プロトン核磁気共鳴分光法を用いた土壌からのポリブチレンアジピン酸テレフタレートベースのマイクロプラスチックおよびナノプラスチックの定量化
2025年6月6日
ここでは、核磁気共鳴分光法を用いて、土壌中のポリブチレンアジピン酸テレフタレートに由来するマイクロプラスチックおよびナノプラスチックを定量する方法について述べる。この手法は、ナノプラスチックの定量化にまで及び、環境サンプルの大量処理に容易に適応できるため、既存の方法論を改良したものです。
私たちは、生分解性プラスチックと土壌の生分解についてさらに学ぶことができるように、この方法を開発しました。生分解性プラスチック製品は、土に埋めると完全に分解されるように設計されていますが、土壌に残っている可能性のある小さなプラスチック片を測定する方法が必要でした。マイクロプラスチックの定量化方法は、ここ数年で急速に発展しており、グループ間で標準化されていません。
マイクロプラスチックは、さまざまな技術を用いて土壌から定量化されてきました。私たちは、マイクロプラスチック定量へのアクセスを多様化するために、NMR分光法の開発が重要だと考えています。NMRは、これまで土壌中のプラスチック製品からPBATを定量するために使用されてきました。
私たちは、この技術を環境科学者などが多数の土壌サンプルからPBATを並行して迅速に定量するために使用できるツールに適応させ、大規模な環境モニタリングを可能にするために、このプロトコルを作成して共有しました。私たちのプロトコルには、溶媒中のPBATポリマーの回収が含まれます。この方法は個々のプラスチック粒子を分離することに重点を置いていないため、マイクロプラスチックやナノプラスチックのサイズに制限されません。
いくつかのトレードオフがありますが、これにより、土壌中のナノプラスチック生分解について学ぶことができます。土壌中のマイクロプラスチックやナノサイズのプラスチックを定量化できるようになった今、ナノプラスチックが有機物や土壌鉱物などの土壌成分とどのように相互作用するかについて、さらに学びたいと考えています。これらの相互作用は、微生物酵素による生分解からプラスチックを保護する重要な要素である可能性があります。
まず、抽出手順の前に土壌を収集して準備します。ドラフト内で、抽出するサンプルごとに、クロロホルムとメタノールの100ミリリットル90〜10体積混合物を準備します。100グラムの乾燥土壌、100ミリリットルのクロロホルムメタノール溶液、および20個のガラスビーズをガラス抽出ジャーに加えます。
溶剤の蒸気が逃げるのを防ぐために、PTFEで裏打ちされた蓋で瓶をしっかりと密封します。抽出ジャーをシェーカーテーブルに置き、毎分200回転で8時間振とうします。振とうした後、抽出ジャー内の土壌を少なくとも4時間沈殿させます。
次に、ヒュームフード内の抽出ジャーのキャップを外します。ピペットを使用して、液体抽出物を11マイクロメートルの細孔サイズの定性的なペーパーフィルターにロードし、ラベル付きのきれいなガラス瓶に濾液を回収します。回収した溶媒の量を記録します。
土壌中の抽出物をドラフト内で完全に乾かしますが、これには最大24時間かかる場合があります。その後、乾燥させた土を安全に捨てます。抽出物が乾いたら、サンプルジャーに蓋をして、後で使用するために冷暗所の乾燥した場所に保管します。
まず、ポリブチレンアジピン酸テレフタレートまたはPBATを含む乾燥土壌抽出物を入手します。内部キャリブラント1、4-ジメトキシベンゼンを1ミリグラム、乾燥抽出物を含む各サンプルジャーに加えます。サンプルを500マイクロリットルの重水素化クロロホルムにドラフト内で再懸濁します。
瓶に蓋をして、手またはベンチトップの両側を約10回軽くたたきます。次に、清潔なピペットチップを使用して、溶解したサンプルをNMRチューブに移します。さらに500マイクロリットルの重水素化クロロホルムで再懸濁ステップを繰り返し、サンプルをプルします。
NMRチューブにキャップをして3日間保管してから、NMRスペクトルを採取してください。PBATのキログラムあたり63ミリグラムをスパイクした日陰ローム土壌のスペクトルは、5つの特徴的なPBATピークすべてが明確に分離されたことを示しました。検量線は、日陰ローム、エルクホーン砂壌土、およびロスオソスロームでPBATを添加および測定した量との間に強い相関関係を示し、日陰ロームは76%と最も高い抽出効率を達成し、日陰ロームからのPBAT抽出効率はナノプラスチックよりもマイクロプラスチックの方が高かった。
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概要
この記事では、核磁気共鳴分光法を用いて土壌中のポリブチレンアジピン酸テレフタレートからのマイクロおよびナノプラスチックを定量化する方法について説明します。この技術は、ナノプラスチックの定量化を可能にすることで既存の方法論を強化し、環境サンプルのバルクスループットに適応可能です。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 環境科学
- プラスチック汚染
- 分析化学
背景
- 生分解性プラスチックは土壌で分解するように設計されています。
- 小さなプラスチック片が環境に残存する可能性があります。
- マイクロプラスチックの定量化方法は急速に発展しています。
- これらの方法の標準化は研究グループ間で不足しています。
研究の目的
- 土壌中のマイクロおよびナノプラスチックを測定する方法を開発すること。
- マイクロプラスチック定量化技術へのアクセスを改善すること。
- 生分解性プラスチックの分解についての理解を深めること。
使用した方法
- 核磁気共鳴（NMR）分光法。
- 環境サンプルのバルクスループットの適応。
- 土壌中のプラスチック製品からのPBATの定量化。
- 既存のマイクロプラスチック定量化技術との比較。
主な結果
- この方法はマイクロおよびナノプラスチックを成功裏に定量化します。
- NMR分光法は定量化の信頼できる代替手段を提供します。
- 結果は土壌中の小さなプラスチック片の存在を示しています。
- この技術はより広範な研究利用のために標準化できます。
結論
- NMR方法の開発はマイクロプラスチックの定量化を多様化します。
- 標準化は一貫した研究結果のために重要です。
- バイオ分解プロセスを理解するためにはさらなる研究が必要です。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of polybutylene adipate terephthalate (PBAT) micro- and nano-plastics in soil is critical for evaluating the environmental persistence and degradation of biodegradable polymers. This NMR-based workflow enables accurate measurement of PBAT fragments, supporting predictive confidence in environmental fate studies and informing risk-adjusted decisions for sustainable material development. The method addresses a key inflection point in the discovery-to-validation continuum for biodegradable plastics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of PBAT degradation pathways and fragment persistence in complex soil matrices.
- Supports biological de-risking by quantifying residual micro- and nano-plastics post-biodegradation.
- Facilitates predictive confidence in environmental safety profiles for new biodegradable materials.
Screening & Assay Development
- Prepares validated soil extraction and quantification systems for downstream environmental monitoring workflows.
- Standardizes quantification of PBAT across diverse soil types, enhancing reproducibility and comparability.
- Enables scalable, parallel processing of environmental samples for high-throughput screening of degradation outcomes.
Translational & Preclinical Research
- Aligns laboratory quantification of PBAT fragments with environmental impact assessments relevant to regulatory and translational studies.
- Supports continuity from material discovery through preclinical environmental validation by providing robust quantitative endpoints.
- De-risks advancement of biodegradable polymers by clarifying persistence and transformation in real-world matrices.
Pipeline & Workflow Integration
This NMR-based quantification method integrates into the environmental assessment pipeline from early discovery through preclinical validation of biodegradable materials.
- Discovery Biology: Provides quantitative endpoints for hypothesis testing on PBAT degradation and soil interaction mechanisms.
- Screening: Delivers reproducible, size-independent quantification of PBAT fragments for assay readiness and cross-study comparability.
- Analytics: Generates robust, quantitative NMR readouts to support statistical comparison of extraction efficiencies and degradation rates.
- Translational Research: Bridges laboratory findings with environmental impact studies, supporting biomarker alignment for regulatory submissions.
- Enterprise Reuse: Offers a standardized, scalable protocol adaptable to various biodegradable polymers and soil types.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in environmental fate and target validation for biodegradable plastics.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of micro- and nano-plastic quantification workflows.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for material advancement and reduces late-stage environmental risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of sustainable polymer candidates based on quantitative environmental endpoints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in NMR spectroscopy and quantitative analytical chemistry.
- Needs access to solvent extraction infrastructure and high-field NMR instrumentation.
- Demands cross-team standardization of extraction and quantification protocols for reproducibility.
- May require adaptation for soils with high clay content or for other biodegradable polymers.
- Extraction efficiency varies by soil type and particle size, impacting sensitivity and comparability.
