Campionamento e identificazione di microplastiche nelle acque sotterranee

Negli ultimi anni, le microplastiche (MP) sono state identificate come un importante inquinante ambientale. A causa del loro potenziale di entrare nell'atmosfera, le MP fanno parte del ciclo dell'acqua¹. La deposizione atmosferica e il deflusso superficiale sono i principali percorsi attraverso i quali gli MP entrano nelle acque superficiali². Le MP provengono da varie fonti terrestri e acquatiche, con fonti terrestri che contribuiscono all'80% della loro quantità totale³. Entrando negli ecosistemi acquatici, la maggior parte delle MP terrestri viene trasportata negli oceani attraverso i fiumi. Le MP rimanenti persistono in ambienti di acqua dolce, con acque superficiali in aree densamente popolate e urbanizzate - caratterizzate da lunghi tempi di permanenza dell'acqua e da una significativa influenza antropogenica - che mostrano livelli più elevati di inquinamento da MP. Le acque superficiali possono anche collegarsi alle acque sotterranee nei letti dei fiumi, nelle pianure alluvionali, nelle zone umide e nelle sorgenti⁴.

Sebbene la ricerca condotta negli habitat di acqua dolce costituisse meno del 4% della letteratura disponibile nel 2018⁵, il crescente riconoscimento della necessità di comprendere meglio le fonti di MP negli ambienti acquatici ha da allora portato a un notevole aumento degli studi incentrati sui sistemi di acqua dolce⁶. Sebbene il numero di studi sulle acque sotterranee rimanga limitato, le prove della presenza di MP nelle acque sotterranee sono state ben documentate. Poiché le acque sotterranee sono la più importante fonte di acqua dolce al mondo, fornendo a più di due miliardi di persone l'accesso ad acqua potabile sicura, acqua per uso domestico, agricolo e industriale⁷, la presenza di MP nelle acque sotterranee solleva nuove domande sulla sicurezza delle acque sotterranee nel 21^° secolo⁸.

Le fonti terrestri di MP possono essere molto diverse, con MP fibrose provenienti dal lavaggio dei tessuti che rappresentano circa il 35% delle MP rilevate nei sistemi acquatici⁹. Altre importanti fonti di diversi tipi di MP nell'ambiente includono prodotti per la cura personale e cosmetici, pneumatici, film plastici agricoli, rivestimenti per erba artificiale e strade, discariche, plastica smaltita in modo improprio, imballaggi e inquinanti dell'industria edile ^9,10.

A causa delle loro numerose fonti diverse, gli MP possono differire sostanzialmente in termini di composizione chimica, colore, forma, densità, dimensioni e altre caratteristiche¹¹. Lo standard internazionale ISO 24187:2023 classifica le MP in due categorie: 1) "microplastiche di grandi dimensioni": particelle di plastica solide insolubili in acqua con dimensioni comprese tra 1 mm e 5 mm e 2) "microplastiche": qualsiasi particella di plastica solida insolubile in acqua con dimensioni comprese tra 1 μm e 1 mm. Le particelle più piccole di 1 μm sono considerate nanoparticelle¹². I materiali polimerici che si trovano più frequentemente sotto forma di MP sono il polietilene (PE) e il polipropilene (PP), come i materiali polimerici più prodotti¹³.

Le MP possono essere trasportate nelle acque sotterranee da suoli e sedimenti, attraverso interazioni con acque superficiali e acque marine e attraverso processi di ricarica/scarico. Durante questi processi, le MP possono essere trasportate da e verso le acque sotterranee¹⁴. La zona iporreica (HZ) funge da importante interfaccia per lo scambio tra il fiume e il sistema idrico sotterraneo poco profondo¹⁵. Il trasporto di MP attraverso l'HZ è influenzato da varie proprietà delle particelle (dimensione, forma, composizione del materiale), nonché da alcuni fattori idrologici e geochimici, tra cui la morfologia del letto del fiume e la turbolenza del flusso¹⁵. La relazione tra il diametro dei pori e la dimensione delle MP è un altro fattore cruciale in questi processi¹⁶, poiché le MP con dimensioni più piccole si muovono più facilmente attraverso lo spazio dei pori dalla superficie agli strati del sottosuolo^15,16.

Gli MP possono entrare nelle acque sotterranee attraverso la zona insatura¹⁷. La zona insatura rappresenta un importante collegamento tra la superficie terrestre e le acque sotterranee¹⁸. I processi di trasporto e ritenzione delle MP nella zona insatura dipendono dalle proprietà delle particelle, dalle proprietà del suolo e dai fattori ambientali 17,19,20. Gli organismi del suolo come lombrichi, collemboli e acari possono influenzare il trasporto di MP dalla superficie del suolo agli strati più profondi attraverso vari meccanismi come lo spostamento, l'ingestione, l'inghiottimento e l'aderenza^21,22. Gli invertebrati possono influenzare indirettamente il trasporto delle microplastiche formando macropori nel suolo, che fungono da percorsi per il movimento delle microplastiche attraverso la lisciviazione²¹.

La preoccupazione principale per quanto riguarda la presenza di MP nelle acque sotterranee è la loro persistenza legata all'ampia superficie, ai processi di degradazione meno rispettosi dell'ambiente (che portano alla formazione di particelle di dimensioni micro e persino nanometriche) e alla forte idrofobicità¹⁷. La loro persistenza comporta un potenziale rischio di compromettere la qualità delle acque sotterranee da un punto di vista chimico e biologico. Gli MP possono inquinare chimicamente le acque sotterranee attraverso la lisciviazione di monomeri e additivi non legati, nonché di sostanze chimiche assorbite dall'ambiente (ad esempio, inquinanti organici persistenti idrofobici)²³. Le MP possono anche fungere da substrato per la formazione di biofilm e influenzare la microbiologia delle acque sotterranee. I biofilm sulle MP possono anche contenere microrganismi e agenti patogeni a vita libera²³. Se ingerite, le particelle stesse rappresentano un pericolo fisico. Più piccola è la dimensione delle particelle, maggiore è la possibilità che vengano assorbite nelle cellule o attraversino le barriere biologiche degli organismi²³.

La ricerca sulle MP nelle acque sotterranee è sempre più riconosciuta come critica a causa del potenziale rischio che le MP rappresentano per la salute umana. Di conseguenza, nel gennaio 2021 è entrata in vigore la direttiva riveduta sull'acqua potabile per la misurazione dei valori deputati. Gli Stati membri dell'UE erano tenuti a recepire la direttiva nel diritto nazionale e a garantirne il rispetto delle disposizioni entro il 12 gennaio 2023. Ciononostante, il numero di studi sui parlamentari condotti finora rimane limitato. Attualmente non esiste una procedura standard per il campionamento e l'analisi delle MP nelle acque sotterranee. Gli studi che valutano la presenza di MP nelle acque sotterranee sono difficili da confrontare in quanto utilizzano diversi approcci di campionamento e analisi. Pertanto, studi recenti hanno evidenziato l'urgente necessità di standardizzare i protocolli per il campionamento e l'analisi dei MP per garantire la raccolta di campioni di alta qualità e ottenere risultati comparabili 12,17,24,25.

Il campionamento basato sulla filtrazione e il campionamento a presa sono due metodi comunemente usati per raccogliere campioni di acque sotterranee negli studi MP fino ad oggi. La filtrazione prevede il passaggio dell'acqua attraverso filtri a rete, cartucce in acciaio inossidabile²⁶ o setacci²⁷, sul campo per catturare le particelle MP. Uno dei principali svantaggi dell'utilizzo di cartucce e setacci è la difficoltà di pulirli a fondo dalle particelle residue, che compromette la capacità di garantire un'analisi completa del campione e aumenta il rischio di contaminazione incrociata. Il campionamento a benna, frequentemente utilizzato in molti studi 28,29,30, è un approccio più semplice in cui l'acqua viene raccolta direttamente utilizzando bottiglie o contenitori senza pretrattamento. Sebbene sia adatto per studi esplorativi, il campionamento a presa non riflette accuratamente le concentrazioni di MP a causa dei piccoli volumi di campione.

Questo studio introduce un sistema di nuova concezione per il campionamento di MP nelle acque sotterranee (Figura 1), basato sulla filtrazione sul campo utilizzando filtri disponibili in commercio con dimensioni dei pori personalizzabili. Il sistema consente la filtrazione simultanea di più campioni e supporta la filtrazione a cascata. Progettato come una configurazione completamente chiusa, previene efficacemente la contaminazione ambientale dei campioni. Viene fornito un protocollo di campionamento dettagliato, accompagnato da linee guida video, insieme alle procedure per la successiva analisi della composizione chimica e di altre caratteristiche degli MP rilevati. Il sistema mira a migliorare la qualità, la coerenza e la comparabilità della ricerca futura in questo campo.

1. Preparazione del foro per il campionamento

NOTA: Per evitare contaminazioni sul campo, tenere chiuso il sistema di filtraggio tranne quando si inseriscono i filtri o si prelevano campioni. Evitare l'uso di strumenti e contenitori in plastica. Evitare indumenti sintetici (ad es. pile); Indossa un camice da laboratorio di cotone bianco.

1. Aprire il foro e rimuovere eventuali campionatori, se presenti. Misurare il livello delle acque sotterranee utilizzando un misuratore di livello dell'acqua.
2. Registrare le coordinate GPS del pozzo, la data di campionamento, il livello dell'acqua e altri dettagli di campionamento sulla scheda tecnica (Tabella 1).

2. Impostazione dell'apparecchiatura di campionamento

1. Montare e abbassare con cautela la pompa sommersa nel pozzo alla profondità desiderata. Assicurarsi che l'aspirazione della pompa sia posizionata a circa 1 m sopra la parte superiore dello schermo del filtro per evitare l'aspirazione di sedimenti e mantenere un flusso d'acqua ottimale.
   NOTA: Durante l'installazione, maneggiare la pompa con cura per evitare danni al cablaggio o ai componenti meccanici.
2. Installare il sistema di filtraggio senza gli schermi di supporto del filtro e i filtri e posizionarlo orizzontalmente.
3. Chiudere la valvola principale e aprire la valvola di bypass.
4. Collegare il tubo di alimentazione dell'acqua.

3. Pulizia del foro

1. Avviare la pompa sommersa e lasciare che l'acqua scorra attraverso il bypass per pulire il pozzo. Pompare almeno 3 volte il volume d'acqua presente nel pozzo o continuare a pompare fino a quando i parametri fisico-chimici non si stabilizzano, per garantire il campionamento delle acque sotterranee fresche.

4. Pulizia del sistema di filtraggio prima del campionamento

1. Aprire le valvole dei rami di campionamento e la valvola principale del sistema di filtraggio. Successivamente, chiudere la valvola di bypass.
   NOTA: Lasciare che l'acqua scorra attraverso il sistema di filtraggio per una durata sufficiente a garantire un lavaggio efficace, che può dipendere dalla velocità di pompaggio. Durante il processo di pulizia, gli schermi di supporto del filtro e i filtri devono essere rimossi.

5. Inserimento dei filtri

1. Aprire prima la valvola di bypass e poi chiudere la valvola principale.
2. Aprire la camera del filtro e verificare che le camere del filtro siano pulite. Risciacquare con acqua ultrapura, se necessario.
3. Inserire lo schermo di supporto del filtro.
4. Sciacquare il filtro della dimensione dei pori desiderata con acqua ultrapura e posizionarlo sullo schermo di supporto del filtro.
5. Chiudere la camera del filtro.
6. Ripetere il processo per tutti i rami.
   NOTA: È possibile inserire in sequenza diversi filtri con pori di dimensioni decrescenti per la filtrazione a cascata. Successivamente possono essere installate camere filtranti aggiuntive con filtri delle stesse dimensioni dei pori dei filtri di campionamento. Ciò è richiesto dall'allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione, dell'11 marzo 2024, che integra la direttiva (UE) 2020/2184 del Parlamento europeo e del Consiglio relativa al campionamento di MP nell'acqua potabile, che impone l'uso di filtri da 100 μm e 20 μm seguiti da un'altra serie di filtri da 100 μm e 20 μm (come bianchi a fini di controllo della qualità).

6. Raccolta del campione

1. Leggere e registrare il contatore dell'acqua o azzerarlo.
2. Aprire la valvola principale, chiudere la valvola di bypass e segnare l'ora di inizio del campionamento.
3. Monitorare il manometro durante il campionamento per assicurarsi che la pressione non superi i quattro bar per evitare di danneggiare l'apparecchiatura e ridurre al minimo la frammentazione MP.
4. Interrompere il campionamento quando il volume d'acqua pianificato viene filtrato o quando i filtri iniziano a intasarsi, indicato da un aumento della pressione o da una diminuzione significativa del flusso.
5. Per interrompere il campionamento, aprire prima la valvola di bypass e poi chiudere la valvola principale e le valvole sui rami filtranti.
6. Spegnere la pompa.
7. Registrare l'ora e le letture finali dal contatore dell'acqua.
   NOTA: Per ottenere un campione rappresentativo delle acque sotterranee nel punto di campionamento, si consiglia di campionare volumi d'acqua maggiori, ad esempio almeno 1 m³/replica.
   È imperativo monitorare continuamente l'intero sistema di campionamento, in particolare il contatore dell'acqua e il manometro, durante tutta la procedura di campionamento. Un aumento della pressione accompagnato da una diminuzione del flusso d'acqua indica che il filtro sta iniziando a intasarsi. Quando ciò si verifica, si consiglia di arrestare l'impianto e sostituire i filtri usati con filtri nuovi. Raccogliendo il campione attraverso più filtri in questo modo, è possibile ottenere in modo efficiente il volume desiderato di acqua filtrata.

7. Raccolta dei filtri

1. Sciacquare una capsula di Petri di vetro con acqua ultrapura.
2. Aprire la camera del filtro e trasferire con cura il filtro mantenuto in posizione orizzontale, in una capsula di Petri pulita.
3. Sigillare la capsula di Petri con una pellicola sigillante ed etichettarla con il nome del campione e la data di campionamento.
4. Ripetere questa procedura per tutte le camere del filtro (Figura 2).
5. Dopo la raccolta del campione, smontare il sistema. Sciacquare sempre il sistema con acqua dolce e asciugarlo prima di riporlo.
   NOTA: In alternativa, conservare l'intero componente della camera filtrante del sistema di filtraggio per un'ulteriore lavorazione in laboratorio.

8. Separazione delle microplastiche dai campioni

NOTA: Per evitare contaminazioni in laboratorio, prima di iniziare l'analisi dei campioni, assicurarsi che il laboratorio sia pulito dalla polvere, chiudere la finestra e utilizzare l'aria condizionata con un filtro HEPA. Evitare l'uso di strumenti e contenitori in plastica. La vetreria deve essere risciacquata con acqua ultrapura e controllata al microscopio prima dell'uso. Utilizzare indumenti non sintetici. Indossa un camice da laboratorio di cotone bianco per ridurre al minimo la contaminazione.

NOTA: Lo stereomicroscopio deve essere dotato di una fotocamera e di un software di analisi delle immagini che consenta una misurazione accurata della dimensione delle particelle.

1. Rimuovere la pellicola sigillante e aprire la capsula di Petri.
2. Trasferisci la capsula di Petri sotto lo stereomicroscopio con un ingrandimento di almeno 30x e cerca particelle potenzialmente plastiche, concentrandoti su caratteristiche come colore, forma e altre caratteristiche visibili.
3. Trasferisci ogni particella che sembra essere di plastica, scatta una foto e misurane le dimensioni. Valutare le seguenti proprietà per ogni particella MP: dimensione (particelle: feretmax o diametro equivalente all'area; fibre: larghezza e lunghezza), forma (particelle: frammento, pellicola, schiuma, pellet, granulo; fibre), colore e composizione chimica (la metodologia è descritta di seguito) (Figura 3).
   NOTA: Tieni presente che alcuni MP saranno facilmente identificabili dal loro colore e forma, mentre altri potrebbero essere più impegnativi.
   I principali parametri per l'identificazione delle MP sono descritti nel protocollo per il campionamento delle MP sulla superficie del mare e l'analisi dei campioni²⁶. La luce polarizzante può essere molto utile per separare l'MP dai sedimenti e dalle particelle organiche. Quando si isolano potenziali MP dai campioni, optare per un approccio conservativo selezionando più particelle piuttosto che meno particelle per un'analisi dettagliata.

9. Identificazione chimica delle microplastiche

NOTA: L'analisi chimica del potenziale MP può essere condotta per MP di grandi dimensioni (1-5 mm) utilizzando ATR-FTIR e per MP piccoli (<1 mm) utilizzando micro-ftir. sono possibili anche metodi alternativi, come la spettroscopia raman.
Il software dello strumento FTIR dovrebbe supportare il controllo preciso dei parametri di misura e l'acquisizione di dati spettrali in tempo reale, insieme a strumenti di elaborazione avanzati come la correzione dello sfondo e il livellamento. Deve includere una libreria completa di polimeri e consentire un'identificazione affidabile delle sostanze attraverso il confronto delle librerie spettrali per supportare un'analisi accurata delle microplastiche nei campioni ambientali, in particolare in matrici complesse come le acque sotterranee.

1. Spettroscopia ATR-FTIR
   1. Prima di iniziare l'analisi, pulire accuratamente il cristallo ATR e il pressore del campione utilizzando alcol al 70% e un panno privo di lanugine.
   2. Configura le impostazioni di misurazione su tipicamente 16 scansioni con un numero d'onda compreso tra 4000 e 450 cm ^-1 e una risoluzione di 4 cm ^-1. Quindi, raccogli lo spettro di fondo. Posizionare le particelle una per una sul cristallo ATR, applicare pressione e avviare le misurazioni.
   3. Abbina gli spettri infrarossi acquisiti con quelli nelle librerie di riferimento per confermare che le particelle sono MP. In genere, una correlazione del 70% con gli spettri della libreria è considerata sufficiente per un'identificazione positiva (Figura 4).
   4. Esporta i dati ottenuti per ulteriori analisi e reportistica.
2. Spettroscopia micro-FTIR
   1. Assicurarsi che tutte le parti rilevanti dello strumento, come il tavolino, siano pulite con alcool e un panno privo di lanugine, prima dell'analisi.
   2. Se il campionamento non è stato condotto direttamente su una superficie adatta alla modalità di misurazione selezionata, come ATR o riflessione, posizionare le potenziali particelle di plastica su una superficie riflettente appropriata, come membrane rivestite in oro o alluminio o vetrini da microscopio.
   3. Selezionare le impostazioni di misurazione per la sessione, tra cui il numero di scansioni, l'intervallo spettrale, la risoluzione e il nome della sessione. Individua il campione e acquisisci un'immagine a mosaico dell'area in cui si trovano tutte le particelle.
   4. Per le misure di riflessione, misurare prima lo sfondo prima di misurare gli spettri infrarossi delle potenziali particelle di plastica.
   5. Identificare e contrassegnare i punti in cui verranno misurati gli spettri infrarossi delle particelle selezionate. Se necessario, selezionare più punti su ciascuna particella. Dopo aver selezionato tutti i punti, avviare la misurazione.
      NOTA: È anche possibile ottenere immagini a infrarossi di aree di interesse più ampie, in particolare se il campione viene raccolto direttamente su una superficie di misurazione a infrarossi adeguata.
   6. Confrontate gli spettri infrarossi raccolti con quelli delle librerie di riferimento. Scegliere un valore di soglia per stabilire la presenza di parlamentari. In genere, una corrispondenza del 70% è sufficiente per un'identificazione positiva.
   7. Esporta i dati ottenuti per ulteriori analisi e reportistica.

I primi risultati di questo protocollo sono il database di tutti gli MP presenti in ciascun campione (Tabella 2), che può essere utilizzato per ulteriori analisi della quantità di MP e delle sue proprietà (colore, dimensione, forma nella composizione del materiale).

L'obiettivo principale del campionamento MP e dell'analisi del campione è determinare la quantità di particelle MP per campione (Figura 5). Questi dati possono essere successivamente normalizzati per metro cubo (m3). La formula di normalizzazione è la seguente:
Particelle MP per m3 per campione = N / V

Dove:
N = somma delle particelle MP per campione
V = volume del campione (m3)

Figura 1: Schema del sistema di campionamento utilizzato nel protocollo. Il sistema di campionamento è costituito da un tubo di ingresso con tre gambe, in cui una gamba è predisposta per il collegamento a una pompa, una seconda gamba è predisposta per il collegamento a un'unità di distribuzione e una terza gamba è predisposta per garantire un bypass dell'acqua oltre le unità di campionamento. L'unità di distribuzione ha quattro rami disposti simmetricamente per il collegamento all'unità di campionamento corrispondente, in cui al centro dell'unità di distribuzione è installato un dispositivo di misurazione della pressione. Ogni unità di campionamento è dotata di una valvola, tre portafiltri e un flussometro installato a valle del portafiltro per prevenire la contaminazione del campione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Esempio di filtri dopo 1 m3 di acque sotterranee campionate. A sinistra: filtro a rete in nylon con una dimensione dei pori di 100 μm, a destra: filtro a rete in nylon con una dimensione dei pori di 20 μm. I filtri possono differire nella quantità di sedimenti e particelle organiche, a seconda del luogo di campionamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Esempi di particelle rappresentative di varie forme. (A) frammenti; (B) fibre. Le barre della scala sono mostrate nelle immagini. Le particelle possono essere di molti colori, forme e dimensioni diverse. La dimensione dei frammenti è misurata come diametro di Feret o diametro equivalente all'area, mentre le fibre sono misurate in lunghezza e larghezza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Esempi di spettri misurati su una particella selezionata con picchi marcati e le loro lunghezze d'onda [cm-1], confrontati con una libreria spettrale. Lo spettro del campione deve mostrare almeno il 70% di correlazione con gli spettri di riferimento nella libreria. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Risultati di esempio del numero di microplastiche per m3 per luogo di campionamento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella 1: Esempio di scheda tecnica di campionamento, inclusi parametri come posizione, data, condizioni ambientali e dati relativi alla filtrazione dell'acqua.

Tabella 2: Esempio di database di tutte le particelle di microplastica isolate per campionamento, inclusi parametri come forma, dimensione, colore e materiale per ciascuna particella.

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.