Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Оценка потерянной фракции: разнообразие, распространенность и масса микропластика (1-300 мкм) в водных системах

533 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68148

⸱

22 августа 2025 г.

 ,  , 
1School of Marine and Atmospheric Science, Stony Brook University

В этой статье

Краткое содержание

В этом протоколе описывается методология, которая должна применяться к пробам водной среды, собранным на фильтрах, для обнаружения, идентификации и количественного определения МП микронного размера (1-300 мкм). Рамановская микроспектроскопия позволяет идентифицировать полимерную химическую структуру частиц МП и количественно оценить их распространенность с точки зрения количества частиц и их массы в пробах воды.

Аннотация

Представленный здесь протокол позволяет количественно определять микропластики (МП) диаметром ~1 мкм, точно идентифицировать типы полимеров и оценивать объем частиц, что позволяет рассчитать массу МР. Репрезентативные результаты проб, собранных в Большом Южном заливе (GSB), штат Нью-Йорк, показали, что частицы в диапазоне эквивалентного сферического диаметра (ESD) от 1 до 6 мкм были наиболее распространенными, причем примерно 75% частиц имели размеры менее 5 мкм. Примечательно, что на этапе предварительного просеивания не было получено частиц размером более 60 мкм, что позволяет предположить, что крупные МП были редки на прибрежных участках. Перед фильтрацией использовалась стадия химического окисления для удаления органических загрязнений, что способствовало фильтрации больших объемов воды (>1 л) из дискретных проб, собранных в бутылках, и уменьшило засорение фильтра. Несмотря на то, что такой подход значительно повысил эффективность фильтрации, некоторые аспекты методологии все еще нуждаются в доработке, чтобы сократить общее время, необходимое для подготовки образцов и анализа данных. Рамановская микроспектроскопия и связанная с ней обработка данных остаются трудоемкими, особенно для точного анализа частиц размером менее 10 мкм в сложных матрицах окружающей среды. В настоящее время мы прилагаем усилия для минимизации аналитических неопределенностей, оптимизации компромисса между точностью подсчета частиц и временем обработки, а также уменьшения артефактов в рабочем процессе обнаружения.

Введение

Микропластик (МП) представляет собой весьма неоднородную группу частиц, которые сильно различаются по размеру, форме, цвету, плотности, химическому составу и другим физическим свойствам, что делает их идентификацию и количественную оценку особенно сложнойзадачей 1. В исследованиях МП использовались различные аналитические методы, от визуальных методов, таких как световая микроскопия2, до более продвинутых химических подходов, таких как пиролизно-газовая хроматография3. Световая микроскопия является широко используемым методом определения характеристик больших МП (обычно 0,5-5 мм) из-за ее простоты, скорости и экономичности1. Он позволяет визуально идентифицировать и количественно оценить пластические частицы, предоставляя при этом информацию о морфологии и структуре поверхности2. Однако этот метод не дает химической информации о химическом составе и полагается на опыт аналитика. Ошибочная идентификация является хорошо задокументированным ограничением визуального анализа, при этом частота ошибок колеблется от 20% до 70%, особенно для небольших прозрачных частиц. Такие погрешности могут значительно завышать концентрации МП в пробах окружающей среды4.

С другой стороны, пиролизно-газовая хроматография (ГХ) в сочетании с масс-спектрометрией (МС) может дать подробную информацию о химическом составе МП путеманализа продуктов термической деградации. В сочетании со ступенью термической десорбции он также может обнаруживать пластиковые добавки во время того же анализа5. Однако этот метод требует ручного предварительного отбора пластиковых частиц и их осторожного помещения в систему пиролиза, что приводит к низкой пропускной способности образца1.

Чтобы преодолеть ограничения традиционных методов, все большее значение приобретают автоматизированные методы, которые позволяют как идентифицировать, так и количественно оценить МП. Рамановская спектроскопия и инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) обеспечивают точную идентификацию полимеров с помощью уникальных спектральных отпечатков 6,7,8. Эти методы вибрационной спектроскопии обнаруживают молекулярные колебания, индуцированные светом, лазером для комбинационного рассеяния света и инфракрасным для ИК-Фурье, получая спектры, отражающие специфическиемолекулярные структуры. Оба метода значительно улучшили обнаружение и характеризацию малых частиц МП (<300 мкм) в различных матрицах окружающей среды8. Они уменьшают количество ложных срабатываний за счет химического подтверждения пластиковых частиц, сводят к минимуму ложноотрицательные результаты и являются неразрушающими. В сочетании с микроскопией (микроспектроскопией) эти методы позволяют идентифицировать и количественно определять полимерные частицы размером менее 0,3 мм (при этом μИК-Фурье обнаруживает до ~10 мкм и μРамановское излучение до ~0,3 мкм)8. Однако у каждого метода есть ограничения: рамановский комбинационный анализ обеспечивает более высокое пространственное разрешение и улучшенное обнаружение для определенных полимеров (например, полистирола), но он более восприимчив к флуоресцентным помехам и, как правило, требует более длительного времени регистрации. Тем не менее, рамановская микроспектроскопия позволяет обнаруживать частицы размером менее 0,3 мкм, охватывая более широкий диапазон размеров микропластика, чем ИК-Фурье изображения 8,9.

Основным инструментом для описанной здесь работы является конфокальный рамановский микроспектрофотометр, доступный в Лаборатории молекулярной визуализации NAno-Raman (NARMIL) SoMAS. Протокол был оптимизирован для обнаружения, идентификации и количественного определения микроразмеров МР (<300 мкм) на фильтрах из проб воды, которые обычно исключаются при использовании планктона или сеток манта для отбора проб морского пластика. Кроме того, процесс химического окисления необходим для уменьшения присутствия непластиковых остатков (органических остатков). Это сводит к минимуму аналитические помехи перед рамановским микроспектроскопическим анализом и, что немаловажно, предотвращает закупорку пор фильтра, позволяя фильтровать большие объемы воды. С помощью этой технологии можно обнаруживать частицы МР в субмикронной и миллиметровой размерной фракции, собранной на фильтрах из проб воды, а также рассчитывать конкретные концентрации, размеры и массу МР.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Этот протокол был изменен по сравнению с оригинальной версией9. Протокол представляет собой руководство по анализу проб водной воды (питьевая, речная, озерная, прибрежная или открытая в океане) с целью извлечения, обнаружения и количественного определения МП (<300 мкм) на фильтрах. Используемые реагенты и оборудование перечислены в Таблице материалов.

1. Контроль качества

  1. Перед использованием обязательно отфильтруйте все реагенты через мембранный фильтр 0,22 мкм.
  2. Убедитесь, что персонал одет в хлопчатобумажные лабораторные халаты (без синтетических материалов) и мойте руки до и между обработкой образцов.
  3. Промойте фильтрующее оборудование отфильтрованной дистиллированной водой 0,22 мкм до и между фильтрациями. Накрывайте чистой алюминиевой фольгой, когда она не используется.
  4. Полевые заготовки: Наполните промытые бутылки с образцами дистиллированной водой с температурой 0,22 мкм и обрабатывайте образцы окружающей среды, как и тебе.
  5. Лабораторные заготовки: Обрабатывайте 1 л отфильтрованной 0,22 мкм дистиллированной воды через фильтры Al2O3 вместе с каждой партией образца.

2. Сбор и подготовка проб природных вод для количественного определения МП

  1. Предварительно промойте все флаконы с образцами (включая Нискин и стеклянные контейнеры) отфильтрованной дистиллированной водой 0,22 мкм, чтобы свести к минимуму загрязнение.
  2. Дискретные пробы водяной толщи (>1 л) из водных систем могут быть собраны с помощью стандартных методов отбора проб, например, стеклянных бутылок (поверхностные воды) или установленных на розетке поливинилхлоридных (ПВХ) нискинских бутылок (водяной столб) и перенесены непосредственно в стеклянные бутылки.
  3. Предварительная фильтрация собранной воды с помощью металлических сит 200 мкм и 60 мкм для удаления органического мусора и разделения МР на размерные фракции.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Остаточные частицы могут быть идентифицированы непосредственно под микроскопом.
  4. Воду, прошедшую через металлическое сито 60 мкм, хранят в стеклянных бутылках. Позже эту фракцию отфильтровать на мембранных фильтрах на основе оксида алюминия (Al2O3) (диаметр 25 мм, размер пор 0,2 мкм).

3. Химическое окисление проб воды

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы свести к минимуму аналитическую интерференцию от большого количества биогенных частиц, образцы очищают путем химического окисления перед рамановским микроспектроскопическим анализом.

  1. Смешайте 100 мл 30% (v/v) перекиси водорода с 1 л образца в стеклянной емкости и тщательно перемешайте.
    ВНИМАНИЕ: Обращайтесь с H2O2 с осторожностью - сильный окислитель, может вызвать раздражение кожи и глаз. Надевайте перчатки и очки и соблюдайте правила безопасности в лаборатории.
  2. Накройте контейнер крышкой или алюминиевой фольгой и поставьте в духовку при температуре 60 °C на ~10 часов.
  3. Дайте образцу остыть в течение 10 минут, затем приступайте к фильтрации, пока он еще теплый.

4. Фильтрация проб воды

ПРИМЕЧАНИЕ: Из-за присущей фильтру хрупкости следует соблюдать осторожность, чтобы не погнуть мембранные фильтры Al2O3 во время монтажа и демонтажа, работая с фильтром исключительно с помощью кольцевого полипропиленового кольца, прикрепленного к мембране.

  1. В колпаке с ламинарным потоком отфильтруйте образцы и заготовки объемом 1 л с помощью цельностеклянной системы фильтрации с основанием из спеченного стекла и металлическим зажимом.
  2. После фильтрации промойте фильтры отфильтрованной дистиллированной водой 0,22 мкм.
  3. Установите фильтр на предметное стекло микроскопа без покровного стекла для рамановского анализа.

5. Рамановский микроспектроскопический анализ отфильтрованных частиц МП

ПРИМЕЧАНИЕ: Конфокальный рамановский микроспектрофотометр и его программное обеспечение используются в качестве аналитического метода для идентификации и количественного определения частиц МП. Прибор оснащен модифицированным вертикальным эпифлуоресцентным микроскопом, управляемым компьютером моторизованным x-y-z столиком с шагом 0,1 мкм во всех размерах, четырьмя лазерными линиями (457/514 нм Ar+ лазер, 633 нм He/Ne лазер, 785 нм диодный лазер) и 1040 × 256 пельтье с охлаждением ПЗС-детектором.

  1. Используя функцию получения изображений в программном обеспечении комбинационного рассеяния света, настройте конфигурацию прибора для анализа МП водных проб.
    1. Лазер: 633 нм He/Ne при мощности лазера ~9,3 мВт (через объектив 50×).
    2. Решетка: 1200 линий/мм.
    3. Спектральный диапазон: 200-2500 см-1.
    4. Время экспозиции: 0,7 с/спектр.
  2. Настройте сетку в области интереса (ROI), взяв спектры через каждые 1 мкм в измерениях x и y.
  3. Определите каждый ROI в виде сетки 100 μм x 100 μm на изображении с камеры (10 000 μm2).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Область ROI может быть изменена; Например, меньшие площади сократят общее время анализа.
  4. Анализируйте ~40 ROI для каждого фильтра, случайно выбранных с помощью модели перекрестного шаблона, чтобы представить пространственное распределение MP по всей открытой области фильтра.
  5. После автоматического сбора данных используйте функцию получения изображений в программном обеспечении для создания подробных 2D-химических карт каждого ROI.
  6. На основе каждой химической карты идентифицируйте и количественно оцените частицы МП с помощью компонентного анализа (метод корреляции неотрицательных наименьших квадратов) в соответствии с возможностями программного обеспечения.
  7. Сравнивайте спектры с справочными библиотеками. Принимайте матчи со счетом >60 (счет внутренней библиотеки 0-100) как подтвержденные MP10.

6. Количественный подсчет частиц ПД с помощью фильтра

  1. После суммирования количества частиц из ~40 ROI рассчитайте количество частиц MP на литр образца (N), согласно уравнению 111.
    figure-protocol-1(1)
    где Af — общая площадь фильтра (мм2), n — общее количество частиц MP, подсчитанное по всем исследованным ROI, b — количество исследованных ROI, M — размер площади одного ROI (мм2) и V — объем (л) воды, отфильтрованной из пробы.
  2. Установите аналитическую погрешность общего количества частиц (N) в каждом образце, рассчитав стандартную ошибку на основе всех ROI, подсчитанных для каждого образца.
  3. Запишите общее количество частиц на л как N ± 1S.E.

7. Расчет размера, объема и массы частиц

ПРИМЕЧАНИЕ: Определите размеры, площадь и эквивалентный сферический диаметр (ESD) каждой частицы с помощью программного обеспечения для анализа изображений.

  1. Определите площадь, подсчитав общее количество пикселей с положительным содержанием пластика, назначенных каждому изображению частицы.
  2. Используйте эту площадь частиц (Ap) для расчета ESD, применяя уравнение 211:
    figure-protocol-2(2)
  3. Вычислите идеализированную оценку объема эллипсоида для каждой частицы, используя уравнение 312.
    figure-protocol-3(3)
  4. Рассчитайте массы (M) каждого пластикового полимера в пуле MP с использованием оценок объема и опубликованных удельных плотностей (ρ; г см3) каждого пластического полимера (т. е. M = ρV). Масса обычно указывается в μг/л
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для оценки неопределенности, распространяемой при расчете массы (относительная ошибка массы, RE = SD/среднее) для каждой частицы, аналитическая неопределенность как в алгоритме объема, так и в средней плотности рассматривается с помощью следующего уравнения13:
    figure-protocol-4(4)
    Где R.E. vol – относительная ошибка (S.E. наклона/наклона) наклона линейной регрессии (3-D и "2-D volume")9. R.E. den – это относительные вариации (S.E. / среднее) в диапазоне сообщаемых значений плотности для каждого полимера, содержащегося в конкретной частице.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Здесь представлены результаты, полученные с использованием самой последней версии методологии. Метод был модифицирован по сравнению с его первоначальным применением 9,14. Образцы, использованные в этой статье, являются частью проекта по оценке загрязнения MP в трех основных прибрежных водоемах Лонг-Айленда, штат Нью-Йорк: Грейт-Саут-Бэй, эстуарий Пеконик и залив Шиннекок. Представленные здесь результаты служат скорее доказательством концепции нашего усовершенство...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Эта методология позволяет количественно определять частицы микропластика (МП) размером до 1 мкм из проб воды, собранных на фильтрах, что позволяет проводить подробные измерения распространенности, химического состава, размера и массы частиц. Тем не менее, важно распознавать и устранять источники неопределенности, присущие этому подходу, особенно при анализе частиц размером менее 10 мкм в сложных матрицах окружающей среды.

Важным аспектом, требующим решения, яв...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, описанную в этой статье.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Ларисе Храйм, Энтони Хиллу, Аланне Чен, Майе Буткевич и Лесли Мехиа за помощь в проведении лабораторных исследований и анализе данных. Все спектральные данные комбинационного рассеяния света были получены в Лаборатории молекулярной визуализации комбинационного рассеяния света (NARMIL) Школы морских и атмосферных наук SBU, общественном ресурсе, посвященном приложениям науки об окружающей среде и основанном на гранте NSF-MRI OCE-1336724. Исследование было частично поддержано грантом Университета Стоуни-Брук (SBU) и стипендией SBU для завершения президентских диссертаций CF21.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Алюминиевая фольга любой коммерческий бренд
Аналитические сита из нержавеющей сталиRetsch GmbH, ГерманияДИН 4188
Фильтры AnodiscВатман
Держатель фильтраFisherBrand-Millipore SigmaXX1012542
Стеклянные бутылкиFisherBrand-Millipore Sigma02-912-313Для процесса отбора проб подходит любая стеклянная тара
Воронка для стеклянной посудыFisherBrand-Millipore SigmaXX1012514
Перекись гидрогена 30 %Инновационная наука7722-84-1
Конфокальный рамановский микроспектрофотометр inViaКомпания Renishaw
Ламинарный колпакLabconco или любой другой ламинарный вытяжка для лабораторного использования
Металлический хомутFisherBrand-Millipore SigmaXX1012503
Металлические щипцыFisherBrand-Millipore Sigma13-820-061
Предметные стекла для микроскопаТермо Фишерhttps://www.thermofisher.com/
Нитриловые перчаткиКимтех55080-54
Нитроцелулоза мембранные флеры 0,22Технология фильтрации GVS 1214898
Радиальная нагревательная печьЛабораторные приборы линейки 3609
Вакуумный насосСкрыться25468-01 А
WiRE 5.2Компания Renishaw

Ссылки

  1. Shim, W. J., Hong, S. H., Eo, S. E. Identification methods in microplastic analysis: A review. Anal Methods. 9 (9), 1384-1391 (2017).
  2. Song, Y. K., et al. A comparison of microscopic and spectroscopic identification methods for analysis of microplastics in environmental samples. Mar Pollut Bull. 93 (1-2), 202-209 (2015).
  3. Fries, E., et al. Identification of polymer types and additives in marine microplastic particles using pyrolysis-GC/MS and scanning electron microscopy. Environ Sci Process Impacts. 15 (10), 1949-1956 (2013).
  4. Löder, M. G. J., Gerdts, G. Marine Anthropogenic Litter. Marine Anthropogenic Litter. Bergmann, M., Gustow, M., Klages, L. , 201-228 (2015).
  5. Dekiff, J. H., Remy, D., Klasmeier, J., Fries, E. Occurrence and spatial distribution of microplastics in sediments from Norderney. Environ Pollut. 186, 248-256 (2014).
  6. Käppler, A., et al. Identification of microplastics by FTIR and Raman microscopy: a novel silicon filter substrate opens the important spectral range below 1300 cm(-1) for FTIR transmission measurements. Anal Bioanal Chem. 407, 6791-6801 (2015).
  7. Araujo, C. F., Nolasco, M. M., Ribeiro, A. M. P., Ribeiro-Claro, P. J. A. Identification of microplastics using Raman spectroscopy: latest developments and future prospects. Water Res. 142, 426-440 (2018).
  8. Primpke, S., Lorenz, C., Gerdts, G. An automated approach for microplastics analysis using focal plane array (FPA) FTIR microscopy and image analysis. Anal Methods. 9, 1499-1511 (2017).
  9. Medina Faull, L. E., Zaliznyak, T., Taylor, G. T. Assessing diversity, abundance, and mass of microplastics (~1-300 µm) in aquatic systems. Limnol Oceanogr Methods. 19, 369-384 (2021).
  10. Woodall, L. C., et al. The deep sea is a major sink for microplastic debris. J Soc Open Sci. 1, 140317(2014).
  11. Engel, A. Determination of marine gel particles. Practical Guidelines for the Analysis of Seawater. Wurl, O. , CRC Press. 139-150 (2009).
  12. Hillebrand, H., Dürselen, C. D., Kirschtel, D., Pollingher, U., Zohary, T. Biovolume calculation for pelagic and benthic microalgae. J Phycol. 35 (2), 403-424 (1999).
  13. Harris, D. Quantitative Chemical Analysis. 13, W.H. Freeman and Company. New York. (2007).
  14. Medina Faull, L. E., Zaliznyak, T., Taylor, G. T. From the Caribbean to the Arctic, the most abundant microplastic particles in the ocean have escaped detection. Mar Pollut Bull. 202, 116338(2024).
  15. Munno, K., et al. Patterns of microparticles in blank samples: a study to inform best practices for microplastic analysis. Chemosphere. , (2023).
  16. Lao, W., Wong, C. S. How to establish detection limits for environmental microplastics analysis. Chemosphere. 333, 138883(2023).
  17. Dawson, A., Santana, J., Nelis, M., Cherie, D., Motti, A. Taking control of microplastics data: a comparison of control and blank data correction methods. J Hazard Mater. 443 (Part A), 130218(2023).
  18. Prata, J. C., Manana, M. J., da Costa, J. P., Duarte, A. C., Rocha-Santos, T. What is the minimum volume of sample to find small microplastics: Laboratory experiments and sampling of Aveiro Lagoon and Vouga River, Portugal. Water. 12 (4), 1219(2020).
  19. Cowger, W., et al. Reporting guidelines to increase the reproducibility and comparability of research on microplastics. Appl Spectrosc. 74 (9), 1066-1077 (2020).
  20. Schymanski, D., Goldbeck, C., Humpf, H. U., Fürst, P. Analysis of microplastics in water by micro-Raman spectroscopy: release of plastic particles from different packaging into mineral water. Water Res. 129, 154-162 (2018).
  21. Erni-Cassola, G., Gibson, M. I., Thompson, R. C., Christie-Oleza, J. A. Lost, but found with Nile Red: A novel method for detecting and quantifying small microplastics (1 mm to 20 µm) in environmental samples. Environ Sci Technol. 51 (23), 13641-13648 (2017).
  22. Tamminga, M. Nile Red staining as a subsidiary method for microplastic quantification: A comparison of three solvents and factors influencing application reliability. SDRP J Earth Sci Environ Stud. 2 (2), 165-172 (2017).
  23. Klein, M., Fischer, E. K. Microplastic abundance in atmospheric deposition within the metropolitan area of Hamburg, Germany. Sci Total Environ. 685, 96-103 (2019).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Эта статья была опубликована

Видео скоро будет доступно

Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.