Summary
Mikroplastikk fungerer som vektor av potensielt giftige organiske forurensninger med uforutsigbare effekter. Denne protokollen beskriver en alternativ metodikk for å vurdere nivåene av organisk klorpesticider adsorbert på plastpellets og identifisere polymerkemisk struktur. Fokus er på trykkluftutvinning og svekket totalrefleksjon Fourier transformer infrarødspektroskopi.
Abstract
Plastharpikspellets, kategorisert som mikroplastikk (≤5 mm i diameter), er små granulater som kan utilsiktet slippes ut i miljøet under produksjon og transport. På grunn av deres miljømessige utholdenhet, er de brede distribuert i havene og på strendene over hele verden. De kan fungere som en vektor av potensielt toksiske organiske forbindelser ( f.eks. Polyklorerte bifenyler) og kan derfor Negativt påvirke marine organismer. Deres mulige innvirkning langs næringskjeden er ennå ikke godt forstått. For å kunne vurdere farene forbundet med forekomst av plastpellets i havmiljøet, er det nødvendig å utvikle metoder som muliggjør rask bestemmelse av tilhørende organiske forurensningsnivåer. Den foreliggende protokoll beskriver de forskjellige trinn som kreves for prøvetaking av harpikspelleter, analyse av adsorberte organoklorpesticider (OCP) og identifisering av plasttype. Fokuset er påUtvinning av OCP fra plastpellets ved hjelp av en trykkfluidekstraktor (PFE) og polymerkemisk analyse ved anvendelse av Fourier Transform-InfraRed (FT-IR) spektroskopi. Den utviklede metodikken fokuserer på 11 OCP og relaterte forbindelser, inkludert diklorodifenyltrichloretan (DDT) og dets to hovedmetabolitter, lindan og to produksjonsisomerer, samt de to biologisk aktive isomerer av teknisk endosulfan. Denne protokollen utgjør et enkelt og raskt alternativ til eksisterende metode for å vurdere konsentrasjonen av organiske forurensninger adsorbert på plastbiter.
Introduction
Den globale produksjonen av plast øker kontinuerlig siden 1950-tallet for å nå 311 millioner tonn i 2014 med om lag 40% brukt i emballasje 1 . Parallelt øker økende mengder av disse materialene i miljøet, noe som kan utgjøre en alvorlig trussel mot økosystemene 2 . Selv om det allerede er rapportert på 1970-tallet, har forekomsten av plastrester i havmiljøet bare fått større oppmerksomhet i det siste tiåret. Spesielt mikroplastikk, plastfragmenter med en diameter på ≤ 5 mm, er nå anerkjent som en av de viktigste problemene med marine vannkvalitet 3 .
Plastharpikspellets er små granulat generelt i form av en sylinder eller en disk og med en diameter på noen få mm ( f.eks. 2 til 5 mm) 4 , 5 . De faller i kategorien mikroplastikk. Disse plastgranulatene erIndustrielt råmateriale hvorfra endelige plastprodukter fremstilles ved re-smelting og støping ved høy temperatur 6 . De kan utilsiktet slippes ut i miljøet under produksjon og transport. For eksempel kan de bli direkte introdusert til havet ved utilsiktet utslipp under frakt 4 , 7 , 8 . De kan transporteres fra land til hav ved overflate avstrømning, bekker og elver. På grunn av deres miljømessige utholdenhet, er plastpellets fordelt i havene og funnet på strender over hele verden 4 . De kan påvirke marine organismer negativt og kan komme inn i matkjeden, der deres effekter er uforutsigbare 6 , 7 . Videre har flere studier avslørt tilstedeværelsen av miljøforurensninger adsorbert på plastpellets samlet i en coastaL miljø, som fungerer som vektor av disse potensielt giftige kjemikaliene 4 , 9 , 10 . Faktisk finnes det laboratoriebevis som tyder på at disse kjemikaliene kan bioakkumulere i vev av organismer etter å ha blitt frigjort fra inntatt plastfragmenter 11 , 12 .
For bedre å vurdere farene forbundet med forekomst av plastpellets i havmiljøet, er det nødvendig å utvikle metodikker som kan bestemme sorberte organiske forurensninger. Et viktig skritt er utvinning av kjemikaliene fra plastmatrices, som kan presentere heterogene fysisk-kjemiske egenskaper, avhengig av polymertypen, nedbrytningstrinnet og pre-behandlinger. De fleste av undersøkelsene som er rapportert i litteraturen, bruker macerasjon eller Soxhlet teknikker 4 ,5 , 6 , 9 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , som er løsningsmiddel og / eller tidkrevende. Når det gjelder den økende interessen for dette problemet, bør alternativer utvikles, for en raskere vurdering av organiske forurensninger adsorbert på plastbiter. I tillegg gir plastisk kjemisk analyse informasjon om mikroplastikkens kjemiske struktur. Som et resultat kan de overordnede typer polymerer og kopolymerer tilstede i miljøet bli vurdert. Selv om plastfragmenter vanligvis er laget av polyetylen (PE) og polypropylen (PP) 5 , kan enkelte prøvetakingssteder presentere en bestemt profil der andre kategorier er signifikant representert ( f.eks. Etylen / vinylacetat-kopolymerOg polystyren (PS)). FT-IR-spektroskopi er en pålitelig og brukervennlig teknikk for polymeridentifikasjon som ofte brukes til å identifisere mikroplastikk 19 , 20 .
Hovedformålet med nåværende arbeid er å tilby et raskt og enkelt alternativ for å trekke ut OCP og relaterte forbindelser fra plastpellets ved hjelp av en PFE. Imidlertid omfatter utformingen av protokollen alle trinn som fører til bestemmelsen av sorberte OCP, fra prøvetaking av harpikspelletsene til analysen av forbindelsene. Metoden for å identifisere plastypen er også beskrevet. Den utviklede metodologien fokuserer på 11 OCP og relaterte forbindelser: i) DDT (2,4'- og 4,4'-diklordifenyltrikloretan) og de to hovedmetabolittene DDE (2,4'- og 4,4'-diklorodifenyldikloretylen) og DDD (2,4'- og 4,4'-diklorodifenyldikloretan); Ii) isomer gamma-heksaklorcykloheksan (y-HCH) som hovedbestanddel oF pesticid lindan og de to isomerer a-HCH og p-HCH frigitt under produksjonen 15 ; Iii) og de to biologisk aktive isomerer endosulfan I (Endo I) og II (Endo II) tilstede i den tekniske endosulfan. De studerte plantevernmidler er brede spektrum insekticider, kjemisk stabile, hydrofobe og klassifisert som vedvarende organiske forurensninger (POP) ved Stockholmskonvensjonen 21 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Plastpelletprøve
- Før du går til marken, skyll trekk alle nødvendige prøvetakningsmaterialer ( f.eks. Pincett og aluminiumsfolie) med aceton eller etanol (99%). Hvis materialet ikke kan løsnes med løsemiddel, skyll det opp ved 450 ° C over natten i en ovn ( f.eks. Glassvarer).
MERK: I turistområder får du informasjon om mulige strandrengjøringsaktiviteter som fjerner det meste av det marine kullet, inkludert mikroplastikk. Planlegg prøvingen før denne operasjonen, hvis mulig. Hvis prøvetaking i oppryddsesongen, spesifiser detaljene for denne aktiviteten i identitetsskjemaet ( f.eks. Datoer, opprydningsmetode brukt osv. ) - Bruk hansker, samle plastpellets fra stranden med løsningsskyller i rustfritt stål.
- Prøve 50 til 100 pellets per plassering, som tilsvarer 5 til 10 replikater per sted (10 pellets per replikat). Hvis det nødvendige antall pellets ikke kan obtaInnsamle, samle maksimale pellets mulig og spesifisere den i identitetsstrandformen.
- Ved slutten av prøvetaking, pakk de oppsamlede pelletsene i løsningsmiddel-skyllet aluminiumsfolie. Glassflasker kan brukes som et alternativ eller til og med papirposer.
- Fyll ut identitetsformularen til den valgte stranden med manglende informasjon ( dvs. strandplassering, værforhold, detaljer om pellets, etc. ).
- Transport prøvene til laboratoriet i en isboks hvis omgivelsestemperaturen overstiger 25 ° C. Dette trinnet kan hoppes over ved korte turer ( f.eks. <1 time).
- En gang i laboratoriet, tørk forsiktig av avtagbare partikler ( f.eks. Sand) av pelletsene. Tør prøvene om nødvendig i en ekssikator før oppbevaring (mørke, T <25 ° C). Unngå rom der OCP kan være i bruk ( f.eks. Lagring av standardløsninger).
- Oppbevar pelletsene i kjøleskapet (4 ° C) i korte perioder ( dvs. noen dager) ellerI fryseren (-18 ° C) i lengre perioder i løsningsmiddel-skyllet aluminiumsfolie.
- Unngå eksponering av prøver til kunstig lys eller sollys. Behandle prøvene så lite som mulig før analyse for å redusere risikoen for forurensning.
2. Ekstraksjon av OCP fra plastpellets
- For å redusere risikoen for forurensning, arbeid på et rent laboratorium ved bruk av nøye vasket glassvarer som følger: 2 skyll med aceton, diklormetan og n-heksan av analytisk kvalitet. Tør glasset under nitrogenstrøm og beskytt det mot kontakt med omgivende luft ( f.eks. Deksel med rengjort aluminiumsfolie). Påfør denne rengjøringsprosedyren i de videre trinnene i protokollen ( dvs. avsnitt 3 og 4).
- Bruk pellets med løsemiddel, skyll pellets etter farge i følgende kategorier: hvit / gjennomsiktig, hvitaktig / gulaktig, gul / oransje, gulbrun / brun og pigmentert ( f.eks. Rød, grønn, blå osv. )
- Samle 10 pillerS av lignende farge tilfeldig ( dvs. plasttype ikke vurdert), som vil utgjøre en replikat.
- Vei prøven på en analytisk balanse og registrer massen. På dette stadiet kan prøvene settes tilbake i kjøleskapet eller fryseren.
- For å ta hensyn til bakgrunnsforurensningen, utfør en blank prøve med hvert sett med replikater ( f.eks. 1 blank for 5 replikater). Tilsvarende bruk samme protokoll som beskrevet ovenfor, men legg ikke til plastpellets i ekstraksjonscellen. Denne blanke prøven vil gjennomgå de videre trinnene i protokollen og bli analysert sammen med prøvene.
- Slå på PFE. Last ned ekstraksjonsmetoden og oppvarm instrumentet til 60 ° C. Metodens detaljer er som følger:
- Still temperaturen til 60 ° C og trykket til 100 bar.
- Velg en syklus med oppvarmingstid på 1 min, en ventetid på 25 min og en utløpstid på 2 min.
- Sett opp løsningsmidletOg gass (N 2 ) flush ganger til 3 min hver.
- Velg n-heksan som ekstraksjonsløsningsmiddel.
- Mens instrumentet varmes opp, klargjør ekstraksjonscellen som beskrevet nedenfor. Hvis nødvendig, tilpass protokollen til leverandørens instruksjoner av instrumentet ditt:
- Plasser bunnfilteret og fritt i ekstraksjonscellen. Lukk den og skru den over.
- Fyll omtrent halvparten av cellen med rengjort kvartssand ved hjelp av en trakt.
- Legg den veide prøven ( dvs. en replik på 10 pellets). Frosset plastpellets bør plasseres i kjøleskapet over natten før ekstraksjon.
- Legg kvartsand opp til 1 cm fra toppen av cellen. Vær særlig forsiktig med å bruke ultra ren kvartssand (eller alternativt glassperler) siden det blir utsatt for de samme ekstraksjonsbetingelsene som prøvene. For å rense sanden, trekk den i PFE i analytisk klasse diklormetan og n-heksan ved å bruke 2 ellerFlere sykluser per løsningsmiddel ( f.eks. 30 min ved 100 ° C under 100 bar). Alternativt kan du bruke et ultralydbad og / eller roterende fordamper. Gjenta rengjøringsprosedyren om nødvendig.
- Sett toppfilteret i cellen og plasser cellen i instrumentet.
- Plasser oppsamlingsbeholderne i instrumentet og start utvinningsmetoden (total løp på ca. 35 min).
- Når metoden er fullført, tøm utvinningscellen i et renset glassbeholder ( f.eks. Beger, glasscellekulturskål) og hent de 10 pelletsene i sanden. Oppbevar dem i en beholder til videre analyse for identifikasjon av plast ( f.eks. Glidelås eller glassflaske).
3. Konsentrasjon og opprydding av ekstraktet
- Overfør det oppnådde ekstraktet (ca. 40 ml) fra oppsamlingsbeholderen til et glassrør og fordamp det til 1 ml i en roterende konsentrator satt til 35 ° C i 20 minutter. Alternative metoder kan brukes suCh som fordampning under nitrogenstrøm eller roterende fordampning. Temperaturen og varigheten bør optimaliseres tilsvarende.
- I mellomtiden forbereder du fastfasekstraksjonsmidlet (SPE) ved å plassere et avfallsrør i stativet og en patron fylt med aktivert magnesiumsilikat sorbent (1 g) på manifoldet i nærspentposisjonen. Opprydningen er basert på EPA-metoden 3620C 22 som følger:
- Slå vakuumet på ved kilden og tilsett 4 ml heksan i patronen for å aktivere sorbenten.
- Åpne ventilen og la løsningsmidlet passere gjennom hele sorbentsengen. Lukk deretter ventilen og la sorbenten sive i heksan i 5 minutter.
- Åpne ventilen og la løsningsmidlet passere, men lukk ventilen før sorbenten tørker av.
- Når prøven er konsentrert, overfør den til patronen med en Pasteur pipette. Åpne forsiktig ventilen og la den passere langsomt. 1-2 dråper per sekund erEn passende hastighet.
- Skyll glassrøret som inneholder ekstraktet med 0,5 ml heksan og legg det til patronen når ekstraktet har passert.
- Når hele løsningsmidlet har passert, lukk ventilen og slå av vakuumet.
- Bytt avfallsslangen med et oppsamlingsrør og bruk en ren oppløsningsnål.
- Tilsett 9 ml aceton / heksan (10/90, v / v) til patronen og sett på vakuumet ved kilden. La sorbenten suge i løsningsmidlet i 1 min.
- Åpne ventilen og samle hele eluatet i oppsamlingsrøret.
- Plasser oppsamlingsrøret i konsentratoren og fordamp løsningsmidlet i 9 minutter ved 35 ° C for å nå 1 ml eluat.
- Overfør det konsentrerte eluatet i et gult autosampler hetteglass med en Pasteur pipette. På dette stadiet kan prøvene lagres i fryseren før analysen.
4. Analyse av rengjort og konsentrertTed Extract
- Last ned analysemetoden på kontrollprogramvaren til GC-μECD-instrumentet (gaskromatograf utstyrt med en mikroelektronisk fangstdetektor). Metodens detaljer er som følger:
- Still injektoren til splittløs modus, dens temperatur til 250 ° C, og rensetiden til 1 min.
- Still strømmen av bæregassen (He) til 1,5 ml min -1 .
- Programmer kolonneovnen med følgende temperaturgradient: 60 ° C hold i 1 min, rampe 30 ° C min -1 til 200 ° C, rampe 5 ° C min -1 til 230 ° C, rampe på 3 ° C min -1 for å nå 250 ° C, hold denne temperaturen i 5 minutter.
- Still detektortemperaturen til 300 ° C og back-up gasstrømmen (N 2 ) til 60 mL min -1 .
- Plasser hetteglasset som inneholder prøven (rengjort og konsentrert) i autosampler-racket og kjør metoden (kjøretid på 23,3 min). Jeg Injiser 2 μL av prøven.
- Etter analysen, identifiser de forskjellige forbindelsene på kromatogrammet ved hjelp av retensjonstidene og registrer de tilsvarende toppområdene.
- Ta hensyn til utvinningene (R) og toppområdene (A 1 ), beregne konsentrasjonen (C 1 ) av hver OCP i ekstraktet ved å bruke ligningene til kalibreringskurver som følger:
Hvor b er avskjæringen ved opprinnelsen og a er skråningen av kalibreringsligningen,
- Ta hensyn til massen (m) av replikatet ( dvs. 10 pellets, se avsnitt 2.4) og volumet (V) til det endelige ekstraktet ( dvs. 1 ml), beregne konsentrasjonen (C 2 ) av hver OCP adsorbert på Plastpelletsene ( dvs. ng OCP per g plastpellet):
/ftp_upload/55531/55531eq3.jpg "/>
5. Identifikasjon av plasttype
- Overfør pelletsene i en petriskål av glass og legg den i en plastpose.
- Hold en pellet med pinsett og kutt et stykke pellet med en skalpell. Plastposen forhindrer tap av pellets under skjæreprosessen.
- Rengjør den forsenkede totalreflektans (ATR) krystallet på FT-IR instrumentet med etanol.
- Ta opp et bakgrunnsspekter.
- Plasser fragmentet på ATR-krystallet og skru opp prøveholderen. Innersiden av stykket må være i kontakt med krystallet.
- Skann prøven og ta opp spekteret.
- Identifiser polymeren som utgjør plastpellet ved å sammenligne det oppnådde spektrum til et spektra bibliotek. Selv om det er mer tidkrevende, kan tolkningen av de oppnådde spektrene også utføres manuelt, men sannsynligvis uten å oppnå graden av spesifisitet oppnådd med et bibliotekssjøRCH.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Plastpellets finnes vanligvis langs de høye og lavvannslinjene med sandstrender ( figur 1A ). De kan også holde seg til seagrass nystrandede på strender, etter en storm for eksempel. De kan av og til bli funnet på småstein og steinete strender i oppsamlingsområder av strandet materiale.
Plastpellets er vanligvis lett gjenkjennelige med form, størrelse og farge som vist i figur 1B (se de to midtre kolonnene). De kunne forveksle seg med smågraver (se kolonne 5 og 6), små biologiske fragmenter eller partikler av forskjellig opprinnelse (se kolonne 1 og 2). En gang i laboratoriet kan de mistenkelige elementene kasseres. I tvilstilfeller er det mulig å kontrollere prøvens flytbarhet i dobbeltdestillert vann. Gravels vil synker mens plastpellets mest vil flyte. En prøve av plastpelletsSamlet på en strand er vist i figur 1C for illustrasjon. Et eksempel på identitetsstrandformen som skal fylles i feltet er gitt Figur 1D .
Figur 1 : ( A ) Plastharpikspellets strandet på en sandstrand ved tidevannslinjen. ( B ) Plastharpikspellets versus grus og andre strengede materialer. Fragmenter av forskjellig opprinnelse presenteres i 1 og 2. kolonne fra venstre. Små gruspartikler er justert i kolonnene 5 og 6. Plastpellets er i midtkolonnene. ( C ) Eksempel på plastharpikspellets. ( D ) Eksempel på en identitetsstrandform. Vennligst cl Ick her for å se en større versjon av denne figuren.
Hvitete og gullige pellets er vanligvis overveiende over andre pellets, spesielt pigmenterte. Imidlertid presenterer noen prøvetagningssteder en bestemt profil, og det anbefales derfor å klassifisere plastbitene etter farge (visuell vurdering) før ekstraksjon. En visuell referanse kan opprettes for å hjelpe sortering av pellets som vist på figur 2 (fra venstre til høyre: hvit / gjennomsiktig, hvitaktig / gulaktig, gul / oransje, gulbrun / brun og pigmentert).
Figur 2 : Klassifisering av plastpellets etter farge, fra venstre til høyre: hvit / gjennomsiktig, hvitaktig / gulaktig, gul / oransje, gulbrun / brun og pigmentert. Filer / ftp_upload / 55531 / 55531fig2large.jpg "target =" _ blank "> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Det kan hende at noen pellets begynner å smelte under utvinningsprosessen. Dermed vil kvartsandpartikler holde seg fast på overflaten etter ekstraksjon. For eksempel, i figur 3A har den isolerte pellet på venstre side av petriskålen sandpartikler som stikker på overflaten på grunn av smelting. Dette skjer ofte med etylen / vinylacetat-kopolymerer på grunn av deres lave smeltepunkt sammenlignet med andre plastpolymerer som PE og PP. Unntaksvis kan smelteprosessen være for alvorlig og ekstraktet vil virke melkaktig ( figur 3B ). I dette tilfellet anbefales det å kaste prøven umiddelbart etter utvinning. Dette ekstraktet vil tette opp sorbenten til SPE-patronen.
Figimg "src =" / files / ftp_upload / 55531 / 55531fig3.jpg "/>
Figur 3 : ( A ) Den isolerte pelleten til venstre for petriskålen har sandpartikler som stikker på overflaten på grunn av smelting. ( B ) Ekstraksjon med polymerbrudd. Smelteprosessen kan gjøre ekstraktet til å virke melkaktig. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Som en første tilnærming ble spiked jomfrupellets fremstilt for å optimalisere ekstraksjonstrinnet og vurdere dens repeterbarhet. Som det fremgår av figur 4A , ble alle 11 OCP ekstrahert ved anvendelse av den beskrevne protokoll. I tillegg illustrerer figur 4B analyseresultatet av OCP ekstraheres fra pelleter samplet på en strand ved Adriaterhavskysten. JegI dette tilfellet ble 8 OCPs ut av 11 detektert. Kromatografisk toppidentifikasjon er basert på retensjonstider oppnådd ved injeksjon av OCPs individuelle standardløsninger. En avvik fra standard toppretensjonstid på 0,1% aksepteres som maksimum. Beregningen av OCP-konsentrasjoner er basert på analysen av standardløsninger. Kalibreringsligninger og utvinninger fra SPE og konsentrasjonstrinn må bestemmes for hver studert forbindelse før prøveanalyse ( tabell 1 ).
Figur 4 : ( A ) Kromatogram av OCP ekstrahert fra spiked jomfru PE pellets. ( B ) Kromatogram av OCP ekstraheres fra pelleter samplet på Adriaterhavskysten. Vennligst klikk herFor å se en større versjon av denne figuren.
| forbindelser | Tr (min) | Kalibreringskurvelikning | R2 | Gjenoppretting (%) |
| a-HCH | 9,25 | Y = 1836x - 315 | 0,9992 | 99 |
| g-HCH | 9,92 | Y = 2055x - 158 | 0,9996 | 96 |
| b-HCH | 10.45 | Y = 772x + 58 | 0,9993 | 78 |
| 24-DDE | 13.90 | Y = 2611x + 262 | 0,9999 | 76 |
| Endosulfan I | 14.50 | Y = 2015x + 280 | 0,9999 | 74 |
| 44-DDE | 15.16 | Y = 3942x - 427 | 0,9988 | 82 |
| 24-DDD | 15.52 | Y = 1822x + 157 | 0,9999 | 94 |
| 24-DDT | 16.64 | Y = 962x - 93 | 0,9965 | 75 |
| 44-DDD | 17.11 | Y = 2617x + 44 | 0,9992 | 86 |
| Endosulfan II | 17.30 | Y = 2212x + 123 | 0,9995 | 102 |
| 44-DDT | 18.32 | Y = 725x - 80 | 0,9955 | 96 |
Tabell 1: Eksempel på kalibrering og gjenvinningsresultater oppnådd for de 11 studerte OCPene.
En representativ konsentrasjon bestemmes for hvert prøvetakingssted ved å analysere minst 3 replikater av 10 pellets og ta medianverdien. Sistnevnte er foretrukketTil gjennomsnittsverdien på grunn av dispersjonen av resultatene 4 . Figur 5 viser et eksempel på resultater basert på 5 replikater.
Figur 5 : Median konsentrasjon av OCP ekstraheres fra pellets samplet på Adriaterhavskysten. Dataene viser et eksempel på resultater basert på 5 replikater. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Den kjemiske analysen av plasten utføres på et ATR-FT-IR spektrometer. Måling utføres på innsiden av en pelletskive. Plastbrikker er dekket av biofilmer og / eller vedhengende lag (er), som kan forstyrre IRSpektra av prøven. Ved å kutte pelletsene blir det derfor lettere å identifisere polymeren enn å behandle uutviklede gjenstander, fordi ATR-krystallet er i kontakt med mindre forurenset materiale. De kjemiske sammensetningsanalyseresultater av en uutviklet pellet er vist i figur 6A . Produktet ble identifisert som gummi med en sannsynlighet på ca. 66% på høyeste. Figur 6B presenterer resultatene oppnådd fra et stykke av samme pellet, som til slutt viste seg å være laget av PE med en sannsynlighet på 99%. Den andre måling ble utført på innsiden av fragmentet.
Figur 6 : ( A ) FT-IR-spektrum av den uutviklede pellet og beste resultater fra spektra biblioteket. ( B ) FT-IR spektruM av pelletskiven og best resultat fra spektrabiblioteket. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
PE, som identifisert i figur 7A , er den vanligste polymer typen funnet i plastpellets, etterfulgt av PP ( figur 7B ). Etylen / vinylacetat-kopolymer er den tredje vanligste plast typen som vanligvis er identifisert ( figur 7C ). Pellets laget av PS kan av og til også bli funnet ( figur 7D ). Et eksempel på plasttypeidentifikasjon for et replikat på 10 pellets er gitt i tabell 2 . Som det er sett, består prøven av 70% av PE.
<Figur 7 : FT-IR-spektrum og best resultat av en pellet identifisert som ( A ) PE (99,0%); ( B ) PP (98,9%); ( C ) etylen / vinylacetat-kopolymer (97,0%); Og ( D ) PS (99,6%). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Eksempelnavn | Søkepoeng | Søk Best Hit | Søk Best Hit Beskrivelse |
| Eksempel 1-1 | 0.990764 | P01034 | P1034.SP IMPACT-RESISTANT UHMW POLYETHYLENE ROD |
| Eksempel 1-2 | 0.992768 | P00508 | P0508.SP POLYETHYLENE, MN = 1100, 9002-88-4 |
| Prøve 1-3 | P01037 | P1037.SP MOISTURE-RESISTANT LDPE POLYETHYLENE ROD | |
| Eksempel 1-4 | 0.956303 | P00561 | P0561.SP POLYSTYRENE, MONOCARBOXY TERMINATED, MW = 200000, 9003-53-6 |
| Eksempel 1-5 | 0.988493 | P00147 | P0147.SP ETHYLENE / VINYL ACETATE COPOLYMER, 18% VA BY WT., 24937-78-8 |
| Prøve 1-6 | 0.990185 | P01046 | P1046.SP RIGID HDPE POLYETHYLENE ROD |
| Prøve 1-7 | 0.988167 | P01034 | P1034.SP IMPACT-RESISTANT UHMW POLYETHYLENE ROD |
| Eksempel 1-8 | 0.969821 | P00546 | P0546.SP POLYPROPYLENE, ISOTACTIC, TG = -26, 9003-07-0 |
| Prøve 1-9 | 0.991779 | P01036 | P1036.SP METAL-DETECTOR-GRADE UHMW POLYETHYLENE ROD |
| Eksempel 1-10 0.988388 | P01046 | P1046.SP RIGID HDPE POLYETHYLENE ROD |
Tabell 2: Polymeridentifikasjonsresultater av et basseng på 10 pellets.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De fleste studier som fokuserer på organiske forurensninger knyttet til plastpellets har stått på klassiske ekstraksjonsmetoder av de adsorberte kjemikaliene. Soxhlet-apparatet er den mest brukte teknikken med typiske utvinningstider fra 12 til 24 timer og med høyt forbruk av organiske løsningsmidler ( dvs. fra 100 til 250 ml per ekstraksjon) 23 . Maceration ekstraksjoner krever lang kontakttid mellom prøven og det organiske løsningsmiddelet ( f.eks. 6 dager) 4 og kan hastenes ved å tilsette et ultralydstrinn. I motsetning til dette er trykkluftutvinning som beskrevet i denne studien en effektiv måte å raskt ekstrahere analytter fra faste eller halvfaste matriser under høyt trykk og temperatur ved å bruke en redusert mengde løsningsmiddel ( f.eks. 40 ml). Selv om den vanligvis brukes som et alternativ til Soxhlet-metoden, har denne teknikken sjelden vært ansatt innen mikroplastikk"Xref"> 14. En av begrensningene knyttet til anvendelsen av denne teknikken til analysen av plastfragmenter er den potensielle smeltingen av polymerer, som da er vanskelige å fjerne fra ekstraktet og ofte gjør analysen umulig. Dette problemet oppstår ikke ved ekstrahering av organiske stoffer fra homogene matriser. I dette tilfellet settes utvinningstemperaturen i henhold til plasteksemplet av plastprøven. Mikroplastiske prøver består av en heterogen blanding av gjenstander laget av forskjellige polymertyper i forskjellige nedbrytningstilstander, som ofte forårsaker tidlig smelting av plasten. Dermed må temperaturen i PFE-cellen optimaliseres for å tillate utvinning av OCP, uavhengig av polymertypen og dens nedbrytningstilstand. I dette arbeidet ble det funnet en temperatur på 60 ° C sammen med en lang ventetid å være et godt kompromiss mellom utvinningseffektivitet og smelteproblemer. Kun gummi og alderen etylen / vinylacetat-kopolymer er tilbøyelige til å smelte, bUt disse polymerene er vanligvis tilstede ved så lave mengder i prøven at de ikke påvirker utvinning.
I mange studier 4 , 8 , 13 , 16 , 18 , blir bare eldre PE-pellets analysert for deres adsorberte organiske forurensningsinnhold. På grunn av deres overflateegenskaper har denne kategorien av polymerer en større affinitet for å adsorbere miljøforurensninger enn andre typer pellets, og de er den overordnede polymerklassen 4 . Imidlertid presenterer noen prøvetakingssteder en spesiell profil med en overflod av mindre eldre pellets ( dvs. hvit eller gjennomsiktig) og / eller et høyere utvalg i polymertyper enn vanlig funnet. Derfor foreslås en annen tilnærming her for å unngå en mulig overvurdering av organiske forurensningsnivåer. Klassifiseringen av plastpellets er basert på farge rotteHenne enn på polymer type. Dessuten kan identifikasjonen av plasttype fortsatt utføres etter ekstraksjonstrinnet. Ved å fortsette i denne rekkefølge senkes risikoen for prøveforurensning under polymerkemisk analyse og plastidentifikasjonsprosessen kan tilrettelegges ved å kutte pelletsene som tidligere forklart. Ekstrahering av organiske forurensninger fra gjenstander som forveksles med plastpellets ville være hovedbegrensningen av denne metoden. Imidlertid kan det understrekes at bare en ubetydelig fraksjon ( dvs. mindre enn 0,5%) av de samplede pellets er vist ikke å være laget av plastpolymer etter kjemisk analyse.
Denne protokollen ble utviklet for bestemmelse av OCP adsorbert på plastpellets. Imidlertid kan den tilpasses for deteksjon av andre kategorier av organiske forurensninger som vanligvis er funnet assosiert med mikroplastik som polyklorerte bifenyler (PCB) eller polycykliske aromatiske hydrokarboner (PAH), samt plAstere mykemidler eller tilsetningsstoffer. For dette formål må oppryddingstrinnet bli ytterligere optimalisert ved å eluere sorbenten med flere suksessive løsningsmidler med forskjellige polariteter 4 , 10 . I noen grad kan ekstraksjonsløsningsmiddelsammensetningen også modifiseres ved tilsetning av en brøkdel av diklormetan og / eller aceton til heksan. Endelig må nye analysemetoder utvikles spesielt for forbindelsene som skal undersøkes. Selv om Gaskromatografi-Electron Capture Detector (GC-ECD) er en sensitiv teknikk, begrenser dets selektivitet for halogenerte forbindelser dets anvendelse til andre klasser av forbindelser. Videre er toppidentifikasjon bare basert på retensjonstid, noe som kan føre til feilfortolkning av kromatogrammer. For å redusere risikoen for feilidentifikasjon aksepteres en avvik fra standardoppløsningstiden på bare 0,1%. Gasskromatografi utstyrt med massespektrometer (GC-MS) er en passende teknikkE for å validere toppidentifikasjonen. Den kan kjøres parallelt med GC-ECD eller brukes som en enkelt analysemetode dersom følsomheten tillater kvantifisering av sporingskonsentrasjoner.
Denne metoden fokuserer på harpikspellets, men den kan ytterligere optimaliseres for analyse av andre mikroplastiske kategorier. Sorteringen av plastfragmenter fra miljøprøver ( f.eks. Sjøoverflate, sediment eller biota) er imidlertid mer utfordrende enn den av pellets og en visuell identifikasjon er ikke hensiktsmessig. Dermed bør kjemisk analyse av polymerene utføres før ekstraksjon. Å vite at mikroplastiske størrelser varierer fra 5 mm til noen få hundre μm ( f.eks. 300 μm), skal analysen utføres på et mikro ATR-FTIR spektrometer som er tilpasset målingene av små partikler 19 , 20 . Videre er separasjonen av mikroplastikk fra miljøprøver ossUral krever bruk av løsningsmidler ( f.eks. Etanol) og / eller sterke syrer eller baser ( f.eks . Syrefordøying av vev), som kan desorbere og / eller nedbryte de organiske forurensningene som er forbundet med partiklene. Dermed bør alternative separasjonsteknikker utvikles, som vil bevare kjemikaliene. I tillegg bør det understrekes at mengden mikroplastikk oppdaget i sjøoverflate og biota ofte ikke er tilstrekkelig til å utføre kvantitative analyser av organiske forbindelser. Denne protokollen er tilpasset for å behandle plastfragmenter synlige for det blotte øye og laget av harde polymerer. Det er ikke sannsynlig å arbeide med myke materialer eller ekstremt små gjenstander ( dvs. <1 mm). Således bør de mikroplastiske kategorier av filmer, filamenter og skum kastes fra prøvene. Likevel kan små mikroplastiske stykker analyseres for deres organiske forurensningsinnhold og deres polymertype. I dette tilfellet anbefales det å kutte elementene i små partikler av noen fåMm før ekstraksjon eller FT-IR analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble finansiert av IPA Adriatiske grenseoverskridende samarbeidsprogram 2007-2013, innenfor DeFishGear-prosjektet (1 ° str / 00010).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alpha–HCH | Dr. Ehrenstorfer, Augsburg, Germany | DRE-C14071000 | H301, H351, H400, H410, H312 |
| Beta–HCH | Fluka, Sigma-Aldrich, St. Louis, USA | 33376-100MG | H301, H312, H351, H410 |
| Lindane | Fluka, Sigma-Aldrich, St. Louis, USA | 45548-250MG | H301, H312, H332, H362, H410 |
| Endosufan I | Supleco, Sigma-Aldrich Bellefonte, PA, USA | 48576-25MG | H301, H410 |
| Endosulfan II | Supleco, Sigma-Aldrich, Bellefonte, PA, USA | 48578-25MG | H301, H410 |
| 2,4'–DDD | Fluka, Sigma-Aldrich, St. Louis, USA | 35485-250MG | H351 |
| 4,4’–DDD | Dr. Ehrenstorfer, Augsburg, Germany | DRE-C12031000 | H301, H351, H400, H410, H312 |
| 2,4’–DDE | Dr. Ehrenstorfer, Augsburg, Germany | DRE-C12040000 | H351, H400, H410, H302 |
| 4,4’-DDE | Fluka , Sigma-Aldrich, St. Louis, USA | 35487-250MG | H302, H351, H410 |
| 2,4’–DDT | Dr. Ehrenstorfer, Augsburg, Germany | DRE-C12081000 | H301, H311, H330, H351, H400, H410 |
| 4,4’–DDT | National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, USA | RM8469-4,4'-DDT | H301, H311, H351, H372, H410 |
| n-Hexane | VWR International GmbH, Graumanngasse, Viena, Austria | 83992.320 | H225, H315, H336, H373, H304, H411 |
| Acetone for HPLC | J.T.Baker, Avantor performance Materials B.V., Teugseweg, Netherlands | 8142 | H225, H319, H 336 |
| FL-PR Florisil 1000mg/6mL | Phenomenex, Torrance, CA, USA | 8B-S013-JCH | |
| Fat free quartz sand 0.3-0.9 mm | Buchi, Flawil, Switzerland | 37689 | |
| Gas chromatograph Hawlett Packard HP 6890 Series gas chromatograph with GERSTEL MultiPurpose Sampler MPS 2XL with ECD and FID detector | Agilent technologies, Santa Clara USA | ||
| Presure fluid extractor, Speed Extractor E-916 | Buchi, Flawil, Switzerland | ||
| Solid phase extractor | Supleco, Sigma-Aldrich Bellefonte, PA, USA | ||
| Concentrator miVac DUO | Genevac SP Scientific, Suffolk UK | ||
| GC capillary column Zebron ZB-XLB (30 x 0.25 x 0.25) | Phenomenex, Torrance, CA, USA | 122-1232 | |
| ATR FT-IR Spectrometer, Spectrum-Two | Perkin Elmer |
References
- Plastic Europe. Plastics - the Facts 2015. An analysis of European plastics production, demand and waste data. , Available on the website: http://www.plasticseurope.org (2017).
- Wang, J., Tan, Z., Peng, J., Qiu, Q., Li, M. The behaviors of microplastics in the marine environment. Mar Environ Res. 113, 7-17 (2016).
- UNEP. Marine plastic debris and microplastics - Global lessons and research to inspire action and guide policy change. , United Nations Environment Programme. Nairobi. Available on the website: http://www.unep.org (2016).
- Ogata, Y., et al. International Pellet Watch: Global monitoring of persistent organic pollutants (POPs) in coastal waters. 1. Initial phase data on PCBs, DDTs, and HCHs. Mar Pollut Bull. 58 (10), 1437-1446 (2009).
- Andrady, A. L. Microplastics in the marine environment. Mar Pollut Bull. 62 (8), 1596-1605 (2011).
- Antunes, J. C., Frias, J. G. L., Micaelo, A. C., Sobral, P. Resin pellets from beaches of the Portuguese coast and adsorbed persistent organic pollutants. Estuarine Coastal Shelf Sci. 130, 62-69 (2013).
- 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).
- Takada, H. Call for pellets! International Pellet Watch Global Monitoring of POPs using beached plastic resin pellets. Mar Pollut Bull. 52 (12), 1547-1548 (2006).
- Teuten, E. L. Transport and release of chemicals from plastics to the environment and to wildlife. Phil Trans R Soc B. 364, 2027-2045 (2009).
- Heskett, M., et al. Measurement of persistent organic pollutants (POPs) in plastic resin pellets from remote islands: Toward establishment of background concentrations for International Pellet Watch. Mar Pollut Bull. 64 (2), 445-448 (2012).
- Besseling, E., Wegner, A., Foekema, E., Van Den Heuvel-Greve, M., Koelmans, A. A. Effects of microplastic on fitness and PCB bioaccumulation by the lugworm Arenicola marina (L.). Environ Sci Technol. 47 (1), 593-600 (2013).
- Rochman, C. M., Hoh, E., Kurobe, T. The SJ Ingested plastic transfers hazardous chemicals to fish and induces hepatic stress. Sci Rep. 3, 3263 (2013).
- Endo, S., et al. Concentration of polychlorinated biphenyls (PCBs) in beached resin pellets: Variability among individual particles and regional differences. Mar Pollut Bull. 50 (10), 1103-1114 (2005).
- Frias, J. P. G. L., Sobral, P., Ferreira, A. M. Organic pollutants in microplastics from two beaches of the Portuguese coast. Mar Pollut Bull. 60 (11), 1988-1992 (2010).
- Karapanagioti, H. K., Endo, S., Ogata, Y., Takada, H. Diffuse pollution by persistent organic pollutants as measured in plastic pellets sampled from various beaches in Greece. Mar Pollut Bull. 62 (2), 312-317 (2011).
- Mizukawa, K., et al. Monitoring of a wide range of organic micropollutants on the Portuguese coast using plastic resin pellets. Mar Pollut Bull. 70 (1-2), 296-302 (2013).
- Gauquie, J., Devriese, L., Robbens, J., De Witte, B. A qualitative screening and quantitative measurement of organic contaminants on different types of marine plastic debris. Chemosphere. 138, 348-356 (2015).
- Yeo, B. G., et al. POPs monitoring in Australia and New-Zealand using plastic resin pellets, and International Pellet Watch as a tool for education and raising public awareness on plastic debris and POPs. Mar Pollut Bull. 101 (1), 137-145 (2015).
- Kovač Viršek, M., Palatinus, A., Koren, Š, Peterlin, M., Horvat, P., Kržan, A. Protocol for microplastics sampling on the sea surface and sample analysis. J Vis Exp. (118), e55161 (2016).
- Löder, M. G. J., Kuczera, M., Mintenig, S., Lorenz, C., Gerdts, G. Focal plane array detector- based micro-Fourier-transform infrared imaging for the analysis of microplastics in environmental samples. Environ Chem. 12 (5), 563-581 (2015).
- Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants (POPs) as amended in 2009 . , available on the website: http://chm.pops.int/Home/tabid/2121/Default.aspx (2017).
- EPA - Environmental protection Agency. Method 3620C: Florisil Cleanup, part of Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods (2014). , available on the website: https://www.epa.gov (2017).
- Hirai, H., et al. Organic micropollutants in marine plastics debris from the open ocean and remote and urban beaches. Mar Pollut Bull. 62 (8), 1683-1692 (2011).
