Articolo metodologico

Campionamento e identificazione di microplastiche nelle acque sotterranee

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DOI:

10.3791/68652

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7 novembre 2025

 ,  ,  , 
1National Institute of Biology, 2Geological Survey of Slovenia, Groundwater - Hydrogeology, 3Institute for Water of the Republic of Slovenia, Sector for Marine Waters

In questo articolo

Sommario

Qui forniamo una descrizione dettagliata del campionamento delle acque sotterranee da un pozzo per l'analisi delle microplastiche utilizzando un sistema di campionamento brevettato sviluppato a tale scopo. Il protocollo descrive in dettaglio i metodi per il campionamento delle microplastiche dai fori, nonché la separazione e l'identificazione chimica delle microplastiche.

Abstract

L'inquinamento da microplastiche nelle acque sotterranee rimane significativamente sottostimato nella letteratura scientifica. Questo articolo presenta un protocollo completo che delinea la metodologia per il campionamento delle acque sotterranee dai pozzi, nonché le fasi di separazione e analisi delle microplastiche. Fornisce una descrizione dettagliata di un sistema di campionamento a filtrazione progettato specificamente per questo scopo, insieme alla procedura di campionamento dettagliata. Inoltre, presenta l'analisi di laboratorio delle particelle microplastiche, compresa la loro caratterizzazione in base a dimensioni, forma, colore, trasparenza e struttura chimica utilizzando la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier a riflettanza totale attenuata (ATR-FTIR) e la spettroscopia micro-FTIR. Vengono discussi i fattori che possono influenzare i risultati e viene prestata particolare attenzione alla prevenzione della contaminazione dei campioni. La metodologia descritta tiene conto anche dei requisiti di cui all'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. Questo protocollo scritto completo, accompagnato da una guida video, ha lo scopo di supportare lo sviluppo di una metodologia sincronizzata per il monitoraggio delle microplastiche nelle acque sotterranee o nell'acqua potabile. Questa risorsa sarà di interesse per i ricercatori nel campo delle microplastiche in tutto il mondo.

Introduzione

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 sottosuolo15,16.

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'aderenza21,22. 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.

Protocollo

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.

Risultati

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)

figure-results-1
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.

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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.

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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.

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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.

figure-results-5
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.

Ubicazione: Pozzo 1Data: 1 aprileRicercatore/i: Ricercatore 1, ricercatore 2, ricercatore 3
Coordinate GPS: 46.056946 N 14.505751 E
Progetto: Campionamento acque sotterranee
Condizioni meteorologiche: Soleggiato
Temperatura (°C): 20
Campioni
ID campioneGW1.1GW1.2GW1.3GW1.4
Posizione di filtrazione1234
Tipo di filtroNylon - 100 μm, 20 μmNylon - 100 μm, 20 μmNylon - 100 μm, 20 μmNylon - 100 μm, 20 μm
Profondità di campionamento (m)25252525
Ora di inizio10.0010.0010.0010.00
Contatore dell'acqua START (m3)437.4199
Ora di fine10.45
Contatore dell'acqua END (m3)438.421
Volume d'acqua campionata (m3)1.001
Altro

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

UbicazioneCampioneID particellaFormaDimensioni (mm)ColoreComposizione chimica% di corrispondenzaPolimeri prioritariStrumentoSpettroAltro
Pozzo 1Borehole1_1_202422041particella0.54neroPolitetrafluoroetilene80.2PTFESpettro dueabc1111
Pozzo 1Borehole1_1_202422042fibra0.98bluPolietilene terafalato91.9Animale domesticoRaptIRabc1112
Pozzo 1Borehole1_2_202422041fibra1.54bluPoliammide75.0BABBORaptIRabc1113
Pozzo 1Borehole1_2_202422042fibra2.87rossoPolietilene terafalato98.0Animale domesticoRaptIRABC1114
Pozzo 1Borehole1_2_202422043fibra3.04rossoPolietilene terafalato71.3Animale domesticoRaptIRABC1115
Pozzo 1Borehole1_2_202422044fibra1.27bluPolietilene terafalato83.6Animale domesticoRaptIRabc1116
Pozzo 1Borehole1_3_202422041particella1.93biancoPolietilene85.3PESpettro dueCodice abc1117
Pozzo 1Borehole1_3_202422042particella0.96bluPolietilene89.4PESpettro dueABC1118
Pozzo 1Borehole1_3_202422043fibra0.54bluPoliammide73.2BABBORaptIRabc1119

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.

Discussione

Le analisi di laboratorio degli MP di cui al presente protocollo seguono l'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 stabilendo una metodologia per misurare gli MP nelle acque destinate al consumo umano (allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione) e gli orientamenti sul monitoraggio dei rifiuti marini nei mari europei31 sviluppato per l'attuazione della direttiva quadro sulla strategia per l'ambiente marino. Al completamento di questo protocollo, ogni particella o fibra MP con il proprio ID viene documentata con un'immagine, spettri e tutte le proprietà acquisite. Ogni particella MP è descritta in termini di forma, dimensione, colore, trasparenza e composizione chimica (tipo di polimero).

Secondo l'allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione, le MP si dividono in due tipi di forme: particelle e fibre. Le particelle possono essere ulteriormente classificate in frammenti, pellicole, schiume, pellet e granuli. Questa classificazione viene utilizzata nel monitoraggio dei parlamentari per la direttiva quadro. La differenziazione tra i diversi tipi di forme di MP è descritta nelle linee guida MSFD31 e nel protocollo video per il campionamento di MP sulla superficie del mare32. La dimensione di ciascuna particella è misurata come il diametro massimo di Feret31 o il diametro equivalente in superficie (allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione), mentre le dimensioni delle fibre sono registrate in termini di lunghezza e larghezza31. Sebbene il colore e la trasparenza non siano inclusi nei dati acquisiti ai sensi dell'allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione, sono inclusi nell'elenco delle proprietà MPS raccolte per la direttiva quadro. Le classificazioni sono descritte rispettivamente nelle tabelle 7.3 e 7.4 delle linee guida MSFD31.

Sulla base del risultato della ricerca dello spettro nella libreria dello spettro, le particelle MP sono classificate in uno dei gruppi di polimeri prioritari elencati nell'allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione, sezione 1, punti 14 e 15, o classificate come altri materiali nella sezione 1, punto 15. La composizione chimica delle fibre deve essere analizzata solo se le loro dimensioni e le capacità dello strumento consentono un'identificazione positiva del tipo di polimero; in caso contrario, devono essere indicate come fibre non identificate.

Il monitoraggio delle MP nelle acque sotterranee è limitato a un piccolo numero di studi di ricerca con metodologie diverse che possono influenzare i risultati finali14. I fattori chiave includono: 1) lavaggio prima del campionamento, 2) tipo di pompa, 3) sistema di filtrazione, 4) materiale filtrante e dimensione dei pori, 5) volume di campionamento, 6) trattamento del campione, 7) rilevamento e quantificazione degli MP e 8) controllo di qualità. Questi fattori e le loro caratteristiche sono discussi più dettagliatamente di seguito.

Nella maggior parte degli studi esistenti, il prepompaggio (lavaggio) prima del campionamento non è menzionato. Ma dovrebbero essere fornite anche informazioni al riguardo33, poiché l'epurazione ha un impatto significativo sulla concentrazione di MP28. Il nostro protocollo include il prepompaggio, poiché questo processo è fondamentale per il campionamento dell'acqua sotterranea dolce dalla falda acquifera piuttosto che dell'acqua stagnante accumulata nel pozzo. Per pulire efficacemente il pozzo, è necessario pompare 2-3 volte il volume del foro o continuare fino a quando i parametri fisico-chimici dell'acqua non si stabilizzano14. Il campione d'acqua deve essere raccolto a circa 1 m sopra la parte superiore dello schermo filtrante per evitare l'assunzione di sedimenti e garantire l'omogeneità del campione.

La raccolta di campioni di acque sotterranee dai pozzi richiede l'uso di una pompa. La portata è fortemente influenzata dalla profondità di campionamento, dal tipo di pompa utilizzata e dalle condizioni del foro, che è strettamente legata alle caratteristiche specifiche dell'acqua, come il contenuto di sedimenti, nonché alle condizioni meteorologiche prevalenti e recenti al momento del campionamento.

In genere, la maggior parte delle pompe contiene parti in plastica, che possono potenzialmente contaminare i campioni, ma la maggior parte degli studi non specifica il tipo di pompa utilizzata. Si consigliano pompe con tutti i componenti in acciaio inossidabile. Se ciò non è possibile, i materiali devono essere specificati in termini di composizione chimica utilizzando l'analisi FTIR. Gli spettri dei materiali utilizzati devono essere inclusi nella libreria e le particelle dei campioni devono essere confrontate con essi per tenere conto della potenziale contaminazione.

Per le pompe dotate di giranti, le particelle MP più grandi possono essere danneggiate o addirittura frammentate durante il passaggio attraverso la pompa. Per evitare di sovrastimare la presenza di MP, è fondamentale valutare se la pompa di campionamento contribuisce alla frammentazione delle particelle plastiche. Questo può essere testato introducendo un numero noto di particelle MP ben caratterizzate in acqua precedentemente pulita e pompandole attraverso il sistema di filtraggio. Dopo il pompaggio, le particelle devono essere ricaratterizzate per determinare se si sono verificati cambiamenti fisici, come la frammentazione o l'alterazione della superficie. Questa fase di convalida aiuta a garantire che il processo di campionamento non aumenti artificialmente il numero di MP a causa della degradazione meccanica.

Per fornire un grande volume di acqua campionata, è necessario un sistema di filtraggio adatto all'uso in campo. Nel nostro protocollo, per evitare contaminazioni, il sistema di filtraggio (il sistema di campionamento è brevettato con SLO-P-202300155 ed è in attesa di brevetto EPO-EP24217168.4) è realizzato in acciaio inossidabile con tutti i suoi componenti saldati e non include Teflon (PTFE) o qualsiasi altro nastro isolante in materiali plastici. Poiché i filtri possono intasarsi molto rapidamente, la filtrazione a cascata è inclusa come opzione, che può anche consentire la distribuzione diretta delle particelle nelle classi dimensionali desiderate. In genere, vengono utilizzati filtri con dimensioni dei pori di 100 μm e 20 μm o 10 μm. È possibile aggiungere filtri aggiuntivi per risolvere possibili problemi di intasamento (ad esempio, un filtro aggiuntivo con pori compresi tra 100 μm e 20 μm). L'allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione raccomanda la filtrazione a cascata con quattro stadi: il primo filtro ha pori di 100 μm, il secondo di 20 μm, il terzo di 100 μm e il quarto di 20 μm. I primi due filtri vengono utilizzati per l'analisi delle MP, mentre il terzo e il quarto vengono utilizzati per la valutazione dei livelli di contaminazione delle MP (controllo di qualità del campionamento) e per garantire che tutte le particelle siano state filtrate dai primi due.

Il flussimetro (in particolare se meccanico) deve essere installato dopo la cascata di filtri per il campionamento per misurare con precisione il volume dell'acqua campionata. Durante il campionamento, è essenziale monitorare la pressione del sistema. Se la pressione supera i 4 bar, ciò indica l'intasamento del filtro e il sistema deve essere spento immediatamente per evitare danni al filtro o al sistema. Per evitare un'ulteriore frammentazione delle MP, il campionamento dovrebbe essere condotto alla pressione più bassa possibile.

Come accennato, la decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione propone l'uso di filtri da 100 μm e 20 μm. In questo studio sono stati utilizzati filtri in nylon. Tuttavia, in questo caso, è necessario raccogliere le particelle MP dai filtri e trasferirle direttamente su ATR-FTIR o vetrini riflettenti adatti a lavorare in modalità riflessione con microscopia FTIR o Raman. I filtri a rete in nylon sono efficaci per filtrare attraverso filtri con pori di 100 μm, poiché le particelle di queste dimensioni possono essere gestite manualmente. Tuttavia, quando si utilizzano filtri da 20 μm, si consigliano filtri rivestiti in silicone o alluminio per facilitare le misurazioni in modalità di trasmissione o riflessione utilizzando la microscopia FTIR o Raman.

La letteratura suggerisce di campionare almeno 500 L di acqua per evitare di sottovalutare la presenza di MP34. Conformemente all'allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione, è necessario campionare 1 m3 di acqua. Il volume raccomandato deve essere considerato per evitare di sovrastimare la concentrazione di MP nel campione. Questo grande volume d'acqua aumenta il rischio di intasamento del filtro, rendendo altamente raccomandata la filtrazione a cascata.

I campioni del sistema presentato vengono immediatamente preparati per l'analisi delle MP utilizzando uno stereomicroscopio. Questo è un metodo molto efficiente in termini di tempo e costi. Molti studi descrivono in dettaglio le fasi di pretrattamento per rimuovere sabbia e materia organica; Tuttavia, queste procedure richiedono molto tempo e possono comportare l'uso di sostanze chimiche tossiche. Tali fasi di pretrattamento possono anche influire negativamente sui risultati in quanto portano a un'ulteriore frammentazione o perdita di particelle, in particolare quelle più piccole (< 100 μm)35. Pertanto, è preferibile evitare questi passaggi a meno che non sia necessario. Tali istruzioni sono descritte anche nella decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione, in cui si propone che l'analisi del campione mediante microspettroscopia FTIR possa essere effettuata direttamente sui filtri di raccolta originali, se compatibili con il metodo analitico utilizzato, e se necessario si ricorra a una fase di flottazione.

In primo luogo, i campioni filtrati vengono analizzati con stereomicroscopi, per cui ogni particella viene fotodocumentata, etichettata con ID, misurata per dimensioni e valutata per forma. La determinazione della forma è importante in quanto può fornire informazioni sulla fonte delle MP. Le fibre provengono tipicamente dal lavaggio dei tessuti e provengono dagli impianti di trattamento delle acque reflue, mentre i frammenti provengono tipicamente dalla degradazione di grandi particelle di plastica nell'ambiente. Nella seconda parte dell'analisi, la composizione chimica di ciascuna particella viene determinata utilizzando la microscopia ATR-FTIR o FTIR/Raman. Generalmente, tutte le particelle dal filtro ai vetrini riflettenti vengono trasferite per eseguire l'analisi in modalità riflettente con la microscopia FTIR. Se il campione viene raccolto su un filtro in silicone da 20 μm, è possibile eseguire l'analisi diretta con il microscopio Raman o FTIR, a condizione che il filtro non sia eccessivamente coperto da particelle di sabbia. Se le particelle sono incorporate nella sabbia, la separazione per densità e/o possono essere applicati trattamenti chimici o enzimatici per ridurre la presenza di materiali non plastici come minerali, ossidi metallici e materia organica naturale. Le particelle MP devono essere essiccate prima della misurazione, poiché l'acqua assorbe fortemente le radiazioni IR.

Per garantire la credibilità dei risultati, è necessario considerare i seguenti elementi di controllo della qualità: In primo luogo, la prevenzione dell'inquinamento atmosferico: per prevenire la contaminazione atmosferica durante il campionamento, è essenziale un sistema di filtraggio chiuso. Per evitare la contaminazione nell'aria durante il processo di analisi, sono necessari un camice da laboratorio in cotone bianco e una filtrazione dell'aria attraverso un filtro HEPA. In secondo luogo, la prevenzione della contaminazione da parte del sistema di filtraggio: l'unico componente del sistema in cui i polimeri sono inevitabili sono i tubi flessibili. Si consigliano tubi in silicone che devono essere sostituiti in caso di danni visibili. È necessario conoscere i componenti della pompa e testare la pompa per la potenziale contaminazione dei campioni se viene stabilita la presenza di polimero. In terzo luogo, la prevenzione della contaminazione durante il lavoro di laboratorio: solo le apparecchiature di laboratorio in vetro e lavate con acqua ultrapura sono adatte per l'analisi delle MPS. In quarto luogo, i campioni paralleli per garantire la riproducibilità e la significatività statistica dei risultati: questo sistema di filtrazione consente il campionamento simultaneo da quattro rami. Occorre ottenere un minimo di tre campioni paralleli per garantire le stesse condizioni per tutti i campioni e risparmiare tempo. In quinto luogo, i campioni bianchi devono essere inclusi in tutte le fasi del campionamento e dei processi di laboratorio. Durante il campionamento sul campo, dopo i filtri campione da 100 μm e 20 μm sono installati filtri bianchi da 100 μm e 20 μm, come proposto nell'allegato della decisione delegata (UE) 2024/1441 della Commissione. I campioni bianchi ottenuti nella procedura di campionamento devono essere presi in considerazione in tutte le fasi analitiche seguendo la stessa procedura.

Il protocollo delineato in questo documento soddisfa tutti i requisiti stabiliti dalla Decisione Delegata (UE) 2024/1441 della Commissione e, pertanto, fornisce un'eccellente risorsa a tutti i ricercatori che studiano o monitorano le MP nelle acque sotterranee. Il sistema di filtrazione descritto può essere utilizzato anche per acque dolci o marine, in quanto consente il campionamento di MP a diverse profondità. Il metodo di campionamento è semplice, facile da usare e fornisce risultati rapidi e accurati nella maggior parte dei casi senza la necessità di un pretrattamento del campione.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.

Ringraziamenti

Lo sviluppo di questo protocollo è stato finanziato dall'Agenzia slovena per la ricerca e l'innovazione nell'ambito del progetto di ricerca "Metodi migliorati per la determinazione dei processi di trasporto delle MP nelle risorse idriche sotterranee" (GWMicroPlast) (J1-50030) e del programma di ricerca Acque sotterranee e geochimica (P1-0020), nonché dal progetto Research Science Funds "Microplastic in the geosphere" (Manca).

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Spettrometro ATR-FTIRPerkinElmerL160000FSpectrumTwo
Microscopio FTIRThermoFischer ScientificIQLAADGAAGFARMMBMNRaptIR
Piastre di Petri di vetroMarchio45571760 mm di diametro
Membrane a rete in nylonMerckNY1H04700Idrofilo, 100  & micro; m, 47  mm, 100
Membrane a rete in nylonMerckNY2004700Idrofilo, 20  & micro; m, 47  mm, 100
Pinze preciseBraunBBD335RMicro pinza
Film di sigillamentoAmcor Flexibles NordPM992Parafilm M
Stereomicroscopio Zeiss495015-9880-010StereoDiscovery V8
Pompa dell'acqua sommergibileGrundfoss96510217SQ 5-70
Misuratore del livello dell'acquaHydrotechnik/Tipo 010

Riferimenti

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