В этом исследовании подробно описан надежный и экономически эффективный протокол сбора и обнаружения микропластика при ежедневном использовании пластиковых изделий.
Method Article
В этом исследовании подробно описан надежный и экономически эффективный протокол сбора и обнаружения микропластика при ежедневном использовании пластиковых изделий.
Микропластики (депутаты) становятся глобальной проблемой из-за потенциального риска для здоровья человека. Тематические исследования пластиковых изделий (т.е. пластиковых одноразовых стаканчиков и чайников) показывают, что выброс МП при ежедневном использовании может быть чрезвычайно высоким. Точное определение уровня высвобождения МП является важнейшим шагом для выявления и количественной оценки источника воздействия и оценки/контроля соответствующих рисков, связанных с этим воздействием. Хотя протоколы измерения уровней МП в морской или пресной воде были хорошо разработаны, условия, с которыми сталкиваются бытовые пластиковые изделия, могут широко варьироваться. Многие пластиковые изделия подвергаются воздействию частых высоких температур (до 100 °C) и охлаждаются до комнатной температуры во время ежедневного использования. Поэтому крайне важно разработать протокол выборки, который имитирует фактический сценарий ежедневного использования для каждого конкретного продукта. Это исследование было сосредоточено на широко используемых бутылочках для кормления детей на основе полипропилена для разработки экономически эффективного протокола для исследований высвобождения MP многих пластиковых изделий. Разработанный здесь протокол позволяет: 1) предотвращать потенциальное загрязнение во время отбора проб и обнаружения; 2) реалистичная реализация сценариев ежедневного использования и точный сбор депутатов, освобожденных из бутылочек для кормления детей, на основе руководящих принципов ВОЗ; и 3) экономически эффективное химическое определение и физическое топографическое картирование депутатов, освобожденных из бутылочек для кормления детей. Основываясь на этом протоколе, процент извлечения с использованием стандартного полистирола MP (диаметр 2 мкм) составил 92,4-101,2%, в то время как обнаруженный размер составил около 102,2% от проектного размера. Протокол, подробно описанный здесь, обеспечивает надежный и экономически эффективный метод подготовки и обнаружения образцов МП, который может существенно повызть будущие исследования высвобождения МП из пластмассовых изделий.
Большинство типов пластмасс не поддаются биоразлагаемости, но могут распадаться на мелкие кусочки из-за химических и физических процессов, таких как окисление и механическое трение1,2. Пластиковые куски размером менее 5 мм классифицируются как микропластик (MPs). Депутаты вездесущи и встречаются почти в каждом уголке мира. Они стали глобальной проблемой из-за потенциального риска для человека и дикой природы3,4. На сегодняшний день значительные скопления депутатов обнаружены у рыб, птиц, насекомых5,6, а также млекопитающих (мыши, в кишечнике, почках и печени7,8). Исследования показали, что воздействие и накопление МП может повредить липидный обмен мышей7,8. Оценка риска, сосредоточенная на рыбе, показала, что субмикронный депутат может проникать через гематоэнцефалический барьер и вызывать повреждение головногомозга9. Следует отметить, что на сегодняшний день все результаты по риску МП были получены из исследований на животных, в то время как конкретный риск для здоровья человека до сих пор неизвестен.
За последние 2 года опасения по поводу угрозы МП здоровью человека существенно возросли с подтверждением уровней воздействия на человека депутатов. Скопление депутатов было обнаружено в толстой кишке человека10,плаценте беременных женщин11 и взрослом стуле12. Точное определение уровней высвобождения МП имеет решающее значение для выявления источников воздействия, оценки риска для здоровья и оценки эффективности любых потенциальных мер контроля. В последние несколько лет некоторые тематические исследования показали, что пластик ежедневного использования (т.е. пластиковый чайник13 и одноразовые чашки14)может высвобождать чрезвычайно большое количество депутатов. Например, одноразовые бумажные стаканчики (с интерьерами, ламинированными полиэтилен-ПЭ или сополимерными пленками) выпускали примерно 250 микрон размером МП и 102 миллиона частиц субмикронным размером в каждый миллилитр жидкости после воздействия горячей воды 85-90 °C14. Исследование полипропиленовых (ПП) пищевых контейнеров показало, что до 7,6 мг пластиковых частиц высвобождается из контейнера во время однократного использования15. Еще более высокие уровни были зарегистрированы из чайных пакетиков, изготовленных из полиэтилентерефталата (ПЭТ) и нейлона, которые выпустили примерно 11,6 миллиарда депутатов и 3,1 миллиарда наноразмерных депутатов в одну чашку (10 мл) напитка16. Учитывая, что эти пластиковые изделия повседневного использования предназначены для приготовления продуктов питания и напитков, вероятно высвобождение большого количества депутатов, а их потребление является потенциальной угрозой для здоровья человека.
Исследования по выпуску MP из бытовых пластиковых изделий (т.е. пластикового чайника13 и одноразовых стаканчиков14)находятся на ранней стадии, но ожидается, что эта тема будет получать все большее внимание со стороны исследователей и широкой общественности. Методы, требуемые в этих исследованиях, значительно отличаются от методов, используемых в морских или пресноводных исследованиях комнатной температуры, где уже существуют устоявшиеся протоколы17. Напротив, исследования, связанные с ежедневным использованием бытовых пластиковых изделий, включают гораздо более высокую температуру (до 100 ° C), причем во многих случаях повторяется циклическое возвращение к комнатной температуре. Предыдущие исследования указывали на то, что пластмассы, контактии с горячей водой, могут освободить миллионы депутатов16,18. Кроме того, ежедневное использование пластиковых изделий может со временем изменить свойства самого пластика. Поэтому крайне важно разработать протокол выборки, который точно имитирует наиболее распространенные сценарии ежедневного использования. Обнаружение частиц микроразмера является еще одной серьезной проблемой. Предыдущие исследования указывали на то, что выпуск депутатов из пластиковых изделий меньше 20 мкм16,19,20. Обнаружение этих типов МП требует использования гладких мембранных фильтров с небольшим размером пор. Кроме того, необходимо отличать депутатов от возможных загрязняющих веществ, улавливаемых фильтром. Высокочувствительная рамановская спектроскопия используется для анализа химического состава, что имеет то преимущество, что позволяет избежать необходимости в высокой мощности лазера, который, как известно, легко разрушает мелкие частицы20. Следовательно, протокол должен сочетать процедуры обработки без загрязнения с использованием оптимальных мембранных фильтров и для метода характеризации, который позволяет быстро и точно идентифицировать MP.
Исследование, о котором сообщалось здесь, было сосредоточено на бутылочке для кормления ребенка на основе PP (BFB), одном из наиболее часто используемых пластиковых продуктов в повседневной жизни. Было установлено, что большое количество депутатов высвобождается из пластика BFB во время приготовления формулы18. Для дальнейшего изучения высвобождения МП из ежедневных пластмасс, метод подготовки и обнаружения образцов для BFB подробно описан здесь. Во время подготовки образцов тщательно соблюдался стандартный процесс приготовления формул (очистка, стерилизация и смешивание), рекомендованный ВОЗ21. Разработав протоколы вокруг руководящих принципов ВОЗ, мы обеспечили, чтобы выпуск MP из BFF имитировал процесс приготовления детской смеси, используемый родителями. Процесс фильтрации был разработан для точного сбора депутатов, освобожденных от BBF. Для химической идентификации депутатов условия работы рамановской спектроскопии были оптимизированы для получения чистых и легко идентифицируемых спектров депутатов, в то же время избегая возможности сжигания целевых частиц. Наконец, была разработана оптимальная процедура испытаний и приложенная сила, позволяющая точно 3-мерное топографическое картографирование МП с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ). Протокол(рисунок 1),подробно описанный здесь, обеспечивает надежный и экономически эффективный метод подготовки и обнаружения образцов MP, который может существенно принести пользу будущим исследованиям пластиковых изделий.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Подготовка горячей воды
2. Высвобождение MP во время подготовки формулы
ПРИМЕЧАНИЕ: Тщательно следуя стандартному процессу приготовления формулы (очистка, стерилизация и смешивание), рекомендованномуВОЗ 21,МП, освобожденные от БФБ во время приготовления формулы, имитируются в следующие 3 этапа.
3. Пробоподготовка для идентификации и количественной оценки МП
4. Пробоподготовка для характеристик топографии АСМ
5. Идентификация и количественная оценка МП с помощью рамановой спектроскопии
6. Топографическая характеристика MP с использованием AFM
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Для проверки этого протокола образец воды был подготовлен путем добавления стандартных полистирольных микропластиковых сфер (диаметром 2,0 ± 0,1 мкм) в воду DI. Добавленное количество MP соответствовало 4 500 000 частиц / л, что аналогично уровню высвобождения MP из BBF. После разделов протокола 2-3 депутаты были успешно собраны(рисунок 4А),и коэффициент восстановления составил 92,4-101,2%. Этот показатель восстановления сопоставим с предыдущим исследованием на23депут...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Хотя исследование депутатов в морской и пресной воде широко освещалось, и соответствующий стандартный протокол был разработан17,изучение пластиковых изделий повседневного использования является важной новой областью исследований. Различные условия окружающей среды, с которыми сталкиваются бытовые пластиковые изделия, означают, что для получения надежных результатов требуется дополнительная осторожность и усилия. Протокол исследования должен соответствовать реальным сценариям ежедневного использова...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Авторам нечего раскрывать. Представление материала в этой публикации не подразумевает выражения какого-либо мнения со стороны Тринити-колледжа Дублина о конкретных компаниях или продуктах определенных производителей и не подразумевает, что они одобрены, рекомендованы, подвергнуты критике или иным образом Тринити-колледжем Дублина в предпочтении другим аналогичным образом. Ошибки и упущения исключены. Были приняты все разумные меры предосторожности для проверки информации, содержащейся в этой публикации. Тем не менее, опубликованный материал распространяется без каких-либо гарантий, явных или подразумеваемых. Ответственность за интерпретацию и использование материала лежит на читателе. Ни при каких случаях Trinity College Dublin не несет ответственности за ущерб, возникший в результате его использования.
Авторы выжают признательность Enterprise Ireland (номер гранта CF20180870) и Science Foundation Ireland (номера грантов: 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 и 16/IA/4462) за финансовую поддержку. Мы также признаем финансовую поддержку со стороны Стипендии Школы инженерии при Тринити-колледже Дублина и Китайского стипендиального совета (201506210089 и 201608300005). Кроме того, мы ценим профессиональную помощь профессора Сары Мак Кормак и технических команд (Дэвид А. Маколей, Мэри О'Ши, Патрик Л.К. Вил, Роберт Фитцпатрик и Марк Гиллиган и т. Д.) Из Департамента гражданских, структурных и экологических исследований Тринити и Исследовательского центра AMBER.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| АСМ кантилевер | НАНОСЕНСОРЫ | PPP-NCSTAuD-10 | Для получения трехмерной топографии ПП МП |
| Атомно-силовой микроскоп | Nova | NT-MDT | Для получения трехмерной топографии ПП |
| МП Моющее средство | Fairy Original | 1015054 | Для очистки принципиально нового продукта |
| Поликарбонат с золотым покрытием-ПК мембранный фильтр-0,8 мкм | APC, Германия | 0,8 мкм25 ммЗолото | Для сбора микропластика в воде и пользы для рамановского теста |
| Программное обеспечение Gwyddion | Gwyddion Gwyddion2.54 | Для определения топографии МП | |
| программное обеспечение ImageJ | Национальные институты здравоохранения | США Нет, бесплатно для использования | Для определения размера МП |
| Микроволновая печь | De'longhi, Италия | 815/1195 | Подготовка горячей воды |
| Оптический микроскоп, x100 | Mitutoyo, Япония | 46-147 | Для поиска и наблюдения малых МП |
| Рамановская спектроскопия | Renishaw | InVia конфокальная рамановская система | Для химического определения ПП-МП |
| Трясущийся слой-SSL2 | Stuart, UK | 51900-64 | Для имитации процесса смешивания во время подготовки образца |
| Стандартные полистирольные микропластиковые сферы | Polysciences, Европа | 64050-15 | Для валидации прочности Текущий протокол |
| Пипетка Tansfer со стеклянным наконечником | Macro, Brand | 26200 | Для переноса пробы воды на стеклянный фильтр |
| Ультразвуковой очиститель | Witeg, Германия | DH. WUC. D06H | Для очистки стеклянной посуды |
| Вакуумный насос | ILMVAC GmbH | 105697 | Для фильтрации проб воды |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission