Name: 農業用プラスチックフィルムからのマイクロ・ナノプラスチックの形成と基礎研究への応用 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-27T14:15:00.000+00:00
Duration: 8 min 21 s
Description: 学ぶ マイクロ・ナノプラスチックの調製法。低温粉砕と湿式粉砕を用いてポリマー原料から微粒子を効率的に生成し、環境科学研究への応用を示します。この手法はプラスチック汚染研究に有用です。

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この研究は、ハーバート農業大学、バイオシステム工学・土壌学部、テネシー大学ノックスビル校のサイエンスアライアンスから資金提供を受けた。さらに、著者らは、この研究のためにUSDA助成金2020-67019-31167を通じて提供された財政的支援に感謝しています。PBATベースの生分解性マルチフィルムのMNPsを調製するための初期原料は、BioBag Americas, Inc.(米国フロリダ州Dunevin)によって親切に提供され、PBATペレットはMobius, LLC(テネシー州レノアシティ)によって提供されました。

著者らには開示するものは何もありません。

この方法は、環境研究のためにペレットおよびマルチフィルムから供給されたMNPsを調製するための、以前の刊行物29に最初に記載された有効なプロセスを記載している。サイズ縮小プロセスには、モデルMNPを製造するために、極低温冷却(フィルムのみ)、乾式粉砕、および湿式粉砕段階が含まれていました。我々は、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリ酪酸アジピン酸コテレフタレート(PBAT)、およびポリ乳酸(PLA)29 を含む幅広いポリマー原料からMNPsを調製するためにこの方法を適用した(Astnerら、準備中の原稿)。しかし、LDPEの場合、ペレットのみが原料として役立つことができました。マルチフィルムは、以前の刊行物29に記載されているように、その押出中にフィルムに組み込まれた補強グリッドのために処理することができなかった。
プロトコル内の重要なステップには、a)一般的に柔軟なフィルムの脆化を提供する極低温前処理、b)農業慣行(耕作、耕作)による機械...

ここ数十年で、プラスチックの世界的な生産の急速な増加とプラスチック廃棄物の不適切な処分とリサイクルの欠如は、海洋および陸上生態系に影響を与えている環境汚染につながっています1,2,3。プラスチック材料は、現代の農業、特に野菜、小さな果物、その他の特殊作物を栽培するために不可欠です。マルチフィルム、トンネル被覆の高低、ドリップテープ、その他の用途としての使用は、作物の収量と品質を向上させ、生産コストを削減し、持続可能な農法を促進することを目的としています4,5。しかし、「プラスチック」の雇用拡大により、農業環境におけるプラスチック片の形成、流通、保持に関する懸念が生じています。耐用年数中の環境劣化による脆化によって引き起こされる連続的な断片化プロセスの後、より大きなプラスチック断片は、土壌中に持続するか、または水の流出および風を介して隣接する水路に移動するマイクロおよびナノプラスチック(MNP)を形成する6,7,8。太陽光による紫外線(UV)放射、水の機械的力、生物学的要因などの環境要因は、環境分散プラスチックのプラスチック脆化を引き起こし、より大きなプラスチック断片をマクロまたはメソプラスチック粒子に分解する9,10。さらなるデフラグは、マイクロプラスチック(MPs)およびナノプラスチック(NP)を形成し、平均サイズ(公称直径;dp)それぞれ1〜5000μmおよび1〜1000nmの11.しかし、NPの上限dp限界(すなわち、MPの下限)は普遍的に合意されておらず、いくつかの論文では、これは100nm12としてリストされている。
プラスチック廃棄物からのMNPは、土壌の健康と生態系サービスに対する新たな世界的な脅威となっています。MPsによる淡水からの重金属の吸着は、周囲の環境と比較して800倍の高濃度の重金属をもたらした13。さらに、水生生態系のMPは、光の浸透を変化させ、酸素枯渇を引き起こし、水生生物への浸透と蓄積を含む様々な生物相への付着を引き起こすことによって、複数のストレッサーおよび汚染物質をもたらす14。
最近の研究は、MNPsが微生物群集や植物を含む土壌地球化学と生物相に影響を与える可能性があることを示唆しています15,16,17。さらに、NPは食物網17、18、19、20を脅かしている。MNPは土壌中で垂直および水平輸送を容易に受けるため、農薬、可塑剤、微生物などの吸収された汚染物質を土壌を通って地下水や河川や小川などの水生生態系に運ぶことができます21,22,23,24。マルチフィルムなどの従来の農業用プラスチックはポリエチレン製で、使用後に畑から取り出して埋め立て処分する必要があります。しかし、不完全な除去は、土壌中の実質的なプラスチック破片の蓄積につながる9、25、26。あるいは、土壌生分解性プラスチックマルチ(BDM)は、使用後に土壌に耕され、そこで時間の経過とともに劣化するように設計されています。しかし、BDMは一時的に土壌中に持続し、徐々に分解され、MPsとNPに断片化します9,27。
現在の多くの環境生態毒性学的および運命的研究は、理想化された非代表的なMPおよびNPモデル材料を採用している。最も一般的に使用される代理MNPは、単分散ポリスチレンマイクロまたはナノスフィアであり、環境12,28に存在する実際のMNPを反映していない。その結果、代表的でない国会議員やNPを選ぶと、測定や結果が不正確になる可能性があります。陸生環境研究のための適切なモデルΜNPの欠如に基づいて、著者らは農業用プラスチックからそのようなモデルを準備することに動機づけられた。我々は以前、プラスチックペレットおよびフィルム材料の機械的粉砕および粉砕によるBDMおよびポリエチレンペレットからのMNPsの形成ならびにMNPsの寸法および分子特性について報告した29。現在の論文は、マルチフィルムやペレット化された原料など、すべての農業用プラスチックに広く適用できるMNPを調製するためのより詳細なプロトコルを提供しています(図1)。ここでは、一例として、農業用プラスチックを表すために生分解性ポリマーポリブチレンアジペートテレフタレート(PBAT)のマルチフィルムおよび球状ペレットを選択した。

<table><tbody><tr><td>アルミ皿、150mL&nbsp;</td><td>フィッシャーサイエンティフィック、ウォルサム、マサチューセッツ州、米国</td><td>08-732-103</td><td>収集されたNPの乾燥アルミニウム</td></tr><tr><td>皿、500 mL</td><td>VWRインターナショナル、ラドナー、ペンシルバニア州、米国</td><td>25433-018</td><td>湿式粉砕後のNPの収集</td></tr><tr><td>遠心分離</td>機<td>フィッシャーサイエンティフィック、ウォルサム、マサチューセッツ州、米国</td>遠心<td>分離用228容器 遠心分離用</td><td></td></tr><tr><td>デリバリーチューブ、#20、840&マイクロ;m</td><td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td><td>3383M30</td><td>粉砕中の最初のフラクションのふるい</td></tr>分け <tr><td>デリバリーチューブ, #60, 250 & micro;m</td><td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td><td>3383M45</td><td>2 番目のフラクションのふるい分け (3x)&nbsp; 粉砕中</td></tr><tr><td>Thermomixer,&nbsp; 5350 Mixer</td><td>Eppendorf North America, Enfield, CT, USA</td><td>05-400-200</td><td>ふるい分け実験の分析</td></tr><tr><td>FT-IR Spectrum Two, spectrometer with attenuated total reflectance (ATR)</td><td>Perkin Elmer, Waltham, MA, USA</td><td>L1050228&nbsp;</td><td>FTIRスペクトルの測定</td></tr><tr><td>ガラスビーカー、1000 mL</td><td>DWK Life Sciences、ミルビル、ニュージャージー州、米国</td><td>02-555-113</td><td>攪拌 MPs-水スラリーを粉砕する前に</td></tr><tr><td>ガラスフロントプレート</td><td>トーマスサイエンティフィック、スウェデスボロ、ニュージャージー州、米国</td><td>3383N55&nbsp;</td><td>ワイリーミニミルのフロントカバープラステ</td></tr><tr><td>ガラス瓶、50 mL</td><td>Uline、プレザントプレーリー、ウィスコンシン</td>州、米国 <td>S-15846P</td><td></td></tr><tr><td>グラブボックス、ネオプレン</td><td>Bel-Art-SP Scienceware、ウェイン、ニュージャージー</td>州、米国 <td>BEL-H500290000</td><td>22インチ、サイズ 10</td></tr><tr><td>Zetasizer Nano ZS 90 サイズアナライザー</td><td>Malvern Panalytical、ウスターシャー、英国&nbsp;</td><td>Zetasizer Nano ZS</td><td>DI-waterに分散したナノプラスチックの測定</td></tr><tr><td>顕微鏡カメラ</td><td>ニコン、東京、&nbsp;108-6290、日本</td><td>ニコンデジタルサイト10</td>デジタル<td>画像を受信するためにオリンパスの顕微鏡と組み合わせて</td></tr><tr><td>顕微鏡</td>オ<td>リンパス、新宿、東京、日本</td><td>モデルSZ 61</td><td>MPs</td></tr><tr><td>窒素瓶、低型デュワーフラスコの</td>イメージング <td>コールパーマー、バーノンヒルズ、イリノイ州、米国</td><td>UX-03771-23</td><td>極低温冷却中の液体窒素の貯蔵</td></tr><tr><td>正確なブレンド200、12速ブレンダー</td><td>オスター、ボカラトン、フロリダ州、米国</td><td>6684</td>極<td>低温処理プラスチックフィルム</td></tr><tr><td>PBATフィルムのサイズ縮小を開始 - BioAgri&trade;(Mater-Bi&reg;)</td><td>BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA</td> 厚さ<td>0.7mm</td><td>MPsおよびNPsを形成するための原料、農業用マルチフィルム</td></tr><tr><td>PBATペレット</td><td>Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA</td> 直径<td>3mm</td><td>マイクロプラスチック(MPs)およびナノプラスチック(NPs)を形成する原料 トラフ製粉および粉砕</td></tr><tr><td>プラスチック遠心分離管、50mL</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td><td>06-443-18</td><td>湿式粉砕</td></tr><tr><td>後のスラリーの遠心分離プラスチック瓶、1000 mL、洗浄済み、ストレートサイド</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td><td>05-719-733</td><td>湿式粉砕中および湿式粉砕後のNPの収集</td></tr><tr><td>ポリゴン攪拌子、直径&oslash;=8 mm、長さ=50.8 mm&nbsp;&nbsp;</td><td>フィッシャーサイエンティフィック、ウォルサム、マサチューセッツ州、米国</td><td>14-512-127</td><td>湿式研削前のMPスラリーの攪拌</td></tr><tr><td>はさみ、チタン接着ウェスト</td><td>コット、シェルトン、コネチカット</td>州、米国<td>13901</td>初期<td>PBATフィルム原料の切断正方形の</td></tr><tr><td>開口部とキャップを備えた正方形のガラスセル、12 mm O.D.</td><td>Malvern Panalytical, Worcestershire, UK&nbsp;</td><td>PCS1115</td><td>NPsの粒度の測定</td></tr><tr><td>ステンレス鋼の底、3インチ、鍋</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA</td><td>8401</td><td>ワイリーフライス盤後のふるい分け用</td></tr><tr><td>ステンレス鋼ふるい、3インチ、No.140(106 & micro;m)</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA</td><td>1308</td><td>ワイリーフライス盤後のふるい分け用</td></tr><tr><td>ステンレス鋼ふるい, 3 インチ, No. 20 (850 & micro;m)</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA</td><td>1296</td><td>Wiley-milling 後のMPsのふるい</td></tr>分け <tr><td>ステンレス鋼ふるい, 3 inch, No. 325 (45 & micro;m)</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA</td><td>1313</td><td>ワイリーフライス盤後のMPのふるい</td></tr>分け <tr><td>ステンレス鋼ふるい, 3 inch, No. 60 (250 &micro;m)</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA</td><td>1303</td><td>Wiley-milling 後のMPsのふるい</td></tr>分け <tr><td>ステンレス製トップカバー, 3インチ</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA</td><td>8406</td><td>Wiley-milling 後のMPsのふるい分け</td></tr><tr><td>Stainless steel tweezers</td><td>Global Industrial, Port Washington, NY, USA</td><td>T9FB2264892</td> 瓶<td>からブレンダー</td></tr><tr><td>への凍結フィルム粒子の移送真空オーブン、モデル281A</td><td>フィッシャーサイエンティフィック、ウォルサム、マサチューセッツ州、米国</td><td>13-262-50</td><td>湿式粉砕後にNPを乾燥させる真空オーブン</td></tr><tr><td>摩擦研削盤、超質量コロイダー</td><td>産行益子、東京、日本</td><td>MKCA6-2J</td><td>MPsからNPを形成する研削盤</td></tr><tr><td>湿式砥石、グリットサイズ:297 &mu;m-420 &mu;m</td><td>Masuko Sangyo, Tokyo, Japan</td><td>MKE6-46DD</td><td>MPSからNPを形成する砥石</td></tr><tr><td>Wiley Mini Mill, rotary cutting mill</td><td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td><td>NC1346618</td><td>MPsとNPsへのペレットとフィルムのサイズ縮小</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>FTIR-Spectroscopy software</td><td>Perkin Elmer, Waltham, MA, USA</td><td>Spectrum 10&nbsp;</td><td>初期のプラスチック、MP、NPからのスペクトルの収集</td></tr><tr><td>Image J, 画像処理プログラム</td><td>National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA</td><td>Version 1.53n</td><td>顕微鏡から受け取ったデジタル画像の解析&nbsp;</td></tr><tr><td>顕微鏡ソフト、ds-fi1ソフト</td><td>Malvern Panalytical , Malvern, UK</td><td>ファームウェア DS-U1 Ver3.10</td><td>デジタル画像の記録</td></tr><tr><td>マイクロソフト, Windows, &nbsp;Excel 365、スプレッドシートソフトウェア</td><td>Microsoft、レドモンド、ワシントン州、米国</td><td>Office 365</td><td>平均粒子サイズの計算とFTIRスペクトル画像の作成</td></tr><tr><td>JMPソフトウェア、統計ソフトウェア</td><td>SAS Institute Inc.、ノースカロライナ州ケアリー、1989-2021</td><td>バージョン15</td><td>粒子サイズの統計分析とデータセットの最適なパフォーマンス</td></tr><tr><td>Unscramblerソフトウェア</td><td>Camo Analytics、オスロ、ノルウェー</td><td>バージョン9.2</td><td>FTIRスペクトルの正規化と.csvからの変換</td></tr></tbody></table>

農業用プラスチックフィルムからのマイクロ・ナノプラスチックの形成と基礎研究への応用

Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies

農業生態系に分散しているマイクロプラスチック(MPs)とナノプラスチック(NP)は、土壌や近くの水路の生物相に深刻な脅威をもたらす可能性があります。さらに、NPによって吸着された農薬などの化学物質は、土壌生物に害を及ぼし、食物連鎖に入る可能性があります。この文脈では、プラスチックマルチフィルムなどの農業利用プラスチックは、農業生態系におけるプラスチック汚染に大きく寄与する。しかし、運命と生態毒性に関するほとんどの基礎的研究は、ポリスチレンミクロスフェアなどの理想化された、あまり代表性の低いMP材料を採用している。
したがって、本明細書に記載されるように、我々は、そのような研究のために代表的なMPおよびNPを機械的に形成するためのラボ規模のマルチステップ手順を開発した。プラスチック材料は、極低温処理(CRYO)または環境風化(W)のいずれかによって脆化したポリ酪酸アジピン酸 - コテレフタレート(PBAT)の市販のプラスチックマルチフィルム、および未処理のPBATペレットから調製した。次いで、プラスチック材料をメカニカルミリングによって処理し、風力および機械機械によるプラスチック破片の摩耗を模倣して、46〜840μmのサイズのMPを形成した。その後、MPsをいくつかのサイズ画分にふるい分けて、さらなる分析を可能にしました。最後に、106μmのふるい画分を湿式粉砕に供して、陸上MPsの遅いサイズ縮小プロセスを模倣するプロセスである20〜900nmのNPを生成する。MPの寸法と形状は、実体顕微鏡写真の画像解析により決定し、動的光散乱(DLS)を用いてNPの粒径を評価した。全体として、このサイズ縮小方法は、農業特殊作物の生産に使用されるマルチ材料を表すポリブチレンアジペート - コテレフタレート(PBAT)などの生分解性プラスチックからなるMPおよびNPを形成するのに効率的であることが証明された。

実験手順の方法と分析を検証するために、ペレットとフィルム材料からMPsとNPを形成し、顕微鏡画像を使用してサイズと形状で比較しました。図1に記載の方法は、生分解性プラスチックペレットおよびフィルムからMPsおよびNPを効率的に形成した。これは、極低温冷却、粉砕、湿式粉砕および特性評価によって達成された。前者のステップは、風化が脆化を誘発したため、環境風化した映画には不要であった(Astnerら、未発表)。ペレットはまた、極低温前処理なしで直接粉砕に供した。粉砕後、粒子を、プロトコルステップ4に記載されているように、4つのサイズ画分(840μm、250μm、106μm、および45μm)に篩い分けることによって分画した。後者の3つの分派は国会議員のみで構成されていた。続いて、各フラクションの粒子特性評価は、ステップ8.1〜8.6に与えられたImageJソフトウェアを用いて、収集された立体顕微鏡画像のサイズ(dp)および形状因子(すなわち、円形度およびアスペクト比)の分布を決定することによって評価された。実体顕微鏡によって得られた画像の例は、P...

我々は、メカニカルミリング、研削、およびイメージング分析の段階的なプロセスを使用して、マイクロプラスチックおよびナノプラスチック(それぞれMPおよびNP)の形成および寸法特性評価を示す。

Microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) dispersed in agricultural ecosystems can pose a severe threat to biota in soil and nearby waterways. In ...

アントン・アストナー:このプロトコルは、本物のモデル材料を表すペレットやフィルムなど、幅広いポリマー原料から供給される工学的マイクロおよびナノプラスチックの調製について説明しています。この方法は、環境研究の代替材料に役立つことができる極低温粉砕、滲み出しおよび湿式粉砕を含む簡単な機械的手順を通じてマイクロナノプラスチックを効率的に形成する。ロールから泡を取り出し、ペーパーカッターでPBA Tフォームをストリップにカットするには、破片を脱イオン水に10分間事前に浸し、フォーム材料を極低温容器に移します。200ミリリットルの液体窒素を極低温容器にゆっくりと加え、プレを浸した泡の破片またはペレットをスチールピンセットで極低温容器に注意深く移します。次に、凍結した泡の破片またはペレットをブレンダーに移し、10秒間処理します。400ミリリットルのDI水を加え、泡水スラリーを5分間ブレンドします。スラーをフィルター付きのブフナー漏斗に移し、1時間真空をかけます。次に、漏斗でサンプルを真空オーブンに移します。摂氏30度で少なくとも48時間乾燥させます。ポリマーフィルムまたはペレットサンプルの重量を量り、50ミリリットルのガラス瓶に移します。回転式カッティングミルクの前のスロットに20メッシュシードを入れた長方形のデリバリーチューブを置き、ストックピンに当たるまでデリバリーチューブを上げます。ガラス板をフライスチャンバーの表面の上に置き、調整可能なクランプで固定します。次に、ミル出口の下に50ミリリットルのガラス瓶を置きます。スライド式サイドアームサポートをフロントガラスの中心から少し外れたミルに配置し、ニューラルボルトで締めます。ミル上部のホッパー漏斗を上部ミリングチャンバーの開口部に挿入します。ラインコードを電源コンセントに差し込み、コードスイッチを押してミルの操作を開始します。サンプルをゆっくりと供給し、可聴ノイズが減少した後、フィルムまたはペレットの破片の次のバッチを追加します。フィルムまたはペレットの破片を処理した後、コードスイッチを押してミルの動作を約20分間停止し、冷却します。へらと毛のブラシで切断室を掃除し、ガラス瓶に粒子を集めます。20メッシュの840マイクロメートルのデリバリーチューブを取り外し、60メッシュのデリバリーチューブと交換します。最初のバッチが完了したら、収集した材料をミルホッパーに再導入します。60マッシュ粉砕率についても同じ手順に従います。チャンバー内の残りの粒子を回収し、それらを収集されたメインフラクションに追加します。マイクロプラスチックのスラリーを準備します。ガラスビーカーに水を入れることから始め、攪拌子を挿入します。収集した250マイクロメートルのプラスチック画分を8グラム導入します。ガラスビーカーを攪拌板に置き、毎分400回転で24時間磁気的に攪拌します。粒子を水に浸すには、粒子をプラスチック容器に移します。追加の2つの1リットルのプラスチック容器に、グラインダーのホッパー上の愛らしい粒子を洗い流すために使用されるdi水を入れます。研削プロセス中。湿式摩擦グラインダーに46グリーンサイズの石を置き、センターナットを締めます。17ミリメートルレンチでしっかりとホッパーを追加し、5ミリメートルの六角レンチで4本のボルトを固定します。コライダーの出口の下に1リットルのプラスチック製収集ジャーを置きます。処理中の交換に使用される出口の隣に2番目の空の1リットルのバケツを置きます。電源を入れ、砥石が触れるのを聞くまで、ゼロ位置から正の0.10マイクロメートルのシフトに対応して、調整ホイールを時計回りに回してゲージクリアランスを慎重に調整します。次に、フレキシブル測定リングをゼロに調整し、すぐにホイールを反時計回りに回します。デフォルトでは、速度は毎分1500回転に調整されています。石が触れるまで調整ホイールを時計回りに回し、水ナノプラスチックスラリーをホッパーにそっと充填します。スラリーが導入された後のゼロ位置からの負の0.20マイクロメートルのシフトに対応する負の2.0のクリアランスゲージまでギャップを連続的に縮小します。収集バケットを交換してスラリーを収集します。充填レベルとバケットが0.5リットルを超えると、粒子を収集してグラインダーに30〜60倍再導入します。パスすると、粒子サイズが小さくなります。準備されたDIウォーターボトルでホッパー上の愛らしい粒子を洗浄し、処理中に適切なスラリー混合を可能にします。スラリーを回収し、摂氏25度で毎分400回転で4時間攪拌してよく混合し、スラリーを48時間放置して安定させます。数値解析により、両方の原料から製造されたナノプラスチックの二峰性粒度分布が明らかになりました。PBA Tパレットからのナノプラスチックの主な粒子集団は約79ナノメートルと530ナノメートルであり、対応する数密度頻度値はそれぞれ25%と5%でした。一方、PBA Tフォーム由来のナノプラスチックは、約50ナノメートルおよび106ナノメートルのサイズ最大値を有し、対応する数密度周波数値はそれぞれ11%および10%であった。PBA TナノプラスチックのFTIR Rの結果は、湿式粉砕中のデンプン成分の浸出を反映して、980〜1200センチメートルの逆の吸光度の明確な減少を示しています。以前の研究観察と一致して、アントン・アストナー:プラスチックフィルムとペレットからのマイクロプラスチック形成の場合、極低温前処理はプラスチックに脆化を誘発します。環境風化の影響を模倣しますが、完全ではないため、デフラグを加速できます。湿式粉砕プロセスと組み合わせたクライオミリング手順により、多数の異なるプラスチック原料を処理して、環境研究研究で使用される本物のマイクロナノプラスチックを形成することができます。

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