Amostragem, classificação e caracterização Microplastics em ambientes aquáticos com cargas de sedimentos suspensos altos e grandes destroços flutuantes

Plástico foi observado pela primeira vez no oceano já desde a década de 1930¹. Estimativas recentes da gama de detritos marinhos de plástico mais de 243.000 toneladas métricas (MT) de plástico na superfície do oceano para MT 4.8-12,7 milhões de plástico entrando no oceano da terrestre fontes, anualmente,^2,3. Primeiros estudos sobre detritos marinhos de plástico focada em macroplastics (> 5 mm de diâmetro) como eles são facilmente visíveis e quantificáveis. No entanto, recentemente foi descoberto que macroplastics representam < 10% de restos de plástico, por contagem, no oceano, indicando que a esmagadora maioria dos detritos de plástico é microplástico (< 5mm de diâmetro)².

Microplastics são classificados em dois grupos: primários e secundários microplastics. Microplastics primárias consistem de plásticos que são fabricados em um diâmetro < 5mm e incluem nurdles, o pelotas-primas usadas para fazer produtos de consumo, microbeads usados como esfoliantes em produtos de cuidados pessoais (por exemplo, lavagem facial, esfoliação corporal, pasta de dentes) e abrasivos ou lubrificantes na indústria. Microplastics secundários são criados dentro do ambiente, como restos de plástico maiores é fragmentado por fotólise, abrasão e decomposição microbiana^4,5. Fibras sintéticas são também microplastics secundário e uma preocupação crescente. Uma única peça de vestuário pode liberar > 1.900 fibras por lavagem em uma máquina de lavar doméstica⁶. Essas microfibras, bem como microbeads de produtos de cuidados pessoais, são lavados para baixo drenos e no sistema de esgoto antes de entrar em plantas de tratamento de águas residuais. Murphy (2016) constatou que uma planta de tratamento de águas residuais servindo uma população de 650.000 reduziu a concentração de microplástico em 98,4% da influente de efluentes, ainda microplastics 65 milhões permaneceram no efluente e lodo cada dia⁷. Mesmo com altas porcentagens de microplastics sendo removido durante os processos de tratamento, milhões, talvez bilhões, de microplastics passam por estações de tratamento de águas residuais diariamente e insira as águas superficiais em efluentes^{6,8 ,9,10,11}.

Devido a sua liberação ambiental, microplastics foram encontrados nos tecidos respiratórios e digestivos de organismos marinhos em todos os níveis tróficos^12,13,14,15. Seu impacto após absorção é variável, com alguns estudos mal não observando, enquanto outros demonstram inúmeros efeitos como dano de tecido de física e química^4,6,14,15. Devido a essas descobertas, interesse neste campo tem aumentado nas últimas cinco décadas. No entanto, só recentemente estudos começaram a quantificar os restos de plástico, particularmente microplastics, em sistemas de água doce, como rios e lagos, ou avaliar o efeito sobre os organismos habitando em^12,estes habitats,^{16, 17,18}. Rios são uma importante fonte de plástico destroços encontrados no oceano como que recebem efluentes de esgoto e escoamento de águas superficiais que contêm microplastics e macroplastics.

O protocolo detalhado aqui pode ser usado para coletar amostras de microplástico onde as redes de arrasto não são viáveis; especificamente, em ambientes aquáticos com altas concentrações de sedimentos suspensos e grande flutuação detritos como o Rio de Mississippi. Bacia do Rio de Mississippi é um dos maiores do mundo e tem uma população de > 90 milhões de pessoas, provavelmente tornando-se uma das maiores fontes de detritos de plástico para o oceano^19,20. Cada ano, o Rio de Mississippi as descargas de uma média de 735 km³ de água doce no Golfo do México, junto com altas concentrações de sedimentos suspensos (~ 60 para > 800 mg/L) e detritos grande^13,21. Foram coletadas amostras de água em duas profundidades (ou seja, de superfície e profundidade-0.6) em vários locais ao longo do rio Mississippi e seus afluentes em recipientes de polietileno de baixa densidade (PE) 1 L translúcido usando uma bomba peristáltica. No laboratório, as amostras foram filtradas usando peneiras de malha de nylon e filtros de membrana de éster de celulose mista simultaneamente com um cilindro de cloreto de polivinila (PVC) feito por 63,5 mm (2,5 pol) com juntas de União para inserir as peneiras e filtros²². A inclusão das uniões PVC no dispositivo de filtragem permite a filtragem por tantas ou tão poucas classes de tamanho de partícula como desejado. Além disso, pode ser usada para capturar os restos de microplástico até tamanhos sub mícron usando filtros de membrana, ao estudar as fibras sintéticas. Uma vez filtradas, as amostras foram secas e plásticos suspeitos foram identificados e classificados da malha de peneiras e filtros de membrana sob um estereomicroscópio. Suspeita de plásticos em seguida foram examinados usando espectroscopia infravermelha de Fourier transform (micro ATR-FTIR) de reflectância total atenuada de micro para eliminar materiais não sintéticos ou determinar o tipo de polímero. Considerando o tamanho das fibras e partículas de microplástico, a contaminação é comum. Fontes de contaminação incluem deposição atmosférica, vestuário, equipamentos de campo e laboratório, bem como deionizada (DI) de fontes de água. Várias etapas são incluídas em todo o protocolo para reduzir a contaminação de várias fontes, durante a realização de todas as fases do estudo.

1. coleta de amostra de água

1. Coletar amostras de água e dados de qualidade de interesse de barco, onde o rio é bem misturado, idealmente em locais onde a fase do rio ou descarga é conhecida (por exemplo, Estados Unidos Geological Survey (USGS) aferição estações) de água. ²⁰ para garantir que a água é bem misturada, guie o barco usando um medidor portátil imergido no rio para onde a condutividade permanece relativamente constante.
2. No sites de amostragem, registro de localização de coordenadas e profundidade. Para encontrar a 0.6-profundidade, basta multiplica a profundidade total por 0,6. Medida parâmetros de qualidade de água de interesse (por exemplo, turbidez, temperatura, condutividade, pH e oxigênio dissolvido (DO)) usando um medidor portátil. Para medir os parâmetros, bomba de água de amostra da profundidade desejada em um recipiente de boca larga, usando a bomba peristáltica e tomar imediatamente as medidas (passo 1.5).
3. Use uma bomba peristáltica com tubulação para obter amostras da superfície e 0.6-profundidade. Fixe o comprimento de tubulação correta da bomba para a determinada profundidade.
   1. Devido às fortes correntes em sistemas fluviais, anexe uma cadeia de 6,4 mm soldada para a tubulação da bomba usando braçadeiras para ajudar o peso da tubulação. No final da cadeia, coloque um bloco de peso ou cimento de mais peso na cadeia e montagem de tubulação.
      Atenção: Não coloque o peso ou cimento diretamente para a tubulação da bomba.
4. Coloque as efluentes das extremidades do tubo ao longo da borda do barco, longe de roupa que poderia lançar fibras. Abaixe lentamente a influente das extremidades do tubo a profundidade desejada (ou seja, a superfície ou 0,6-profundidade). Em seguida, execute a bomba no sentido inverso para limpar o tubo com ar pelo menos 30 s. Após a purga de ar, inverter o sentido de bomba e enxaguar o tubo com água de amostra da profundidade desejada, permitindo que a água seja drenada do barco ou em um recipiente de resíduos. Parar a bomba, depois que o tubo tenha sido lavado pelo menos 30 s.
5. Lave o recipiente utilizado para medições de qualidade de água três vezes com água de amostra, dumping a água de enxágue cada vez. Depois de lavadas, encha o recipiente com água de amostra e medir os parâmetros de qualidade de água de interesse usando um medidor portátil (etapa 1.2).
6. Recolha uma subamostra de microplástico, colocando o efluente de tubulação em um recipiente de 1 L rotulado, que tenha sido previamente enxaguado pelo menos 250 mL de água três vezes. Em seguida, lave o recipiente mais três vezes com a água da amostra, descartar a água de enxágue cada vez. Uma vez que é lavado o recipiente microplástico, preenchê-lo com a amostra.
7. Usando o mesmo método de bomba peristáltica descrito no passo 1.6, colete uma subamostra de sólidos suspensos totais (SST) em um frasco de 250 mL rotulado, que tem sido previamente enxaguado pelo menos 100 mL de água três vezes. Enxágue a garrafa três vezes mais com água de amostra, descartando a água de enxágue cada vez. Uma vez que o recipiente de TSS é enxaguado, preenchê-lo com a amostra.
8. Recolher o campo triplica e espaços em branco, pelo menos uma vez por dia no campo, da mesma maneira descrita em passos 1.6-1.7, qualidade garantia/qualidade (QA/QC) para efeitos de controlo. Para coletar um espaço em branco, dois recipientes de 1 L de DI trazer água para o campo. Depois de limpar a tubulação da bomba com o ar, abrir o primeiro recipiente de água DI e enxaguar o tubo da bomba usando o método descrito na etapa 1.4. Uma vez que o tubo é enxaguado, abra o segundo contentor de água DI e bombeá-lo em um recipiente de 1 L a vazio e uma garrafa de 250 mL para microplástico e espaços em branco do TSS, respectivamente.
9. Armazene o microplástico e subamostras TSS no gelo até retornar para o laboratório, onde elas serão armazenadas a-20 ° C até que eles são processados.
   Atenção: Certifique-se de deixar algum espaço de cabeça no contentor de amostra para que não fiquem danificados devido à expansão do gelo ao congelar.
   Nota: O protocolo pode ser pausado aqui.

2. TSS determinação

1. Método de uso United States Environmental Protection Agency (USEPA) 160,2 determinar TSS com 250ml subamostras coletadas no campo²³. Compare os valores calculados do TSS com os plásticos totais encontrados.

3. microplástico filtragem dispositivo de montagem

1. Enxague as filtragem dispositivo e nylon Malha crivos (Figura 1) três vezes pelo menos 250 mL de água Desionizada. Coloque a malha peneiras de tamanhos de poros desejada (por exemplo, de 50 µm, 100 µm, 300 µm, 500 µm) em cada União conjunta com poros diminuindo o tamanho da parte superior à parte inferior do dispositivo de filtração (figura 1A). Sele cada União conjunta firmemente para evitar fugas.
2. Dobre a celulose mista éster membrana filtro (s) (142 mm de diâmetro) de size(s) de poros desejada (por exemplo, 0,45 µm) em forma de cone e colocá-lo para o dispositivo de filtragem:
   Nota: O filtro de membrana de dobramento irá fornecer mais área de superfície para evitar o entupimento do filtro.
   1. Molhe o filtro de membrana com água. Enquanto estiver úmido, dobre o filtro de membrana em forma de cone, com um diâmetro que se encaixa o dispositivo de filtração. Além disso, dobre um pequeno lábio ao longo da borda do cone para que ele se encaixa por cima da União conjunta (figura 1B).
      Atenção: O filtro de membrana deve ser molhado antes de dobrar para evitar rasgar.
   2. Lugar da cesta de malha de aço inoxidável na última União conjunta (Figura 1). Cuidadosamente coloque o filtro de membrana em forma de cone para o cesto (Figura 1). Dobre a borda da União conjunta do lábio do filtro de membrana.
      Nota: A cesta de malha apoiará o filtro e reduzir ruptura, uma vez que aplicou-se um vácuo.
3. Lugar uma malha da peneira com o menor tamanho de poro desejado (por exemplo, 50 µm) em cima do filtro de membrana na última União comum visto na Figura 1.
   Nota: Isto fornecerá a sustentação extra para segurar o filtro de membrana no lugar durante a filtração.
4. Uma vez que todas as junções da União são seladas hermeticamente, anexe a mangueira da parte superior do recipiente de filtragem à base do dispositivo de filtração. Em seguida, anexe a mangueira do lado do balão de filtragem para a bomba de vácuo, conforme ilustrado na Figura 2.

Figura 1 : Montagem do dispositivo filtragem. (A), o dispositivo de filtração é montada colocando peneiras de malha do tamanho dos poros desejada para as juntas de União superiores. Filtros de membrana de éster (B) a celulose mista devem ser dobrados em uma forma de cone para caber o diâmetro do dispositivo de filtragem; o cone deve incluir um lábio pequeno para caber ao longo da borda da União conjunta para fixar o filtro no lugar. (C) A malha cesta é colocada na União para adicionar estabilidade para o filtro de membrana. (D) o filtro de membrana dobrada é adicionado ao carrinho de malha e o menor tamanho de peneira de malha é colocado por cima do filtro de membrana. Dispositivo de filtração (E) totalmente montado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2 : Montagem do balão e bomba de filtragem. Um balão de filtragem é anexado a filtração adaptador do dispositivo de vácuo usando um tubo de vinil clara. O frasco de filtração é então anexado à bomba de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. amostra filtração

1. Recolha os espaços em branco de equipamento antes da filtração, cada vez que o dispositivo é montado. Enxague cuidadosamente o aparelho três vezes pelo menos 250 mL de água Desionizada antes o espaço em branco é coletado. Estes espaços em branco são coletados usando as etapas descritas em etapas 4.2-4.4.
2. Ligue a bomba de vácuo. Certifique-se de que a pressão da bomba de vácuo não exceda 127 mm Hg, ou o filtro de membrana pode rasgar.
   Atenção: Dependendo da taxa de fluxo de filtração da amostra, pressão pode aumentar dentro do dispositivo de filtração se entope de sedimentos a malha de peneiras ou filtros de membrana. Potencialmente, isso pode levar a uma ruptura no filtro de membrana antes de chegar a uma leitura de 127 mm Hg. Por esta razão, olhem a pressão como talvez precise ser ajustado abaixo de 127 mm Hg em uma base de exemplo por exemplo.
3. Use um cilindro graduado de 500 mL, triplo enxaguado com pelo menos 250 mL de água DI, para medir o volume total da amostra. Registrar o volume e transferir a amostra proveniente do cilindro graduado para o dispositivo de filtração.
   Atenção: Dependendo do tamanho da amostra água e balão de filtragem, o balão de filtragem pode precisar ser esvaziada várias vezes durante a filtração da amostra.
   1. Para esvaziar o balão de filtragem, desligue a bomba e separe os dois tubos do balão. Esvazie o frasco em um recipiente de resíduos separado.
      Atenção: Manter a água de amostra filtrada até que toda a amostra foi filtrada e confirma-se que o filtro de membrana está intacto.
   2. Para continuar o ciclo de filtração, reconecte as mangueiras no balão de filtragem, conforme descrito no passo 3.4 e ligue a bomba.
4. Uma vez que toda a amostra foi filtrada, lave o recipiente de amostras e cilindro graduado três vezes pelo menos 250 mL de água Desionizada. Depois de cada lavagem, filtre a água utilizada para lavar o recipiente e cilindro graduado para garantir que todas as partículas têm sido filtradas.

5. desmontagem do dispositivo de filtração microplástico

1. Lave as paredes do dispositivo filtragem três vezes pelo menos 250 mL de água Desionizada para garantir que todas as partículas têm sido filtradas e nenhum permanecem no dispositivo de filtração.
2. Desligue a bomba de vácuo, então cuidadosamente Desaperte e retire a primeira União. Ligue a bomba e usar um frasco de lavagem DI água para enxaguar as bordas da articulação da União. Lave as partículas nas bordas da peneira de malha no centro para garantir que todos eles são coletados.
3. Desligue a bomba e retire a peneira de malha cuidadosamente com a pinça limpa, certificando-se de não tocar as partículas sobre a superfície da peneira de malha. Coloque a peneira de malha em um prato de Petri coberto e secá-lo em 60 ᵒC por 24 h. Depois de seco, as amostras podem ser armazenadas até pode começar a análise.
4. Repita as etapas 5.1-5.3 para cada União junta uma peneira de malha de habitação.
5. A última União conjunta que abriga um filtro de malha de peneira e membrana, repita as etapas 5.1-5.3 para a peneira de malha.
   Atenção: Tenha cuidado quando enxaguar a peneira de malha, como exemplo pode ser perdido se lavadas sob o filtro de membrana.
6. Ligue a bomba de vácuo e enxágue as bordas do filtro de membrana, usando uma garrafa de lavagem de água DI. Lave as partículas nas bordas do filtro de membrana ao centro para garantir que o exemplo completo é filtrado. Antes de remover o filtro de membrana, certifique-se de que toda a água já passou por isso e que nenhuma água é pool em sua superfície.
   Atenção: Novamente, tenha cuidado quando enxaguar o filtro de membrana como a amostra pode ser perdida se lavado debaixo dela.
7. Retire cuidadosamente e desdobrar o filtro de membrana com a pinça. Coloque o filtro de membrana em uma placa de Petri ou folha envelope apropriado para seu diâmetro.
   Nota: O filtro de membrana deve ser úmido, enquanto sendo manipulados para evitar rasgar.
8. Seque o filtro de membrana coberto na estufa a 60 ᵒC por 24 h. Depois de seco, armazene amostras até pode começar a análise.
   Nota: O protocolo pode ser pausado aqui.

6. partículas análise

1. Deixe a peneira de malha ou membrana do filtro em caixa de Petri e remover somente a tampa para começar a analisar a amostra para microplastics. Isto irá garantir que se qualquer partículas caiam o filtro de malha peneira ou membrana permanecerão na caixa de Petri, que pode ser analisado depois de todas as partículas são removidas do filtro de malha de peneira ou membrana.
2. Examine o filtro peneira ou membrana de rede sob um estereomicroscópio (ampliação de X 14-90) para identificar fibras e partículas de plástico suspeitas. Use os seguintes critérios ao identificar suspeitos plásticos: nenhuma estrutura celular, as fibras são espessura igual em toda, e partículas não são brilhantes²⁴.
3. Retire o filtro de malha de peneira ou membrana plásticos todos os suspeitos e colocá-los em um frasco de coleta contendo etanol a 70%. Grave a cor e a forma (por exemplo, partículas, fibra, filme, etc.) de cada plástico suspeita.
4. Uma vez que todos os plásticos suspeitos são retirados do filtro de malha de peneira ou membrana e quantificados, examine a tampa e a parte inferior da caixa de Petri seguindo passos 6.2-6.3.
5. Depois da malha crivo ou filtro de membrana e o prato de Petri foram examinadas e todos os plásticos suspeitos removido e quantificada, coloque as partículas ou fibras do frasco coleção numa lâmina revestida de alumínio 12 slots para análise usando um micro ATR-FTIR.
   Nota: Nem sempre é viável para testar cada plástico suspeito na micro ATR-FTIR. Portanto, "estrategicamente escolher" a quantidade que irá abordar os objetivos do estudo e anomalias na suspeita de plásticos (por exemplo, um elevado número de partículas ou fibras similares)²⁵. Em um sentido geral, teste como muitos suspeitaram plásticos quanto possível, mas não inferior a 20%.
   1. Uma vez que plásticos suspeitos são analisados usando micro ATR-FTIR, usar bancos de dados espectrais para determinar se uma determinada amostra é de plástico e, em caso afirmativo, determinar o tipo de polímero de plástico.

Para validar as taxas de recuperação do presente protocolo, três amostras (V1-V3) da Baía de Oso, Corpus Christi, Texas (ao lado do Texas A & M University Campus de Corpus Christi), estava cravado com 10 partículas de PE azuis (variando de 50 a 100 µm em diâmetro) e 50 fibras de nylon verde de vários comprimentos (Figura 3). TSS da amostra foi calculado (seção 2) e, em seguida, as amostras foram filtradas usando os métodos descritos nas seções 3-5. O azul do PE partículas e fibras de nylon verde foram então separadas e quantificado (tabela 1). Outras fibras e partículas foram observadas na malha de peneiras e filtros de membrana, provavelmente derivados da amostra de água da Baía Oso. Em média, 100% das partículas do PE e 92% das fibras de nylon foram recuperados. Uma perda de fibras pode ser devido a uma pequena quantidade de perda de amostra durante a filtração ou identificação incorreta.

Um espaço em branco do equipamento foi coletado do dispositivo de filtragem por filtragem de 1000 mL de água Desionizada. Este branco foi analisado usando 100 µm e 50 µm de malha crivos e um filtro de membrana de 0,45 µm. Um total de 7 fibras (azul e claro) foram encontrados no equipamento em branco. Esta contaminação pode ter sido do dispositivo de filtragem, equipamentos de laboratório, deposição atmosférica ou água DI. No entanto, as fibras não foram semelhantes para o azul do PE partículas e fibras de nylon verde usadas para spike as amostras.

Este protocolo foi criado para processar amostras da bacia hidrográfica do Rio Mississípi, incluindo promovem o rio Mississippi e do Rio Missouri. Análises preliminares do rio Mississippi e Missouri River tinham uma média de TSS de 63 mg/L. Enquanto os valores de TSS da Baía Oso normalmente são inferiores aos observados na bacia hidrográfica do rio Mississippi, sedimento foi intencionalmente perturbado antes da coleta de água para simular a altas concentrações de sedimentos suspensos que podem ser encontradas no rio grande sistemas. A TSS média nas amostras de Baía Oso era 1.865 mg/L, que é ~ 30 vezes maior do que o TSS calculados para as amostras do rio Mississippi e do Rio Missouri. As amostras turvas de Baía Oso sugerem sucesso filtração das amostras com um TSS de até ~ 1.800 mg/L usando as técnicas descritas aqui.

Figura 3 : Partículas e fibras usadas para validação de recuperação por cento. Imagem de duas partículas de PE azuis e duas fibras de nylon verde em uma escala dos tamanhos usado para spike as amostras de validação da Baía Oso em Corpus Christi, Texas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1: resultados de amostras de validação. Um número definido de azul PE de partículas e fibras de nylon verde foram adicionado para amostras colhidas de Baía Oso em Corpus Christi, Texas, para validar o protocolo de análise e dispositivo de filtração. Três amostras de validação de microplástico (V1-V3) e uma amostra de TSS foram tiradas no mesmo local no banco da Baía Oso. As fibras e partículas foram quantificadas para cada tamanho de poro e um total foi calculado para cada amostra de validação. Usando a quantidade conhecida de fibras e de partículas, usadas para spike as amostras e o total recuperado de cada amostra, calculou-se a recuperação por cento.

O protocolo também foi projetado para rios de amostra de duas profundidades: a superfície (a profundidade do rio com a mais alta velocidade) e 0,6-profundidade (a profundidade do rio com uma velocidade média aproximadamente para a coluna de água toda). Amostras do rio Mississippi e Missouri River (tabela 2) foram coletadas e analisadas conforme descrito acima. Para examinar o efeito de profundidade na concentração de microplástico, a primeira e segunda amostra foram tirada no mesmo local (ou seja, o Rio de Mississippi em Alton, Illinois), mas em diferentes profundidades. Para examinar o possível efeito de amostragem local no carregamento de microplástico, as primeiras e a terceiros amostras foram tiradas na mesma profundidade, mas em locais diferentes (ou seja, o Rio de Mississippi em Alton, Illinois e rio acima de Saint Louis, Missouri Missouri). Exemplos de fibras e partículas encontradas nas amostras da bacia do rio Mississippi preliminares são mostrados na Figura 4.

Tabela 2: Rio Mississippi bacia hidrográfica coleta e análise de dados de exemplo. Foram coletadas amostras preliminares perto USGS aferição estações no rio Mississippi e Missouri River. Profundidade (m), turbidez (NTU) e TSS (mg/L) foram medidos para cada site. Amostras foram filtradas e analisadas na sequência deste protocolo. Fibras e partículas foram quantificadas para 50 µm e 100 µm poro tamanho peneiras, bem como um filtro de membrana de 0,45 µm de malha. Devido à falta de materiais coletados em uma peneira de malha de 500 µm, este tamanho é excluído os resultados apresentados.

Figura 4 : Exemplo partículas e fibras encontraram na amostra preliminar da bacia hidrográfica do rio Mississippi. Imagens de fibras e partículas quantificadas em uma amostra (tabela 2) da superfície do rio Mississippi em Alton, Illinois. Imagem do (A) de duas fibras azuis que variam em tamanho, em um filtro de membrana de 0,45 µm. (B) imagem de um vermelho de partículas e várias fibras encontradas em uma peneira de malha de 50 µm, mostrando o intervalo em cor, tamanho e forma dos microplastics encontrados na bacia hidrográfica do rio Mississippi. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os autores não têm nada para divulgar.