Bemonstering en identificatie van microplastics in grondwater

Samenvatting

Hier geven we een gedetailleerde beschrijving van het bemonsteren van grondwater uit een boorgat voor de analyse van microplastics met behulp van een gepatenteerd bemonsteringssysteem dat voor dit doel is ontwikkeld. Het protocol beschrijft de methoden voor het bemonsteren van microplastics uit boorgaten, evenals de scheiding en chemische identificatie van microplastics.

Samenvatting

Vervuiling door microplastics in het grondwater blijft aanzienlijk ondergerapporteerd in de wetenschappelijke literatuur. Dit document presenteert een uitgebreid protocol waarin de methodologie voor de bemonstering van grondwater uit boorgaten wordt geschetst, evenals de stappen voor het scheiden en analyseren van microplastics. Het biedt een uitgebreide beschrijving van een speciaal voor dit doel ontworpen filtratiebemonsteringssysteem, samen met de gedetailleerde bemonsteringsprocedure. Daarnaast presenteert het de laboratoriumanalyse van microplastic deeltjes, inclusief hun karakterisering op basis van grootte, vorm, kleur, transparantie en chemische structuur met behulp van verzwakte totale reflectie-Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (ATR-FTIR) en micro-FTIR-spectroscopie. Factoren die de resultaten kunnen beïnvloeden worden besproken en er wordt speciale aandacht besteed aan het voorkomen van contaminatie van monsters. Bij de beschreven methodologie wordt ook rekening gehouden met de vereisten van de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie van 11 maart 2024 tot aanvulling van Richtlijn (EU) 2020/2184 van het Europees Parlement en de Raad. Dit uitgebreide schriftelijke protocol, vergezeld van videobegeleiding, is bedoeld ter ondersteuning van de ontwikkeling van een gesynchroniseerde methodologie voor het monitoren van microplastics in grondwater of drinkwater. Deze bron zal interessant zijn voor onderzoekers op het gebied van microplastics wereldwijd.

Inleiding

In de afgelopen jaren zijn microplastics (MP's) geïdentificeerd als een belangrijke milieuverontreinigende stof. Vanwege hun potentieel om in de atmosfeer terecht te komen, maken parlementsleden deel uit van de watercyclus¹. Atmosferische depositie en oppervlakteafvoer zijn de belangrijkste routes waarlangs MP's het oppervlaktewater binnenkomen². MP's zijn afkomstig van verschillende terrestrische en aquatische bronnen, waarbij terrestrische bronnen bijdragen aan 80% van hun totale hoeveelheid³. Bij het betreden van aquatische ecosystemen wordt de meerderheid van de terrestrische MP's via rivieren naar oceanen getransporteerd. De overige MP's blijven bestaan in zoetwateromgevingen, waarbij oppervlaktewateren in dichtbevolkte en verstedelijkte gebieden - gekenmerkt door lange verblijftijden in het water en aanzienlijke antropogene invloed - hogere niveaus van MP-vervuiling vertonen. Oppervlaktewater kan ook aansluiten op grondwater in rivierbeddingen, uiterwaarden, wetlands en bronnen⁴.

Hoewel onderzoek in zoetwaterhabitats in 2018 minder dan 4% van de beschikbare literatuur uitmaakte⁵, heeft de groeiende erkenning van de noodzaak om MP-bronnen in aquatische milieus beter te begrijpen sindsdien geleid tot een opmerkelijke toename van studies gericht op zoetwatersystemen⁶. Hoewel het aantal studies over grondwater beperkt blijft, is het bewijs van de aanwezigheid van parlementsleden in het grondwater goed gedocumenteerd. Aangezien grondwater de belangrijkste bron van zoet water ter wereld is en meer dan twee miljard mensen toegang biedt tot veilig drinkwater, water voor huishoudelijk, agrarisch en industrieel gebruik⁷, roept de aanwezigheid van parlementsleden in het grondwater nieuwe vragen op over de grondwaterveiligheid in de^21e eeuw⁸.

Terrestrische bronnen van MP's kunnen zeer divers zijn, waarbij vezelachtige MP's uit het wassen van textiel goed zijn voor ongeveer 35% van de MP's die in aquatische systemen worden gedetecteerd⁹. Andere belangrijke bronnen van verschillende soorten parlementsleden in het milieu zijn onder meer persoonlijke verzorgings- en cosmetische producten, banden, plastic landbouwfolies, kunstgras en wegencoatings, stortplaatsen, onjuist verwijderde kunststoffen, verpakkingen en verontreinigende stoffen in de bouwsector ^9,10.

Vanwege hun vele verschillende bronnen kunnen MP's aanzienlijk verschillen in termen van hun chemische samenstelling, kleur, vorm, dichtheid, grootte en andere kenmerken¹¹. De internationale norm ISO 24187:2023 classificeert MP's in twee categorieën: 1) "grote microplastics": vaste, niet in water oplosbare plastic deeltjes met een grootte tussen 1 mm en 5 mm, en 2) "microplastics": alle vaste plastic deeltjes die onoplosbaar zijn in water met een grootte tussen 1 μm en 1 mm. Deeltjes kleiner dan 1 μm worden beschouwd als nanodeeltjes¹². De polymeermaterialen die het vaakst in de vorm van MP's worden aangetroffen, zijn polyethyleen (PE) en polypropyleen (PP), de meest geproduceerde polymeermaterialen¹³.

MP's kunnen vanuit bodems en sedimenten in het grondwater worden getransporteerd, via interacties met oppervlaktewater en zeewater, en via aanvullings-/lozingsprocessen. Tijdens deze processen kunnen MP's in en uit het grondwater worden vervoerd¹⁴. De hyporheïsche zone (HZ) dient als een belangrijk grensvlak voor de uitwisseling tussen de rivier en het ondiepe grondwatersysteem¹⁵. Het transport van MP's door de HZ wordt beïnvloed door verschillende deeltjeseigenschappen (grootte, vorm, materiaalsamenstelling), evenals bepaalde hydrologische en geochemische factoren, waaronder de morfologie van de rivierbedding en stromingsturbulentie¹⁵. De relatie tussen poriediameter en MP-grootte is een andere cruciale factor in deze processen¹⁶, aangezien MP's met kleinere afmetingen gemakkelijker door de porieruimte van het oppervlak naar de ondergrondse lagen bewegen^15,16.

MP's kunnen het grondwater binnenkomen via de onverzadigde zone¹⁷. De onverzadigde zone vormt een belangrijke verbinding tussen het landoppervlak en het grondwater¹⁸. De processen van transport en retentie van MP's in de onverzadigde zone zijn afhankelijk van deeltjeseigenschappen, bodemeigenschappen en omgevingsfactoren 17,19,20. Bodemorganismen zoals regenwormen, collembolans en mijten kunnen het transport van MP's van het bodemoppervlak naar diepere lagen beïnvloeden via verschillende mechanismen zoals verplaatsing, inslikken, verzwelgen en hechting^21,22. Ongewervelde dieren kunnen het transport van microplastics indirect beïnvloeden door macroporiën in de bodem te vormen, die fungeren als routes voor de beweging van microplastics door uitloging²¹.

De voornaamste zorg met betrekking tot de aanwezigheid van MP's in het grondwater is hun persistentie in verband met het grote oppervlak, minder milieuvriendelijke afbraakprocessen (die leiden tot de vorming van micro- en zelfs nanodeeltjes) en sterke hydrofobiciteit¹⁷. Hun persistentie brengt een potentieel risico met zich mee dat de grondwaterkwaliteit vanuit chemisch en biologisch oogpunt wordt aangetast. MP's kunnen het grondwater chemisch verontreinigen door ongebonden monomeren en additieven uit te logen, evenals geabsorbeerde chemicaliën uit het milieu (bijv. hydrofobe persistente organische verontreinigende stoffen)²³. MP's kunnen ook dienen als substraat voor biofilmvorming en de microbiologie van grondwater beïnvloeden. Biofilms op MP's kunnen ook vrijlevende micro-organismen en ziekteverwekkers bevatten²³. Bij inslikken vormen de deeltjes zelf een fysiek gevaar. Hoe kleiner de deeltjesgrootte, hoe groter de kans dat ze worden opgenomen in cellen of biologische barrières van organismen overschrijden²³.

Onderzoek naar parlementsleden in grondwater wordt steeds meer erkend als cruciaal vanwege het potentiële risico dat parlementsleden vormen voor de menselijke gezondheid. Daarom is in januari 2021 de herziene Drinkwaterrichtlijn voor het meten van MP's in werking getreden. De EU-lidstaten waren verplicht de richtlijn uiterlijk op 12 januari 2023 in nationaal recht om te zetten en ervoor te zorgen dat aan de bepalingen ervan werd voldaan. Niettemin blijft het aantal studies dat tot nu toe is uitgevoerd naar parlementsleden beperkt. Er is momenteel geen standaardprocedure voor het bemonsteren en analyseren van MP's in grondwater. Studies die het voorkomen van MP's in grondwater beoordelen, zijn moeilijk te vergelijken omdat ze verschillende bemonsterings- en analytische benaderingen gebruiken. Daarom hebben recente studies de dringende noodzaak benadrukt om de protocollen voor bemonstering en analyse van parlementsleden te standaardiseren om het verzamelen van monsters van hoge kwaliteit te garanderen en vergelijkbare resultaten te verkrijgen 12,17,24,25.

Bemonstering op basis van filtratie en bemonstering zijn tot nu toe twee veelgebruikte methoden voor het verzamelen van grondwatermonsters in MP-studies. Filtratie omvat het passeren van water door gaasfilters, ofwel roestvrijstalen patronen²⁶ of zeven²⁷, in het veld om MP-deeltjes op te vangen. Een groot nadeel van het gebruik van cartridges en zeven is de moeilijkheid om ze grondig te reinigen van restdeeltjes, waardoor het vermogen om een volledige monsteranalyse te garanderen in het gedrang komt en het risico op kruisbesmetting toeneemt. Grijperbemonstering, vaak gebruikt in veel onderzoeken 28,29,30, is een eenvoudigere benadering waarbij water direct wordt opgevangen met behulp van flessen of containers zonder voorbehandeling. Hoewel geschikt voor verkennend onderzoek, geeft grijpsteekproeven de MP-concentraties niet nauwkeurig weer vanwege kleine steekproefvolumes.

Deze studie introduceert een nieuw ontwikkeld systeem voor het bemonsteren van MP's in grondwater (Figuur 1), gebaseerd op veldfiltratie met behulp van in de handel verkrijgbare filters met aanpasbare poriegroottes. Het systeem maakt gelijktijdige filtratie van meerdere monsters mogelijk en ondersteunt cascadefiltratie. Ontworpen als een volledig gesloten opstelling, voorkomt het effectief milieuverontreiniging van monsters. Er wordt een gedetailleerd bemonsteringsprotocol verstrekt, vergezeld van videorichtlijnen, samen met procedures voor de daaropvolgende analyse van de chemische samenstelling en andere kenmerken van de gedetecteerde MP's. Het systeem heeft tot doel de kwaliteit, consistentie en vergelijkbaarheid van toekomstig onderzoek op dit gebied te verbeteren.

Protocol

1. Het boorgat klaarmaken voor bemonstering

OPMERKING: Om besmetting in het veld te voorkomen, moet u het filtersysteem gesloten houden, behalve bij het plaatsen van de filters of het nemen van monsters. Vermijd het gebruik van plastic gereedschap en containers. Vermijd synthetische kleding (bijv. fleece); Draag een witte katoenen laboratoriumjas.

1. Open het boorgat en verwijder eventuele monsternemers. Meet de grondwaterstand met behulp van een waterniveaumeter.
2. Noteer de GPS-coördinaten van het boorgat, de datum van bemonstering, het waterpeil en andere bemonsteringsdetails op het gegevensblad (tabel 1).

2. Opstelling van de bemonsteringsapparatuur

1. Monteer de dompelpomp en laat deze voorzichtig in de put zakken tot de gewenste diepte. Zorg ervoor dat de pompinlaat zich ongeveer 1 m boven de bovenkant van het filterscherm bevindt om inzlaatbezinking te voorkomen en een optimale waterstroom te behouden.
   NOTITIE: Ga tijdens de installatie voorzichtig om met de pomp om schade aan de bedrading of mechanische componenten te voorkomen.
2. Stel het filtersysteem in zonder de filterondersteuningsschermen en filters en plaats het horizontaal.
3. Sluit de hoofdklep en open de bypassklep.
4. Sluit de watertoevoerslang aan.

3. Het boorgat schoonmaken

1. Start de dompelpomp en laat het water door de bypass stromen om het boorgat schoon te maken. Pomp ten minste 3x het volume water dat in het boorgat aanwezig is of blijf pompen totdat de fysisch-chemische parameters stabiliseren, om ervoor te zorgen dat vers grondwater wordt bemonsterd.

4. Reiniging van het filtersysteem voor de bemonstering

1. Open de kleppen van de bemonsteringstakken en de hoofdklep van het filtersysteem. Sluit daarna de bypassklep.
   OPMERKING: Laat het water voldoende lang door het filtersysteem stromen om een effectieve spoeling te garanderen, dit kan afhankelijk zijn van de pompsnelheid. Tijdens het reinigingsproces moeten de filtersteunschermen en filters worden verwijderd.

5. De filters plaatsen

1. Open eerst de bypassklep en sluit vervolgens de hoofdklep.
2. Open de filterkamer en controleer of de filterkamers schoon zijn. Spoel indien nodig af met ultrapuur water.
3. Plaats het filterondersteuningsscherm.
4. Spoel het filter van de gewenste poriegrootte af met ultrapuur water en plaats het op het filtersteunscherm.
5. Sluit de filterkamer.
6. Herhaal het proces voor alle vestigingen.
   OPMERKING: Verschillende filters met afnemende poriegroottes kunnen achtereenvolgens worden ingevoegd voor cascadefiltratie. Extra filterkamers met filters met dezelfde poriegroottes als de bemonsteringsfilters kunnen vervolgens worden geïnstalleerd. Dit is vereist op grond van de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie van 11 maart 2024 tot aanvulling van Richtlijn (EU) 2020/2184 van het Europees Parlement en de Raad voor de bemonstering van mp-organismen in drinkwater, die het gebruik van filters van 100 μm en 20 μm verplicht stelt, gevolgd door nog een set filters van 100 μm en 20 μm (als blanco's voor kwaliteitscontroledoeleinden).

6. Afname van monsters

1. Lees de watermeter uit en registreer deze of zet deze op nul.
2. Open de hoofdklep, sluit de bypassklep en markeer de starttijd van de bemonstering.
3. Bewaak de manometer tijdens de bemonstering om ervoor te zorgen dat de druk niet hoger is dan vier bar om beschadiging van de apparatuur te voorkomen en MP-fragmentatie tot een minimum te beperken.
4. Stop met bemonsteren wanneer het geplande watervolume is gefilterd of wanneer de filters beginnen te verstoppen, wat blijkt uit een verhoogde druk of een aanzienlijk verminderde stroom.
5. Om de bemonstering te stoppen, opent u eerst de bypassklep en sluit u vervolgens de hoofdklep en de kleppen op de filtertakken.
6. Zet de pomp uit.
7. Noteer de tijd en de eindwaarden van de watermeter.
   OPMERKING: Om een representatief grondwatermonster op het bemonsteringspunt te verkrijgen, wordt aanbevolen om grotere hoeveelheden water te bemonsteren, bijv. ten minste 1 m³/duplicaat.
   Het is absoluut noodzakelijk om het gehele bemonsteringssysteem, met name de watermeter en de manometer, tijdens de bemonsteringsprocedure continu te controleren. Een toename van de druk die gepaard gaat met een afname van de waterstroom geeft aan dat het filter begint te verstoppen. Wanneer dit gebeurt, is het raadzaam om het systeem te stoppen en de gebruikte filters te vervangen door nieuwe. Door het monster op deze manier over meerdere filters te verzamelen, kan toch efficiënt de gewenste hoeveelheid gefilterd water worden bereikt.

7. Verzamelen van de filters

1. Spoel een glazen petrischaaltje af met ultrapuur water.
2. Open de filterkamer en breng het filter dat in een horizontale positie wordt gehouden voorzichtig over in een schoon petrischaaltje.
3. Sluit de petrischaal af met een afdichtingsfolie en label deze met de monsternaam en de datum van bemonstering.
4. Herhaal deze procedure voor alle filterkamers (Afbeelding 2).
5. Demonteer het systeem na de monsterafname. Spoel het systeem altijd af met zoet water en droog het af voordat u het opbergt.
   OPMERKING: U kunt ook het volledige filterkameronderdeel van het filtersysteem opslaan voor verdere verwerking in het laboratorium.

8. Scheiding van microplastics uit monsters

NOTITIE: Om besmetting in het laboratorium te voorkomen, moet u, voordat u met de analyse van de monsters begint, ervoor zorgen dat het laboratorium stofvrij is, het raam sluiten en airconditioning met een HEPA-filter gebruiken. Vermijd het gebruik van plastic gereedschap en containers. Glaswerk moet voor gebruik worden afgespoeld met ultrapuur water en onder de microscoop worden gecontroleerd. Gebruik niet-synthetische kleding. Draag een witte katoenen laboratoriumjas om besmetting tot een minimum te beperken.

NOTITIE: De stereomicroscoop moet zijn uitgerust met een camera en beeldanalysesoftware die een nauwkeurige meting van de deeltjesgrootte mogelijk maakt.

1. Verwijder de afdichtingsfolie en open de petrischaal.
2. Breng de petrischaal onder de stereomicroscoop met een vergroting van ten minste 30x en zoek naar mogelijk plastic deeltjes, waarbij u zich concentreert op kenmerken zoals kleur, vorm en andere zichtbare kenmerken.
3. Breng elk deeltje over dat plastic lijkt te zijn, maak een foto en meet de grootte. Evalueer de volgende eigenschappen voor elk MP-deeltje: grootte (deeltjes: feretmax of oppervlakte-equivalente diameter; vezels: breedte en lengte), vorm (deeltjes: fragment, film, schuim, pellet, korrel; vezels), kleur en chemische samenstelling (methodologie wordt hieronder beschreven) (Figuur 3).
   OPMERKING: Houd er rekening mee dat sommige parlementsleden gemakkelijk te herkennen zijn aan hun kleur en vorm, terwijl andere een grotere uitdaging kunnen zijn.
   De belangrijkste parameters voor MP-identificatie worden beschreven in het protocol voor MP-bemonstering op het zeeoppervlak en monsteranalyse²⁶. Polariserend licht kan zeer nuttig zijn bij het scheiden van MP van sediment en organische deeltjes. Kies bij het isoleren van potentiële parlementsleden uit de monsters voor een conservatieve benadering door meer in plaats van minder deeltjes te selecteren voor gedetailleerde analyse.

9. Chemische identificatie van microplastics

OPMERKING: Chemische analyse van potentiële MP kan worden uitgevoerd voor grote MP's (1-5 mm) met behulp van ATR-FTIR en voor kleine MP (<1 mm) met behulp van micro-FTIR. Alternatieve methoden, zoals Raman-spectroscopie, zijn ook mogelijk.
De FTIR-instrumentsoftware moet een nauwkeurige regeling van meetparameters en real-time spectrale gegevensacquisitie ondersteunen, samen met geavanceerde verwerkingstools zoals achtergrondcorrectie en afvlakking. Het moet een uitgebreide polymeerbibliotheek bevatten en een betrouwbare identificatie van stoffen mogelijk maken door middel van spectrale bibliotheekvergelijking ter ondersteuning van een nauwkeurige analyse van microplastics in milieumonsters, met name in complexe matrices zoals grondwater.

1. ATR-FTIR-spectroscopie
   1. Voordat u met de analyse begint, reinigt u het ATR-kristal en de monsterpers grondig met 70% alcohol en een pluisvrije doek.
   2. Configureer de meetinstellingen voor doorgaans 16 scans met een golfgetal van 4000 tot 450 cm ^-1 en een resolutie van 4 cm ^-1. Verzamel vervolgens het achtergrondspectrum. Plaats de deeltjes één voor één op het ATR-kristal, oefen druk uit en start de metingen.
   3. Vergelijk de verkregen infraroodspectra met die in referentiebibliotheken om te bevestigen dat de deeltjes MP zijn. Doorgaans wordt een correlatie van 70% met bibliotheekspectra als voldoende beschouwd voor positieve identificatie (Figuur 4).
   4. Exporteer de verkregen gegevens voor verdere analyse en rapportage.
2. Micro-FTIR-spectroscopie
   1. Zorg ervoor dat alle relevante onderdelen van het instrument, zoals de tafel, vóór de analyse worden gereinigd met alcohol en een pluisvrije doek.
   2. Als de bemonstering niet rechtstreeks is uitgevoerd op een oppervlak dat geschikt is voor de geselecteerde meetmodus, zoals ATR of reflectie, plaatst u de potentiële plastic deeltjes op een geschikt reflecterend oppervlak, zoals met goud of aluminium beklede membranen of microscoopglaasjes.
   3. Selecteer de meetinstellingen voor de sessie, waaronder het aantal scans, het spectrale bereik, de resolutie en de naam van de sessie. Zoek het monster en maak een mozaïekbeeld van het gebied waar alle deeltjes zich bevinden.
   4. Voor reflectiemetingen meet u eerst de achtergrond voordat u de infraroodspectra van de potentiële plastic deeltjes meet.
   5. Identificeer en markeer de punten waar de infraroodspectra van de geselecteerde deeltjes zullen worden gemeten. Selecteer indien nodig meerdere punten op elk deeltje. Nadat u alle punten hebt geselecteerd, start u de meting.
      OPMERKING: Het is ook mogelijk om infraroodbeelden van grotere interessegebieden te verkrijgen, vooral als het monster rechtstreeks op een geschikt infraroodmeetoppervlak wordt verzameld.
   6. Vergelijk de verzamelde infraroodspectra met die uit referentiebibliotheken. Kies een drempelwaarde voor het vaststellen van de aanwezigheid van parlementsleden. Meestal is een match van 70% voldoende voor positieve identificatie.
   7. Exporteer de verkregen gegevens voor verdere analyse en rapportage.

Resultaten

De eerste resultaten van dit protocol zijn de database van alle MP's die in elk monster worden aangetroffen (Tabel 2), die kan worden gebruikt voor verdere analyse van de hoeveelheid MP en de eigenschappen ervan (kleur, grootte, vorm in materiaalsamenstelling).

Het primaire doel van MP-bemonstering en monsteranalyse is het bepalen van de hoeveelheid MP-deeltjes per monster (Figuur 5). Deze gegevens kunnen vervolgens worden genormaliseerd per kubieke meter (m³). De normalisatieformule is als volgt:
MP-deeltjes per m³ per monster = N / V

Waar:
N = som van de MP-deeltjes per monster
V = bemonsteringsvolume (m³)

Figuur 1: Schema van het bemonsteringssysteem dat in het protocol wordt gebruikt. Het bemonsteringssysteem bestaat uit een inlaatleiding met drie poten, waarbij één poot is aangebracht voor aansluiting op een pomp, een tweede poot is aangebracht voor aansluiting op een distributie-eenheid en een derde poot is aangebracht om een bypass van het water langs de bemonsteringseenheden te garanderen. De distributie-eenheid heeft vier symmetrisch geplaatste aftakkingen voor aansluiting op de bijbehorende bemonsteringseenheid, waarbij in het midden van de distributie-eenheid een drukmeetapparaat is geïnstalleerd. Elke bemonsteringseenheid is voorzien van een klep, drie filterhouders en een debietmeter die stroomafwaarts van de filterhouder zijn geïnstalleerd om verontreiniging van het monster te voorkomen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Voorbeeld van filters na 1^m3 bemonsterd grondwater. Links: nylon netfilter met een poriegrootte van 100 μm, rechts: nylon netfilter met een poriegrootte van 20 μm. Filters kunnen verschillen in de hoeveelheid sediment en organische deeltjes, afhankelijk van de bemonsteringslocatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Voorbeelden van representatieve deeltjes in verschillende vormen. (A) fragmenten; (B) vezels. Schaalbalken worden weergegeven in de afbeeldingen. Deeltjes kunnen veel verschillende kleuren, vormen en maten hebben. De grootte van fragmenten wordt gemeten als Feret-diameter of oppervlakte-equivalente diameter, terwijl vezels worden gemeten in hun lengte en breedte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Voorbeeldspectra gemeten op een geselecteerd deeltje met gemarkeerde pieken en hun golflengten [^cm-1], vergeleken met een spectrale bibliotheek. Het steekproefspectrum moet een correlatie van ten minste 70% vertonen met de referentiespectra in de bibliotheek. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: Voorbeeldresultaten van het aantal microplastics per m³ per bemonsteringslocatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Locatie: Boorgat 1		Datum: 1 april		Onderzoeker(s): Onderzoeker 1, onderzoeker 2, onderzoeker 3
GPS-coördinaten: 46.056946 N 14.505751 E
Project: Grondwaterbemonstering
Weersomstandigheden: Zonnig
Temperatuur (°C): 20
Monsters
Voorbeeld-ID	GW1.1		GW1.2		GW1.3		GW1.4
Filtratie positie	1		2		3		4
Type filter	Nylon - 100 μm, 20 μm		Nylon - 100 μm, 20 μm		Nylon - 100 μm, 20 μm		Nylon - 100 μm, 20 μm
Bemonstering diepte (m)	25		25		25		25
Starttijd	10.00		10.00		10.00		10.00
Watermeter START (m3)	437.4199
Eindtijd	10.45
Watermeter END (m3)	438.421
Bemonsterd watervolume (m3)	1.001
Ander

Tabel 1: Voorbeeld van een gegevensblad voor bemonstering, inclusief parameters zoals locatie, datum, omgevingsomstandigheden en gegevens met betrekking tot waterfiltratie.

Plaats

Monster

Deeltjes-ID

Vorm

Afmeting (mm)

Kleur

Chemische samenstelling

% overeenkomst

Prioritaire polymeren

Instrument

Spectrum

Ander

Boorgat 1

Borehole1_1_20242204

1

deeltje

0.54

zwart

Polytetrafluorethyleen

80.2

PTFE

Spectrum twee

ABC1111 zei:

Boorgat 1

Borehole1_1_20242204

2

vezel

0.98

blauw

Polyethyleenterafalaat

91.9

HUISDIER

RaptIR

ABC1112 zei:

Boorgat 1

Borehole1_2_20242204

1

vezel

1.54

blauw

Polyamide

75.0

PA

RaptIR

ABC1113 zei:

Boorgat 1

Borehole1_2_20242204

2

vezel

2.87

rood

Polyethyleenterafalaat

98.0

HUISDIER

RaptIR

ABC1114

Boorgat 1

Borehole1_2_20242204

3

vezel

3.04

rood

Polyethyleenterafalaat

71.3

HUISDIER

RaptIR

ABC1115

Boorgat 1

Borehole1_2_20242204

4

vezel

1.27

blauw

Polyethyleenterafalaat

83.6

HUISDIER

RaptIR

ABC1116 zei:

Boorgat 1

Borehole1_3_20242204

1

deeltje

1.93

wit

Polyetheen

85.3

PE

Spectrum twee

ABC1117

Boorgat 1

Borehole1_3_20242204

2

deeltje

0.96

blauw

Polyetheen

89.4

PE

Spectrum twee

ABC1118

Boorgat 1

Borehole1_3_20242204

3

vezel

0.54

blauw

Polyamide

73.2

PA

RaptIR

ABC1119

Tabel 2: Voorbeelddatabase van alle geïsoleerde microplasticdeeltjes per bemonstering, inclusief parameters zoals vorm, grootte, kleur en materiaal voor elk deeltje.

Discussie

De laboratoriumanalyse van MPs in dit protocol volgt de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie van 11 maart 2024 tot aanvulling van Richtlijn (EU) 2020/2184 van het Europees Parlement en de Raad door vaststelling van een methodologie voor het meten van MPs in voor menselijke consumptie bestemd water (bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie) en richtsnoeren voor de monitoring van zwerfvuil op zee in de Europese zeeën³¹ ontwikkeld voor de uitvoering van de kaderrichtlijn mariene strategie (KRMS). Na voltooiing van dit protocol wordt elk MP-deeltje of -vezel met zijn eigen ID gedocumenteerd met een afbeelding, spectra en alle verworven eigenschappen. Elk MP-deeltje wordt beschreven in termen van vorm, grootte, kleur, transparantie en chemische samenstelling (polymeertype).

Volgens de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie worden MP's onderverdeeld in twee soorten vormen: deeltjes en vezels. Deeltjes kunnen verder worden geclassificeerd in fragmenten, films, schuimen, pellets en korrels. Deze classificatie wordt gebruikt bij het monitoren van MP's voor de KRMS. Het onderscheid tussen verschillende soorten MPS-vormen wordt beschreven in KRM-richtlijnen³¹ en het videoprotocol voor het bemonsteren van MP op het zeeoppervlak³². De grootte van elk deeltje wordt gemeten als de maximale Feret-diameter³¹ of oppervlakte-equivalente diameter (bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie), terwijl de afmetingen van vezels worden geregistreerd in termen van hun lengte en breedte³¹. Hoewel kleur en transparantie niet zijn opgenomen in de gegevens die zijn verkregen volgens de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie, zijn ze wel opgenomen in de lijst van MPS-eigenschappen die zijn verzameld voor KRMS. De classificaties worden beschreven in respectievelijk tabel 7.3 en tabel 7.4 van de KRMS-richtlijnen³¹.

Op basis van het resultaat van het zoeken naar spectrum in de spectrumbibliotheek worden MP-deeltjes gecategoriseerd in een van de prioritaire polymeergroepen die zijn opgenomen in de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie, afdeling 1, punten 14 en 15, of worden ingedeeld als andere materialen in deel 1, punt 15. De chemische samenstelling van vezels mag alleen worden geanalyseerd als hun afmetingen en de instrumentmogelijkheden een positieve identificatie van het polymeertype mogelijk maken; Anders worden ze aangeduid als niet-geïdentificeerde vezels.

Het monitoren van MP's in grondwater is beperkt tot een klein aantal onderzoeken met verschillende methodologieën die van invloed kunnen zijn op de eindresultaten¹⁴. Belangrijke factoren zijn onder meer: 1) spoelen vóór bemonstering, 2) pomptype, 3) filtratiesysteem, 4) filtermateriaal en poriegrootte, 5) bemonsteringsvolume, 6) monsterbehandeling, 7) detectie en kwantificering van MP's, en 8) kwaliteitscontrole. Deze factoren en hun kenmerken worden hieronder in meer detail besproken.

In de meeste bestaande onderzoeken wordt voorpompen (spoelen) vóór de bemonstering niet vermeld. Maar er moet ook informatie over worden verstrekt³³, aangezien zuivering een aanzienlijke invloed heeft op de concentratie van parlementsleden²⁸. Ons protocol omvat voorpompen, omdat dit proces cruciaal is voor het bemonsteren van zoet grondwater uit de watervoerende laag in plaats van stilstaand water dat zich in het boorgat heeft opgehoopt. Om het boorgat effectief schoon te maken, is het noodzakelijk om 2-3x het volume van het boorgat weg te pompen of door te gaan totdat de fysisch-chemische parameters van het water stabiliseren¹⁴. Het watermonster moet ongeveer 1 m boven de bovenkant van het filterscherm worden verzameld om opname van sediment te voorkomen en het homogene monster te garanderen.

Voor het verzamelen van grondwatermonsters uit boorgaten is het gebruik van een pomp vereist. Het debiet wordt sterk beïnvloed door de bemonsteringsdiepte, het type pomp dat wordt gebruikt en de toestand van het boorgat, die nauw verband houdt met de locatiespecifieke waterkenmerken - zoals sedimentgehalte - en met de heersende en recente weersomstandigheden op het moment van bemonstering.

Doorgaans bevatten de meeste pompen plastic onderdelen, die mogelijk monsters kunnen verontreinigen, maar de meeste onderzoeken specificeren niet het type pomp dat wordt gebruikt. Pompen met alle componenten van roestvrij staal worden aanbevolen. Als dit niet mogelijk is, moeten de materialen worden gespecificeerd in termen van hun chemische samenstelling met behulp van FTIR-analyse. De spectra van de gebruikte materialen moeten in de bibliotheek worden opgenomen en de deeltjes van de monsters moeten ermee worden vergeleken om rekening te houden met mogelijke besmetting.

Voor pompen die zijn uitgerust met waaiers, kunnen grotere MP-deeltjes beschadigd of zelfs gefragmenteerd raken wanneer ze door de pomp gaan. Om de aanwezigheid van MP's niet te overschatten, is het essentieel om te beoordelen of de bemonsteringspomp bijdraagt aan de fragmentatie van plastic deeltjes. Dit kan worden getest door een bekend aantal goed gekarakteriseerde MP-deeltjes in eerder gereinigd water te introduceren en door het filtersysteem te pompen. Na het pompen moeten de deeltjes opnieuw worden gekarakteriseerd om te bepalen of er fysieke veranderingen zijn opgetreden, zoals fragmentatie of oppervlakteverandering. Deze validatiestap helpt ervoor te zorgen dat het bemonsteringsproces het aantal MP niet kunstmatig verhoogt als gevolg van mechanische degradatie.

Om een grote hoeveelheid bemonsterd water te leveren, is een filtersysteem nodig dat geschikt is voor gebruik in het veld. Om besmetting te voorkomen, is in ons protocol het filtersysteem (het bemonsteringssysteem is gepatenteerd onder SLO-P-202300155 en is gepatenteerd EPO-EP24217168.4) gemaakt van roestvrij staal met al zijn componenten gelast en bevat geen teflon (PTFE) of andere isolatietape gemaakt van plastic materialen. Omdat filters zeer snel verstopt kunnen raken, is cascadefiltratie als optie inbegrepen, waardoor ook een directe verdeling van deeltjes in de gewenste grootteklassen mogelijk kan zijn. Meestal worden filters met poriegroottes van 100 μm en 20 μm of 10 μm gebruikt. Er kunnen extra filters worden toegevoegd om mogelijke verstoppingsproblemen aan te pakken (bijv. een extra filter met poriën tussen 100 μm en 20 μm). In de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie wordt cascadefiltratie in vier fasen aanbevolen: het eerste filter heeft poriën van 100 μm, het tweede 20 μm, het derde 100 μm en het vierde 20 μm. De eerste twee filters worden gebruikt voor de analyse van MP's, en de derde en vierde worden gebruikt voor de beoordeling van de besmettingsniveaus van MP's (kwaliteitscontrole van de bemonstering) en om ervoor te zorgen dat alle deeltjes door de eerste twee zijn gefilterd.

De debietmeter (vooral als het een mechanische meter is) moet worden geïnstalleerd na de cascade van filters voor bemonstering om het volume bemonsterd water nauwkeurig te meten. Tijdens de bemonstering is het essentieel om de systeemdruk te bewaken. Als de druk hoger is dan 4 bar, duidt dit op verstopping van het filter en moet het systeem onmiddellijk worden uitgeschakeld om schade aan het filter of het systeem te voorkomen. Om extra fragmentatie van MP's te voorkomen, moet de bemonstering worden uitgevoerd met de laagst mogelijke druk.

Zoals vermeld wordt in Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie voorgesteld om filters van 100 μm en 20 μm te gebruiken. In dit onderzoek zijn nylon filters gebruikt. In dit geval is het echter noodzakelijk om de MP-deeltjes uit de filters te verzamelen en deze rechtstreeks over te brengen naar ATR-FTIR of reflecterende dia's die geschikt zijn om in reflectiemodus te werken met FTIR- of Raman-microscopie. Nylon netfilters zijn effectief voor het filteren door filters met een poriegrootte van 100 μm, omdat deeltjes van deze grootte handmatig kunnen worden gehanteerd. Bij gebruik van filters van 20 μm worden echter siliconen- of aluminiumgecoate filters aanbevolen om metingen in transmissie- of reflectiemodus met behulp van FTIR- of Raman-microscopie te vergemakkelijken.

De literatuur stelt voor om ten minste 500 L water te bemonsteren om te voorkomen dat de aanwezigheid van MP's³⁴ wordt onderschat. Volgens de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie moet 1^m3 water worden bemonsterd. Er moet rekening worden gehouden met het aanbevolen volume om te voorkomen dat de MP-concentratie in het monster wordt overschat. Deze grote hoeveelheid water verhoogt het risico op verstopping van het filter, waardoor cascadefiltratie ten zeerste wordt aanbevolen.

De monsters van het gepresenteerde systeem worden onmiddellijk voorbereid voor MPS-analyse met behulp van een stereomicroscoop. Dit is een zeer tijd- en kostenefficiënte methode. Veel studies beschrijven de voorbehandelingsstappen om zand en organisch materiaal te verwijderen; Deze procedures zijn echter tijdrovend en kunnen het gebruik van giftige chemicaliën met zich meebrengen. Dergelijke voorbehandelingsstappen kunnen ook een negatieve invloed hebben op de resultaten, aangezien ze leiden tot extra fragmentatie of verlies van deeltjes, vooral kleinere (< 100 μm)³⁵. Daarom verdient het de voorkeur om deze stappen te vermijden, tenzij dat nodig is. Dergelijke instructies worden ook beschreven in Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie, waarin wordt voorgesteld om de monsteranalyse door middel van FTIR-microspectroscopie rechtstreeks op de oorspronkelijke verzamelingsfilters uit te voeren, indien deze compatibel zijn met de gebruikte analysemethode, en indien nodig een flotatiestap te gebruiken.

Eerst worden filtermonsters geanalyseerd met stereomicroscopen, waarbij elk deeltje wordt gefotodocumenteerd, ID-gelabeld, gemeten op grootte en beoordeeld op vorm. De bepaling van de vorm is belangrijk omdat het informatie kan geven over de bron van de MP's. Vezels zijn meestal afkomstig van het wassen van textiel en zijn afkomstig van afvalwaterzuiveringsinstallaties, terwijl fragmenten meestal afkomstig zijn van de afbraak van grote plastic deeltjes in het milieu. In het tweede deel van de analyse wordt de chemische samenstelling van elk deeltje bepaald met behulp van ATR-FTIR of FTIR/Raman-microscopie. Over het algemeen worden alle deeltjes van het filter naar reflecterende objectglaasjes overgebracht om analyses uit te voeren in reflectieve modus met FTIR-microscopie. Als het monster wordt verzameld op een siliconenfilter van 20 μm, kan directe analyse met de Raman- of FTIR-microscoop worden uitgevoerd, op voorwaarde dat het filter niet te veel bedekt is met zanddeeltjes. Als de deeltjes in zand zijn ingebed, kunnen dichtheidsscheiding en/of chemische of enzymatische behandelingen worden toegepast om de aanwezigheid van niet-plastic materialen zoals mineralen, metaaloxiden en natuurlijk organisch materiaal te verminderen. MP-deeltjes moeten vóór de meting worden gedroogd, omdat water IR-straling sterk absorbeert.

Om de geloofwaardigheid van de resultaten te garanderen, moet rekening worden gehouden met de volgende kwaliteitscontrole-elementen: Ten eerste, het voorkomen van luchtverontreiniging: om atmosferische besmetting tijdens de bemonstering te voorkomen, is een gesloten filtersysteem essentieel. Om verontreiniging in de lucht tijdens het analyseproces te voorkomen, zijn een witte katoenen laboratoriumjas en luchtfiltratie door een HEPA-filter vereist. Ten tweede, het voorkomen van vervuiling door het filtersysteem: het enige onderdeel van het systeem waar polymeren onvermijdelijk zijn, zijn de slangen. Siliconenslangen worden aanbevolen en moeten worden vervangen in geval van zichtbare schade. Het is noodzakelijk om de componenten van de pomp te kennen en de pomp te testen op mogelijke verontreiniging van monsters als de aanwezigheid van polymeren is vastgesteld. Ten derde, het voorkomen van besmetting tijdens laboratoriumwerk: alleen laboratoriumapparatuur van glas en gewassen met ultrapuur water is geschikt voor MPS-analyse. Ten vierde, parallelle monsters om de reproduceerbaarheid en statistische significantie van de resultaten te garanderen: dit filtersysteem maakt gelijktijdige bemonstering van vier takken mogelijk. Er moeten ten minste drie parallelle monsters worden genomen om ervoor te zorgen dat alle monsters onder dezelfde omstandigheden vallen en om tijd te besparen. Ten vijfde moeten blanco monsters worden opgenomen in alle stappen van de bemonstering en laboratoriumprocessen. Tijdens de veldbemonstering worden blancofilters van 100 μm en 20 μm geïnstalleerd na bemonsteringsfilters van 100 μm en 20 μm, zoals voorgesteld in de bijlage bij Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie. Blanco monsters die in het kader van de bemonsteringsprocedure zijn verkregen, moeten in alle analytische stappen volgens dezelfde procedure in aanmerking worden genomen.

Het protocol dat in dit document wordt beschreven, voldoet aan alle vereisten van Gedelegeerd Besluit (EU) 2024/1441 van de Commissie en biedt daarom een uitstekende bron voor alle onderzoekers die MP's in grondwater bestuderen of monitoren. Het beschreven filtersysteem kan ook worden gebruikt voor zoet- of zeewater, omdat het bemonstering van MP's op verschillende diepten mogelijk maakt. De bemonsteringsmethode is eenvoudig, gebruiksvriendelijk en levert in de meeste gevallen snelle en nauwkeurige resultaten op zonder dat het monster vooraf hoeft te worden behandeld.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
ATR-FTIR spectrometer	PerkinElmer	L160000F	SpectrumTwo
FTIR microscope	ThermoFischer Scientific	IQLAADGAAGFARMMBMN	RaptIR
Glass Petri dishes	Brand	455717	60 mm in diameter
Nylon Net Membranes	Merck	NY1H04700	Hydrophilic, 100 µm, 47 mm, 100
Nylon Net Membranes	Merck	NY2004700	Hydrophilic, 20 µm, 47 mm, 100
Precise forceps	BraunB	BD335R	Micro forcep
Sealing film	Amcor Flexibles North	PM992	Parafilm M
Stereomicroscope	Zeiss	495015-9880-010	StereoDiscovery V8
Submersible water pump	Grundfoss	96510217	SQ 5-70
Water level meter	Hydrotechnik	/	Type 010