Методическая статья

Отбор проб и идентификация микропластика в подземных водах

2.4K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68652

⸱

7 ноября 2025 г.

 ,  ,  , 
1National Institute of Biology, 2Geological Survey of Slovenia, Groundwater - Hydrogeology, 3Institute for Water of the Republic of Slovenia, Sector for Marine Waters

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы приводим подробное описание отбора проб грунтовых вод из скважины для анализа на микропластик с использованием запатентованной системы отбора проб, разработанной для этой цели. В протоколе подробно описаны методы отбора проб микропластика из скважин, а также разделения и химической идентификации микропластика.

Аннотация

Загрязнение грунтовых вод микропластиком по-прежнему значительно занижено упоминается в научной литературе. В данной статье представлен комплексный протокол, в котором изложена методология отбора проб подземных вод из скважин, а также этапы отделения и анализа микропластика. В нем содержится подробное описание фильтрационной системы отбора проб, разработанной специально для этой цели, а также подробная процедура отбора проб. Кроме того, в нем представлен лабораторный анализ частиц микропластика, включая их характеристику на основе размера, формы, цвета, прозрачности и химической структуры с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье с ослабленной суммарной отражательной способностью (ATR-FTIR) и микро-FTIR-спектроскопии. Обсуждаются факторы, которые могут повлиять на результаты, и особое внимание уделяется предотвращению загрязнения образцов. Описанная методология также учитывает требования Приложения к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441 от 11 марта 2024 года, дополняющему Директиву (ЕС) 2020/2184 Европейского парламента и Совета. Этот всеобъемлющий письменный протокол, сопровождаемый видеоинструкциями, призван поддержать разработку синхронизированной методологии мониторинга микропластика в грунтовых или питьевых водах. Этот ресурс будет интересен исследователям в области микропластика во всем мире.

Введение

В последние годы микропластик (МП) был определен как важный загрязнитель окружающей среды. Из-за своей способности попадать в атмосферу, МП являются частью круговорота воды1. Атмосферное осаждение и поверхностный сток являются основными путями, через которые МП попадают в поверхностные воды2. МП происходят из различных наземных и водных источников, причем наземные источники составляют 80% от их общегоколичества3. Попадая в водные экосистемы, большинство наземных МП переносится в океаны через реки. Остальные МП сохраняются в пресной воде, при этом поверхностные воды в густонаселенных и урбанизированных районах, характеризующихся длительным временем пребывания в воде и значительным антропогенным воздействием, демонстрируют более высокие уровни загрязнения МП. Поверхностные воды также могут соединяться с грунтовыми водами в руслах рек, поймах, водно-болотных угодьях и родниках4.

Несмотря на то, что в 2018 г. исследования, проведенные в пресноводных средах обитания, составляли менее 4% доступной литературы5, растущее признание необходимости лучшего понимания источников МП в водной среде с тех пор привело к заметному увеличению числа исследований, посвященных пресноводным системам6. В то время как количество исследований подземных вод остается ограниченным, доказательства присутствия МП в подземных водах хорошо задокументированы. Поскольку подземные воды являются самым важным источником пресной воды в мире, обеспечивая более чем двум миллиардам человек доступ к безопасной питьевой воде, воде для бытового, сельскохозяйственного и промышленного использования7, присутствие МП в подземных водах поднимает новые вопросы о безопасности подземных вод в 21веке 8.

Наземные источники МП могут быть весьма разнообразными, при этом волокнистые МП от стирки текстильных изделий составляют примерно 35% МП, обнаруженных в водных системах9. Другими важными источниками различных видов МП в окружающей среде являются средства личной гигиены и косметические продукты, шины, сельскохозяйственные пластиковые пленки, искусственные газоны и дорожные покрытия, свалки, неправильно утилизированный пластик, упаковка и загрязняющие вещества строительной отрасли 9,10.

Из-за множества различных источников МП могут существенно различаться по своему химическому составу, цвету, форме, плотности, размеру идругим характеристикам. Международный стандарт ISO 24187:2023 классифицирует МП на две категории: 1) «крупный микропластик»: твердые, нерастворимые в воде частицы пластика размером от 1 мм до 5 мм, и 2) «микропластик»: любые твердые частицы пластика, нерастворимые в воде, размером от 1 мкм до 1 мм. Частицы размером менее 1 мкм считаются наночастицами12. Наиболее часто встречающимися полимерными материалами в форме МП являются полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП), как наиболее широко производимые полимерные материалы13.

МП могут переноситься в грунтовые воды из почвы и отложений в результате взаимодействия с поверхностными и морскими водами, а также в результате процессов подпитки/разгрузки. Во время этих процессов МП могут транспортироваться в грунтовые воды и из них14. Гипорейная зона (HZ) служит важным интерфейсом для обмена между рекой и мелководной системой подземных вод15. На перенос МР через ОГ влияют различные свойства частиц (размер, форма, состав материала), а также некоторые гидрологические и геохимические факторы, включая морфологию русла реки и турбулентностьпотока15. Взаимосвязь между диаметром пор и размером МР является еще одним важным фактором в этих процессах16, так как МР с меньшими размерами легче перемещаются через поровое пространство от поверхности к подповерхностным слоям 15,16.

МП могут попадать в грунтовые воды через ненасыщенную зону17. Ненасыщенная зона представляет собой важную связь между поверхностью земли и грунтовыми водами18. Процессы переноса и удержания МП в ненасыщенной зоне зависят от свойств частиц, свойств почвы и факторов окружающей среды 17,19,20. Почвенные организмы, такие как дождевые черви, коллемболаны и клещи, могут влиять на перенос МП с поверхности почвы в более глубокие слои с помощью различных механизмов, таких как вытеснение, проглатывание, поглощение и адгезия21,22. Беспозвоночные могут косвенно влиять на транспортировку микропластика, образуя макропоры в почве, которые действуют как пути для перемещения микропластика через выщелачивание21.

Основной проблемой в отношении присутствия МП в подземных водах является их стойкость, связанная с большой площадью поверхности, менее экологически безопасными процессами разложения (приводящими к образованию микро- и даже наноразмерных частиц) и сильной гидрофобностью17. Их стойкость создает потенциальный риск воздействия на качество подземных вод с химической и биологической точки зрения. МП могут химически загрязнять грунтовые воды, выщелачивая несвязанные мономеры и добавки, а также сорбированные химические вещества из окружающей среды (например, гидрофобные стойкие органические загрязнители)23. МП также могут служить субстратом для образования биопленки и влиять на микробиологию подземных вод. Биопленки на МП также могут содержать свободноживущие микроорганизмы и патогены23. При попадании в организм сами частицы представляют физическую опасность. Чем меньше размер частиц, тем больше вероятность того, что они будут поглощены клетками или преодолеют биологические барьеры организмов.

Исследования МП в подземных водах все чаще признаются критически важными из-за потенциального риска, который МП представляют для здоровья человека. В связи с этим в январе 2021 года вступила в силу пересмотренная Директива о питьевой воде для измерения МП. Государства-члены ЕС были обязаны транспонировать Директиву в национальное законодательство и обеспечить соблюдение ее положений до 12 января 2023 года. Тем не менее, количество проведенных на сегодняшний день исследований по МП остается ограниченным. В настоящее время не существует стандартной процедуры отбора проб и анализа МП в подземных водах. Исследования, оценивающие наличие МП в подземных водах, трудно сравнивать, поскольку в них используются разные подходы к отбору проб и анализу. Поэтому последние исследования высветили острую необходимость стандартизации протоколов отбора и анализа МП для обеспечения сбора высококачественных проб и получения сопоставимых результатов 12,17,24,25.

Отбор проб на основе фильтрации и отбор лабораторных проб являются двумя наиболее часто используемыми методами отбора проб подземных вод в исследованиях МП на сегодняшний день. Фильтрация включает в себя пропускание воды через сетчатые фильтры, либо картриджи из нержавеющей стали26, либо сита27, в полевых условиях для улавливания частиц MP. Основным недостатком использования картриджей и сит является сложность их тщательной очистки от остаточных частиц, что ставит под угрозу возможность обеспечения полного анализа проб и увеличивает риск перекрестного загрязнения. Грейферный отбор проб, часто используемый во многих исследованиях 28,29,30, представляет собой более простой подход, при котором вода собирается непосредственно с помощью бутылок или контейнеров без предварительной очистки. Несмотря на то, что отбор лабораторных проб подходит для поисковых исследований, он не позволяет точно отражать концентрацию MP из-за небольших объемов проб.

В данном исследовании представлена недавно разработанная система отбора проб МП в грунтовых водах (Рисунок 1), основанная на полевой фильтрации с использованием коммерчески доступных фильтров с настраиваемыми размерами пор. Система позволяет одновременно фильтровать несколько образцов и поддерживает каскадную фильтрацию. Полностью закрытая установка, она эффективно предотвращает загрязнение образцов окружающей средой. Предоставляется подробный протокол отбора проб, сопровождаемый видеоинструкциями, а также процедуры последующего анализа химического состава и других характеристик обнаруженных МП. Система направлена на повышение качества, согласованности и сопоставимости будущих исследований в этой области.

Протокол

1. Подготовка скважины к отбору проб

ПРИМЕЧАНИЕ: Во избежание загрязнения в полевых условиях держите систему фильтрации закрытой, за исключением случаев установки фильтров или отбора проб. Избегайте использования пластиковых инструментов и емкостей. Избегайте синтетической одежды (например, флис); Наденьте белый хлопчатобумажный лабораторный халат.

  1. Откройте скважину и удалите все пробоотборники, если таковые имеются. Измерьте уровень грунтовых вод с помощью измерителя уровня воды.
  2. Запишите GPS-координаты скважины, дату отбора проб, уровень воды и другие детали отбора проб в техническом паспорте (Таблица 1).

2. Настройка оборудования для отбора проб

  1. Соберите и аккуратно опустите погружной насос в скважину на нужную глубину. Убедитесь, что воздухозаборник насоса расположен примерно на 1 м выше верхней части фильтрующего экрана, чтобы предотвратить попадание осадка и поддерживать оптимальный расход воды.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Во время установки обращайтесь с насосом осторожно, чтобы не повредить его проводку или механические компоненты.
  2. Установите систему фильтрации без фильтра, опорных экранов и фильтров и разместите ее горизонтально.
  3. Закройте главный клапан и откройте перепускной клапан.
  4. Подсоедините шланг подачи воды.

3. Очистка скважины

  1. Запустите погружной насос и дайте воде течь через байпас для очистки скважины. Закачивайте воду как минимум в 3 раза больше воды, чем в скважине, или продолжайте откачку до тех пор, пока физико-химические параметры не стабилизируются, чтобы обеспечить отбор проб свежих подземных вод.

4. Очистка фильтрующей системы перед отбором проб

  1. Откройте клапаны пробоотборных патрубков и главный клапан фильтрующей системы. После этого закройте перепускной клапан.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Дайте воде протекать через систему фильтрации в течение достаточного времени для обеспечения эффективной промывки, которая может зависеть от скорости откачки. В процессе очистки необходимо снять опорные сетки фильтров и фильтры.

5. Установка фильтров

  1. Сначала откройте перепускной клапан, а затем закройте главный клапан.
  2. Откройте фильтрующую камеру и убедитесь, что фильтрующие камеры чистые. При необходимости промойте сверхчистой водой.
  3. Вставьте опорный экран фильтра.
  4. Промойте фильтр нужного размера пор ультрачистой водой и поместите его на опорное сетчатое сетку фильтра.
  5. Закройте камеру фильтра.
  6. Повторите процесс для всех ветвей.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для каскадной фильтрации можно последовательно вставлять несколько фильтров с уменьшающимися размерами пор. Впоследствии могут быть установлены дополнительные фильтрующие камеры с фильтрами с теми же размерами пор, что и пробоотборные фильтры. Этого требует Приложение к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441 от 11 марта 2024 года, дополняющему Директиву (ЕС) 2020/2184 Европейского парламента и Совета о отборе проб у членов парламента в питьевой воде, которая предписывает использование фильтров 100 мкм и 20 мкм, за которыми следует еще один набор фильтров 100 мкм и 20 мкм (в качестве заготовок для целей контроля качества).

6. Забор образцов

  1. Считывание и запись показаний счетчика воды или сброс его на ноль.
  2. Откройте главный клапан, закройте байпасный клапан и отметьте время начала отбора проб.
  3. Следите за манометром во время отбора проб, чтобы убедиться, что давление не превышает четырех бар, чтобы не повредить оборудование и свести к минимуму фрагментацию MP.
  4. Остановите отбор проб, когда запланированный объем воды будет отфильтрован или когда фильтры начнут засоряться, что свидетельствует о повышенном давлении или значительном снижении расхода.
  5. Чтобы остановить отбор проб, сначала откройте перепускной клапан, а затем закройте главный клапан и клапаны на фильтрующих пастях.
  6. Выключите насос.
  7. Записывайте время и итоговые показания со счетчика воды.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения репрезентативной пробы грунтовых вод в точке отбора проб рекомендуется отбирать пробы больших объемов воды, например, не менее 1м3/реплику.
    Крайне важно постоянно контролировать всю пробоотборную систему, особенно счетчик воды и манометр, на протяжении всей процедуры отбора проб. Повышение давления, сопровождающееся уменьшением расхода воды, свидетельствует о том, что фильтр начинает засоряться. Когда это происходит, желательно остановить работу системы и заменить использованные фильтры на новые. Таким образом, собирая пробу через несколько фильтров, можно эффективно достичь желаемого объема отфильтрованной воды.

7. Сбор фильтров

  1. Ополосните стеклянную чашку Петри сверхчистой водой.
  2. Откройте камеру фильтра и осторожно переложите фильтр, поддерживаемый в горизонтальном положении, в чистую чашку Петри.
  3. Запечатайте чашку Петри герметизирующей пленкой и наклейте на нее этикетку с названием образца и датой отбора пробы.
  4. Повторите эту процедуру для всех фильтровальных камер (рисунок 2).
  5. После сбора образца разберите систему. Всегда промойте систему пресной водой и высушите ее перед хранением.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В качестве альтернативы можно хранить весь компонент фильтрующей камеры фильтрующей системы для дальнейшей обработки в лаборатории.

8. Отделение микропластика от образцов

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы предотвратить загрязнение в лаборатории, перед началом анализа образцов убедитесь, что лаборатория очищена от пыли, закройте окно и используйте кондиционер с фильтром HEPA. Избегайте использования пластиковых инструментов и контейнеров. Перед использованием стеклянную посуду необходимо промыть сверхчистой водой и проверить под микроскопом. Используйте несинтетическую одежду. Наденьте белый хлопчатобумажный лабораторный халат, чтобы свести к минимуму загрязнение.

ПРИМЕЧАНИЕ: Стереомикроскоп должен быть оснащен камерой и программным обеспечением для анализа изображений, позволяющим точно измерять размер частиц.

  1. Снимите уплотнительную пленку и откройте чашку Петри.
  2. Перенесите чашку Петри под стереомикроскоп с не менее чем 30-кратным увеличением и ищите потенциально пластиковые частицы, ориентируясь на такие характеристики, как цвет, форма и другие видимые особенности.
  3. Перенесите каждую частичку, которая кажется пластиковой, сделайте фото и измерьте ее размер. Оцените следующие свойства каждой частицы МП: размер (частицы: феретмакс или эквивалентный по площади диаметр; волокна: ширина и длина), форма (частицы: фрагмент, пленка, пена, гранулы, гранулы; волокна), цвет и химический состав (методология описана ниже) (рис. 3).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Имейте в виду, что некоторых членов парламента будет легко узнать по цвету кожи и форме, в то время как другие могут быть более сложными.
    Основные параметры для идентификации МП описаны в протоколе отбора проб МП на поверхности моря и анализа проб26. Поляризационный свет может быть очень полезен для отделения МП от осадка и органических частиц. При выделении потенциальных МП из образцов выбирайте консервативный подход, отбирая больше, а не меньше частиц для детального анализа.

9. Химическая идентификация микропластика

ПРИМЕЧАНИЕ: Химический анализ потенциальной МП может быть проведен для больших МП (1-5 мм) с использованием ATR-FTIR и для малых МП (<1 мм) с помощью микро-FTIR. Также возможны альтернативные методы, такие как рамановская спектроскопия.
Программное обеспечение ИК-Фурье прибора должно поддерживать точное управление параметрами измерений и сбор спектральных данных в режиме реального времени, а также передовые инструменты обработки, такие как коррекция фона и сглаживание. Он должен включать в себя обширную библиотеку полимеров и обеспечивать надежную идентификацию веществ путем сравнения спектральных библиотек для поддержки точного анализа микропластика в образцах окружающей среды, особенно в сложных матрицах, таких как грунтовые воды.

  1. НПВ-ИК-Фурье спектроскопия
    1. Перед началом анализа тщательно очистите кристалл ATR и прессор для образцов с помощью 70% спирта и безворсовой ткани.
    2. Настройте параметры измерения для 16 сканирований с волновым числом в диапазоне от 4000 до 450 см -1 и разрешением 4 см -1. Затем соберите фоновый спектр. Поместите частицы одну за другой на кристалл НПВО, приложите давление и начните измерения.
    3. Сопоставьте полученные инфракрасные спектры с спектрами в справочных библиотеках, чтобы подтвердить, что частицы являются MP. Как правило, 70% корреляция с библиотечными спектрами считается достаточной для положительной идентификации (рис. 4).
    4. Экспортируйте полученные данные для дальнейшего анализа и составления отчетов.
  2. Микро-ИК-Фурье спектроскопия
    1. Перед анализом убедитесь, что все соответствующие части инструмента, такие как сцена, очищены спиртом и безворсовой тканью.
    2. Если отбор проб проводился не непосредственно на поверхности, подходящей для выбранного режима измерения, например, НПВО или отражения, поместите потенциальные частицы пластика на соответствующую отражающую поверхность, такую как мембраны с золотым или алюминиевым покрытием или предметные стекла микроскопа.
    3. Выберите настройки измерения для сеанса, включая количество сканирований, спектральный диапазон, разрешение и название сеанса. Найдите образец и сделайте мозаичное изображение области, где находятся все частицы.
    4. Для измерения отражения сначала измерьте фон, прежде чем измерять инфракрасные спектры потенциальных пластиковых частиц.
    5. Определите и отметьте точки, в которых будут измеряться инфракрасные спектры выбранных частиц. При необходимости выберите несколько точек на каждой частице. После выбора всех точек приступаем к измерению.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Также возможно получение инфракрасных изображений больших областей интереса, особенно если образец собирается непосредственно на подходящей инфракрасной измерительной поверхности.
    6. Сравните собранные инфракрасные спектры с спектрами из справочных библиотек. Выберите пороговое значение для установления наличия МП. Как правило, для положительной идентификации достаточно 70% совпадения.
    7. Экспортируйте полученные данные для дальнейшего анализа и составления отчетов.

Результаты

Первыми результатами работы этого протокола является база данных всех МП, найденных в каждом образце (табл. 2), которая может быть использована для дальнейшего анализа количества МП и его свойств (цвет, размер, форма в составе материала).

Основной целью отбора проб и анализа проб является определение количества частиц ПД в пробе (Рисунок 5). Эти данные впоследствии могут быть нормализованы на кубический метр (м3). Формула нормализации выглядит следующим образом:
Частицы МР на м3 на пробу = Н / В

Где:
N = сумма частиц МД на пробу
V = объем образца (м3)

figure-results-1
Рисунок 1: Схема системы отбора проб, используемой в протоколе. Система отбора проб состоит из входной трубы с тремя опорами, одна из которых предназначена для подключения к насосу, вторая – для подключения к распределительному устройству, а третья – для обеспечения обхода воды мимо пробоотборных блоков. Распределительный блок имеет четыре симметрично расположенных ответвления для подключения к соответствующему блоку отбора проб, в центре которого установлен прибор для измерения давления. Каждый блок отбора проб снабжен клапаном, тремя фильтродержателями и расходомером, установленным после фильтродержателя для предотвращения загрязнения пробы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-2
Рисунок 2: Пример фильтров после 1 м3 отбора проб грунтовых вод. Слева: фильтр из нейлоновой сетки с размером пор 100 мкм, справа: фильтр из нейлоновой сетки с размером пор 20 мкм. Фильтры могут различаться по количеству осадка и органических частиц, в зависимости от места отбора проб. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-3
Рисунок 3: Примеры репрезентативных частиц различной формы. (А) фрагменты; (В) волокна. Масштабные линейки показаны на изображениях. Частицы могут быть разных цветов, форм и размеров. Размер фрагментов измеряется как диаметр Ферета или эквивалентный по площади диаметр, а волокна измеряются по их длине и ширине. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-4
Рисунок 4: Примеры спектров, измеренных на выбранной частице с отмеченными пиками и их длинами волн [см-1], в сравнении со спектральной библиотекой. Спектр образца должен иметь корреляцию не менее 70% с эталонными спектрами в библиотеке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-results-5
Рисунок 5: Примеры результатов измерения количества микропластика нам3 в одном месте отбора проб. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Местонахождение: Скважина 1Дата: 1 апреляИсследователь(ы): Научный сотрудник 1, Научный сотрудник 2, Научный сотрудник 3
GPS координаты: 46.056946 N 14.505751 E
Проект: Отбор проб подземных вод
Погодные условия: Солнечно
Температура (°C): 20
Образцы
Идентификатор образцаГВ1.1ГВ1.2ГВ1.3ГВ1.4
Позиция фильтрации1234
Тип фильтраНейлон - 100 μм, 20 μмНейлон - 100 μм, 20 μмНейлон - 100 μм, 20 μмНейлон - 100 μм, 20 μм
Глубина отбора проб (м)25252525
Время начала10.0010.0010.0010.00
Счетчик воды СТАРТ (м3)437.4199
Время окончания10.45
Счетчик воды END (м3)438.421
Объем отобранной воды (м3)1.001
Другой

Таблица 1: Пример таблицы данных для отбора проб, включая такие параметры, как местоположение, дата, условия окружающей среды и данные, связанные с фильтрацией воды.

МестоположениеОбразецID частицФормаРазмер (мм)ЦветХимический состав% совпаденияПриоритетные полимерыИнструментСпектрДругой
Скважина 1Borehole1_1_202422041частица0.54чёрныйПолитетрафторэтилен80.2ПТФЭСпектр второйАВС1111
Скважина 1Borehole1_1_202422042волокно0.98синийПолиэтилентерафалат91.9Домашнее животноеRaptIRАВК1112
Скважина 1Borehole1_2_202422041волокно1.54синийПолиамид75.0ПАПАRaptIRАВК1113
Скважина 1Borehole1_2_202422042волокно2.87красныйПолиэтилентерафалат98.0Домашнее животноеRaptIRАВС1114
Скважина 1Borehole1_2_202422043волокно3.04красныйПолиэтилентерафалат71.3Домашнее животноеRaptIRАВС1115
Скважина 1Borehole1_2_202422044волокно1.27синийПолиэтилентерафалат83.6Домашнее животноеRaptIRАВС1116
Скважина 1Borehole1_3_202422041частица1.93БелыйПолиэтилен85.3ПЭСпектр второйАВС1117
Скважина 1Borehole1_3_202422042частица0.96синийПолиэтилен89.4ПЭСпектр второйАВК1118
Скважина 1Borehole1_3_202422043волокно0.54синийПолиамид73.2ПАПАRaptIRАВС1119

Таблица 2: Пример базы данных всех изолированных частиц микропластика в каждой пробе, включая такие параметры, как форма, размер, цвет и материал для каждой частицы.

Обсуждение

Лабораторный анализ МП в настоящем протоколе проводится в соответствии с Приложением к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441 от 11 марта 2024 года, дополняющим Директиву (ЕС) 2020/2184 Европейского парламента и Совета, устанавливая методологию измерения МП в воде, предназначенной для потребления человеком (Приложение к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441) и Руководство по мониторингу морского мусора в европейских морях31 разработан для реализации Рамочной директивы по морской стратегии (MSFD). По завершении этого протокола каждая частица или волокно MP со своим идентификатором документируется с помощью изображения, спектров и всех приобретенных свойств. Каждая частица МР описывается с точки зрения ее формы, размера, цвета, прозрачности и химического состава (типа полимера).

Согласно приложению к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441, МП делятся на два типа форм: частицы и волокна. Частицы можно разделить на фрагменты, пленки, пены, гранулы и гранулы. Эта классификация используется при мониторинге МП для MSFD. Дифференциация различных форм МП описана в руководящих принципахMSFD 31 и видеопротоколе отбора проб МП на поверхности моря32. Размер каждой частицы измеряется как максимальный диаметр Ферета31 или эквивалентный по площади диаметр (Приложение к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441), в то время как размеры волокон записываются с точки зрения их длины и ширины31. Несмотря на то, что цвет и прозрачность не включены в данные, полученные в соответствии с Приложением к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441, они включены в список объектов MP, собранных для MSFD. Классификации изложены в таблицах 7.3 и 7.4 руководящих принципов MSFD31 соответственно.

На основании результатов поиска спектра в библиотеке спектров частицы МР классифицируются в одну из приоритетных полимерных групп, перечисленных в Приложении к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441, раздел 1, пункты (14) и (15), или классифицируются как другие материалы в соответствии с разделом 1, пункт (15). Химический состав волокон следует анализировать только в том случае, если их размеры и возможности прибора позволяют однозначно определить тип полимера; в противном случае они должны быть обозначены как неопознанные волокна.

Мониторинг МП в подземных водах ограничен небольшим числом научных исследований с различными методологиями, которые могут повлиять на конечные результаты14. Ключевые факторы включают: 1) промывку перед отбором проб, 2) тип насоса, 3) систему фильтрации, 4) материал фильтра и размер пор, 5) объем пробы, 6) обработку пробы, 7) обнаружение и количественное определение MPS и 8) контроль качества. Эти факторы и их характеристики более подробно рассмотрены ниже.

В большинстве существующих исследований предварительная откачка (промывка) перед отбором проб не упоминается. Но и об этом следует предоставитьинформацию 33, так как чистка оказывает существенное влияние на концентрацию МП28. Наш протокол включает в себя предварительную откачку, так как этот процесс имеет решающее значение для отбора проб свежих подземных вод из водоносного горизонта, а не застоявшейся воды, скопившейся в скважине. Для эффективной очистки скважины необходимо откачать в 2-3 раза больше объема скважины или продолжать до тех пор, пока физико-химические показатели воды не стабилизируютсяв 14 раз. Проба воды должна отбираться на высоте примерно 1 м над верхней частью фильтрующего сетки, чтобы предотвратить попадание осадка и обеспечить однородность пробы.

Сбор проб грунтовых вод из скважин требует использования насоса. Скорость потока в значительной степени зависит от глубины отбора проб, типа используемого насоса и состояния скважины, которое тесно связано с характеристиками воды, характерными для конкретного места, такими как содержание осадка, а также с преобладающими и недавними погодными условиями во время отбора проб.

Как правило, большинство насосов содержат пластиковые детали, которые потенциально могут загрязнить образцы, однако в большинстве исследований не указан тип используемого насоса. Рекомендуется использовать насосы со всеми компонентами из нержавеющей стали. Если такой возможности нет, материалы следует уточнить с точки зрения их химического состава с помощью ИК-Фурье анализа. Спектры используемых материалов должны быть включены в библиотеку, а частицы из образцов должны быть сравнены с ними, чтобы учесть потенциальное загрязнение.

В насосах, оснащенных рабочими колесами, более крупные частицы MP могут быть повреждены или даже фрагментированы при прохождении через насос. Чтобы избежать переоценки присутствия МП, важно оценить, способствует ли насос для отбора проб фрагментации пластиковых частиц. Это можно проверить, введя известное количество хорошо охарактеризованных частиц МП в предварительно очищенную воду и прокачав ее через систему фильтрации. После откачки частицы должны быть повторно охарактеризованы, чтобы определить, произошли ли какие-либо физические изменения, такие как фрагментация или изменение поверхности. Этот этап валидации помогает гарантировать, что в процессе отбора проб количество МП искусственно не увеличивается из-за механической деградации.

Для обеспечения большого объема отобранной воды необходима система фильтрации, пригодная для использования в полевых условиях. В нашем протоколе, чтобы избежать загрязнения, система фильтрации (система отбора проб запатентована под SLO-P-202300155 и находится на патенте EPO-EP24217168.4) изготовлена из нержавеющей стали со всеми сваренными компонентами и не включает тефлон (ПТФЭ) или любую другую изоляционную ленту из пластиковых материалов. Поскольку фильтры могут очень быстро засоряться, в качестве опции включена каскадная фильтрация, которая также может обеспечить прямое распределение частиц по желаемым классам размеров. Как правило, используются фильтры с размером пор 100 мкм и 20 мкм или 10 мкм. Для решения возможных проблем с засорением можно добавить дополнительные фильтры (например, дополнительный фильтр с порами от 100 мкм до 20 мкм). Приложение к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441 рекомендует каскадную фильтрацию с четырьмя ступенями: первый фильтр имеет поры 100 мкм, второй 20 мкм, третий 100 мкм и четвертый 20 мкм. Первые два фильтра используются для анализа МП, а третий и четвертый – для оценки уровня загрязнения МП (контроль качества отбора проб) и для того, чтобы убедиться, что все частицы были отфильтрованы первыми двумя.

Расходомер (особенно если он механический) следует устанавливать после каскада фильтров для отбора проб, чтобы точно измерить объем отобранной воды. Во время отбора проб важно контролировать давление в системе. Если давление превышает 4 бар, это указывает на засорение фильтра, и систему необходимо немедленно отключить, чтобы предотвратить повреждение фильтра или системы. Во избежание дополнительной фрагментации МП отбор проб следует проводить при минимально возможном давлении.

Как уже упоминалось, Делегированное решение Комиссии (ЕС) 2024/1441 предлагает использовать фильтры 100 мкм и 20 мкм. В данном исследовании использовались нейлоновые фильтры. Однако в этом случае необходимо собрать частицы МП с фильтров и передать их непосредственно на ПТР-ИК-Фурье или отражающие стекла, пригодные для работы в режиме отражения с ИК-Фурье или рамановской микроскопией. Фильтры из нейлоновой сетки эффективны для фильтрации через фильтры с размером пор 100 мкм, так как частицы такого размера можно обрабатывать вручную. Однако при использовании фильтров 20 мкм рекомендуется использовать фильтры с силиконовым или алюминиевым покрытием для облегчения измерений в режиме пропускания или отражения с помощью ИК-Фурье или рамановской микроскопии.

В литературе рекомендуется отбирать не менее 500 л воды, чтобы не занижать наличие МП34. Согласно приложению к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441, отбор проб воды должен быть взят с 1м3 . Рекомендуемый объем необходимо учитывать, чтобы избежать завышения концентрации МП в образце. Такой большой объем воды увеличивает риск засорения фильтра, поэтому очень рекомендуется использовать каскадную фильтрацию.

Образцы из представленной системы сразу же подготавливаются к анализу МП с помощью стереомикроскопа. Это очень эффективный по времени и затратам метод. Во многих исследованиях подробно описаны этапы предварительной обработки для удаления песка и органических веществ; Однако эти процедуры отнимают много времени и могут включать использование токсичных химических веществ. Такие этапы предварительной обработки также могут негативно повлиять на результаты, поскольку они приводят к дополнительной фрагментации или потере частиц, особенно более мелких (< 100 мкм)35. Поэтому предпочтительно избегать этих шагов без необходимости. Такие инструкции также описаны в Делегированном решении Комиссии (ЕС) 2024/1441, где предлагается, чтобы анализ образцов с помощью ИК-Фурье микроспектроскопии мог быть выполнен непосредственно на оригинальных фильтрах для сбора, если они совместимы с используемым аналитическим методом, и при необходимости использовался этап флотации.

Во-первых, образцы фильтров анализируются с помощью стереомикроскопов, в ходе чего каждая частица фотографируется, маркируется идентификатором, измеряется по размеру и оценивается по форме. Определение формы имеет важное значение, так как оно может дать информацию об источнике МП. Волокна обычно образуются в результате стирки текстиля и поступают из очистных сооружений, в то время как фрагменты обычно образуются в результате разложения крупных частиц пластика в окружающей среде. Во второй части анализа химический состав каждой частицы определяется с помощью ATR-FTIR или FTIR/рамановской микроскопии. Как правило, все частицы из фильтра на отражающие стекла переносятся для выполнения анализа в отражающем режиме с помощью ИК-Фурье микроскопии. Если образец собран на силиконовом фильтре 20 мкм, можно провести прямой анализ с помощью рамановского или ИК-Фурье микроскопа при условии, что фильтр не покрыт чрезмерно частицами песка. Если частицы погружены в песок, может быть применено разделение плотности и/или химическая или ферментативная обработка для уменьшения присутствия непластичных материалов, таких как минералы, оксиды металлов и природные органические вещества. Частицы МП перед измерением необходимо высушить, так как вода сильно поглощает ИК-излучение.

Для обеспечения достоверности результатов необходимо учитывать следующие элементы контроля качества: во-первых, предотвращение загрязнения воздуха: для предотвращения загрязнения атмосферы во время отбора проб необходима закрытая система фильтрации. Чтобы избежать загрязнения воздуха в процессе анализа, требуется белый хлопчатобумажный халат и фильтрация воздуха через фильтр HEPA. Во-вторых, предотвращение загрязнения системой фильтрации: единственным компонентом системы, в котором полимеры неизбежны, являются шланги. Рекомендуется использовать силиконовые шланги, которые следует заменить в случае видимых повреждений. Необходимо знать компоненты насоса и проверить насос на потенциальное загрязнение образцов, если установлено наличие полимера. В-третьих, предотвращение загрязнения во время лабораторной работы: для анализа МПС подходит только лабораторное оборудование, изготовленное из стекла и промытое сверхчистой водой. В-четвертых, параллельные выборки для обеспечения воспроизводимости и статистической значимости результатов: эта система фильтрации позволяет одновременно отбирать пробы из четырех ветвей. Для обеспечения одинаковых условий для всех образцов и экономии времени необходимо получить как минимум три параллельных образца. В-пятых, чистые образцы должны быть включены во все этапы отбора проб и лабораторных процессов. Во время отбора проб в полевых условиях после фильтров для проб 100 мкм и 20 мкм устанавливаются пустые фильтры размером 100 мкм и 20 мкм, как предлагается в Приложении к Делегированному решению Комиссии (ЕС) 2024/1441. Пустые пробы, полученные в ходе процедуры отбора проб, должны быть рассмотрены на всех этапах анализа по той же процедуре.

Протокол, изложенный в этом документе, отвечает всем требованиям, изложенным в Делегированном решении Комиссии (ЕС) 2024/1441 и, следовательно, является отличным ресурсом для всех исследователей, изучающих или контролирующих МП в подземных водах. Описанная система фильтрации также может быть использована для пресноводных или морских вод, так как она позволяет отбирать пробы МП на разных глубинах. Метод отбора проб прост, удобен в использовании и в большинстве случаев обеспечивает быстрые и точные результаты без необходимости предварительной обработки образца.

Раскрытие информации

У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.

Благодарности

Разработка данного протокола финансировалась Словенским агентством исследований и инноваций в рамках исследовательского проекта «Усовершенствованные методы определения процессов переноса МП в ресурсах подземных вод» (GWMicroPlast) (J1-50030) и исследовательской программы «Подземные воды и геохимия» (P1-0020), а также проекта Research Science Funds «Микропластик в геосфере» (Manca).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Спектрометр ATR-FTIRПеркинЭлмерL160000FSpectrumTwo
Микроскоп FTIRThermoFischer ScientificIQLAADGAAGFARMMBMNRaptIR
Стеклянные чаши ПетриБренд455717Диаметр 60 мм
Мембраны из нейлоновой сеткиMerckNY1H04700Гидрофильный, 100  & микро; m, 47  Мм, 100
Мембраны из нейлоновой сеткиMerckNY2004700Гидрофильный, 20  & микро; m, 47  Мм, 100
Точные щипцыBraunBBD335RМикропинцет
Герметизирующая плёнкаAmcor Flexibles NorthPM992Parafilm M
Стереомикроскоп и nbsp;Zeiss495015-9880-010StereoDiscovery V8
Погружной водяной насосГрундфосс96510217SQ 5-70
Измеритель уровня водыГидротехника/Тип 010

Ссылки

  1. Singh, S., Bhagwat, A. Microplastics: a potential threat to groundwater resources. GWSD. 19, https://www.aer.ca/data-and-performance-reports/data-hub/well-status (2022).
  2. Wang, C., O'Connor, D., Wang, L., Wu, W. M., Luo, J., Hou, D. Microplastics in urban runoff: global occurrence and fate. Water Res. 225, (2022).
  3. Jambeck, J. R., et al. Plastic waste inputs from land into the ocean. Science. 347 (6223), 768-771 (2015).
  4. Scanlon, B. R., et al. Global water resources and role of groundwater in a more resilient water future. Nat Rev Earth Environ. 4 (2), 87-101 (2023).
  5. Lambert, S., Wagner, M. Microplastics are contaminants of emerging concern in freshwater environments: an overview. Handb Environ Chem. 58, 1-23 (2018).
  6. Rezende, J. D., Moretti, M. S. An overview of microplastic research in marine and freshwater habitats using topic modeling. Hydrobiologia. 850 (6), 1413-1426 (2023).
  7. Wada, Y. Modeling groundwater depletion at regional and global scales: present state and future prospects. Surv Geophys. 37 (2), 419-451 (2016).
  8. Dey, U., et al. Microplastics in groundwater: an overview of source, distribution, mobility constraints and potential health impacts during the Anthropocene. Groundw Sustain Dev. 23, (2023).
  9. Xu, C., et al. Are we underestimating the sources of microplastic pollution in terrestrial environment. J Hazard Mater. 400, (2020).
  10. Cole, M., Lindeque, P., Halsband, C., Galloway, T. S. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review. Mar Pollut Bull. 62 (12), 2588-2597 (2011).
  11. HidalgoRuz, V., Gutow, L., Thompson, R. C., Thiel, M. Microplastics in the marine environment: a review of the methods used for identification and quantification. Environ Sci Technol. 46 (6), 3060-3075 (2012).
  12. Koelmans, A. A., Mohamed Nor, N. H., Hermsen, E., Kooi, M., Mintenig, S. M., De France, J. Microplastics in freshwaters and drinking water: critical review and assessment of data quality. Water Res. 155, 410-422 (2019).
  13. Maddah, H. A. Polypropylene as a promising plastic: a review. Am J Polym Sci. 6 (1), 1-11 (2016).
  14. Colmenarejo Calero, E., Kovač Viršek, M., Mali, N. Microplastics in groundwater: pathways, occurrence, and monitoring challenges. Water. 16 (9), (2024).
  15. Wagner, M., et al. Microplastics in freshwater ecosystems: what we know and what we need to know. Environ Sci Eur. 26 (1), (2014).
  16. Long, M., et al. Interactions between microplastics and phytoplankton aggregates: impact on their respective fates. Mar Chem. 175, (2015).
  17. Viaroli, S., Lancia, M., Re, V. Microplastics contamination of groundwater: current evidence and future perspectives. Sci Total Environ. 824, (2022).
  18. Li, H., Lu, X., Wang, S., Zheng, B., Xu, Y. Vertical migration of microplastics along soil profile under different crop root systems. Environ Pollut. 278, (2021).
  19. Ren, Z., Gui, X., Xu, X., Zhao, L., Qiu, H., Cao, X. Microplastics in the soilgroundwater environment: aging, migration, and cotransport of contaminants - a critical review. J Hazard Mater. 419, (2021).
  20. Lwanga, E. H., et al. Review of microplastic sources, transport pathways and correlations with other soil stressors: a journey from agricultural sites into the environment. Chem Biol Technol Agric. 9 (1), (2022).
  21. Maaß, S., Daphi, D., Lehmann, A., Rillig, M. C. Transport of microplastics by two collembolan species. Environ Pollut. 225, (2017).
  22. Rillig, M. C., Ziersch, L., Hempel, S. Microplastic transport in soil by earthworms. Sci Rep. 7 (1), (2017).
  23. Microplastics in drinking water. , World Health Organization. Geneva. Licence: CC BYNCSA (2019).
  24. Chia, R. W., Lee, J. Y., Jang, J., Cha, J. Errors and recommended practices that should be identified to reduce suspected concentrations of microplastics in soil and groundwater: a review. Environ Technol Innov. 28, (2022).
  25. Drummond, J. D., Nel, H. A., Packman, A. I., Krause, S. Significance of hyporheic exchange for predicting microplastic fate in rivers. Environ Sci Tech Let. 7 (10), (2020).
  26. Pittroff, M., Munz, M., Valenti, B., Loui, C., Lensing, H. J. Fate of microplastics in deep gravel riverbeds: evidence for direct transfer from river water to groundwater. Microplastics. 4 (2), 26(2025).
  27. Matjašič, T., Mori, N., Hostnik, I., Bajt, O., Viršek, M. K. Microplastic pollution in small rivers along rural-urban gradients: variations across catchments and between water column and sediments. Sci Total Environ. 858, (2023).
  28. Samandra, S., Johnston, J. M., Jaeger, J. E., Symons, B., Xie, S., Currell, M., Ellis, A. V., Clarke, B. O. Microplastic contamination of an unconfined groundwater aquifer in Victoria, Australia. Sci Total Environ. 802, (2022).
  29. Panno, S. V., Kelly, W. R., Scott, J., Zheng, W., McNeish, R. E., Holm, N., Hoellein, T. J., Baranski, E. L. Microplastic contamination in karst groundwater systems. Groundwater. 57 (2), 189-196 (2019).
  30. Shi, J., Dong, Y., Shi, Y., Yin, T., He, W., An, T., Tang, Y., Hou, X., Chong, S., Chen, D., Qin, K., Lin, H. Groundwater antibiotics and microplastics in a drinkingwater source area, northern China: occurrence, spatial distribution, risk assessment, and correlation. Environ Res. 210, (2022).
  31. Guidance on the monitoring of marine litter in European seas. , MSFD Technical Group on Marine Litter. (2023).
  32. Kovač Viršek, M., Palatinus, A., Koren, Š, Peterlin, M., Horvat, P., Kržan, A. Protocol for microplastics sampling on the sea surface and sample analysis. JoVE. (118), (2016).
  33. Lee, J. Y., Cha, J., Ha, K., Viaroli, S. Microplastic pollution in groundwater: a systematic review. Environ Pollut Bioavailab. 36 (1), 2299545(2024).
  34. Cha, J., Lee, J. Y., Chia, R. W. Comment on the paper "Microplastic contamination of an unconfined groundwater aquifer in Victoria, Australia". Sci Total Environ. 820, (2022).
  35. Weber, F., Kerpen, J. Underestimating microplastics? Quantification of the recovery rate of microplastic particles including sampling, sample preparation, subsampling, and detection using µ-Raman spectroscopy. Anal Bioanal Chem. 415 (15), 2963-2973 (2023).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи