Kwantyfikacja mikro- i nanoplastików na bazie politereftalanu adypinianu butylenu z gleby za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego protonów
6 czerwca 2025
Metoda ilościowego oznaczania mikro- i nanoplastików pochodzących z politereftalanu adypinianu butylenu w glebie za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego jest opisana tutaj. Technika ta stanowi ulepszenie istniejącej metodologii, ponieważ obejmuje kwantyfikację nanoplastików i można ją łatwo dostosować do masowego przetwarzania próbek środowiskowych.
Opracowaliśmy tę metodę, abyśmy mogli dowiedzieć się więcej na temat biodegradacji biodegradowalnych tworzyw sztucznych i gleby. Biodegradowalne produkty z tworzyw sztucznych są zaprojektowane tak, aby uległy całkowitej degradacji po zakopaniu w glebie, ale potrzebowaliśmy sposobu na zmierzenie małych fragmentów plastiku, które mogą pozostać w glebie. Metody oznaczania ilościowego mikroplastiku rozwinęły się szybko w ciągu ostatnich kilku lat i nie są standaryzowane między grupami.
Mikrodrobiny plastiku zostały określone ilościowo z gleby przy użyciu wielu różnych technologii. Uważamy, że opracowanie metod spektroskopii NMR jest ważne dla dywersyfikacji dostępu do kwantyfikacji mikroplastiku. NMR był wcześniej używany do ilościowego oznaczania PBAT z produktów z tworzyw sztucznych w glebie.
Stworzyliśmy i udostępniliśmy ten protokół, aby zaadaptować tę technikę do narzędzia, które naukowcy zajmujący się ochroną środowiska i inni mogą wykorzystać do szybkiego ilościowego oznaczania PBAT z wielu próbek gleby równolegle, co pozwala na monitorowanie środowiska na dużą skalę. Nasz protokół polega na odzyskaniu polimeru PBAT w rozpuszczalniku. Ponieważ metoda nie koncentruje się na izolowaniu pojedynczych cząstek plastiku, nie jest ograniczona rozmiarem mikro lub nanoplastiku.
Istnieją pewne kompromisy, ale pozwala nam to dowiedzieć się więcej o biodegradacji nanoplastiku w glebie. Teraz, gdy możemy określić ilościowo mikro i nano rozmiary tworzyw sztucznych w glebie, chcemy dowiedzieć się więcej o tym, jak nanoplastiki wchodzą w interakcje ze składnikami gleby, takimi jak materia organiczna i minerały glebowe. Interakcje te mogą być ważnym czynnikiem chroniącym tworzywa sztuczne przed biodegradacją przez enzymy mikrobiologiczne.
Aby rozpocząć, zbierz i przygotuj glebę przed procedurą ekstrakcji. W dygestorii przygotować 100-mililitrową mieszaninę chloroformu i metanolu o objętości 90 do 10 objętości dla każdej próbki, która ma być ekstrahowana. Dodaj 100 gramów suchej gleby, 100 mililitrów roztworu chloroformu metanolu i 20 szklanych kulek do szklanego słoika ekstrakcyjnego.
Szczelnie zamknij słoik pokrywkami wyłożonymi PTFE, aby zapobiec wydostawaniu się oparów rozpuszczalnika. Umieść słoik ekstrakcyjny na stole do wytrząsania i potrząsaj z prędkością 200 obrotów na minutę przez osiem godzin. Po wstrząśnięciu pozwól glebie w słoiku ekstrakcyjnym osiąść przez co najmniej cztery godziny.
Teraz odkręć słoik ekstrakcyjny w dygestorium. Za pomocą pipety załaduj płynny ekstrakt na wysokiej jakości filtr papierowy o porach o wielkości 11 mikrometrów i zbierz filtrat do oznaczonego czystego szklanego słoika. Zanotować objętość odzyskanego rozpuszczalnika.
Pozostaw ekstrakt w glebie do całkowitego wyschnięcia w dygestorium, co może potrwać do 24 godzin. Następnie bezpiecznie wyrzuć wysuszoną glebę. Po wyschnięciu ekstraktu zakryj słoik z próbką i przechowuj go w chłodnym, ciemnym i suchym miejscu do późniejszego wykorzystania.
Na początek uzyskaj suszony ekstrakt glebowy zawierający politereftalan adypinianu butylenu lub PBAT. Dodać jeden miligram kalibru wewnętrznego 1,4-dimetoksybenzenu do każdego słoika z próbką zawierającego wysuszony ekstrakt. Zawiesić próbkę w 500 mikrolitrach deuterowanego chloroformu w dygestorium.
Zakręć słoik i delikatnie postukaj nim o dłoń lub blat stołu około 10 razy z każdej strony. Następnie użyj czystej końcówki pipety, aby przenieść rozpuszczoną próbkę do probówki NMR. Powtórz etap ponownego zawieszania z kolejnymi 500 mikrolitrami deuterowanego chloroformu i wyciągnij próbkę.
Zakryj probówkę NMR i przechowuj ją przez trzy dni przed pobraniem widm NMR. Widmo zacienionej gleby gliniastej wzbogaconej o 63 miligramy na kilogram PBAT wykazało, że wszystkie pięć charakterystycznych pików PBAT jest wyraźnie rozwiązanych. Krzywe kalibracyjne wykazały silne korelacje między ilością dodanego PBAT i zmierzoną w glinie cienistym, glinie piaszczystej Elkhorn i glinie Los Osos, przy czym glina cienista osiągająca najwyższą wydajność ekstrakcji na poziomie 76% Wydajność ekstrakcji PBAT z gliny cienistej była wyższa dla mikroplastików niż dla nanoplastików.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten artykuł opisuje metodę ilościowego wyznaczania mikro- i nano-plastyków z adypianu tereftalanu polibutylenu w glebie za pomocą spektroskopii rezonansów magnetycznych jąder. Technika ta ulepsza istniejące metody, umożliwiając ilościowe wyznaczanie nanoplastyków i jest przystosowana do przetwarzania dużych ilości próbek środowiskowych.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Nauki środowiskowe
- Zanieczyszczenie plastikiem
- Chemia analityczna
Tło
- Biodegradowalne tworzywa sztuczne są zaprojektowane do rozkładu się w glebie.
- Małe fragmenty plastiku mogą przetrwać w środowisku.
- Metody ilościowego wyznaczania mikroplastików szybko ewoluują.
- Standardyzacja tych metod jest niewystarczająca wśród grup badawczych.
Cel badania
- Opracowanie metody ilościowego wyznaczania mikro- i nano-plastyków w glebie.
- Poprawa dostępu do technik ilościowego wyznaczania mikroplastików.
- Poprawa rozumienia degradacji biodegradowalnych tworzyw sztucznych.
Zastosowane metody
- Spektroskopia rezonansów magnetycznych jąder (NMR).
- Adaptacja do przetwarzania dużych ilości próbek środowiskowych.
- Ilościowe wyznaczanie PBAT z produktów plastikowych w glebie.
- Porównanie z istniejącymi technologiami ilościowego wyznaczania mikroplastików.
Główne wyniki
- Metoda skutecznie ilościowo wyznacza mikro- i nano-plastyki.
- Spektroskopia NMR zapewnia niezawodną alternatywę do ilościowego wyznaczania.
- Wyniki wskazują na obecność małych fragmentów plastiku w glebie.
- Technika ta może zostać sstandardyzowana do szerszego użytku badawczego.
Wnioski
- Opracowywanie metod NMR umożliwia różnorodność ilościowego wyznaczania mikroplastików.
- Standardyzacja jest kluczowa dla spójnych wyników badań.
- Potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć procesy biodegradacji.
Często zadawane pytania
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.
