיפות דגימות קרקע בקנה מידה גדול. לעיכול חומר אורגני, נעשה שימוש ב-NaOH, שכן ניסויי בידוד ראשוניים הראו כי תמיסת 4 M NaOH מפרקת ביעילות זיהומים של דגימות קרקע, כגון שאריות צמחים, מבלי לגרום נזק משמעותי ל-MPs. באופן כללי, שיטה ניסיונית זו משתמשת בחומרים זמינים וחסכוניים, בעלת מורכבות תפעולית נמוכה ומבטיחה קצב מיצוי אמין.
אנו ממליצים להשתמש במתודולוגיית ההפרדה המהירה והחסכונית המוצעת על ידי האקדמיה הסינית למדעי החקלאות כדי לקבוע חברי פרלמנט שנאספו בשדות חקלאיים31. עבור כל השלבים הבאים, ודא שכל המיכלים, המכשירים וכלי הזכוכית מנוקים במי DI לפני השימוש כדי למזער את הזיהום. כמו כן, הקפד להפעיל ריקים רגילים לצד הדגימות כדי לקחת בחשבון את הזיהום שהוכנס על ידי הליכי האיסוף והחילוץ.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הערה: יש להכין את הפתרונות הבאים בטמפרטורת הסביבה לפני תהליך המיצוי: 1) תמיסת NaCl רוויה (5.7 מ') - ממיסים 1 ק"ג NaCl ב-3 ליטר DI H2O; 2) 4 M NaOH - ממיסים 480 גרם NaOH ב-3 ליטר DI H2O; 3) אדום הנילוס (100 מיקרוגרם מ"ל-1) - ממיסים 10 מ"ג של אדום הנילוס ב-100 מ"ל של ממס מתאים (למשל, מתנול, אצטון).
1. דגימת קרקע והכנת קרקע
2. ציפה בצפיפות
3. עיכול טומאה
4. צביעה בתמיסה אדומה נילוס
5. סינון ואקום
6. כימות חלקיקים של MPS על ידי מיקרוסקופ פלואורסצנטי
7. זיהוי פולימרים MPS באמצעות ספקטרוסקופיה FTIR או LDIR
8. כימות חלקיקים של תמונות ממברנה פלואורסצנטית באמצעות ImageJ
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כדי לאמת את שיעורי ההתאוששות של מתודולוגיה זו, דגימות משלוש מטריצות מוצקות שונות (צורן דו חמצני (SD), חימר בנטוניט (BT) ואדמה) נותחו בקבוצות של שלושה שכפולים. הדגימות נותחו עם ובלי תוספת של 0.04% w/w פוליאתילן לבן (PE) מיקרופלסטיק (טווח גודל חלקיקים 40-48 מיקרומטר). דגימות קרקע נאספו ממחוז היידיאן, בייג'ינג, סין (הקמפוס המערבי של האוניברסיטה החקלאית של סין), והאדמה סווגה כאדמת אומבר. בנוסף, נכללו שלושה שכפולים של ריקים כדי להסביר כל זיהום פוטנציאלי שהוכנס לאורך תהליך החילוץ והניתוח.
ש...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
אסטרטגיית דיגום הקרקע בשטח, כולל גישות כגון דגימה אקראית פשוטה או דגימת רשת שיטתית, כמו גם שטח הדגימה ועומקה, חייבת להיות מותאמת לשאלות המחקר הספציפיות ומוגדרת בבירור לפני איסוף הדגימה. חלק מהמחקרים התמקדו בשכבת הקרקע העליונה של 0-10 ס"מ34,37, בעוד שאחרים אספו דגימות קרקע בעומק של 0-40 ס"מ38. מכיוון שגודלם ושכיחותם של חברי הפרלמנט משתנים בעומקי קרקע שונים, יש צורך לאחד את העומק לדגימת קרקע. אנו מציעים לשקו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין מה לחשוף.
פרויקט זה נתמך על ידי הפרויקט הגדול למדע וטכנולוגיה של אורדוס, סין [ZD20232320]; קרן המחקר לאתגרים גלובליים של UKRI (GCRF) ופרויקט המועצה לחקר הסביבה הטבעית, "האם מיקרופלסטיק חקלאי מערער את הביטחון התזונתי ופיתוח בר קיימא במדינות פחות מפותחות מבחינה כלכלית?" תחת מענק [NE/V005871/1]; והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק [42277097]; פרויקט הצוות הגבוה של האוניברסיטה החקלאית של סין, תחנת פרופסור של האוניברסיטה החקלאית של סין במרכז שינג'ואו לבקרת מחלות, ותוכנית מניעה ומחקר בסיסי בשינג'ואו, מחוז שאנשי [20230515] ושיתוף הפעולה הבינלאומי וחילופי הדברים של הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק [NSFC-UNEP: 32261143459].
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| איזון דו-עשרוני | n/a | n/a | איזון 2 עשרוני סטנדרטי |
| 40 ° תנור C | n/a | n/a תנור | מאוורר גדול סטנדרטי עם טמפרטורה מוגדרת ל-40 מעלות; C |
| 8700 LDIR | Agilent Technologies | n/a | LDIR המשמש לזיהוי חלקיקים |
| מיכל אלומיניום | n/a | n/a | מיכל אלומיניום רגיל לאיסוף מזון מאלומיניום |
| רדיד אלומיניום | n/a | n/a | רדיד אלומיניום סטנדרטי |
| Axioplan 2 | Zeiss | n/a | מיקרוסקופיה פלואורסצנטית משמשת לצפייה בחלקיקי מיקרופלסטיק במצב פלואורסצנטי |
| חימר בנטוניט | Sigma Aldrich | 285234 | חימר בנטוניט המשמש לבדיקות התאוששות |
| BX53 | Olympus | n/a | מיקרוסקופיה פלואורסצנטית משמשת לצפייה בחלקיקי מיקרופלסטיק במצב פלואורסצנטי |
| זכוכית (600 מ"ל) | n/a | n/a | זכוכית סטנדרטי |
| בקבוק זכוכית | זכוכית סטנדרטי בקבוק זכוכית | ||
| מגנטי מוט בוחש | n | /a n/a | מוט מערבל מגנטי מצופה זכוכית סטנדרטי |
| גליל מדידה מזכוכית (500 מ"ל) | n/a | n/a | גליל מדידה סטנדרטי מזכוכית |
| פיפטה מזכוכית (10 מ"ל) | |||
| מכשיר סינון ואקום מזכוכית | Pyrex (נרכש דרך Sigma Aldrich) | SLW5809/KIT | מכשיר סינון זכוכית עם משפך 500 מ"ל, צלחת נקבובית וכוס איסוף 1 ליטר |
| LUMOS Alpha II | Bruker | n/a | FTIR המשמש לניתוח מיקרופלסטיק חשוד. |
| צלחת ערבוב מגנטית | n/a | n/a | צלחת ערבוב מגנטית סטנדרטית |
| קרום מסנן MCE חברת | Jinteng | JTMF0441/0442 | ממברנות MCE לבנות, 0.2 ומיקרו; m גודל נקבוביות, קוטר 50 מ"מ, בשיטת FTIR |
| Nile Red | Fisher Scientific | 10464311 אבקת נילוס אדומה המשמשת לייצור תמיסת מלאי של צבע אדום נילוס באמצעות ממס מתאים (למשל אצטון) | |
| קרום מסנן PCTE | Sterlitech Corporation | 1270060 | ממברנות PCTE שחורות, ללא PVP, 0.2 ומיקרו; m גודל נקבוביות, קוטר 47 מ"מ, בשיטת LDIR |
| צורן דו חמצני | Sigma Aldrich | 18649 | צורן דו חמצני המשמש לבדיקות התאוששות |
| נתרן כלורי | Sigma Aldrich | S9888 | נתרן כלורי המשמש להפרדת צפיפות |
| נתרן הידרוקסיד | פישר Scientific | 10675692 | נתרן הידרוקסיד המשמש לעיכול חומר אורגני |
| מקדחת אדמה | n/a | n/a | אורך 30 ס"מ; קוטר 2 ס"מ; חומר נירוסטה |
| אבקת פוליאתילן מיקרופלסטיק במשקל מולקולרי גבוה במיוחד | סיגמא אולדריץ' | 434272 | מיקרופלסטיק פוליאתילן המשמש לספייק סיליקון דו חמצני, חימר בנטוניט ודגימות אדמה לבדיקות התאוששות |
| משאבת ואקום | Vacuubrand GmBH Co KG | ME 2C NT | משאבת ואקום לסינון ואקום |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה