방법 논문

Separation and Identification of Conventional Microplastics from Farmland Soils(농지 토양에서 기존 미세 플라스틱의 분리 및 식별)

DOI:

10.3791/67064

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2025년 3월 21일

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1State Key Laboratory of Nutrient Use and Management, College of Resources and Environmental Sciences; National Academy of Agriculture Green Development, Key Laboratory of Plant-Soil Interactions of Ministry of Education, National Observation and Research Station of Agriculture Green Development (Quzhou, Hebei), China Agricultural University, 2School of Environmental & Natural Sciences, Bangor University, 3College of Resources and Environmental Sciences, Beijing Key Laboratory of Farmland Soil Pollution Prevention and Remediation, China Agricultural University, 4Soil Physics and Land Management Group, Wageningen University & Research, 5Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, 6College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, 7School of Environmental Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, 8Institute of Quality Standard and Testing Technology, Beijing Academy of Agriculture & Forestry Sciences, 9China National Environmental Monitoring Centre, 10Key Laboratory of Prevention and Control of Residual Pollution in Agricultural Film, Ministry of Agriculture and Rural Affairs

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기에 제시된 방법은 토양에서 미세 플라스틱을 추출하고 폴리머 유형을 식별하는 방법입니다. 이 방법은 실행, 적용 가능성 및 비용 효율성에 최적화되어 있습니다. 이는 토양에서 미세 플라스틱을 식별하기 위한 분석 방법을 표준화하기 위한 과학적 토대를 마련합니다.

초록

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육상 환경의 미세 플라스틱(MP) 오염은 지난 10년 동안 다양한 토양 시스템에서 MP의 수와 유형, 토양 및 작물 건강에 미치는 영향을 설명하는 연구가 증가함에 따라 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 그러나 다양한 MP 추출 및 분석 방법이 사용되어 결과를 비교하고 업계 자문 및 정책 입안자에게 신뢰할 수 있는 증거를 생성할 수 있는 기회가 제한됩니다. 여기에서는 토양에서 기존 MP의 샘플링, 분리 및 화학적 식별을 위한 방법론을 설명하는 프로토콜을 제시합니다. 이 방법은 비용이 저렴하고 재료를 쉽게 구할 수 있습니다. 이렇게 하면 운영 편의성이 향상되고 널리 채택되는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 프로토콜은 플라스틱이 없는 기구를 사용하여 토양의 상단 0-30cm에서 샘플 수집에 대한 자세한 정보를 제공합니다. 다양한 고체 매체(예: 벤토나이트 점토, 이산화규소 및 오염되지 않은 토양)를 사용하여 다양한 토양 유형을 시뮬레이션하고 후속 정량화를 위해 동일한 질량의 폴리에틸렌(PE)-MP를 추가합니다. 포화 염화나트륨(NaCl) 용액을 사용한 플라스틱 입자의 밀도 분리 및 4M 수산화나트륨(NaOH) 용액을 사용한 상등액의 유기 불순물 분해; Nile Red 염색 후 형광 현미경을 사용한 입자 정량화; μ-FTIR(micro Fourier-Transform Infrared Spectroscopy) 또는 LDIR(Laser-Direct Infrared) 분광법을 사용한 고분자 식별. MPs 회수율은 위에서 언급한 매체의 경우 83% - 90% 사이였습니다. 이 프로토콜은 타당성, 적용 가능성 및 비용 효율성에 최적화된 토양 MPs 분석을 위한 효율적인 방법을 제공합니다. 또한 함께 제공되는 비디오는 가상으로 토양 MP를 단계별로 분석하는 과정을 안내할 수 있습니다. 이 연구는 토양 MP 분석 방법을 표준화하고, 측정의 연결성과 비교 가능성을 향상시키며, 보다 표준화되고 과학적인 연구를 위한 기반을 구축하는 데 전념하고 있습니다.

서론

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매년 480만에서 1,270만 미터톤의 플라스틱이 육상 공급원에서 바다로 유입되는 것으로 추정됩니다 1,2. 이러한 플라스틱 입자는 자외선 조사, 기계적 마모 및 생분해에 반응하여 점차 더 작은 조각으로 분해됩니다 3,4. 토양 내 직경이 5mm 미만인 플라스틱 입자를 가진 미세 플라스틱(MP) 오염은 특히 토양과 작물 건강에 미치는 잠재적인 영향 측면에서 점점 더 우려되고 있습니다. 이는 주로 플라스틱 생산의 지속적인 증가와 플라스틱 폐기물의 적절한 처리를 둘러싼 과제에 의해 주도됩니다 5,6.

토양에 MP가 축적되는 것은 다양한 외부 요인에 기인할 수 있습니다. 토양에서 MP의 잠재적 공급원은 플라스틱 뿌리 덮개 필름, 관개 파이프, 온실 필름 및 관련 인프라의 활용 7,8,9 및 유기 개량제(예: 하수 슬러지 살포, 농업 퇴비 및 유기 비료)10의 투입을 포함하여 복잡합니다. 또한, 플라스틱 쓰레기의 부적절한 처리11, 식품용 플라스틱 포장 잔여물12에서 소화된 음식물 쓰레기의 분해, 코팅된 비료13의 사용, 고무 타이어의 마모14, 대기 침전물15 등도 토양의 MP에 기여하는 것으로 알려져 있다. 농업용 플라스틱, 특히 플라스틱 뿌리 덮개 필름의 주요 생산자이자 사용자인 중국은 약 4231 항목 kg-1(건조한 토양)16의 플라스틱 멀칭이 많은 농업 농지에 평균 MP가 풍부한 것으로 추정됩니다. 2018년 0-10cm 깊이 이내의 중국 농지 토양의 MP의 양은 4.9 × 106에서 1.0 × 107 톤 사이였으며, 농업용 뿌리 덮개 필름이 상당한 기여를 했다17. 유럽과 북미의 농업 토양에 대한 슬러지 적용은 각각 연간 63,000 및 44,000 톤 이상의 MP를 투입 할 수 있습니다18. 독일의 한 연구에 따르면 경작지에 퇴비를 살포하면 매년 플라스틱 입자(>1mm)가 경작지에 유입되는 것으로 나타났습니다. 퇴비를 살포한 결과 350억 개에서 2조 2천억 개의 플라스틱 입자가 생성되었습니다10. 대기 MP가 토양에 미치는 영향도는 여전히 불확실하며 추가적인 정량화가 필요하다15. 예를 들어, 대기 MP의 연간 평균 투입량은 중국에서 7.9 ×10 4 항목 m-2 yr-1 로 추정됩니다16. 토양 내 MP의 매우 광범위한 공급원은 많은 연구자들의 관심을 끌었지만 샘플링, 추출 및 분석 검출 방법의 다양성으로 인해 다양한 연구 결과를 통합하고 비교하는 것은 어렵습니다.

다양한 출처에서 MP가 축적됨에 따라 전 세계 토양에 잠재적인 환경 위협이 되고 있으며(16), 토양 내 MP에 대한 연구의 분명한 필요성을 강조하고 있다. 일부 연구에 따르면 MP가 농업 토양에 미치는 영향에는 토양 특성 변경, 식물 및 토양 유기체의 성장 및 발달 방해, 토양 미생물 활동 영향등이 포함됩니다 19,20. 다른 연구에서는 MP가 먹이 사슬을 따라 더 높은 영양 수준의 유기체에 축적될 수 있으며,21 이는 인간의 건강에 잠재적인 위험을 초래할 수 있음을 발견했습니다22. MP의 토양 환경 영향을 명확히하기 위해서는 먼저 MP의 풍부함, 폴리머 식별 및 분포 특성을 포함한 오염 현황을 이해해야합니다. 따라서 토양 MP의 정확한 식별 및 검출이 가장 중요합니다.

현재 점점 더 많은 기사가 토양에서 MP의 전 세계적인 존재를 탐구하고 있으며, 추출 및 검출 방법에서 상당한 변화가 관찰되고 있습니다23. MPs 오염을 최소화하기 위해 신중한 샘플을 채취한 후 MPs 분석을 위한 프로토콜에는 일반적으로 세 가지 주요 단계가 포함됩니다. 첫째, 밀도 분리는 토양 매트릭스에서 MPs 입자를 분리하기 위해 널리 채택됩니다. 이 공정은 일반적으로 증류수(DI)수(1.0g cm-3), 염화나트륨(NaCl, 1.2g cm-3) 또는 염화아연(ZnCl2, 1.6g cm-3)과 같은 시약을 사용합니다. 둘째, MP 표면에서 유기 불순물을 제거하는 방법에는 산성 및 알칼리성 용액 또는 기타 산화제 및 효소 분해로 세척하는 것이 포함됩니다24. 토양 매트릭스에서 유기물을 소화하거나 MPs 입자에 부착하는 것은 일반적으로 30 % 과산화수소 (H2O2 ), 65 % 질산 (HNO3 ) 또는 50 % 수산화 나트륨 (NaOH) 25를 사용하여 수행됩니다. 밀도 분리 및 유기물 분해 후 입자 수를 결정하기 위해 MP 샘플의 현미경 검사가 필요합니다. 이 검사는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR), 라만 분광법 또는 기타 근적외선 분광법 기술과 같은 기술을 통해 고분자의 화학적 조성 분석으로 보완됩니다26.

그러나 MPs 추출 및 검출 프로세스의 각 단계는 MPs 발생을 과대 추정하거나 과소 평가할 가능성을 가지고 있습니다. 예를 들어, DI water는 비용 효율성과 위험한 특성의 부족으로 인해 밀도 분리를 위한 시약으로 널리 사용되지만 밀도가 더 높은 MP 입자를 배제할 수 있습니다27. 반대로, 고밀도 시약의 광범위한 적용은 환경적 위험과 비용 증가로 인해 제한될 수 있습니다28. 또한, 유기 분해에 사용되는 특정 시약은 MPs 입자에 손상을 일으킬 가능성이 있다29. 더욱이, 광학, 입체 및 해부학적 현미경을 사용한 시각적 분류에도 어려움이 없는 것은 아니다26,30. MP 입자의 측정은 분석가의 전문 지식과 작동, 기기 설정에 크게 의존합니다. 이러한 결과는 다양한 방법론을 사용할 때 일관성과 정확성을 달성하는 것이 어렵다는 점을 강조하여 서로 다른 연구 간의 결과 비교를 복잡하게 만듭니다.

연구 전반에 걸쳐 데이터의 신뢰성과 비교 가능성을 보장하려면 토양에서 MPs 추출 및 검출을 위한 표준화된 프로토콜을 수립하는 것이 필수적입니다. 이 표준화는 MP의 발생 평가의 정확성을 향상시킬 뿐만 아니라 토양 생태계에서 MP가 환경에 미치는 영향에 대한 보다 포괄적이고 통일된 이해를 촉진할 것입니다. 추출 및 검출 방법의 한계를 해결하기 위해 표준화된 방법을 위해 선택된 시약은 쉽게 사용할 수 있어야 하고, MP 입자의 무결성 또는 화학적 조성에 영향을 미치지 않아야 하며, 실현 가능한 환경 위험이 가장 낮아야 합니다. 또한 표준화된 방법은 MP를 회수하고 토양 매트릭스에서 유기물을 제거하는 데 높은 효율성을 입증해야 합니다.

따라하기 쉬운 프로토콜은 다양한 연구 환경에서 널리 채택되는 데 필수적입니다. MP의 회수율과 비용 효율성을 모두 고려할 때 포화 NaCl은 대규모 토양 시료 밀도 분리를 위한 최적의 선택입니다. 유기물의 소화를 위해 NaOH가 사용되었는데, 예비 분리 실험에서 4M NaOH 용액이 MP에 심각한 손상을 입히지 않고 식물 잔류 물과 같은 토양 샘플 불순물을 효과적으로 분해하는 것으로 나타났습니다. 일반적으로 이 실험 방법은 쉽게 구할 수 있고 비용 효율적인 재료를 활용하고 운영 복잡성이 낮으며 신뢰할 수 있는 추출 속도를 보장합니다.

중국농업과학원(Chinese Academy of Agricultural Sciences)에서 제안한 신속하고 경제적인 분리 방법론을 사용하여 농경지에서 수집된 MP를 결정할 것을 권장한다31. 다음의 모든 단계에서 오염을 최소화하기 위해 사용하기 전에 모든 용기, 기구 및 유리 제품을 DI 물로 세척해야 합니다. 또한 수집 및 추출 절차로 인해 발생하는 오염을 설명하기 위해 샘플과 함께 일반 블랭크를 실행해야 합니다.

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프로토콜

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참고 : 다음 용액은 추출 공정 전에 주변 온도에서 준비해야합니다 : 1) 포화 NaCl 용액 (5.7 M) - 3 L DI H2O에 1 kg의 NaCl을 용해시킵니다. 2) 4 M NaOH - 480 g NaOH를 3 L DI H2O에 용해시킨다. 3) 나일 레드 (100 μg mL-1) - 10 mg의 나일 레드를 100 mL의 적절한 용매 (예 : 메탄올, 아세톤)에 용해시킵니다.

1. 토양 샘플링 및 준비

  1. 연구 영역 전체에 걸쳐 "W"자 모양의 5점 샘플링 방법을 사용하여 대표적인 토양 샘플을 수집합니다(그림 1). 수집 절차를 위해 30cm 스테인리스 스틸 토양 오거를 사용하십시오. 샘플을 수집하여 알루미늄 호일과 같은 플라스틱이 아닌 용기에 보관하십시오.
    알림: 토양 샘플은 원하는 다양한 깊이(예: 0-10, 10-20 및 20-30cm)로 나눌 수 있습니다. 플라스틱 오염을 최소화하려면 플라스틱 샘플링 장비 및 보관 용기의 사용을 피하십시오. 대신 알루미늄 호일과 같은 플라스틱이 아닌 용기를 사용하여 샘플을 수집하고 보관합니다. 이러한 샘플은 하나의 복합 샘플을 제공하기 위해 벌크하거나 독립적인 복제물로 보관할 수 있습니다.
  2. 토양을 직사광선을 피해 실온에서 건조시킵니다.
    1. 토양 건조기를 사용할 수 있는 경우 개별 챔버 내의 필터가 교차 오염의 위험을 최소화하므로 이를 사용하여 여러 토양 샘플을 동시에 처리할 수 있습니다.
    2. 그렇지 않으면 40 oC로 설정된 오븐을 사용하고 완전히 마를 때까지 최소 24시간 동안 토양을 건조시킵니다.
    3. 2-5mm 금속 체를 사용하여 마른 토양을 갈아서 체로 칩니다. 눈에 보이는 식물 재료, 돌 및 기타 불활성 물질을 제거하십시오.
      알림: 오븐/건조기 내부의 공기 중 오염을 최소화하기 위해 알루미늄 호일로 토양을 느슨하게 덮으십시오. 금속 핀셋으로 토양에서 눈에 보이는 플라스틱 파편(> 5mm)을 모아 플라스틱이 없는 보관 용기에 넣으십시오.
  3. 소수점 이하 2자리 눈금을 사용하여 토양 샘플 5.0g ± 0.05g을 플라스틱이 없는 계량 종이 또는 알루미늄 호일에 올려 무게를 잰다. 교차 오염을 최소화하기 위해 다양한 샘플에 대해 새 칭량 용지를 사용하십시오. 샘플은 플라스틱이 없는 용기(예: 유리 바이알)에 보관할 수 있습니다.

2. 조밀도 부상능력

  1. 5.0g의 건조된 토양 샘플을 깨끗한 600mL 유리 비커(Beaker A)로 옮깁니다. 모든 보관 용기와 비커에 대한 정확한 라벨링을 보장합니다.
  2. 비커 A에 포화 NaCl 용액 230mL를 추가합니다.비커 A를 자기 교반판에 놓고 유리 자기 교반기를 추가합니다. 완전히 균질화될 때까지 260rpm에서 30분 동안 용액을 저어줍니다.
  3. 완전히 균질화되면 용액에서 자석 교반기를 제거하고 포화 NaCl 용액으로 헹구어 플라스틱 입자가 용액에서 배출되는 것을 방지합니다. 비커를 직사광선이 없는 평평한 표면에 놓고 전체 밀도 분리가 발생할 때까지 밤새 그대로 두십시오.
    알림: 전체 절차를 수행할 때 공기 중의 플라스틱 오염 물질을 방지하기 위해 알루미늄 호일로 완전히 덮어야 합니다.

3. 불순물 소화

  1. 비커 A의 내용물이 완전히 분리되면 상층액을 깨끗하고 깨끗한 새 600mL 유리 비커(비커 B)로 조심스럽게 옮깁니다. 비커 A의 내벽을 포화 NaCl 용액으로 조심스럽게 헹굽니다. 상층액을 비커로 옮깁니다 B. 이 절차를 2-3회 수행합니다.
    참고: 총 200mL의 상층액을 사용하는 것이 좋습니다. 총 상등액 부피가 일정하게 유지되는 동시에 다음 단계에서 동일한 농도의 분해 용액을 유지하는지 확인합니다.
  2. 비커 B의 샘플에 4M NaOH 용액을 추가하여 500mL의 고정 부피에 도달합니다. 비커 B를 자기 교반 플레이트에 놓고 유리 자기 교반기를 넣고 완전히 균질화될 때까지 30rpm에서 260분 동안 용액을 저어줍니다. 이 과정에서 비커를 알루미늄 호일로 덮어 공기 중 오염을 최소화하십시오.
  3. 완전히 균질화되면 용액에서 자석 교반기를 제거하고 포화 NaCl 용액으로 헹구어 부착된 입자를 제거합니다. 비커 B를 직사광선이 없는 평평한 표면에 놓고 전체 밀도 분리와 유기물 소화가 일어날 때까지 밤새 그대로 두십시오.
    알림: 전체 절차를 수행할 때 플라스틱 오염 물질이 공기에서 용액으로 유입되는 것을 방지하기 위해 알루미늄 호일로 완전히 덮어야 합니다. 소화 시간은 유기 물질의 양과 유형에 따라 다릅니다. 완전한 유기물 분해를 보장하기 위해 필요한 경우 분해 시간을 연장합니다. 성공적인 소화 후 상등액은 비커에 떠다니는 눈에 보이는 유기물 없이 투명하게 보여야 합니다.

4. 나일 레드 용액을 사용한 착색

  1. 비커 B의 내용물이 완전히 분리되면 상층액을 깨끗한 새 600mL 유리 비커(비커 C)로 조심스럽게 옮깁니다. 입자 전달을 극대화하기 위해 비커 B의 내벽을 DI 물로 헹굽니다.
    1. 비커 C의 부피가 500mL 미만인 경우 DI water로 값을 500mL로 구성하여 용액 부피를 통일합니다.
  2. 나일 레드 용액을 비커 C에 첨가하여 최종 최대 농도 0.5M를 달성합니다.완전히 균질화 될 때까지 유리 막대로 용액을 저어 준 다음 비커를 알루미늄 호일로 덮어 어둠 속에서 30 분 동안 용액을 배양합니다.

5. 진공 여과

  1. 유리 깔때기, 금속 클램프, 진공 여과 베이스, 수집 비커, 연결 호스, 수분 트랩 및 진공 펌프의 순서로 진공 여과 장치를 설정합니다. 금속 핀셋을 사용하여 저장 용기에서 새 멤브레인(0.2μm 기공 크기, 직경 47mm)을 조심스럽게 제거합니다. 필터 멤브레인을 진공 여과 베이스 상단의 중앙에 평평하게 놓습니다.
    알림: 진공 여과 베이스를 유리 깔때기에 맞추고 금속 cl로 고정하여 안전한 연결을 확인하십시오.amp.
  2. 진공 여과를 활성화하고 비커 C의 액체를 유리 깔때기에 천천히 붓습니다. 입자 회수를 최대화하기 위해 DI 물로 비커 C를 여러 번 헹굽니다. 입자 손실을 최소화하기 위해 시료 여과 후 유리 깔때기의 측면을 DI 물로 헹굽니다.
    알림: 여과 과정에서 공기 중 오염을 최소화하기 위해 유리 깔때기를 알루미늄 호일로 덮으십시오. 샘플의 입자 수가 많고 여과 속도가 감소하면 동일한 샘플에 여러 멤브레인을 사용할 수 있습니다. 이렇게 하면 멤브레인 전체에 입자가 고르게 분포되고 나중에 정량화될 수 있도록 입자가 응집되고 중복되는 위험을 최소화할 수 있습니다.
  3. 여과가 완료되면 핀셋을 사용하여 다공성 플레이트에서 필터 멤브레인을 조심스럽게 꺼내고 각 멤브레인을 개별 유리 페트리 접시에 넣습니다. 페트리 접시를 닫고 알루미늄 호일로 싸기 전에 멤브레인을 완전히 건조시키십시오. 추가 분석이 있을 때까지 건조하고 어두운 곳에 보관하십시오.

6. 형광 현미경 검사법에 의한 MPs 입자 정량화

  1. 나중에 폴리머 식별을 위해 멤브레인의 형광 입자의 정확한 위치가 필요한 경우(예: FTIR 사용) 아래 단계를 참조하십시오.
    1. 검은색 젤 펜을 사용하여 "Z"자 모양에 따라 필터 멤브레인의 시작 위치와 10개의 표시를 부드럽게 표시합니다(그림 2). 핀셋을 사용하여 현미경 스테이지의 유리 슬라이드에 멤브레인을 조심스럽게 놓고 샘플 표면이 평평해지도록 합니다.
    2. 형광 기기를 host, fluorescent sources, monitor 및 fluorescence microscope의 순서로 활성화합니다. 기기를 켜고 소스의 조명 노브를 최대 밝기로 설정합니다. 명시야(BF) 및 형광등(FL) 스위치 버튼을 사용하여 각각 BF 및 FL 이미지를 촬영합니다.
    3. 샘플 관찰 및 기록용 소프트웨어(예: DP2-BSW)를 사용하여 BF 위치에서 명시야 사진을 촬영합니다. 손잡이를 FL 위치로 돌리고 어둠 속에서 형광 필터로 사진을 촬영합니다. 시야각 관찰 순서가 1에서 10 사이인지 확인합니다. FL 및 BL 사진이 같은 위치에서 촬영되었는지 확인합니다.
      참고: 형광 현미경 분석은 입자의 최적 형광을 보장하기 위해 여과 후 24-48시간 이내에 수행해야 합니다. BF 및 FL 이미지가 동일한 위치에서 촬영되었는지 확인합니다(그림 3). 모든 멤브레인이 동일한 배율 및 기기 설정을 사용하여 분석되었는지 확인합니다.
  2. LDIR을 사용한 고분자 식별의 경우 아래와 같이 현미경 단계를 수행합니다.
    1. 현미경 시스템을 카메라, 필터, 배율 및 현미경 스테이지, 컴퓨터로 설정합니다. 시료 및 배경 형광에 따라 원하는 excitation 및 emission 파장(예: 각각 470nm 및 495nm)에 가장 적합한 적절한 필터 모드를 선택합니다.
    2. 먼지가 없는 티슈로 필터 멤브레인 홀더를 닦은 다음 멤브레인을 홀더에 고정하고 현미경 스테이지로 밀어 넣습니다. 입자의 균일한 분포를 보장하기 위해 전체 멤브레인을 육안으로 스캔합니다.
    3. 카메라가 연결되어 있고 현미경 배율이 모든 샘플 유형에 적합하고 동일한 세트의 모든 샘플에서 일관되는지 확인합니다. 측정 테이프를 사용하여 분석을 시작하기 전에 카메라로 캡처한 영역의 크기(mm)를 확인합니다.
      참고: 입자가 고르게 분포되어 있는 경우 멤브레인에서 필요한 수의 샘플링 지점을 선택하여 전체 멤브레인 면적의 최소 10%를 분석합니다. 카메라를 사용하여 각 샘플링 포인트의 사진을 촬영합니다.

7. FTIR 또는 LDIR 분광법을 사용한 MPs 폴리머 식별

  1. FTIR을 사용하여 고분자 입자를 식별하는 경우 아래 단계를 참조하십시오.
    1. 시료 관찰 및 기록을 위해 FTIR 분광계와 해당 소프트웨어를 켭니다. 각 s를 측정하기 전에 프로브를 청소하십시오.amp르.
    2. 실시간 화면 녹화를 통해 모니터링할 입자를 식별합니다. 로커를 조작하여 위치와 선명도를 조정합니다. 작동 플랫폼을 중앙으로 가져오고 현재 공기 배경 스펙트럼을 캡처합니다.
      참고: BF 및 FL 이미지 모두에 해당하는 입자를 대상으로 합니다.
    3. 각 입자에서 3-5개의 고정점을 측정하여 400-4,000cm-1의 적외선 파장 범위 내에서 스펙트럼을 얻습니다. 결과 페이지에서 원본 데이터를 저장하고, 스펙트럼을 얻고, 이를 표준 라이브러리의 플라스틱 스펙트럼과 비교하여 샘플의 히트 품질 지수를 확인합니다(그림 4).
      참고: 이 연구에서는 MP의 크기가 작고 전체 필터에서 MP를 정량화하는 데 어려움이 있기 때문에 FTIR 분석을 위해 각 샘플에서 5-7개의 대표 입자를 선택했습니다. 균일한 분포를 보장하기 위해 필터 전체에서 "Z자형" 패턴을 따르는 입자를 선택했습니다. 그러나 입자가 전체 필터를 스캔하는 것이 아니라 무작위로 선택되었기 때문에 약간의 불확실성이 발생할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
    4. HQI(적중 품질 지수)가 0.7≥ 경우 일치가 허용됩니다. 그림 4 는 0.04% PE-MP가 스파이크된 토양 샘플에서 FTIR 분광법으로 식별된 입자의 예를 보여줍니다.
  2. LDIR이 폴리머 입자 식별에 사용되는 경우 다음 단계를 따르십시오.
    1. 형광 현미경 단계가 완료되면 LDIR에서 분석하기 위해 입자를 다시 현탁시킵니다. 필터 멤브레인을 새 유리 바이알에 넣고 순수 에탄올 20mL를 추가합니다. 바이알을 단단히 닫고 뚜껑을 파라핀 필름으로 감싸 누출을 방지합니다.
    2. 모든 입자가 재현탁될 때까지 최소 1시간 동안 초음파 수조에서 샘플을 초음파 처리합니다. 유리 바이알에서 멤브레인을 제거하고 버립니다.
      알림: 입자가 있는 멤브레인 면이 안쪽, 즉 바이알 벽에서 멀어지도록 합니다. 초음파 처리 시간은 사용 된 멤브레인 유형에 따라 다릅니다. 멤브레인은 색상을 침출 할 수 있지만 이는 폴리머 식별을 방해하지 않습니다.
    3. 형광 현미경으로 멤브레인을 재분석하고 입자 제거율이 95%에 >하는지 확인하여 성공적인 입자 재현탁을 확인합니다.
    4. 에탄올 용액이 든 유리 바이알을 자기 교반 플레이트에 놓고 작은 자성 유리 교반기를 바이알에 추가합니다. 플레이트 온도를 5°C로 설정하고 입자가 부유하지 않도록 저속으로 교반하여 에탄올이 5mL 미만으로 증발하도록 합니다.
      알림: s의 공기 중 오염을 최소화하기 위해 바이알을 알루미늄 호일로 가볍게 덮으십시오.amp레. 선택적으로 에탄올 증발을 위해 부드러운 질소 흐름에서 용액을 건조시킵니다.
    5. 입자 회수를 최대화하기 위해 새 에탄올을 사용하여 20mL 유리 바이알을 헹구고 샘플을 작은 8mL 유리 바이알로 옮깁니다.
      참고: 필요한 경우 작은 유리 바이알에 새 에탄올을 넣어 정확히 5mL에 도달하도록 합니다.
    6. LDIR에 대한 분석을 위해 샘플을 준비하려면 모든 입자가 용액에 균일하게 부유할 때까지 샘플을 철저히 흔들고 샘플의 10μL를 슬라이드에 빠르게 피펫팅하고 에탄올이 증발하도록 합니다. 이 단계를 두 번 더 반복하여 각 슬라이드에서 샘플당 3번의 반복실험을 분석합니다.
    7. 관련 소프트웨어의 입자 분석 도구를 사용하여 설정된 크기 범위 내에서 각 입자의 적외선 스펙트럼을 측정하고 폴리머 식별을 위해 내부 라이브러리와 일치시킵니다.
      참고: 각 입자의 한 지점은 800-1800cm-1의 적외선 파장 범위에서 자동으로 측정되며 입자는 폴리머 및 기타 유기 및 무기 물질의 알려진 라이브러리 스펙트럼과 자동으로 일치합니다.
    8. HQI(적중 품질 지수)≥ 0.8이면 일치가 허용됩니다. 그림 5 는 0.04% PE-MP가 스파이크된 토양 샘플에서 LDIR 분광법으로 식별된 입자의 예를 보여줍니다.
      참고: 입자 수가 적은 샘플의 경우 샘플 부피를 늘릴 수 있습니다.

8. ImageJ를 사용한 형광 멤브레인 이미지의 입자 정량화

  1. ImageJ32 (버전 1.54f)를 열고 소프트웨어에 이미지를 로드합니다. 실제 이미지 크기에 해당하는 올바른 측정값으로 이미지의 배율을 조정합니다. 분석 > 스케일 설정 기능을 사용하여 이미지 픽셀 및 크기(mm) 값을 입력한 다음 글로벌 을 선택하여 세션 중 모든 이미지에 이러한 설정을 적용합니다.
  2. Process > Binary 및 Image > Type > 8-bit 함수를 각각 사용하여 이미지를 이진 이미지로 변환하고 8비트로 변환합니다. 입자 분석을 위한 매개변수를 선택하려면 분석 > 측정 설정 기능을 사용하고 원하는 매개변수(예: 면적, 형상 설명자 및 Feret의 직경)를 선택합니다. Add to overlay(오버레이에 추가)를 선택하고 데이터 출력의 소수점 이하 자릿수를 결정합니다.
  3. 입자를 분석하려면 분석 > 입자 분석을 선택하고 관심 있는 입자 크기 범위를 결정합니다. 원형성(Circularity) 을 0-1로 설정하고, 픽셀 단위(Pixel units)를 선택 취소하고, 오버레이(Overlay)를 표시하고, 결과 표시(Display results), 가장자리 제외(Exclude edges), 결과 지우기(Clear results), 구멍 포함(Include holes), 요약(Summarize) 및 오버레이(Overlay) 상자를 선택합니다. 결과 창에서 결과를 .csv 파일로 내보냅니다.
    참고: 형광 이미지 분석은 폴리머 수가 아닌 입자 수에 대한 정보만 제공합니다. 따라서 예를 들어 IR 분광 기술을 사용하는 것과 같은 추가 식별 절차가 필요합니다.

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결과

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이 방법론의 회수율을 검증하기 위해 세 가지 다른 고체 매트릭스(이산화규소(SD), 벤토나이트 점토(BT) 및 토양)의 샘플을 세 가지 반복 세트로 분석했습니다. 샘플은 0.04% w/w 백색 폴리에틸렌(PE) 미세플라스틱(입자 크기 범위 40-48μm)을 첨가하거나 첨가하지 않고 분석되었습니다. 토양 샘플은 중국 베이징 하이뎬 지구(China Agricultural University West Campus)에서 수집되었으며 토양은 엄버 토양으로 분류되었습니다. 또한, 추출 및 분석 프로세스 전반에 걸쳐 유입된 잠재적인 오염을 설명하기 위해 블랭크의 3가지 복제가 포함되었습니다.

평균 회수율은 BT, SD 및 토양의 84%, 83%, 90%였습니다. 평균적으로 PE 미립자의 86%가 20-500μm의 설정된 크기 범위 내에서 성공적으로 회수되었습니다. 블랭크 샘플의 결과 및 화학적 식별의 간섭이 제거되었습니다. 입자 손실은 상층액 이동, 여과 또는 잘못된 식별에 ...

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토론

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단순 무작위 샘플링 또는 체계적인 그리드 샘플링과 같은 접근 방식을 포함한 현장의 토양 샘플링 전략과 샘플링 영역 및 깊이는 특정 연구 질문에 맞게 조정되어야 하며 샘플 수집 전에 명확하게 정의되어야 합니다. 일부 연구는 0-10cm34,37의 표토층에 초점을 맞춘 반면, 다른 연구는 0-40cm 깊이의 토양 샘플을 수집 한 반면38. MP의 크기와 풍부함은 토양 깊이에 따라 다르기 때문에 토양 샘플링을 위해 깊이를 통일할 필요가 있습니다. 일반적인 쟁기 깊이 39,40이므로 농업 분야에 적절하고 실용적인 0-30cm의 깊이를 고려하는 것이 좋습니다. 또한 연구 목표, 표본추출 접근 방식 및 표본 추출 영역은 사전 정의...

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공개 사항

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감사의 글

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이 프로젝트는 중국 오르도스의 과학 기술 전공 프로젝트[ZD20232320]의 지원을 받았습니다. UKRI Global Challenges Research Fund (GCRF) 및 자연 환경 연구 위원회 프로젝트, "농업용 미세 플라스틱이 경제적으로 덜 발전된 국가에서 식량 안보와 지속 가능한 개발을 훼손합니까?" Grant [NE/V005871/1]; 보조금 아래 중국 국립 자연 과학 재단 [42277097]; 중국농업대학교의 고위급 팀 프로젝트, 산시성 신저우 질병통제예방센터 중국농업대학교 교수실[20230515] 및 그랜트 산하 중국국립자연과학재단의 국제협력 및 교류[NSFC-UNEP: 32261143459].

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
2-소수점 잔액n/a/a표준 2-소수점 잔액
40 ° C 오븐n/a해당 없음 온도가40°C로 설정된 표준 대형 팬 오븐; C
8700 LDIRAgilent Technologiesn/a입자 식별에 사용되는 LDIR
해당 없음 알루미늄 용기해당없음표준 알루미늄 식품 테이크아웃 용기
알루미늄 호일해당없음 해당 없음표준 고강도 알루미늄 호일
Axioplan 2Zeissn/a형광 현미경은 형광 상태의 미세 플라스틱 입자를 관찰하는 데 사용됩니다
벤토나이트 클레이Sigma Aldrich285234회수 테스트에 사용되는 벤토나이트 클레이
BX53Olympusn/a형광 현미경은 형광 상태의 미세 플라스틱 입자를 관찰하는 데 사용됩니다
유리 비커(600ml)n/a/a표준 유리 비커
유리병(1 l)n/an/a표준 유리병
유리 자성 교반기 barn/a해당 없음표준 유리 코팅 마그네틱 교반기 바
유리 측정 실린더 (500 ml)해당없음 n/a표준 유리 측정 실린더
유리 피펫 (10 ml)
유리 진공 여과 장치Pyrex (Sigma Aldrich를 통해 구매)SLW5809/KIT500 ml 깔때기, 다공성 플레이트 및 1 l 수집 비커가 있는 유리 여과 장치
LUMOS Alpha IIBruker해당 없음FTIR은 의심되는 미세 플라스틱을 분석하는 데 사용됩니다.
자기 교반 플레이트n / a/ a표준 자기 교반 플레이트
MCE 필터 멤브레인Jinteng companyJTMF0441/0442백색 MCE 멤브레인, 0.2 µ m 기공 크기, 직경 50mm, FTIR 방법
나일 레드피셔 사이언티픽10464311나일 레드 파우더 적절한 용매 (예 : 아세톤) PCTE 필터 멤브레인을 사용하여 나일 레드 염료의 재고 용액을 만드는 데 사용
Sterlitech Corporation1270060블랙 PCTE 멤브레인, PVP 프리, 0.2 &마이크로; m 기공 크기, 직경 47mm, LDIR 방식 사용
산화규소 Sigma Aldrich18649회수 테스트에 사용되는 이산화규
나트륨Sigma AldrichS9888밀도 분리에 사용되는 염화나트륨
산화나트륨Fisher Scientific10675692유기물 소화에 사용되는 수산화나트륨
토양 오거n/an/a길이 30cm; 지름 2cm; 재질 스테인레스 스틸
초고 분자량 폴리에틸렌 미세 플라스틱 분말Sigma Aldrich434272회수 테스트를 위해 이산화 규소, 벤토나이트 점토 및 토양 샘플을 스파이크하는 데 사용되는 폴리에틸렌 미세 플라스틱
진공 펌프진공 펌프 Vacuubrand GmBH Co KGME 2C NT진공 여과 용 진공 펌프
n. n n 이소 염화수

참고문헌

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