Name: Formação de Micro e Nano-Plásticos de Filmes plásticos agrícolas para emprego em estudos de pesquisa fundamental (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-07-27T14:15:00.000+00:00
Duration: 8 min 21 s
Description: Aprenda a preparar micro e nanoplásticos a partir de filmes e pellets poliméricos usando moagem criogênica e trituração úmida. Este método mecânico eficiente fornece materiais autênticos para estudos ambientais sobre poluição plástica.

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Esta pesquisa foi financiada pela Herbert College of Agriculture, pelo Departamento de Engenharia e Solo de Biossistemas e pela Aliança científica da Universidade do Tennessee, Knoxville. Além disso, os autores reconhecem com gratidão o apoio financeiro fornecido através do USDA Grant 2020-67019-31167 para esta pesquisa. As matérias-primas iniciais para a preparação de MNPs do filme biodegradável mulch baseado em PBAT foram gentilmente fornecidas pela BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, USA), e por PBAT por Mobius, LLC (Lenoir City, TN).

Os autores não têm nada a revelar.

Este método descreve um processo eficaz inicialmente descrito em uma publicação anterior29, para preparar MNPs originários de pelotas e filmes de mulch para estudos ambientais. O processo de redução de tamanho envolveu resfriamento criogênico (apenas para filme), fresagem seca e estágios de moagem úmida, para a fabricação de MNPs modelo. Aplicamos este método para preparar MNPs de uma ampla gama de matérias-primas poliméricas, incluindo polietileno de baixa densidade (LDPE), adipate-co-tereftalato...

Nas últimas décadas, o rápido aumento da produção global de plásticos e o descarte inadequado e a falta de reciclagem de resíduos plásticos levaram à poluição ambiental que impactou os ecossistemas marinhos e terrestresem 1,2,3. Os materiais plásticos são essenciais para a agricultura contemporânea, particularmente para cultivar vegetais, frutas pequenas e outras culturas especiais. Seu uso como filmes de mulch, revestimentos de túneis altos e baixos, fita de gotejamento e outras aplicações visam aumentar o rendimento e a qualidade das culturas, reduzir os custos de produção e promover métodos de agricultura sustentável 4,5. No entanto, a expansão do emprego da "plasticulture" levantou preocupações sobre a formação, distribuição e retenção de peças plásticas em ambientes agrícolas. Após um processo contínuo de fragmentação causado pela degradação ambiental durante a vida útil, fragmentos plásticos maiores formam micro e nanoplásticos (MNPs), que persistem no solo ou migram para as vias navegáveis adjacentes via escoamento de água e vento 6,7,8. Fatores ambientais como a radiação ultravioleta (UV) através da luz solar, forças mecânicas da água e fatores biológicos desencadeiam a empreitada plástica de plásticos dispersos ambientalmente, resultando na quebra de fragmentos plásticos maiores em partículas macro ou meso-plásticas 9,10. Outra desfragmentação forma microplásticos (MPs) e nanoplásticos (NPs), refletindo partículas de tamanho médio (diâmetro nominal; d p) de 1-5000 μm e 1-1000 nm, respectivamente11. No entanto, o limite superior d p para NPs (ou seja, um limite menor para MPs) não é universalmente acordado e em vários artigos, este é listado como 100 nm12.
Os PMs de resíduos plásticos representam uma ameaça global emergente aos serviços de saúde e ecossistema do solo. A adsorção de metais pesados de água doce pelos PMs levou a uma concentração 800 vezes maior de metais pesados em comparação com o ambiente circundante13. Além disso, os PMs em ecossistemas aquáticos apresentam múltiplos estressores e contaminantes alterando a penetração da luz, causando esgotamento de oxigênio e causando adesão a várias biotas, incluindo penetração e acúmulo em organismos aquáticos14.
Estudos recentes sugerem que os MNPs podem impactar a geoquímica do solo e a biota, incluindo comunidades microbianas e plantas 15,16,17. Além disso, os PMs ameaçam a web alimentar 17,18,19,20. Uma vez que os MNPs passam prontamente pelo transporte vertical e horizontal no solo, eles podem transportar contaminantes absorvidos, como pesticidas, plastificantes e microrganismos através do solo em ecossistemasubterrâneos ou aquáticos, como rios e córregos 21,22,23,24. Plásticos agrícolas convencionais, como filmes de mulch, são feitos de polietileno, que devem ser removidos do campo após o uso e descartados em aterros sanitários. No entanto, a remoção incompleta leva ao acúmulo substancial de detritos plásticos nos solos 9,25,26. Alternativamente, as mulas plásticas biodegradáveis do solo (BDMs) são projetadas para serem colocadas no solo após o uso, onde se degradarão ao longo do tempo. No entanto, os BDMs persistem temporariamente no solo e gradualmente degradam e se fragmentam em MPs e NPs 9,27.
Muitos estudos ecotoxiológicos ambientais atuais e de destino empregam PMs e NPs idealizados e não representativos. Os MNPs substitutos mais usados são micro-instilares monodispersos de poliestireno ou nanosferas, que não refletem os MNPs reais residentes no ambiente12,28. Consequentemente, a seleção de PMs e NPs não representativos pode resultar em medidas e resultados imprecisos. A partir da falta de modelos adequados para estudos ambientais terrestres, os autores foram motivados a preparar tais modelos a partir de plásticos agrícolas. Relatamos anteriormente a formação de MNPs de BDMs e pelotas de polietileno através de fresagem mecânica e moagem de pelotas plásticas e materiais de filme e as características dimensionais e moleculares dos MNPs29. O documento atual fornece um protocolo mais detalhado para a preparação de MNPs que podem ser aplicados de forma mais ampla a todos os plásticos agrícolas, como filmes de mulch ou suas matérias-primas pelletizadas (Figura 1). Aqui, para servir de exemplo, escolhemos um filme de mulch e pelotas esféricas do polímero biodegradável polibutileno tereftalato (PBAT) para representar plásticos agrícolas.

<table><tbody><tr><td>Prato de alumínio, 150 mL&nbsp;</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td><td>08-732-103</td><td>Secagem de NPs coletados</td></tr><tr><td>Prato de alumínio, 500 mL</td><td>VWR International, Radnor, PA, USA</td><td>25433-018</td><td>Coleta de NPs após moagem úmida</td></tr><tr><td>Centrífuga</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td><td>Recipiente Centrific 228</td><td>para centrifugação</td></tr><tr><td>Tubo de entrega, #20, 840 &micro; m</td><td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EUA</td><td>3383M30</td><td>Peneiramento da primeira fração durante a moagem</td></tr><tr><td>Tubo de entrega, #60, 250 &micro; m</td><td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td><td>3383M45</td><td>Peneiramento da segunda fração (3x)&nbsp; durante a moagem</td></tr><tr><td>Thermomixer,&nbsp; 5350 Mixer</td><td>Eppendorf North America, Enfield, CT, USA</td><td>05-400-200</td><td>Análise de experimentos de peneiramento</td></tr><tr><td>FT-IR Spectrum Two, espectrômetro com refletância total atenuada (ATR)</td><td>Perkin Elmer, Waltham, MA, USA</td><td>L1050228&nbsp;</td><td>Medindo espectros FTIR</td></tr><tr><td>Copo de vidro, 1000 mL</td><td>DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA</td><td>02-555-113</td><td>Agitação de pasta de água MPs antes de moer</td></tr><tr><td>Placa frontal de vidro</td><td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA</td><td>3383N55&nbsp;</td><td>Tampa frontal plaste para Wiley Mini Mill</td></tr><tr><td>Jarra de vidro, 50 mL</td><td>Uline, Pleasant Prairie, WI, EUA</td><td>S-15846P</td><td>Coletivo MPs após fresagem</td></tr><tr><td>Caixa de luvas, neoprene</td><td>Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, EUA</td><td>BEL-H500290000</td><td>22 polegadas, tamanho 10</td></tr><tr><td>Analisador de tamanho Zetasizer Nano ZS 90</td><td>Malvern Panalytical, Worcestershire, Reino Unido&nbsp;</td><td>Zetasizer Nano ZS</td><td>Medindo nanoplásticos dispersos em câmera de microscópio DI-water</td></tr><tr><td></td><td>Nikon, Tóquio,&nbsp; 108-6290, Japão</td><td>Mira Digital Nikon 10</td><td>Combinado com microscópio Olympus para receber imagens digitais</td></tr><tr><td>Microscópio</td><td>Olympus, Shinjuku, Tóquio, Japão</td><td>Modelo SZ 61</td><td>Imagem de MPs</td></tr><tr><td>Frasco de nitrogênio, frascos de dewar de forma baixa</td><td>Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, EUA</td><td>UX-03771-23</td><td>Armazenamento de nitrogênio líquido durante resfriamento criogênico</td></tr><tr><td>Mistura precisa 200, liquidificador de 12 velocidades</td><td>Oster, Boca Raton, FL, EUA</td><td>6684</td><td>Iniciando a redução do tamanho do filme plástico tratado criogenicamente</td></tr><tr><td>Filme PBAT, - BioAgri&trade; (Mater-Bi&reg;)</td><td>BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, EUA</td><td>0,7 mm de espessura</td><td>Matéria-prima para formar MPs e NPs, pellets de PBAT de filme de cobertura agrícola</td></tr><tr><td></td><td>Mobius, LLC, Lenoir City, TN, EUA</td><td>Diâmetro 3 mm</td><td>Matéria-prima para formar microplásticos (MPs) e nanoplásticos (NPs) através de moagem e moagem</td></tr><tr><td>Tubos de centrífuga de plástico, 50 mL</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, EUA</td><td>06-443-18</td><td>Centrifugação de pasta após moagem úmida</td></tr><tr><td>Frasco de plástico, 1000 mL, pré-limpo, lado reto</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td><td>05-719-733</td><td>Coleção de NPs durante e após moagem úmida</td></tr><tr><td>Barras de agitação Polygon, diâmetro&oslash;=8 mm, comprimento=50.8 mm&nbsp; &nbsp;</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, EUA</td><td>14-512-127</td><td>Agitação da pasta MPs antes da moagem úmida</td></tr><tr><td>Tesoura, ligada a titânio</td><td>Westcott, Shelton, CT, EUA</td><td>13901</td><td>Corte de matérias-primas iniciais de filme PBAT</td></tr><tr><td>Célula de vidro quadrada com abertura quadrada e tampa, 12 mm OD</td><td>Malvern Panalytical, Worcestershire, Reino Unido&nbsp;</td><td>PCS1115</td><td>Medição do tamanho de partícula NPs</td></tr><tr><td>Fundo de aço inoxidável, 3 polegadas, panela</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA</td><td>8401</td><td>Para peneiramento após a fresagem Wiley</td></tr><tr><td>Peneira de aço inoxidável, 3 polegadas, nº 140 (106 &micro; m)</td> <td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA</td><td>1308</td><td>Para peneirar após a peneira de aço inoxidável Wiley-milling</td></tr><tr><td>, 3 polegadas, nº 20 (850 e micro; m)</td> <td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA</td><td>1296</td><td>Peneiramento de MPs após fresagem Wiley-moagem</td></tr><tr><td>Peneira de aço inoxidável, 3 polegadas, nº 325 (45 &micro; m)</td> <td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA</td><td>1313</td><td>Peneiramento de MPs após Wiley-milling</td></tr><tr><td>Peneira de aço inoxidável, 3 polegadas, nº 60 (250 &micro; m)</td> <td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA</td><td>1303</td><td>Peneiramento de MPs após Wiley-milling</td></tr><tr><td>Tampa superior de aço inoxidável, 3 polegadas</td><td>Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA</td><td>8406</td><td>Peneiramento de MPs após Wiley-milling</td></tr><tr><td>Pinças de aço inoxidável</td><td>Global Industrial, Port Washington, NY, EUA</td><td>T9FB2264892</td><td>Transferência de&nbsp; partículas de filme congelado do frasco para o liquidificador</td></tr><tr><td>Forno a vácuo, modelo 281A</td><td>Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td><td>13-262-50</td><td>Forno a vácuo para secar NPs após moagem úmida</td></tr><tr><td>Máquina de moagem por fricção, Supermass Colloider</td><td>Masuko Sangyo, Tóquio, Japão</td><td>MKCA6-2J</td><td>Máquina de moagem para formar NPs a partir de MPs</td></tr><tr><td>Pedra de moagem úmida, tamanho do grão: 297 &mu; m -420 &mu; m</td><td>Masuko Sangyo, Tóquio, Japão</td><td>MKE6-46DD</td><td>Pedra de moagem para formar NPs de MPs</td></tr><tr><td>Wiley Mini Mill, moinho de corte rotativo</td><td>Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EUA</td><td>NC1346618</td><td>Redução de tamanho de pellets e filmes em MPs e NPs</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>FTIR-Spectroscopy</td><td>software Perkin Elmer, Waltham, MA, USA</td><td>Spectrum 10&nbsp;</td><td>Coleta de espectros do plástico inicial, MPs e NPs</td></tr><tr><td>Imagem J, programa de processamento de imagem</td><td>National Institutes of Health, Bethesda, MD, EUA</td><td>Versão 1.53n</td><td>Análise de imagens digitais recebidas de microscopia&nbsp;</td></tr><tr><td>Software de microscópio, software ds-fi1</td><td>Malvern Panalytical, Malvern, Reino Unido</td><td>Firmware DS-U1 Ver3.10</td><td>Gravação de imagens digitais</td></tr><tr><td>Microsoft, Windows, &nbsp; Excel 365, software de planilha</td><td>Microsoft, Redmond, WA, EUA</td><td>Office 365</td><td>Calculando o tamanho médio das partículas e criando imagens de espectros FTIR</td></tr><tr><td>Software JMP, software estatístico</td><td>SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021</td><td>Versão 15</td><td>Análise estatística do tamanho das partículas e melhor ajuste do conjunto de dados</td></tr><tr><td>Software Unscrambler</td><td>Camo Analytics, Oslo, Noruega</td><td>Versão 9.2</td><td>Normalizando e convertendo espectros FTIR em .csv de</td></tr></tbody></table>

formação de micro e nano-plásticos de filmes plásticos agrícolas para emprego em estudos de pesquisa fundamental

Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies

Microplásticos (PMs) e nanoplásticos (NPs) dispersos em ecossistemas agrícolas podem representar uma grave ameaça à biota no solo e nas vias navegáveis próximas. Além disso, produtos químicos como pesticidas adsorvidos por NPs podem prejudicar organismos do solo e potencialmente entrar na cadeia alimentar. Nesse contexto, plásticos utilizados agrícolamente, como filmes de mulch plástico, contribuem significativamente para a poluição plástica nos ecossistemas agrícolas. No entanto, a maioria dos estudos fundamentais sobre destino e ecotoxicidade empregam materiais mp idealizados e pouco representativos, como microesferas de poliestireno.
Portanto, como descrito aqui, desenvolvemos um procedimento em escala laboratoriar para formar mecanicamente MPs e NPs representativos para tais estudos. O material plástico foi preparado a partir de filmes de mulch plástico comercialmente disponíveis de adipato-co-tereftalato de polibutirato (PBAT) que foram embrittled através do tratamento criogênico (CRYO) ou do intemperismo ambiental (W), e de pelotas PBAT não tratadas. Os materiais plásticos foram então tratados por fresagem mecânica para formar PMs com um tamanho de 46-840 μm, imitando a abrasão de fragmentos plásticos pelo vento e máquinas mecânicas. Os PMs foram então peneirados em várias frações de tamanho para permitir uma análise mais aprofundada. Finalmente, a fração de peneira de 106 μm foi submetida à moagem úmida para gerar NPs de 20-900 nm, um processo que imita o processo de redução de tamanho lento para MPs terrestres. As dimensões e a forma dos PMs foram determinadas por meio da análise de imagem de estereomicrografos, e a dispersão dinâmica de luz (DLS) foi empregada para avaliar o tamanho das partículas para NPs. MPs e NPs formados através desse processo possuíam formas irregulares, que estão em consonância com as propriedades geométricas dos PMs recuperados dos campos agrícolas. No geral, este método de redução de tamanho mostrou-se eficiente para a formação de PMs e NPs compostos de plásticos biodegradáveis, como o polibutileno adipate-co-tereftalato (PBAT), representando materiais mulch utilizados para a produção agrícola de culturas especiais.

Para validar o método e análise do procedimento experimental, os PMs e NPs foram formados a partir de pelotas e materiais de filme e comparados por tamanho e forma utilizando imagens microscópicas. O método descrito na Figura 1 formou eficientemente MPs e NPs a partir de pelotas e filmes plásticos biodegradáveis; isso foi conseguido através do resfriamento criogênico, moagem e moagem úmida e caracterização. O primeiro passo era desnecessário para filmes ambientalmente intemperados porque o i...

Mostramos a formação e caracterização dimensional de micro e nanoplásticos (MPs e NPs, respectivamente) utilizando um processo stepwise de moagem mecânica, moagem e análise de imagens.

Formação de Micro e Nano-Plásticos de Filmes plásticos agrícolas para emprego em estudos de pesquisa fundamental

Microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) dispersed in agricultural ecosystems can pose a severe threat to biota in soil and nearby waterways. In ...

Anton Astner:Este protocolo descreve a preparação de micro e nanoplásticos projetados provenientes de uma ampla gama de estoques de alimentação de polímeros, como pelotas e filmes que representam materiais de modelo autênticos. Este método forma eficientemente micro nanoplásticos através de um simples procedimento mecânico envolvendo fresagem criogênica, fervendo e moagem úmida que pode servir a materiais substitutos para estudos ambientais. Para começar a recuperar a espuma do rolo e cortar espuma P B A T em tiras com um cortador de papel pré-absorver fragmentos em água deionizada por 10 minutos e transferir o material de espuma para um recipiente criogênico.Adicione lentamente 200 mililitros de nitrogênio líquido a um recipiente criogênico transferir fragmentos de espuma ou pelotas cuidadosamente no recipiente criogênico com pinças de aço. Em seguida, transfira fragmentos de espuma congelados ou pelotas em um liquidificador e processe por 10 segundos. Adicione 400 mililitros de água DI e misture o chorume de água de espuma por cinco minutos.Transfira a calúnia para um funil buchner com um filtro e aplique vácuo por uma hora. Em seguida, transfira a amostra com o funil para um forno a vácuo. Seque a 30 graus Celsius por pelo menos 48 horas.Pese amostras de filme de polímero ou pelota e transfira para um frasco de vidro de 50 mililitros. Coloque o tubo de entrega retangular com uma semente de 20 malhas na ranhura em frente ao leite de corte rotativo e levante o tubo de entrega até atingir o pino de estoque. Posicione a placa de vidro sobre a face das câmaras de fresagem e fixe-a com o grampo ajustável.Em seguida, coloque um frasco de vidro de 50 mililitros sob a tomada do moinho. Posicione o suporte do braço lateral deslizante no moinho ligeiramente fora do centro no vidro dianteiro e aperte com o parafuso neural. Insira o funil de funil em cima do moinho na abertura da câmara superior de fresagem.Conecte um cabo de linha em uma tomada de alimentação e pressione o interruptor do cabo para iniciar a operação da usina. Alimente a amostra lentamente e adicione o próximo lote de fragmentos de filme ou pelotas após a redução do ruído sonoro. Depois de processar os fragmentos de filme ou pelota, pressione o interruptor do cabo para interromper a operação do moinho por aproximadamente 20 minutos para esfriar.Limpe a câmara de corte com uma espátula e escova de cerdas e colete partículas no frasco de vidro. Remova o tubo de entrega de 20 malhas de 840 micrômetros e substitua-o pelo tubo de entrega de 60 malhas. Após a conclusão do primeiro lote, reintroduzir o material coletado no funil da usina.Siga o mesmo procedimento para a fração de moagem de 60 mash. Recupere as partículas restantes na câmara e adicione-as à fração principal coletada. Prepare um chorume de microplásticos.Comece tomando água di em um copo de vidro e insira uma barra de agitação. Introduza oito gramas da fração de plástico coletada de 250 micrômetros. Coloque o béquer de vidro em uma placa de agitação e mexa magneticamente por 24 horas a 400 rotações por minuto.Para absorver as partículas na água transfira as partículas para um recipiente plástico. Encha mais dois recipientes plásticos de um litro com água di, que serão usados para enxaguar partículas de carinho no funil do moedor. Durante o processo de moagem.Coloque pedras com um tamanho verde de 46 no moedor de fricção molhado e aperte a porca central. Mão apertada com uma chave de 17 milímetros adicione o funil em cima e aperte os quatro parafusos com a chave Allen de cinco milímetros. Coloque um frasco de coleta de plástico de um litro sob a saída do colisor.Coloque um segundo balde vazio de um litro ao lado da tomada que será usada para troca durante o processamento. Ligue a potência e ajuste cuidadosamente a folga do medidor girando a roda de ajuste no sentido horário, correspondendo a uma mudança positiva de 0,10 micrômetros da posição zero até ouvir o toque das pedras de moagem. Em seguida, ajuste o anel de medição flexível para zero e gire a roda imediatamente no sentido anti-horário.Por padrão, a velocidade é ajustada para 1500 revoluções por minuto. Gire a roda de ajuste no sentido horário até que as pedras toquem e encha suavemente o chorume nanoplástico de água no funil. Diminua a diferença continuamente para um medidor de liberação de 2,0 negativo correspondente a uma mudança negativa de 0,20 micrômetro da posição zero após a introdução do chorume.Recolhe o chorume trocando os baldes de coleta. Uma vez que o nível de enchimento e o balde excedam 0,5 litros coletar e reintroduzir as partículas no moedor entre 30 a 60 vezes maior. Os passes resultam em tamanho menor de partículas.Lave partículas carinhosas no funil com a garrafa de água DI preparada para permitir a mistura adequada de chorume durante o processamento. Recupere o chorume e mexa por quatro horas a 400 rotações por minuto a 25 graus Celsius para permitir que ele se misture bem deixe o chorume ficar por 48 horas para estabilizar. A análise numérica revelou a distribuição do tamanho das partículas bimodais para nanoplásticos produzidos de ambos os estoques de ração.As principais populações de partículas para nanoplásticos de paletes P B A T foram de aproximadamente 79 e 530 nanômetros, e os valores correspondentes de frequência de densidade numérica foram de 25 e 5%, respectivamente. Por outro lado, nanoplásticos derivados de espumas P B A T possuíam máximos de tamanho aproximadamente 50 e 106 nanômetros com valores de frequência de densidade numérica correspondentes de 11 e 10%, respectivamente. Os resultados do FTIR R para os nanoplásticos P B A T indicam uma queda distinta nos valores de absorção entre 980 e 1200 centímetros inversos refletindo a lixiviação do componente amido durante a moagem úmida.Consistente com observações anteriores do estudo Anton Astner:Para a formação microplástica a partir de filme plástico e pelotas pretrecmento criogênico induz a embrittlement para os plásticos. Imita o impacto do intemperismo ambiental, mas não perfeitamente, o que permite a desfragmentação acelerada. O procedimento de moagem criogênica combinado com o processo de moagem úmida permite o processamento de numerosos estoques de ração de plástico diferente para formar micro nanoplásticos autênticos usados em estudos ambientais.

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