Formare micro e nanoplastiche da film plastici agricoli per l'impiego negli studi di ricerca fondamentale

Sommario

Mostriamo la formazione e la caratterizzazione dimensionale di micro e nanoplastiche (MP e NP, rispettivamente) utilizzando un processo graduale di fresatura meccanica, rettifica e analisi di imaging.

Abstract

Le microplastiche (MP) e le nanoplastiche (NP) disperse negli ecosistemi agricoli possono rappresentare una grave minaccia per il biota nel suolo e nei corsi d'acqua vicini. Inoltre, sostanze chimiche come i pesticidi adsorbiti dalle NP possono danneggiare gli organismi del suolo e potenzialmente entrare nella catena alimentare. In questo contesto, le materie plastiche utilizzate in agricoltura come le pellicole di pacciamatura di plastica contribuiscono in modo significativo all'inquinamento da plastica negli ecosistemi agricoli. Tuttavia, la maggior parte degli studi fondamentali sul destino e l'ecotossicità impiegano materiali MP idealizzati e scarsamente rappresentativi, come le microsfere di polistirolo.

Pertanto, come descritto nel presente documento, abbiamo sviluppato una procedura multifase su scala di laboratorio per formare meccanicamente MP e NP rappresentativi per tali studi. Il materiale plastico è stato preparato da film di pacciamatura plastica disponibili in commercio di polibutirrato adipato-co-tereftalato (PBAT) che sono stati infragiliti attraverso un trattamento criogenico (CRYO) o atmosferico ambientale (W) e da pellet PBAT non trattati. I materiali plastici sono stati poi trattati mediante fresatura meccanica per formare MP con una dimensione di 46-840 μm, imitando l'abrasione dei frammenti plastici da parte di macchinari eolici e meccanici. I parlamentari sono stati quindi setacciati in diverse frazioni di dimensioni per consentire ulteriori analisi. Infine, la frazione di setaccio da 106 μm è stata sottoposta a macinazione a umido per generare NP di 20-900 nm, un processo che imita il lento processo di riduzione delle dimensioni per i MP terrestri. Le dimensioni e la forma per i MP sono state determinate attraverso l'analisi delle immagini di stereomicrografie ed è stata impiegata la diffusione dinamica della luce (DLS) per valutare la dimensione delle particelle per le NP. MP e NP formati attraverso questo processo possedevano forme irregolari, che è in linea con le proprietà geometriche dei MP recuperati dai campi agricoli. Nel complesso, questo metodo di riduzione delle dimensioni si è dimostrato efficace per formare MP e NP composti da plastiche biodegradabili come il polibutilene adipato-co-tereftalato (PBAT), che rappresenta materiali di pacciamatura utilizzati per la produzione di colture agricole speciali.

Introduzione

Negli ultimi decenni, il rapido aumento della produzione globale di plastica e lo smaltimento improprio e la mancanza di riciclaggio per i rifiuti di plastica hanno portato a un inquinamento ambientale che ha avuto un impatto sugli ecosistemi marini e terrestri ^1,2,3. I materiali plastici sono essenziali per l'agricoltura contemporanea, in particolare per coltivare ortaggi, piccoli frutti e altre colture speciali. Il loro utilizzo come film per pacciamatura, coperture a tunnel alti e bassi, nastro antigoccia e altre applicazioni mirano a migliorare la resa e la qualità delle ....

Protocollo

1. Lavorazione di MP da pellet di plastica attraverso pretrattamento criogenico e fresatura

NOTA: Questa metodologia si basa su una procedura descritta altrove, impiegando un film PBAT composto dallo stesso materiale utilizzato per questo studio presentato²⁹.

1. Pesare campioni di pellet polimerico di ~ 1 g e trasferirli in un barattolo di vetro da 50 ml.
2. Posizionare il tubo di "mandata rettangolare" con un setaccio da 20 maglie (840 μm) nella fessura davanti al laminatoio di taglio rotante e sollevare il tubo di mandata fino a quando non colpisce il perno di arresto.
3. Posiz....

Risultati

Per convalidare il metodo e l'analisi della procedura sperimentale, MP e NP sono stati formati da pellet e materiali di film e confrontati per dimensioni e forma utilizzando immagini microscopiche. Il metodo descritto nella Figura 1 ha formato in modo efficiente MP e NP da pellet e film di plastica biodegradabili; Ciò è stato ottenuto attraverso il raffreddamento criogenico, la fresatura, la macinazione a umido e la caratterizzazione. Il primo passo non era necessario per i film esposti alle.......

Discussione

Questo metodo descrive un processo efficace inizialmente descritto in una precedente pubblicazione²⁹, per preparare MNP provenienti da pellet e pellicole di pacciamatura per studi ambientali. Il processo di riduzione delle dimensioni ha comportato il raffreddamento criogenico (solo per film), la fresatura a secco e le fasi di macinazione a umido, per produrre modelli MNP. Abbiamo applicato questo metodo per preparare MNP da una vasta gamma di materie prime polimeriche, tra cui polietilene a bassa .......

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Piatto in alluminio, 150 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	08-732-103	Essiccazione delle NP raccolte
Piatto di alluminio, 500 mL	VWR International, Radnor, PA, USA	25433-018	Raccolta di NP dopo la macinazione a umido
Centrifuga	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	Contenitore Centrific 228	per centrifugazione
Tubo di erogazione, #20, 840 &; m	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M30	Setacciatura della prima frazione durante la fresatura
Tubo di consegna, #60, 250 &; m	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M45	Setacciatura della seconda frazione (3x)  durante la macinazione
Thermomixer,  5350 Mixer	Eppendorf North America, Enfield, CT, USA	05-400-200	Analisi degli esperimenti di setacciatura
FT-IR Spectrum Two, spettrometro con riflettanza totale attenuata (ATR)	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	L1050228	Misurazione degli spettri FTIR
Bicchiere di vetro, 1000 mL	DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA	02-555-113	Agitazione di un impasto di acqua MP prima della macinazione
Piastra frontale in vetro	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383N55	Coperchio frontale plaste per Wiley Mini Mill
Barattolo di vetro, 50 mL	Uline, Pleasant Prairie, WI, USA	S-15846P	Collective MPs dopo la fresatura
Glove Box, neoprene	Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA	BEL-H500290000	22 pollici, misura 10
Zetasizer Nano ZS 90 analizzatore di dimensioni	Malvern Panalytical, Worcestershire, Regno Unito	Zetasizer Nano ZS	Misurazione delle nanoplastiche disperse nella fotocamera del microscopio DI-acqua
	Nikon, Tokyo,  108-6290, Giappone	Nikon Digital Sight 10	Combinato con il microscopio Olympus per ricevere immagini digitali
Microscopio	Olympus, Shinjuku, Tokyo, Giappone	Modello SZ 61	Imaging di MPs
Barattolo di azoto, fiasche di dewar a bassa forma	Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA	UX-03771-23	Conservazione dell'azoto liquido durante il raffreddamento criogenico
Accurate Blend 200, frullatore a 12 velocità	Oster, Boca Raton, FL, USA	6684	Avvio della riduzione dimensionale del film plastico trattato criogenicamente
film PBAT, - BioAgri™ (Mater-Bi®)	BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA	Materie prime di 0,7 mm	di spessore per formare MP e NP, film per pacciamatura agricola
Pellet PBAT	Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA	Diametro 3 mm	Materie prime per formare microplastiche (MP) e nanoplastiche (NP) attraverso la macinazione e la macinazione
Provette da centrifuga in plastica, 50 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	06-443-18	Centrifugazione di liquame dopo macinazione
a umidoBarattolo di plastica, 1000 mL, pre-pulito, lato dritto	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	05-719-733	Raccolta di NP durante e dopo la macinazione a umido
Ancorette poligonali, diametroø=8 mm, lunghezza=50,8 mm	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	14-512-127	Agitazione del liquame MP prima della macinazione a umido
Forbici, legante in titanio	Westcott, Shelton, CT, USA	13901	Taglio delle materie prime iniziali del film PBAT
Cella di vetro quadrata con apertura quadrata e tappo, diametro esterno 12 mm.	Malvern Panalytical, Worcestershire, Regno Unito	PCS1115	Misurazione delle dimensioni delle particelle NP
Fondo in acciaio inossidabile, 3 pollici, pan	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8401	Per la setacciatura dopo la fresatura Wiley
Setaccio in acciaio inossidabile, 3 pollici, n. 140 (106 µ m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1308	Per la setacciatura dopo la fresatura Wiley
Setaccio in acciaio inossidabile, 3 pollici, n. 20 (850 µ m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1296	Setacciatura di MP dopo Wiley-milling
Setaccio in acciaio inossidabile, 3 pollici, n. 325 (45 µ m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1313	Setacciatura di MP dopo Wiley-milling
Setaccio in acciaio inossidabile, 3 pollici, n. 60 (250 µ m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	1303	Setacciatura di MP dopo Wiley-fresatura
Coperchio superiore in acciaio inossidabile, 3 pollici	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA	8406	Setacciatura di MP dopo Wiley-fresatura
Pinzette in acciaio inossidabile	Global Industrial, Port Washington, NY, USA	T9FB2264892	Trasferimento di  particelle di film congelate dal barattolo al frullatore
Forno a vuoto, modello 281A	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	13-262-50	Forno a vuoto per essiccare NP dopo la macinazione a umido
Rettificatrice a frizione, Supermass Colloider	Masuko Sangyo, Tokyo, Giappone	MKCA6-2J	Rettificatrice per formare NP da MPS
Pietra abrasiva a umido, granulometria: 297 μ m -420 μ m	Masuko Sangyo, Tokyo, Giappone	MKE6-46DD	Pietra abrasiva per formare NP da MP
Wiley Mini Mill, mulino da taglio rotativo	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	NC1346618	Riduzione delle dimensioni di pellet e film in MP e NPs
Software
FTIR-Software di spettroscopia	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	Spectrum 10	Raccolta di spettri dalla plastica iniziale, MP e NP
Immagine J, programma di elaborazione delle immagini	National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA	Versione 1.53n	Analisi delle immagini digitali ricevute dalla microscopia
Software per microscopio, software ds-fi1	Malvern Panalytical , Malvern, Regno Unito	Firmware DS-U1 Ver3.10	Registrazione di immagini digitali
Microsoft, Windows,   Excel 365, software per fogli di calcolo	Microsoft, Redmond, WA, USA	Office 365	Calcolo della dimensione media delle particelle e creazione di immagini di spettri FTIR
Software JMP, software statistico	SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021	Versione 15	Analisi statistica della dimensione delle particelle e delle migliori prestazioni del set di dati
di decodifica	Camo Analytics, Oslo, Norvegia	Versione 9.2	Normalizzazione e conversione degli spettri FTIR in .csv fromat

Software