地下水中のマイクロプラスチックのサンプリングと同定

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。

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。

1. 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。
2. 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

1. 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。
2. 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。
3. メインバルブを閉じ、バイパスバルブを開きます。
4. 給水ホースを接続します。

3. ボアホールの清掃

1. 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

1. 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

1. 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。
2. 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。
3. フィルターサポート画面を挿入します。
4. 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。
5. フィルターチャンバーを閉じます。
6. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. ポンプの電源を切ります。
7. 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

1. ガラスのペトリ皿を超純水ですすいでください。
2. 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。
3. 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。
4. 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)。
5. 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。

1. シールフィルムを剥がし、ペトリ皿を開きます。
2. 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。
3. 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。

1. ATR-FTIR分光法
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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)。
   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。
2. マイクロFTIR分光法
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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。
   4. 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。
   5. 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。
   6. 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。
   7. 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。

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。

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。

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。

著者には開示すべき利益相反はありません。