$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
שיטות למדידת זיהום MP בקרקע נחוצות כדי להבין את היקף זיהום הפלסטיק בקרקעות גלובליות1, מקורות זיהום פלסטיק2 ופתרונות פוטנציאליים3. קרקעות חקלאיות חשופות באופן ייחודי לזיהום פלסטיק: יותר מ-15 מיליון טון מטרי של פלסטיק משמשים בחקלאות מדי שנה נכון לשנת 20214, כולל 2.5 מיליון טון חיפוי פלסטיק5. חיפוי פלסטיק משמש במגע הדוק עם אדמה, מוחל מחדש פעם אחת או יותר בשנה6, ויכול להיות קשה להסרה מלאה מהאדמה לאחר חייהם השימושיים7. תחום מרכזי אחד שבו יש צורך בשיטות מדידת MP הוא בהערכת מוצרי פלסטיק מתכלים כמו חיפויי פלסטיק מתכלים לשימוש במערכות צמחיות8.
מוצרי פלסטיק מתכלים באדמה הם חלופות מבטיחות לפלסטיק חקלאי קונבנציונאלי מכיוון שהם יכולים למנוע זיהום פלסטי של הקרקע על ידי חיפוי פלסטיק אם הם פועלים כמתוכנן. בשנת 2022 יוצרו ברחבי העולם פחות ממיליון טון מטרי של פלסטיק מתכלה, עם צמיחה מהירה צפויה לתעשייה9. ארבעת הפולימרים המתכלים הנפוצים ביותר, חומצה פולילקטית (PLA), עמילן פולימר, פוליהידרוקסיאלקנואטים (PHA) ופוליבוטילן אדיפט טרפתלט (PBAT), כולם משמשים באופן מסחרי או ניסיוני בחיפויי פלסטיק מתכלים חקלאיים10. למרות הבטחתם, הפירוק של מוצרי פלסטיק מתכלים אלה בתנאי שטח משתנה11. בעוד שכמה מחקרים על פירוק חיפוי פלסטיק מתכלה בשטח התמקדו בשברי מקרופלסטיק11, הערכת הפירוק המוחלט של חומרים פלסטיים דורשת יכולת לשחזר MPS ו-NPs מהאדמה. כימות מיקרופלסטיק מהקרקע חשוב גם כדי להעריך את הפוטנציאל להשפעות שליליות על מערכות אקולוגיות בקרקע מזיהום MP12.
כמה טכניקות נפוצות לזיהוי וכימות MP כוללות ניתוח חזותי, ספקטרוסקופיה אינפרא אדום מותמרת מיקרו-פורייה (μFTIR), ספקטרוסקופיה מיקרו-רמאן (μRaman), כרומטוגרפיה של גז-ספקטרוסקופיה מסה (GCMS כולל פירוליזה GCMS וספיחת מיצוי תרמי GCMS), וניתוח תרמוגרבימטרי13. טכניקות פיתוח אחרות כוללות ספקטרוסקופיה קרובה לאינפרא אדום למדידת MP באתרה בקרקעות14, מיצוי מתיל אסטריפיקציה של חומצות שומן לניתוח GCMS15 וספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית16. עד 90% מהמחקרים שכימתו MPS בקרקע השתמשו בניתוח חזותי (לבד או בשילוב עם טכניקות אחרות) כדי לזהות חלקיקי פלסטיק, בעוד ש-77% השתמשו בטכניקות ספקטרוסקופיה FTIR, Raman או GCMS17. פיתוח והרמוניה של מגוון רחב של טכניקות כימות MP יכול לעזור להרחיב את יכולתה של הקהילה המדעית לענות על שאלות מחקר מיקרופלסטיק מגוונות18. קיימות שלוש גישות גנריות להכנת דגימות קרקע לכימות מיקרופלסטיק: 1) הפרדת חלקיקי מיקרופלסטיק בודדים ללא שינוי מהקרקע (למשל על ידי הפרדת צפיפות), 2) מיצוי חומר פלסטי או פולימרי שעבר טרנספורמציה (למשל על ידי פירוק), או 3) ניתוח אדמה בתפזורת. גם ספקטרוסקופיה μFTIR וגם μRaman דורשות הפרדה של MPS בודדים מהאדמה לפני שניתן יהיה לזהות אותם כימית19 בעוד ש-pyro-GCMS עשוי להתבצע על חלקיקי פלסטיק מבודדים המופרדים מאדמה או אדמה בתפזורת20. הפרדת MPS מתכלים מהאדמה יכולה להיות קשה מכיוון שחלק מהעיכול המשמש להסרת חומר אורגני בקרקע יכול לפרק או לשנות כימית פולימרים מתכלים, כולל PBAT21. לספקטרוסקופיה של מיקרו-ראמאן ו-μFTIR יש גם מגבלת רזולוציה מרחבית: חלקיקים חייבים להיות גדולים מ-10-20 מיקרומטר עבור μFTIR ו-1 מיקרומטר עבור μRaman (אם ניתן להכין חלקיקים בודדים כה קטנים לניתוח)19,22. טכניקות אלו יכולות לספק זיהוי כימי של פולימרים MP, וניתן להשתמש בהדמיה ספקטרוסקופית כדי למדוד גודלMP 22. כל סוגי הפירו-GCMS מוגבלים בכך שהדגימות נהרסות במהלך הניתוח.
תמ"ג שימש בהצלחה לאפיון מרכיבי קרקע ומזהמים23, לכימות MPS 16,24,25,26, ולהערכת הפירוק של PBAT ופולימר אחר, פוליסטירן27,28. כאשר היא מופעלת תחת פרמטרים כמותיים, ספקטרוסקופיה של1 H-NMR מייצרת ספקטרום שבו השטח של כל שיא ספקטרלי עומד ביחס ישר למספר המימנים התורמים בדגימה; זה מאפשר לכמת את המרכיבים המרכיבים במדגם29. תמ"ג היא טכניקה אנליטית רבת ערך לכימות חלק מחברי הפרלמנט, כולל PBAT, בתוך הקרקע מכיוון שהיא מאפשרת כימות וזיהוי בו זמנית, היא מתאימה לתערובות מורכבות וטהורות, ואינה דורשת תקני ייחוס זהים מבחינה כימית30,31. ספקטרוסקופיה NMR של תמצית ממס יכולה לכמת MPS או NPs קטנים מאלה שניתן לעבד עבור כימות μFTIR, μRaman או GCMS. למרות יתרונות אלה, גישות NMR כמותיות עדיין מספקות רגישויות נמוכות יותר מאשר גישות מבוססות ספקטרוסקופיה מסה הרסנית32.
השיטה המוצעת, המשורטטת באיור 1, מתארת זרימת עבודה לעיבוד וניתוח דגימות קרקע המכילות PBAT - כולל פלסטיק PBAT בגודל ננו. בשיטה מופק פולימר PBAT מדגימות קרקע על ידי ניעור האדמה בתערובת של כלורופורם ומתנול. תמציות הממס המכילות PBAT מיובשות ולאחר מכן מומסות מחדש בכלורופורם דוטראט בתוספת קליברנט פנימי. ספקטרוסקופיה של תמ"ג מתבצעת על התמציות באמצעות פרמטרים כמותיים. הספקטרום המתקבל מנותח כדי לכמת PBAT על ידי השוואת שטח הפסגות המותאמות לאטומי מימן של ה-PBAT ומולקולות הקליברנט. שיטה זו מיישמת את גישת מיצוי הממס וספקטרוסקופיית התהודה המגנטית הגרעינית של פרוטון (1H-NMR) שהודגמה על ידי נלסון ואחרים.33. המטרה הייתה להשתמש בשיטה המתאימה לעיבוד דגימות בקנה מידה סביבתי (~100 גרם אדמה) ולעבד מספר דגימות במקביל ללא ציוד מיצוי מיוחד.