サンプリング、並べ替え、および高い浮遊負荷と大きい浮遊残骸水圏環境における Microplastics の特性

早くも 1930 年代¹プラスチックは海が最初に観察されました。海洋プラスチックの破片範囲以上の地上から海に入るプラスチック製の 4.8 12.7 万 MT に海の表面のプラスチックの 243,000 メートル トン (MT) の最近の見積もりは源毎年^2,3です。海洋プラスチックの破片に関する初期の研究は、macroplastics に焦点を当てて (> 直径 5 mm) 彼らは、簡単に表示および定量的な。しかし、それは macroplastics を表すことが発見された最近 < プラスチックの破片、プラスチックの破片の圧倒的多数である塑性を示すカウント、海の 10% (< 直径 5 mm)²。

Microplastics は 2 つのグループに分類されます: プライマリおよびセカンダリの microplastics。直径で製造されたプラスチックから成っている主 microplastics < 5 mm 尽くさ、生ペレットの消費者製品を作るためのパーソナルケア製品 (例えば洗顔、ボディ ・ スクラブ、exfoliants として使用のマイクロ ビーズなどと歯磨き粉)、研磨剤や工業用潤滑油。セカンダリ microplastics より大きいプラスチック残骸が微生物分解^4、5耐摩耗性、光分解によって断片化して、環境内で作成されます。合成繊維はまた二次 microplastics と懸念。単一の衣服を解放することができます >⁶家庭用洗濯機で洗濯あたり 1,900 繊維。パーソナルケア製品からマイクロ ビーズと同様、これらの超極細は下水処理場に入る前に排水と下水道に洗っています。マーフィー (2016) は、廃水の処理プラントは、650,000 の人口減の塑性濃度 98.4% 流入から排水、まだ 6500 万 microplastics 残った排水と汚泥各日⁷を見つけた。治療プロセス、数百万人、おそらく数十億で削除される microplastics の割合が高いでも microplastics の毎日下水処理場を通過し、地表水排水^{6,8 、9,10,11}。

彼らの環境のリリースのため microplastics は、すべて栄養段階^12,13,14,15間で海洋生物の消化器、呼吸器の組織で発見されています。取り込みがいくつかの変数の影響は、物理的・化学的組織損傷^4,6,14,15など多数の効果を示す他の中ない観察の害を研究します。これらの発見により、この分野に関心は過去 5 年間増加しています。しかし、ごく最近研究し始めている河川や湖沼などの淡水システムでプラスチックの破片、特に microplastics を定量化、またはこれらの生息地^{12,16、住居の有機体に及ぼす影響を評価します。 17,18}。河川、排水排水と microplastics と macroplastics を含む地表水の流出を受信して、海で見つけたプラスチックの破片の主要な源です。

ここで詳しく説明プロトコルをドリフト ネットが可能か; は塑性のサンプルを収集するために使用できます。具体的には、高濃度懸濁堆積物と大規模な水生環境でミシシッピ川のような破片をフローティングします。ミシシッピ川流域の人口で、世界最大の一つです > 9000 万人、おそらくプラスチックの破片の最も大きい源の 1 つ海^19,20。毎年、浮遊堆積物の高濃度と共に、メキシコ湾のミシシッピ川放出 735 km³淡水の平均 (~ 60 に > 800 mg/L) と大型こみ^13,21。水の採取した 2 つの深さ (すなわち表面と 0.6 深さ) でミシシッピ川とその支流で蠕動ポンプを使用して半透明の 1 L 低密度ポリエチレン (PE) コンテナーに沿って様々 な場所で。演習では、サンプルを使用してナイロン メッシュふるいとセルロース混合エステル膜フィルター同時にユニオン継手とカスタムメイドの 63.5 mm (2.5 インチ) ポリ塩化ビニル (PVC) シリンダー挿入するふるいやフィルター²²濾過。ろ過装置における PVC 組合の包含により濾過必要に応じてできるだけ多くまたは少数の粒子サイズ クラスします。さらに、それを使用して、合成繊維を勉強して膜フィルターを用いたサブミクロン サイズまで塑性破片をキャプチャできます。サンプルが乾燥された一度フィルタ リング、および疑いのあるプラスチックが識別され、メッシュのふるいと顕微鏡下で膜フィルターから順に配置。疑いのあるプラスチック、マイクロ減衰全反射フーリエ変換赤外分光法 (マイクロ ATR FTIR) を使用して非合成材料を除去またはポリマーの種類を判断を行った。塑性粒子や繊維のサイズを考慮した汚染は一般的です。汚染源大気降下物、衣類、フィールドとラボ機器、脱イオン (DI) 水源があります。複数のステップは調査のすべての段階を行いながらさまざまなソースからの汚染を減らすためにプロトコル全体を通じて行われるです。

1. 水サンプル集

1. 水試料を収集し、水の川が十分に混合された、理想的な河川水位や放電が (例えば、米国地質調査所 (USGS) 計測ステーション) を知られている場所でボートで関心のある品質データ。²⁰水は十分に混合されたことを保証する、伝導性が比較的一定に保たする川に浸漬ハンドヘルド メーターを使用してボートをご案内します。
2. サンプリング サイト、記録場所の座標と深さ。0.6 深さを見つけるには、単に 0.6 で深さの合計を乗算します。ハンドヘルド メーターを使用して興味 (濁度など温度、電気伝導度、pH、溶存酸素 (DO)) の測定水の品質パラメーター。パラメーターを測定、ペリスタ ポンプ広口容器に所定の深さからサンプル水をポンプおよびすぐに (手順 1.5) の測定を行います。
3. チューブで蠕動ポンプを使用して、表面と 0.6 深さからサンプルを取得します。正しい管の長さを指定した深さのポンプに接続します。
   1. 水系に強い電流、ジッパー ネクタイを使用して重量を助けるポンプ チューブ チューブ溶接 6.4 mm チェーンを添付します。チェーンの最後に、さらに軽量チェーンとチューブ アセンブリに重量やセメント ブロックを配置します。
      注意:ポンプ用チューブに直接体重やセメント ブロックを接続しないでください。
4. 排水管末を繊維を当てることができれば服からのボートの端にかぶせます。所望の深さ (すなわち、表面または 0.6 深さ) に管の流入の終わりをゆっくりと下ろします。その後、少なくとも 30 の空気チューブをパージする逆にポンプを実行 s。パージ空気後ポンプの方向を逆にしボートをオフまたは廃棄物コンテナーに排出する水しながら所定の深さから試料水チューブをすすいでください。少なくとも 30 のチューブを洗浄されている後にポンプを停止 s。
5. サンプル水、すすぎ水のたびにダンプで 3 回水品質測定のために使用されるコンテナーをすすいでください。洗浄、試料水コンテナーを埋めるし、ハンドヘルド メーター (ステップ 1.2) を使用して興味の水の品質パラメーターを測定します。
6. 3 回中古・ ディ ・水の少なくとも 250 mL でリンスされているラベルの付いた 1 L 容器に管排水を配置することによって、塑性サブサンプルを収集します。その後、コンテナーをたびに洗浄水を破棄、試料水 3 の追加回すすいでください。塑性コンテナーを洗浄すると、一度サンプルを入力します。
7. 1.6 の手順に記載されている同じ蠕動性ポンプ メソッドを使用して、3 回中古・ ディ ・水の少なくとも 100 mL でリンスされているラベル付き、250 mL のボトルの総懸濁物質 (TSS) のサブサンプルを収集します。サンプル水のたびに洗浄水を破棄することでボトル 3 回以上を洗い流してください。TSS コンテナーを洗浄すると、一度サンプルを入力します。
8. 1.6 から 1.7、品質保証/品質管理 (QA/QC) のための手順に記載されている同じ方法で、フィールドをトリプリケートとフィールドで 1 日に少なくとも 1 回の空白を収集します。空白を収集するために、フィールドに、ディ二つ 1 L の容器に水を持参します。空気ポンプ用チューブをパージ後純水の最初のコンテナーを開くし、1.4 の手順で説明した方法を使用してポンプ用チューブをすすいでください。チューブを洗浄すると、一度純水の 2 番目のコンテナーを開き、それぞれ 1 リットルの空のコンテナーと塑性と TSS ブランクス、250 mL のボトルにそれをポンプします。
9. 塑性と TSS のサブサンプルを氷の上彼らを保存する-20 ° C で処理されるまで、ラボに戻るまで保存します。
   注意:サンプル コンテナーのいくつかのヘッド スペースのままに凍結と氷の拡大により彼らが傷つかないようにしてください。
   注:プロトコルはここで一時停止することができます。

2. TSS 定量

1. 250 mL サブサンプルと TSS を決定する使用米国環境保護庁 (USEPA) 方法 160.2 フィールド²³で収集されます。見つかった総プラスチックと TSS 計算を比較します。

3. 塑性ろ過デバイス アセンブリ

1. 徹底的に DI 水の少なくとも 250 mL で 3 回ろ過デバイスとナイロン メッシュふるい (図 1) を洗い流してください。細孔サイズ上部から (図 1 a) ろ過装置の下部に減少関節各連合に望ましい気孔サイズ (例えば、 50 μ m、100 μ m、300 μ m、500 μ m) のメッシュのふるいを配置します。各組合をシール漏れを防ぐためにしっかりと共同。
2. 望ましい気孔サイズ (例えば0.45 μ m) のセルロース混合エステル膜フィルター (142 mm 直径) を円錐形に折るし、ろ過装置にそれを置きます。
   注:折り畳み式の膜フィルター、フィルターの目詰まりを防ぐためにより多くの表面積を提供します。
   1. DI 水でメンブラン フィルターを濡れています。湿った中、ろ過装置に合った径の円錐形に膜フィルターを折る。また、連合の関節 (図 1 b) の上に収まるように円錐形の端に沿って小さな唇を隠します。
      注意:メンブラン フィルターは、テアリングを防ぐための折り畳み前に濡れている必要があります。
   2. 場所最後の連合の関節 (図 1) にステンレス メッシュ バスケット。慎重にバスケット (図 1) に円錐状のメンブレン フィルターを配置します。共同組合の端に膜フィルターの唇を隠します。
      注:メッシュ バスケットはフィルターをサポートして、真空が適用された後、破損を軽減します。
3. 場所は、図 1に見られる最後の連合共同でメンブラン フィルター上に最小必要な孔径 (例えば50 μ m) ふるいのメッシュ。
   注:これは場所で濾過における膜フィルターを保持するために追加のサポートを提供します。
4. すべてユニオン接合部を密閉、一度、ろ過装置のベースにフィルタ リングのフラスコの上部からホースを接続します。次に図 2に示すように、真空ポンプ フィルターのフラスコの側からホースを添付します。

図 1: ろ過装置の組立。(A) ろ過装置は上部ユニオン継手に望ましい気孔のサイズのメッシュのふるいを配置することによって組み立てられます。(B) セルロース混合エステル膜フィルターは、ろ過装置; の直径に合わせて円錐形に折り畳まれている必要があります。コーンは、場所でフィルターをセキュリティで保護する共同組合の端に合うように小さな唇を含める必要があります。(C) A メッシュ バスケットは、膜フィルターに安定性を追加する連合に配置されます。(D) 折られた膜フィルターがメッシュ バスケットに追加されます、最小メッシュふるいサイズはメンブレン フィルターの上に配置されます。(E) 完全に組み立てられたろ過装置。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2: フィルタ リングのフラスコとポンプの組立。フィルタ リングのフラスコは、透明なビニール チューブを使用してろ過装置真空アダプターに添付されます。フィルタ リングのフラスコを真空ポンプに接続します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

4. サンプルろ過

1. 装置濾過装置を組み立てるたびに前に空白を収集します。空白を収集する前に、徹底的に 3 回、少なくとも 250 mL の純水を使用してデバイスをすすいでください。これらの空白は、4.2 4.4 の手順で説明されている手順を使用して収集されます。
2. 真空ポンプをオンにします。真空ポンプは127 mm Hg を超えない、または膜フィルターの圧力が引き裂くことを確認します。
   注意:サンプルろ過流量によって圧力の増大がろ過装置内堆積物下駄メッシュふるいまたは膜フィルター。これは 127 mm Hg の読書に達する前にメンブラン フィルターで破断する可能性がある可能性。このため、以下 127 ミリメートル Hg によってサンプルに基づいて調整する必要があります、圧力を密接に見る。
3. 500 mL のメスシリンダー シリンダー、トリプル ・ ディ ・水の少なくとも 250 mL で洗浄を使用すると、サンプルの総量を測定します。量を記録し、メスシリンダーからサンプルをろ過装置に転送します。
   注意:試料水とフィルターのフラスコのサイズに応じてフィルタ リングのフラスコはサンプルろ過中に複数回を空にする必要があります。
   1. フィルタ リングのフラスコを空にするには、ポンプをオフにして、フラスコから 2 つのホースを切断します。別の廃棄物容器にフラスコを空にします。
      注意:サンプル全体がフィルター処理されている膜フィルターが維持されていることを確認し、フィルターが適用されたサンプル水を保ちます。
   2. 濾過サイクルを続行するには、ステップ 3.4、に従ってフィルタ リングのフラスコにホースを再接続し、ポンプをオンに。
4. 全体のサンプルのフィルターが設定されている一度サンプル コンテナーと 3 回、少なくとも 250 mL の純水でメスシリンダーをすすぎます。各洗浄後コンテナーとすべての微粒子のフィルターが適用されたことを確認するメスシリンダーをすすいだ水をフィルターします。

5. 塑性ろ過装置分解

1. 少なくとも 250 mL のすべての粒子をフィルタ リングされているどれもがろ過装置に残っていることを確認する・ ディ ・水で 3 回ろ過装置の壁をすすいでください。
2. 真空ポンプをオフにし、慎重に外し、最初連合をデタッチします。ポンプの電源を入れます、ユニオン ジョイントの端を洗浄する・ ディ ・水洗浄ボトルを使用します。彼らすべてを収集できるようにセンターにメッシュのふるいの端で微粒子を洗います。
3. ポンプをオフにしてきれいな鉗子、メッシュのふるいの表面に微粒子をタッチしないように作るとメッシュのふるいを慎重に削除します。屋根付きシャーレにメッシュのふるいを置き、24 時間 60 ᵒC で乾燥します。一度乾燥し、サンプルは分析を始めるまで格納できます。
4. メッシュのふるいを住宅各ユニオン ジョイントの 5.1 5.3 の手順を繰り返します。
5. 最後組合共同メッシュふるいと膜フィルターを収容する、手順 5.1 5.3 メッシュのふるいを繰り返します。
   注意:膜フィルターの下で洗浄する場合、サンプルが失われることが、メッシュのふるいを洗浄に注意します。
6. 真空ポンプをオンにして、DI 水洗浄ボトルを用いた膜フィルターのエッジをすすいでください。完全なサンプルを確保するためセンターに膜フィルターの端の洗浄微粒子がフィルターされています。メンブラン フィルターを削除する前にすべての水がそれを通過して、その表面に水はプールないを確認します。
   注意:もう一度、メンブラン フィルターを洗浄それの下で洗浄する場合、サンプルが失われることが、注意してください。
7. 慎重に削除し、鉗子でメンブラン フィルターを展開します。その直径の適切なペトリ皿や箔封筒に膜フィルターを配置します。
   注:メンブラン フィルターは、テアリングを防ぐために処理されている間湿ったである必要があります。
8. 24 h の 60 ᵒC のオーブンで覆われた膜フィルターを乾燥させます。一度乾燥し、解析を開始することができますまでサンプルを格納します。
   注:プロトコルはここで一時停止することができます。

6. 粒子解析

1. ペトリ皿にメッシュのふるいまたは膜フィルターを残すし、microplastics のサンプルを調査すること蓋のみを削除します。これは、任意の粒子が落ちる後解析可能なペトリ皿のままになりますメッシュふるいまたは膜フィルター メッシュふるいまたは膜フィルターからすべての粒子が削除されることが保証されます。
2. 疑いのあるプラスチック微粒子や繊維を識別するために実体顕微鏡 (14 90 倍の倍率) の下にメッシュふるいまたは膜フィルターを確認します。次の条件を使用して、疑いのあるプラスチックを識別するとき: 細胞構造、繊維は、全体で同じ厚さ、粒子で光沢のある²⁴。
3. メッシュのふるいまたは膜フィルターからすべてが疑われるプラスチックを外し、70% エタノールを含むコレクション バイアルにそれらを置きます。各疑いのあるプラスチックの形状(例えば、粒子状物質、繊維、フィルム等)の色を記録します。
4. すべての疑いのあるプラスチックはメッシュのふるいまたは膜フィルターから削除し、定量化、蓋と次のステップ 6.2 6.3 シャーレの底を確認します。
5. メッシュ後ふるいまたは膜フィルターとシャーレが調査されて、すべてが疑われるプラスチックを削除し、定量化をマイクロの ATR FTIR を用いた解析 12 スロット アルミニウム コーティング スライド コレクション バイアルからの微粒子や繊維の配置。
   注:常に、マイクロ ATR FTIR のすべての疑いのあるプラスチックをテストすることは不可能です。したがって、「戦略的選択」研究と異常が疑われるプラスチック (例えば、同じような繊維や粒子の数が多い)²⁵目標に対処する量。一般的な意味では、プラスチックを疑われるが、20% 多くをテストします。
   1. マイクロ ATR FTIR を使用して疑いのあるプラスチックが解析されると、どう与えられたサンプル スペクトル データベースを使用してプラスチックと、もしそうなら、プラスチックのポリマー タイプを決定します。

10 青い PE 微粒子 (50-100 μ m に至るとスパイクがテキサス州コーパスクリスティ (テキサス A & M 大学コーパスクリスティ キャンパスに隣接して) この議定書、Oso の湾からの 3 つのサンプル (V1V3) の回収率を検証するには直径) および様々 な長さ (図 3) の 50 の緑ナイロン繊維。サンプル TSS が計算される (セクション 2) をクリックし、サンプルのセクション 3-5 を説明する方法を使用してフィルター処理されました。青い PE 微粒子と緑ナイロン繊維の分離、(表 1) を定量化します。その他の繊維や微粒子メッシュふるい、膜フィルター、Oso 湾水試料に由来する可能性が観察されました。平均では、PE の微粒子の 100%、ナイロン繊維の 92% が回収されました。繊維の損失濾過や不適切な情報の識別中に少量サンプルの損失の可能性があります。

機器の空白は、DI 水 1000 mL をフィルタ リングによってろ過装置から採取しました。この空白を 100 μ m と 50 μ m メッシュふるい 0.45 μ m のメンブラン フィルターを使用して行った。7 繊維 (ブルー ・ クリア) の合計は、空白の機器で発見されました。この汚染は、ろ過装置、実験装置、大気降下物や純水からされている可能性が。しかし、繊維は青い PE 微粒子やサンプルをスパイクに使用される緑ナイロン繊維と同様でした。

このプロトコルは、ミシシッピ川 mainstem とミズーリ川を含むミシシッピ川流域からのサンプルを処理して作成されました。63 mg/L の平均 TSS であったミシシッピ川とミズーリ川からの予備解析土砂が水コレクション大きな川で遭遇するかもしれない高の浮遊砂濃度をシミュレートする前に意図的に妨げられた Oso 湾の TSS 値は通常ミシシッピ川流域で観察の下、システム。Oso 湾サンプルで平均 TSS だった 1,865 mg/L、ミシシッピ川とミズーリ川のサンプル計算 TSS の 〜 30 倍以上であります。濁った Oso 湾サンプルは、ここで説明したテクニックを使用して 〜 1,800 mg/L までの TSS とサンプルの成功したろ過をお勧めします。

図 3: 微粒子や繊維パーセント回復検証に使用します。2 つの青い PE 微粒子とテキサス州コーパスクリスティで Oso 湾から検証サンプルをスパイクに使用されるサイズの範囲内の 2 つの緑ナイロン繊維のイメージ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

表 1: 検証のサンプルからの結果です。青い PE 微粒子と緑ナイロン繊維のセット数は、ろ過装置と解析プロトコルを検証するコーパスクリスティ、テキサス州で Oso 湾から採取したサンプルに追加されました。3 塑性検証サンプル (V1V3) および 1 つの TSS のサンプルは、オソ湾の銀行で同じ場所で撮影されました。繊維や粒子の細孔サイズごとに定量を行ったし、各検証サンプルの合計を計算しました。知られている繊維や微粒子サンプルと各サンプルから回復した合計をスパイクに使用量を使用して、パーセント回復を求めた。

プロトコルは 2 つの深さから、サンプル川にも設計されました: 表面 (最高速度と川の深さ) と 0.6 深さ (全体の水の列のための約平均速度と河川の水深)。ミシシッピ川とミズーリ川 (表 2) からのサンプルが収集し、, 解析前述のよう。同じ場所 (すなわちAlton、イリノイ州でミシシッピ川) で撮影された、最初と 2 番目のサンプル塑性濃度に及ぼす深さの影響を調べるため、異なる深さで。サンプリング塑性載荷時の場所の可能性の効果を確認するには、最初と 3 番目のサンプルは同じ深さですが、別の場所 (すなわちAlton、イリノイ州、セントルイス、上ミズーリ川ミシシッピ川で撮影されました。ミズーリ州)。繊維や予備のミシシッピ川流域サンプルで見つかった微粒子の例を図 4に示します。

表 2: ミシシッピ川流域のサンプル収集と分析データ。予備 USGS 計測ミシシッピ川とミズーリ川駅に近く採取。深さ (m)、濁度 (NTU) と TSS (mg/L) をサイトごとに測定しました。サンプルはフィルタ リングされ、次のこのプロトコル分析します。50 μ m の繊維や粒子状物質の定量を行った、100 μ m 孔サイズ メッシュふるいとして 0.45 μ m のメンブラン フィルター。500 μ m メッシュのふるいで収集された材料の不足は、このサイズが示された結果から除外されます。

図 4: 例の粒子や繊維は、ミシシッピ川流域から予備サンプル。繊維や微粒子の Alton、イリノイ州でミシシッピ川の表面から採取した試料 (表 2) で定量化の画像。(A)像 0.45 μ m メンブラン フィルターのサイズの範囲は 2 つの青い繊維。ミシシッピ川流域で見つかった microplastics の形状、サイズ、色の範囲を示す赤い粒子状や 50 μ m メッシュのふるいは、様々 な繊維のイメージを(B) 。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

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