ここでは、この目的のために開発された特許取得済みのサンプリングシステムを使用して、マイクロプラスチック分析のためにボアホールから地下水をサンプリングする方法について詳しく説明します。このプロトコルでは、ボーリング孔からマイクロプラスチックをサンプリングする方法、およびマイクロプラスチックの分離と化学的同定について詳しく説明しています。
この記事について
サマリー
要約
地下水中のマイクロプラスチック汚染は、科学文献の中で依然として著しく過小報告されています。この論文では、ボーリング孔から地下水をサンプリングする方法論と、マイクロプラスチックの分離と分析の手順を概説する包括的なプロトコルを提示します。この目的のために特別に設計されたろ過サンプリング システムの詳細な説明と、詳細なサンプリング手順を提供します。さらに、減衰全反射率フーリエ変換赤外分光法(ATR-FTIR)およびマイクロFTIR分光法を使用したサイズ、形状、色、透明度、化学構造に基づく特性評価を含む、マイクロプラスチック粒子の実験室分析も紹介します。結果に影響を与える可能性のある要因について説明し、サンプルの汚染を防ぐことに特別な注意が払われます。説明されている方法論は、 欧州議会および理事会の指令 (EU) 2020/2184 を補足する、2024 年 3 月 11 日の欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 の附属書 の要件も考慮しています。この包括的な書面によるプロトコルは、ビデオガイダンスを添えて、地下水または飲料水中のマイクロプラスチックを監視するための同期方法論の開発をサポートすることを目的としています。このリソースは、世界中のマイクロプラスチック分野の研究者にとって興味深いものとなるでしょう。
概要
近年、マイクロプラスチック(MP)が重要な環境汚染物質として特定されています。MPは大気圏に突入する可能性があるため、水循環の一部です1。大気の堆積と地表流出は、MPが地表水に入る主な経路です2。MPはさまざまな陸上および水生の供給源に由来し、陸上の供給源が総量の80%を占めています3。水生生態系に入ると、陸生MPの大部分は川を経由して海に運ばれます。残りのMPは淡水環境に存続し、人口密度が高く都市化された地域の地表水は、水の滞留時間が長く、人為的な影響が大きいため、より高いレベルのMP汚染を示しています。地表水は、河床、氾濫原、湿地、泉の地下水にも接続できます4。
淡水生息地で行われた研究は、2018年に入手可能な文献の4%未満を占めていましたが5、水生環境におけるMP源をよりよく理解する必要性に対する認識の高まりにより、淡水システムに焦点を当てた研究が顕著に増加しました6。地下水に関する研究の数は依然として限られていますが、地下水にMPが存在するという証拠は十分に文書化されています。地下水は世界で最も重要な淡水源であり、20億人以上の人々に安全な飲料水、家庭用、農業用、工業用水へのアクセスを提供している7、地下水における国会議員の存在は、21世紀の地下水の安全性について新たな疑問を投げかけている8。
MPの陸上発生源は非常に多様であり、繊維の洗浄による繊維状MPは、水生システムで検出されたMPの約35%を占めています9。環境中のさまざまな種類のMPのその他の重要な発生源には、パーソナルケアおよび化粧品、タイヤ、農業用プラスチックフィルム、人工芝および道路コーティング、埋め立て地、不適切に廃棄されたプラスチック、包装、および建設業界の汚染物質が含まれます9,10。
MPは、多くの異なる供給源があるため、化学組成、色、形状、密度、サイズ、およびその他の特性の点で大幅に異なる可能性があります11。国際規格 ISO 24187:2023 は、MP を 2 つのカテゴリに分類しています: 1) 「大型マイクロプラスチック」: サイズが 1 mm から 5 mm の範囲の固体の水不溶性プラスチック粒子、および 2) 「マイクロプラスチック」: 1 μm から 1 mm の範囲のサイズの水に不溶な固体プラスチック粒子。1 μm未満の粒子はナノ粒子と見なされます12。MPの形で最も頻繁に見られるポリマー材料は、最も広く生産されているポリマー材料として、ポリエチレン(PE)とポリプロピレン(PP)です13。
MPは、地表水や海水との相互作用、再涵養・放流プロセスを通じて、土壌や堆積物から地下水に輸送される可能性があります。これらのプロセス中に、MPは地下水に輸送され、地下水から輸送され得る14。低流域(HZ)は、河川と浅い地下水系15との間の交換のための重要なインターフェースとして機能します。HZを通るMPの輸送は、さまざまな粒子特性(サイズ、形状、材料組成)、および河床の形態や流れの乱流などの特定の水文学的および地球化学的要因の影響を受けます15。細孔径とMPサイズの関係は、寸法が小さいMPは、表面から地下層15,16に細孔空間をより容易に移動するため、これらのプロセスにおける別の重要な要素です16。
MPは、不飽和ゾーン17を通って地下水に入ることができる。不飽和帯は、地表と地下水の間の重要なつながりを表しています18。不飽和帯におけるMPの輸送と保持のプロセスは、粒子特性、土壌特性、および環境要因に依存します17,19,20。ミミズ、コレンボラン、ダニなどの土壌生物は、変位、摂取、飲み込み、付着などのさまざまなメカニズムを通じて、土壌表面からより深い層へのMPの輸送に影響を与える可能性があります21,22。無脊椎動物は、土壌中にマクロ細孔を形成することにより、マイクロプラスチックの輸送に間接的に影響を与える可能性があり、浸出によるマイクロプラスチックの移動経路として機能します21。
地下水中のMPの存在に関する主な懸念は、大きな表面積、環境にやさしくない分解プロセス(マイクロおよびナノサイズの粒子の形成につながる)、および強い疎水性に関連するそれらの持続性です17。それらの持続性は、化学的および生物学的観点から地下水の水質に影響を与える潜在的なリスクを引き起こします。MPは、結合していないモノマーや添加剤、ならびに環境から吸着した化学物質(疎水性の残留性有機汚染物質など)を浸出させることにより、地下水を化学的に汚染する可能性があります23。MPはバイオフィルム形成の基質としても機能し、地下水の微生物学に影響を与えることができます。MPのバイオフィルムには、自由生活の微生物や病原体も含まれている可能性があります23。摂取すると、粒子自体が物理的な危険となります。粒子サイズが小さいほど、それらが細胞に吸収されたり、生物の生物学的障壁を越えたりする可能性が高くなります23。
地下水中のMPの研究は、MPが人間の健康にもたらす潜在的なリスクのために、ますます重要であると認識されています。その結果、2021年1月に国会議員を測定するための改訂された飲料水指令が発効しました。EU加盟国は、2023年1月12日までに指令を国内法に転換し、その規定の遵守を確保する義務を負った。それにもかかわらず、これまでに実施された国会議員に関する研究の数は依然として限られています。現在、地下水中のMPをサンプリングして分析するための標準的な手順はありません。地下水中の MP の発生を評価する研究は、異なるサンプリングおよび分析アプローチを使用しているため、比較が困難です。したがって、最近の研究では、高品質のサンプルの収集を確実にし、同等の結果を得るために、MPのサンプリングと分析のためのプロトコルを標準化することが緊急に必要であることが強調されています12,17,24,25。
ろ過ベースのサンプリングとグラブサンプリングは、これまでのMP研究で地下水サンプルを収集するために一般的に使用されている2つの方法です。ろ過では、現場でステンレス鋼カートリッジ26 またはふるい27 のいずれかのメッシュ フィルターに水を通し、MP 粒子を捕捉します。カートリッジとふるいを使用する主な欠点は、残留粒子を完全に洗浄することが困難であり、完全なサンプル分析を保証する能力が損なわれ、相互汚染のリスクが高まります。多くの研究で頻繁に使用されるグラブサンプリング28,29,30は、前処理を行わずにボトルまたは容器を使用して水を直接収集するより簡単なアプローチです。探索的研究には適していますが、グラブサンプリングはサンプル量が少ないため、MP濃度を正確に反映しません。
この研究では、カスタマイズ可能な孔径の市販のフィルターを使用したフィールドろ過に基づいて、地下水中のMPをサンプリングするための新しく開発されたシステムを紹介します(図1)。このシステムは、複数のサンプルの同時ろ過を可能にし、カスケードろ過をサポートします。完全に密閉されたセットアップとして設計されており、サンプルの環境汚染を効果的に防止します。詳細なサンプリングプロトコルが、ビデオガイドラインとともに提供され、検出されたMPの化学組成やその他の特性をその後分析するための手順が提供されます。このシステムは、この分野における将来の研究の質、一貫性、および比較可能性を高めることを目的としています。
プロトコル
1. サンプリング用のボーリング孔の準備
注意: 現場での汚染を防ぐために、フィルターを挿入するときやサンプルを採取するときを除いて、ろ過システムを閉じたままにしてください。プラスチック製の工具や容器の使用は避けてください。合成繊維の衣類(フリースなど)は避けてください。白い綿の白衣を着てください。
- ボアホールを開き、サンプラーがある場合は取り外します。水位計を使用して地下水位を測定します。
- ボアホールのGPS座標、サンプリングの日付、水位、およびその他のサンプリングの詳細をデータシートに記録します(表1)。
2. サンプリング装置のセットアップ
- 水中ポンプを組み立て、希望の深さまで井戸に慎重に下げます。沈殿物の吸気を防ぎ、最適な水の流れを維持するために、ポンプの吸気口がフィルタースクリーンの上部から約 1 m 上に配置されていることを確認してください。
注意: 取り付け中は、配線や機械部品の損傷を防ぐためにポンプの取り扱いに注意してください。 - フィルターサポートスクリーンとフィルターなしでフィルターシステムをセットアップし、水平に配置します。
- メインバルブを閉じ、バイパスバルブを開きます。
- 給水ホースを接続します。
3. ボアホールの清掃
- 水中ポンプを始動し、バイパスに水を流してボアホールを掃除します。ボーリング孔に存在する水の少なくとも3倍の量を汲み上げるか、物理化学的パラメータが安定するまで汲み上げを続けて、新鮮な地下水を確実にサンプリングします。
4. サンプリング前のろ過システムの清掃
- サンプリングブランチのバルブとフィルタリングシステムのメインバルブを開きます。その後、バイパスバルブを閉じます。
注意: 効果的なフラッシングを確実にするために、十分な時間水がろ過システムを流れるようにしてください。洗浄プロセス中は、フィルターサポートスクリーンとフィルターを取り外す必要があります。
5. フィルターの挿入
- まずバイパスバルブを開き、次にメインバルブを閉じます。
- フィルターチャンバーを開き、フィルターチャンバーがきれいであることを確認します。必要に応じて、超純水ですすいでください。
- フィルターサポート画面を挿入します。
- 希望の孔径のフィルターを超純水ですすぎ、フィルターサポートスクリーンの上に置きます。
- フィルターチャンバーを閉じます。
- すべてのブランチに対してこのプロセスを繰り返します。
注:孔径が小さくなる複数のフィルターを順番に挿入して、カスケードろ過を行うことができます。その後、サンプリングフィルターと同じ孔径のフィルターを備えた追加のフィルターチャンバーを取り付けることができます。これは、 2024年3月11日の欧州委員会委任決定(EU)2024/1441の附属書で義務付けられており、飲料水中のMPのサンプリングに関する欧州議会および理事会の指令(EU)2020/2184を補足 しており、100μmおよび20μmのフィルターとそれに続く100μmおよび20μmのフィルターの別のセット(品質管理目的のブランクとして)の使用を義務付けています。
6. サンプル採取
- 水道メーターを読み取り、記録するか、ゼロにリセットします。
- メインバルブを開き、バイパスバルブを閉じて、サンプリングの開始時刻をマークします。
- サンプリング中に圧力計を監視して、圧力が 4 バールを超えないようにして、機器の損傷を防ぎ、MP の断片化を最小限に抑えます。
- 計画された水量がろ過されたとき、またはフィルターが詰まり始めたら、圧力の上昇または流量の大幅な減少によって示されたら、サンプリングを停止します。
- サンプリングを停止するには、まずバイパスバルブを開き、次にメインバルブとフィルターブランチのバルブを閉じます。
- ポンプの電源を切ります。
- 水道メーターからの時間と最終測定値を記録します。
注:サンプリングポイントで代表的な地下水サンプルを取得するには、より大量の水をサンプリングすることをお勧めします(たとえば、少なくとも1 m3/繰り返し)。
サンプリング手順全体を通じて、サンプリング システム全体、特に水道メーターと圧力計を継続的に監視することが不可欠です。水流の減少を伴う圧力の上昇は、フィルターが目詰まりし始めていることを示しています。このような場合は、システムを停止し、使用済みのフィルターを新しいフィルターと交換することをお勧めします。このように複数のフィルターにまたがってサンプルを収集することで、所望の量のろ過水を効率的に達成できます。
7. フィルターの収集
- ガラスのペトリ皿を超純水ですすいでください。
- フィルターチャンバーを開き、水平位置に保たれたフィルターを清潔なペトリ皿に慎重に移します。
- ペトリ皿をシールフィルムで密封し、サンプル名とサンプリング日を記載したラベルを貼ります。
- すべてのフィルターチャンバーに対してこの手順を繰り返します(図2)。
- サンプル採取後、システムを分解します。保管する前に必ずシステムを真水ですすぎ、乾燥させてください。
注:または、実験室でさらに処理するために、ろ過システムのフィルターチャンバーコンポーネント全体を保管してください。
8. サンプルからのマイクロプラスチックの分離
注: 実験室での汚染を防ぐために、サンプルの分析を開始する前に、実験室のほこりがきれいになっていることを確認し、窓を閉め、HEPAフィルター付きのエアコンを使用してください。プラスチック製の工具や容器の使用は避けてください。ガラス製品は、使用前に超純水ですすぎ、顕微鏡で確認する必要があります。非合成繊維の衣類を使用してください。汚染を最小限に抑えるために、白い綿の白衣を着用してください。
注:実体顕微鏡には、正確な粒度測定を可能にするカメラと画像解析ソフトウェアが装備されている必要があります。
- シールフィルムを剥がし、ペトリ皿を開きます。
- ペトリ皿を少なくとも30倍の倍率で実体顕微鏡下に移し、色、形状、その他の目に見える特徴などの特性に焦点を当てて、プラスチック粒子の可能性があるものを探す。
- プラスチックと思われる粒子を一つ一つ移し、写真を撮り、その大きさを測ります。各MP粒子の次の特性を評価します:サイズ(粒子:フェレットマックスまたは面積相当の直径、繊維:幅と長さ)、形状(粒子:フラグメント、フィルム、フォーム、ペレット、顆粒、繊維)、色、および化学組成(方法論は以下で説明します)(図3)。
注: 一部の MP は色や形で簡単に識別できますが、他の MP はより難しい場合があることに注意してください。
MP同定の主なパラメータは、海面でのMPサンプリングおよびサンプル分析のプロトコル26に記載されています。偏光は、堆積物や有機粒子からMPを分離するのに非常に役立ちます。サンプルから潜在的な MP を分離する場合は、詳細な分析のために粒子の数を減らすのではなく、より多くの粒子を選択するという保守的なアプローチを選択してください。
9. マイクロプラスチックの化学的同定
注:電位MPの化学分析は、ATR-FTIRを使用して大きなMP(1〜5 mm)に対して、マイクロFTIRを使用して小さなMP(<1 mm)に対して実施できます。ラマン分光法などの代替方法も可能です。
FTIR機器ソフトウェアは、バックグラウンド補正や平滑化などの高度な処理ツールとともに、測定パラメータの正確な制御とリアルタイムのスペクトルデータ取得をサポートする必要があります。環境サンプル、特に地下水などの複雑なマトリックス中のマイクロプラスチックの正確な分析をサポートするには、包括的なポリマーライブラリを含み、スペクトルライブラリ比較を通じて物質を確実に識別できるようにする必要があります。
- ATR-FTIR分光法
- 分析を開始する前に、70%アルコールと糸くずの出ない布を使用して、ATR結晶とサンプルプレッサーを徹底的に洗浄してください。
- 測定設定は、波数が4000〜450 cm -1 、解像度が4 cm -1で、通常16スキャンに構成します。次に、背景スペクトルを収集します。粒子を 1 つずつ ATR 結晶上に置き、圧力を加えて測定を開始します。
- 取得した赤外スペクトルをリファレンスライブラリのスペクトルと照合して、粒子がMPであることを確認します。通常、ライブラリスペクトルとの70%の相関は、陽性同定に十分であると考えられています(図4)。
- 取得したデータをエクスポートして、さらなる分析とレポートを作成します。
- マイクロFTIR分光法
- 分析の前に、ステージなどの機器のすべての関連部品がアルコールと糸くずの出ない布で洗浄されていることを確認してください。
- ATRや反射など、選択した測定モードに適した表面でサンプリングが直接行われていない場合は、潜在的なプラスチック粒子を、金またはアルミニウムでコーティングされた膜や顕微鏡スライドなどの適切な反射面に置きます。
- スキャン数、スペクトル範囲、分解能、セッション名など、セッションの測定設定を選択します。サンプルを見つけて、すべての粒子が位置する領域のモザイク画像をキャプチャします。
- 反射測定の場合は、潜在的なプラスチック粒子の赤外スペクトルを測定する前に、まずバックグラウンドを測定します。
- 選択した粒子の赤外スペクトルを測定するポイントを特定してマークします。必要に応じて、各パーティクルの複数のポイントを選択します。すべてのポイントを選択したら、測定を開始します。
注:特にサンプルが適切な赤外線測定面に直接収集されている場合は、より広い関心領域の赤外線画像を取得することも可能です。 - 収集した赤外スペクトルをリファレンスライブラリからのものと比較します。MPの存在を確立するためのしきい値を選択します。通常、肯定的な識別には70%の一致で十分です。
- 取得したデータをエクスポートして、さらなる分析とレポートを作成します。
結果
このプロトコルの最初の結果は、各サンプルで見つかったすべてのMPのデータベースであり(表2)、MPの量とその特性(色、サイズ、材料組成の形状)のさらなる分析に使用できます。
MPサンプリングとサンプル分析の主な目的は、サンプルあたりのMP粒子の量を決定することです(図5)。これらのデータは、その後、立方メートル(m3)あたり正規化できます。正規化式は次のとおりです。
MP 粒子/m、サンプルあたり3 = N / V
どこ：
N = サンプルあたりの MP 粒子の合計
V = サンプル量 (m3)
図1:プロトコルで使用されるサンプリングシステムの概略図。サンプリングシステムは、3本の脚を持つ入口パイプで構成され、一方の脚はポンプに接続するために配置され、2番目の脚は分配ユニットに接続するために配置され、3番目の脚はサンプリングユニットを通過する水のバイパスを確保するために配置されます。分配ユニットには、対応するサンプリングユニットに接続するための対称的に配置された4つの分岐があり、分配ユニットの中央には圧力測定装置が設置されています。各サンプリングユニットには、バルブ、3つのフィルターホルダー、およびサンプルの汚染を防ぐためにフィルターホルダーの下流に設置された流量計が設けられています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:サンプリングされた地下水の1 m3 後のフィルターの例。 左:孔径100μmのナイロンネットフィルター、右:孔径20μmのナイロンネットフィルター。フィルターは、サンプリング場所によって沈殿物と有機粒子の量が異なる場合があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:様々な形状の代表的な粒子の例。(A)フラグメント; (B)繊維。縮尺記号は画像に示されています。粒子には、さまざまな色、形、サイズがあります。破片のサイズはフェレット直径または面積相当の直径として測定され、繊維は長さと幅で測定されます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:マークされたピークとその波長[cm-1]を持つ選択した粒子で測定されたスペクトルの例を、スペクトルライブラリと比較しました。 サンプルスペクトルは、ライブラリ内の参照スペクトルと少なくとも70%の相関を示す必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:サンプリング場所ごとのm3あたりのマイクロプラスチック数の結果例。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 場所: ボアホール 1 | 日付: 4月1日 | 研究者: 研究員1、研究員2、研究員3 | ||||||
| GPS座標: 46.056946 N 14.505751 E | ||||||||
| プロジェクト:地下水サンプリング | ||||||||
| 気象条件:晴れ | ||||||||
| 温度(°C):20 | ||||||||
| サンプル | ||||||||
| サンプル ID | GW1.1 | GW1.2 | GW1.3 | GW1.4 | ||||
| ろ過位置 | 1 | 2 | 3 | 4 | ||||
| フィルターの種類 | ナイロン - 100 μm、20 μm | ナイロン - 100 μm、20 μm | ナイロン - 100 μm、20 μm | ナイロン - 100 μm、20 μm | ||||
| サンプリング深さ(m) | 25 | 25 | 25 | 25 | ||||
| 開始時間 | 10.00 | 10.00 | 10.00 | 10.00 | ||||
| 水道メーターSTART(m3) | 437.4199 | |||||||
| 終了時刻 | 10.45 | |||||||
| 水道メーター END (m3) | 438.421 | |||||||
| サンプリング水量(m3) | 1.001 | |||||||
| 他 | ||||||||
表1:場所、日付、環境条件、水ろ過に関連するデータなどのパラメータを含むサンプリングデータシートの例。
| 場所 | 見本 | パーティクル ID | 形 | サイズ(mm) | 色 | 化学組成 | 一致率 | 優先ポリマー | 楽器 | スペクトル | 他 | ||
| ボアホール1 | Borehole1_1_20242204 | 1 | 粒子 | 0.54 | 黒い | ポリテトラフルオロ エチレン | 80.2 | PTFE製 | スペクトル2 | ABC1111 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_1_20242204 | 2 | 繊維 | 0.98 | 青い | ポリエチレンテラファレート | 91.9 | ペット | ラプティル | ABC1112 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_2_20242204 | 1 | 繊維 | 1.54 | 青い | ポリアミド | 75.0 | お父さん | ラプティル | ABC1113 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_2_20242204 | 2 | 繊維 | 2.87 | 赤い | ポリエチレンテラファレート | 98.0 | ペット | ラプティル | ABC1114 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_2_20242204 | 3 | 繊維 | 3.04 | 赤い | ポリエチレンテラファレート | 71.3 | ペット | ラプティル | ABC1115 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_2_20242204 | 4 | 繊維 | 1.27 | 青い | ポリエチレンテラファレート | 83.6 | ペット | ラプティル | ABC1116 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_3_20242204 | 1 | 粒子 | 1.93 | 白い | ポリエチレン | 85.3 | PEの | スペクトル2 | ABC1117 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_3_20242204 | 2 | 粒子 | 0.96 | 青い | ポリエチレン | 89.4 | PEの | スペクトル2 | ABC1118 | |||
| ボアホール1 | Borehole1_3_20242204 | 3 | 繊維 | 0.54 | 青い | ポリアミド | 73.2 | お父さん | ラプティル | ABC1119 | |||
表2:各粒子の形状、サイズ、色、材料などのパラメーターを含む、サンプリングごとに単離されたすべてのマイクロプラスチック粒子のデータベース例。
ディスカッション
この議定書におけるMPの実験室分析は、2024年3月11日の欧州委員会委任決定(EU)2024/1441の附属書に従い、欧州議会および理事会の指令(EU)2020/2184を補足し、人間が消費する水中のMPを測定する方法論を確立しました(欧州委員会委任決定(EU)2024/1441の附属書)および欧州海における海洋ごみの監視に関するガイダンス31 海洋戦略フレームワーク指令(MSFD)の実施のために開発されました。このプロトコルが完了すると、独自のIDを持つ各MP粒子またはファイバーが、画像、スペクトル、および取得されたすべての特性で文書化されます。各MP粒子は、その形状、サイズ、色、透明度、および化学組成(ポリマータイプ)の観点から記述されます。
欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 の附属書によると、国会議員は粒子と繊維の 2 種類の形状に分けられます。粒子はさらに、断片、フィルム、泡、ペレット、顆粒に分類できます。この分類は、MSFD の MP のモニターに使用されます。異なる種類のMPs形状の区別は、MSFDガイドライン31 および海面でMPをサンプリングするためのビデオプロトコル32に記載されています。各粒子のサイズは、最大フェレット直径31 または面積相当直径 (Annex of Commission Delegated Decision (EU) 2024/1441) として測定され、繊維の寸法は長さと幅31 で記録されます。色と透明度は、欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 の附属書に従って取得されたデータには含まれていませんが、MSFD のために収集された MP プロパティのリストには含まれています。分類は、MSFDガイドライン31の表7.3と表7.4にそれぞれ概説されている。
スペクトルライブラリでのスペクトル検索の結果に基づいて、MP粒子は、欧州委員会委任決定(EU)2024/1441セクション1の附属書、ポイント(14)および(15)にリストされている優先ポリマーグループの1つに分類されるか、セクション1、ポイント(15)の下で他の材料として分類されます。繊維の化学組成は、その寸法と機器の機能がポリマーの種類を確実に識別できる場合にのみ分析する必要があります。それ以外の場合は、未確認の繊維として示されるものとします。
地下水中のMPのモニタリングは、最終結果に影響を与える可能性のある異なる方法論を持つ少数の調査研究に限定されています14。主な要因には、1) サンプリング前のフラッシング、2) ポンプの種類、3) 濾過システム、4) フィルター材料と孔径、5) サンプリング量、6) サンプル処理、7) MP の検出と定量、8) 品質管理が含まれます。これらの要因とその特性については、以下で詳しく説明します。
既存のほとんどの研究では、サンプリング前のプレポンピング(フラッシング)は言及されていません。しかし、パージは国会議員の集中に大きな影響を与えるため、それに関する情報も提供されるべきです33 28。このプロセスは、ボーリング孔に蓄積された停滞水ではなく、帯水層から新鮮な地下水をサンプリングするために重要であるため、私たちのプロトコルには事前ポンプが含まれています。ボアホールを効果的に洗浄するには、ボアホールの体積の2〜3倍をポンプで汲み出すか、水の物理化学的パラメータが安定するまで続ける必要があります14。水サンプルは、沈殿物の摂取を防ぎ、均質なサンプルを確保するために、フィルタースクリーンの上部から約1m上に収集する必要があります。
ボーリング孔から地下水サンプルを収集するには、ポンプを使用する必要があります。流量は、サンプリングの深さ、使用するポンプの種類、ボーリング孔の状態に強く影響され、これは、堆積物の含有量などの場所固有の水の特性、およびサンプリング時の一般的な気象条件と最近の気象条件と密接に関連しています。
通常、ほとんどのポンプにはプラスチック部品が含まれており、サンプルを汚染する可能性があるが、ほとんどの研究では使用されるポンプの種類は指定されていない。すべてのコンポーネントがステンレス鋼製のポンプをお勧めします。これが不可能な場合は、FTIR分析を使用して化学組成の観点から材料を指定する必要があります。使用される材料のスペクトルをライブラリに含める必要があり、潜在的な汚染を考慮してサンプルからの粒子をそれらと比較する必要があります。
インペラを備えたポンプの場合、大きな MP 粒子がポンプを通過するときに損傷したり、断片化したりする可能性があります。MPの存在を過大評価しないようにするには、サンプリングポンプがプラスチック粒子の断片化に寄与しているかどうかを評価することが不可欠である。これは、既知の数の十分に特徴付けられたMP粒子を以前に浄化された水に導入し、ろ過システムを通してポンプで送ることによってテストできます。ポンピング後、粒子を再特性評価して、断片化や表面変化などの物理的変化が発生したかどうかを判断する必要があります。この検証ステップは、サンプリングプロセスが機械的劣化によってMP数を人為的に増加させないことを確認するのに役立ちます。
大量のサンプリング水を提供するには、現場での使用に適したろ過システムが必要です。私たちのプロトコルでは、汚染を避けるために、フィルタリングシステム(サンプリングシステムはSLO-P-202300155に基づいて特許を取得しており、特許出願中のEPO-EP24217168.4)はステンレス鋼でできており、すべてのコンポーネントが溶接されており、テフロン(PTFE)やその他のプラスチック材料製の絶縁テープは含まれていません。フィルターは非常に急速に目詰まりする可能性があるため、カスケードろ過がオプションとして含まれており、粒子を希望のサイズクラスに直接分配することもできます。通常、細孔径が100μm、20μmまたは10μmのフィルターが使用されます。目詰まりの問題に対処するために、フィルターを追加することができます(例えば、100 μmから20 μmの細孔を持つフィルターを追加)。欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 の附属書では、最初のフィルターの細孔が 100 μm、2 番目のフィルターの細孔が 20 μm、3 番目のフィルターの細孔が 100 μm、4 番目のフィルターの 20 μm の 4 段階のカスケードろ過が推奨されています。最初の2つのフィルターはMPs分析に使用され、3番目と4番目のフィルターはMPの汚染レベルの評価(サンプリング品質管理)と、すべての粒子が最初の2つによってろ過されていることを確認するために使用されます。
流量計(特に機械式の場合)は、サンプリング用のフィルターのカスケードの後に設置して、サンプリングされた水の量を正確に測定する必要があります。サンプリング中は、システム圧力を監視することが不可欠です。圧力が 4 バールを超える場合は、フィルターの目詰まりを示しており、フィルターまたはシステムの損傷を防ぐためにシステムを直ちにシャットダウンする必要があります。MPのさらなる断片化を避けるために、サンプリングは可能な限り低い圧力で実施する必要があります。
前述したように、欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 では、100 μm および 20 μm フィルターの使用が提案されています。この研究では、ナイロンフィルターを使用しました。ただし、この場合、フィルターからMP粒子を収集し、FTIRまたはラマン顕微鏡による反射モードでの作業に適したATR-FTIRまたは反射スライドに直接移す必要があります。ナイロンネットフィルターは、このサイズの粒子を手動で処理できるため、孔径100μmのフィルターをろ過するのに効果的です。ただし、20 μmフィルターを使用する場合は、FTIRまたはラマン顕微鏡を使用した透過モードまたは反射モードでの測定を容易にするために、シリコンまたはアルミニウムコーティングされたフィルターをお勧めします。
文献では、MPの存在を過小評価しないように、少なくとも500 Lの水をサンプリングすることを推奨しています34。欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 の附属書によると、1 m3 の水をサンプリングする必要があります。サンプル中の MP 濃度を過大評価しないように、推奨量を考慮する必要があります。この大量の水はフィルターの目詰まりのリスクを高めるため、カスケードろ過を強くお勧めします。
提示されたシステムからのサンプルは、実体顕微鏡を使用したMP分析のためにすぐに準備されます。これは、時間とコスト効率が非常に高い方法です。多くの研究では、砂や有機物を除去するための前処理手順が詳しく説明されています。ただし、これらの手順には時間がかかり、有毒化学物質の使用が含まれる場合があります。このような前処理ステップは、粒子、特に小さな粒子(100μm<)のさらなる断片化または損失につながるため、結果に悪影響を与える可能性もあります35。したがって、必要な場合を除き、これらの手順は避けることが望ましいです。このような指示は、欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 にも記載されており、FTIR 顕微分光法によるサンプル分析は、使用される分析方法と互換性がある場合、元の収集フィルターで直接行うことができ、必要に応じて浮選ステップを使用することが提案されています。
まず、フィルターサンプルを実体顕微鏡で分析し、各粒子を写真で記録し、IDラベルを付け、サイズを測定し、形状を評価します。形状の決定は、MPの発生源に関する情報を提供できるため、重要です。繊維は通常、繊維の洗浄から来て廃水処理プラントに由来しますが、断片は通常、環境中の大きなプラスチック粒子の分解から発生します。分析の2番目の部分では、ATR-FTIRまたはFTIR /ラマン顕微鏡を使用して、各粒子の化学組成を決定します。一般に、フィルターから反射スライドへのすべての粒子は、FTIR顕微鏡による反射モードで分析するために移されます。サンプルを20μmのシリコンフィルターで収集する場合、フィルターが砂粒子で過度に覆われていない限り、ラマン顕微鏡またはFTIR顕微鏡による直接分析を行うことができます。粒子が砂に埋め込まれている場合は、密度分離および/または化学的または酵素的処理を適用して、鉱物、金属酸化物、天然有機物などの非プラスチック材料の存在を減らすことができます。MP粒子は、水がIR放射を強く吸収するため、測定前に乾燥させる必要があります。
結果の信頼性を確保するには、次の品質管理要素を考慮する必要があります。まず、大気汚染の防止: サンプリング中の大気汚染を防ぐためには、密閉フィルター システムが不可欠です。分析の過程で空気中の汚染を避けるために、白い綿の白衣とHEPAフィルターによる空気ろ過が必要です。第二に、フィルターシステムによる汚染の防止:ポリマーが避けられないシステムの唯一のコンポーネントはホースです。シリコンホースをお勧めし、目に見える損傷がある場合は交換する必要があります。ポンプのコンポーネントを知り、ポリマーの存在が確立されている場合は、サンプルの汚染の可能性についてポンプをテストする必要があります。第三に、実験室での作業中の汚染の防止:MPs分析には、ガラス製で超純水で洗浄された実験装置のみが適しています。第四に、結果の再現性と統計的有意性を確保するための並列サンプル:このろ過システムにより、4つのブランチから同時にサンプリングできます。すべてのサンプルで同じ条件を確保し、時間を節約するために、少なくとも3つの並行サンプルを取得する必要があります。第五に、サンプリングおよび実験室プロセスのすべてのステップにブランクサンプルを含める必要があります。フィールドサンプリング中、委員会委任決定 (EU) 100/20 の附属書で提案されているように、100 μm および 20 μm のサンプル フィルターの後に 20 μm および 20 μm のブランク フィルターが取り付けられます。サンプリング手順で得られたブランクサンプルは、同じ手順に従って、すべての分析ステップで考慮する必要があります。
この論文で概説されているプロトコルは、欧州委員会委任決定 (EU) 2024/1441 で定められたすべての要件を満たしているため、地下水中の MP を研究または監視するすべての研究者に優れたリソースを提供します。説明されているろ過システムは、さまざまな深さでMPをサンプリングできるため、淡水または海水にも使用できます。サンプリング方法はシンプルでユーザーフレンドリーで、ほとんどの場合、サンプルの前処理を必要とせずに迅速かつ正確な結果が得られます。
開示事項
著者には開示すべき利益相反はありません。
謝辞
このプロトコルの開発は、研究プロジェクト「地下水資源におけるMPの輸送プロセスを決定するための改良された方法」(GWMicroPlast)(J1-50030)および研究プログラム地下水と地球化学(P1-0020)、および研究科学基金プロジェクト「地圏のマイクロプラスチック」(Manca)の下で、スロベニア研究イノベーション庁によって資金提供されました。
材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ATR-FTIR分光計 | パーキンエルマー | L160000F | スペクトラムツー |
| FTIR顕微鏡 | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | IQLAADGAAGFARMMBMN | ラプトIR |
| ガラス製ペトリ皿 | ブランド | 455717 | 直径60mm |
| ナイロンネット膜 | メルク | NY1H04700 | 親水性、100 µm、47 うん、100 |
| ナイロンネット膜 | メルク | NY2004700 | 親水性、20 µm、47 うん、100 |
| 精密鉗子 | ブラウンB | BD335R | マイクロピンセット |
| 封印フィルム | アムコア・フレキシブルズ・ノース | PM992 | パラフィルムM |
| 立体顕微鏡 | ツァイス | 495015-9880-010 | ステレオディスカバリー V8 |
| 潜水式水ポンプ | グルンドフォス | 96510217 | SQ 5-70 |
| 水位計 | ハイドロテクニク | / | 010式 |
参考文献
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