Kwantificering van micro- en nanoplastics op basis van polybutyleenadipaat teftalaat uit de bodem met behulp van proton nucleaire magnetische resonantiespectroscopie
6 juni 2025
Een methode om micro- en nanoplastics afkomstig van polybutyleendepeasettereftalaat in de bodem te kwantificeren met behulp van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie wordt hier beschreven. Deze techniek is een verbetering van de bestaande methodologie omdat deze zich uitstrekt tot de kwantificering van nanoplastics en gemakkelijk kan worden aangepast voor het verwerken van milieumonsters in bulk.
We hebben deze methode ontwikkeld zodat we meer te weten konden komen over de biologische afbraak van biologisch afbreekbare kunststoffen en aarde. Biologisch afbreekbare plastic producten zijn ontworpen om volledig af te breken nadat ze in de grond zijn begraven, maar we hadden een manier nodig om kleine plastic fragmenten te meten die in de grond zouden kunnen achterblijven. Kwantificeringsmethoden voor microplastics hebben zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld en zijn niet gestandaardiseerd tussen groepen.
Microplastics zijn gekwantificeerd uit de bodem met behulp van verschillende technologieën. We denken dat het ontwikkelen van methoden voor NMR-spectroscopie belangrijk is om de toegang tot kwantificering van microplastics te diversifiëren. NMR is eerder gebruikt om PBAT van plastic producten in de bodem te kwantificeren.
We hebben dit protocol gemaakt en gedeeld om deze techniek aan te passen tot een hulpmiddel dat milieuwetenschappers en anderen kunnen gebruiken om PBAT snel te kwantificeren uit talrijke bodemmonsters tegelijkertijd, waardoor grootschalige milieumonitoring mogelijk is. Ons protocol omvat het terugwinnen van PBAT-polymeer in een oplosmiddel. Omdat de methode niet gericht is op het isoleren van individuele plastic deeltjes, wordt deze niet beperkt door de grootte van micro- of nanoplastics.
Er zijn enkele compromissen, maar dit stelt ons in staat om meer te weten te komen over de biologische afbraak van nanoplastics in de bodem. Nu we micro- en nanoplastic in de bodem kunnen kwantificeren, willen we meer leren over hoe nanoplastics interageren met bodembestanddelen zoals organisch materiaal en bodemmineralen. Deze interacties kunnen een belangrijke factor zijn en kunststoffen beschermen tegen biologische afbraak door microbiële enzymen.
Verzamel en bereid om te beginnen de grond voor op de extractieprocedure. Bereid in een zuurkast een mengsel van 100 milliliter 90 tot 10 volumevolume van chloroform en methanol voor elk te extraheren monster. Voeg 100 gram droge grond, 100 milliliter chloroform-methanoloplossing en 20 glaskralen toe aan een glazen extractiepot.
Sluit de pot goed af met met PTFE beklede deksels om te voorkomen dat oplosmiddeldamp ontsnapt. Plaats de extractiepot op een schudtafel en schud acht uur lang met 200 omwentelingen per minuut. Laat na het schudden de grond in de extractiepot minimaal vier uur bezinken.
Verwijder nu de dop van een extractiepot in een zuurkast. Laad het vloeibare extract met behulp van een pipet op een kwalitatief papieren filter met een poriegrootte van 11 micrometer en verzamel het filtraat in een geëtiketteerde, schone glazen pot. Noteer het volume van het teruggewonnen oplosmiddel.
Laat het extract in de grond volledig drogen in de zuurkast, dit kan tot 24 uur duren. Gooi de gedroogde grond vervolgens veilig weg. Zodra het extract droog is, sluit u het monsterpotje af en bewaart u het op een koele, donkere, droge plaats voor later gebruik.
Verkrijg om te beginnen gedroogd grondextract dat polybutylenadipaattereftalaat of PBAT bevat. Voeg een milligram van de interne calibrant 1, 4-dimethoxybenzeen toe aan elke monsterpot met het gedroogde extract. Resuspendeer het monster in 500 microliter gedeutereerd chloroform in een zuurkast.
Sluit de pot af en tik hem ongeveer 10 keer aan elke kant zachtjes tegen een hand of bank. Gebruik vervolgens een schone pipetpunt om het opgeloste monster in een NMR-buisje over te brengen. Herhaal de resuspensiestap met nog eens 500 microliter gedeutereerde chloroform en trek het monster eraan.
Sluit de NMR-buis af en bewaar deze drie dagen voordat u de NMR-spectra verzamelt. Het spectrum van schaduwrijke leemgrond verrijkt met 63 milligram per kilogram PBAT vertoonde alle vijf karakteristieke PBAT-pieken duidelijk opgelost. Kalibratiecurves toonden sterke correlaties tussen de hoeveelheid PBAT die werd toegevoegd en gemeten in schaduwleem, Elkhorn zandige leem en Los Osos-leem, waarbij schaduwleem de hoogste extractie-efficiëntie behaalde met 76%PBAT-extractie-efficiëntie uit schaduwleem was hoger voor microplastics dan voor nanoplastics.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een methode om micro- en nano-plastics uit polybutyleen adipat tereftalaat in bodem te kwantificeren met behulp van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie. De techniek verbetert bestaande methodologieën door het mogelijk te maken om nanoplastics te kwantificeren en is aanpasbaar voor bulkverwerking van milieumonsters.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Milieuwetenschappen
- Plasticverontreiniging
- Analytische Chemie
Achtergrond
- Biodegradeerbare kunststoffen zijn ontworpen om in de bodem te degraderen.
- Kleine plastic fragmenten kunnen in het milieu blijven bestaan.
- Methoden voor de kwantificering van microplastics evolueren snel.
- Standaardisatie van deze methoden ontbreekt tussen onderzoeksgroepen.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het meten van micro- en nano-plastics in bodem.
- Om de toegang tot microplastic kwantificeringstechnieken te verbeteren.
- Om het begrip van de degradatie van biodegradeerbare kunststoffen te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Nucleaire Magnetische Resonantie (NMR) spectroscopie.
- Aanpassing voor bulkverwerking van milieumonsters.
- Kwantificering van PBAT uit plastic producten in de bodem.
- Vergelijking met bestaande microplastic kwantificeringstechnologieën.
Belangrijkste resultaten
- De methode kwantificeert micro- en nano-plastics met succes.
- NMR spectroscopie biedt een betrouwbaar alternatief voor kwantificering.
- Resultaten wijzen op de aanwezigheid van kleine plastic fragmenten in de bodem.
- De techniek kan worden gestandaardiseerd voor breder onderzoeksgebruik.
Conclusies
- Het ontwikkelen van NMR-methoden diversifieert de kwantificering van microplastics.
- Standaardisatie is cruciaal voor consistente onderzoeksresultaten.
- Er is verder onderzoek nodig om biodegradatieprocessen te begrijpen.
Veelgestelde vragen
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.
