Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

Ekstraktion af organiske chlorpesticider fra plastpellets og plasttypeanalyse

doi: 10.3791/55531 Published: July 1, 2017

Summary

Mikroplastik virker som vektor af potentielt toksiske organiske forureninger med uforudsigelige virkninger. Denne protokol beskriver en alternativ metode til vurdering af niveauerne af organiske chlorpesticider adsorberet på plastpellets og identifikation af den polymere kemiske struktur. Fokus er på tryksat væskeudvinding og dæmpet totalreflektans Fourier transform-infrarød spektroskopi.

Abstract

Plastharpikspellets, kategoriseret som mikroplastik (≤5 mm i diameter), er små granulater, der uheldigvis kan frigives til miljøet under fremstilling og transport. På grund af deres miljømæssige persistens er de bredt fordelt i oceanerne og på strande over hele verden. De kan fungere som en vektor af potentielt toksiske organiske forbindelser ( fx polychlorerede biphenyler) og kan derfor Negativt påvirke marine organismer. Deres mulige indvirkning langs fødekæden er endnu ikke godt forstået. For at vurdere farerne forbundet med forekomst af plastpellets i havmiljøet er det nødvendigt at udvikle metoder, der muliggør hurtig bestemmelse af associerede organiske forureningsniveauer. Den foreliggende protokol beskriver de forskellige trin, der kræves til prøveudtagning af harpikspellets, analyse af adsorberede organochlorpesticider (OCP'er) og identifikation af plasttype. Fokus er påUdvinding af OCP'er fra plastpellets ved hjælp af en trykfluidekstraktor (PFE) og polymerkemisk analyse, der anvender Fourier Transform-InfraRed (FT-IR) spektroskopi. Den udviklede metode fokuserer på 11 OCP'er og beslægtede forbindelser, herunder dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) og dets to hovedmetabolitter, lindan og to produktionsisomerer, såvel som de to biologisk aktive isomerer af teknisk endosulfan. Denne protokol udgør et simpelt og hurtigt alternativ til eksisterende metode til vurdering af koncentrationen af ​​organiske forureninger adsorberet på plastikstykker.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Den globale produktion af plast stiger konstant siden 1950'erne for at nå 311 millioner tons i 2014 med omkring 40% anvendt i emballage 1 . Parallelt øges mængden af ​​disse materialer i miljøet, hvilket kan udgøre en alvorlig trussel mod økosystemerne 2 . Selv om der allerede er rapporteret i 1970'erne, har forekomsten af ​​plastaffald i havmiljøet kun fået større opmærksomhed i det seneste årti. Specielt mikroplastik, plastfragmenter med en diameter på ≤ 5 mm, er nu anerkendt som et af de væsentligste problemstillinger for havvandskvalitet 3 .

Plastharpikspiller er små granulat generelt i form af en cylinder eller en disk og med en diameter på nogle få mm ( f.eks. 2 til 5 mm) 4 , 5 . De falder i kategorien mikroplastik. Disse plast granulat erIndustrielt råmateriale, hvorfra færdige plastprodukter fremstilles ved gensmeltning og støbning ved høj temperatur 6 . De kan utilsigtet frigives til miljøet under fremstilling og transport. For eksempel kan de direkte introduceres til havet gennem utilsigtet udslip under forsendelse 4 , 7 , 8 . De kan transporteres fra land til hav ved overfladeafstrømning, vandløb og floder. På grund af deres miljømæssige persistens er plastpellets udbredt i oceanerne og findes på strande over hele verden 4 . De kan påvirke marine organismer negativt og kan komme ind i fødekæden, hvor deres virkninger er uforudsigelige 6 , 7 . Desuden har flere undersøgelser afsløret forekomsten af ​​miljømæssige forureninger adsorberet på plastpellets opsamlet i en coastaL miljø, som fungerer som vektor af disse potentielt giftige kemikalier 4 , 9 , 10 . Faktisk er der laboratoriebevis, der tyder på, at disse kemikalier kan bioakkumulere i væv af organismer efter frigivelse fra indtaget plastfragmenter 11 , 12 .

For bedre at kunne vurdere farerne forbundet med forekomsten af ​​plastpellets i havmiljøet er det nødvendigt at udvikle metoder, som kan bestemme sorberede organiske forureninger. Et vigtigt skridt er udvindingen af ​​kemikalierne fra plastmatricerne, som kan fremvise heterogene fysisk-kemiske egenskaber afhængigt af polymertypen, dets nedbrydningstrin og præbehandlingerne. De fleste af undersøgelserne rapporteret i litteraturen bruger maceration eller Soxhlet teknikker 4 ,5 , 6 , 9 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , som er opløsningsmiddel og / eller tidskrævende. Med hensyn til den voksende interesse for dette spørgsmål bør der udvikles alternativer til en hurtigere vurdering af organiske forureninger adsorberet på plastikstykker. Derudover giver plastisk kemisk analyse information om mikroplastikernes kemiske struktur. Som et resultat kan de overvejende typer af polymerer og copolymerer til stede i miljøet evalueres. Selvom plastfragmenter normalt er lavet af polyethylen (PE) og polypropylen (PP) 5 , kan nogle prøveudtagningssteder fremvise en særlig profil, hvor andre kategorier er signifikant repræsenteret ( fx ethylen / vinylacetatcopolymerOg polystyren (PS)). FT-IR spektroskopi er en pålidelig og brugervenlig teknik til polymeridentifikation, der almindeligvis anvendes til at identificere mikroplastik 19 , 20 .

Hovedformålet med det nuværende arbejde er at tilbyde en hurtig og enkel mulighed for at udvinde OCP og beslægtede forbindelser fra plastpellets ved hjælp af en PFE. Protokollets udformning indbefatter imidlertid alle trin, der fører til bestemmelsen af ​​sorberede OCP'er, fra prøveudtagningen af ​​harpikspellets til analysen af ​​forbindelserne. Fremgangsmåden til identifikation af plastypen er også beskrevet. Den udviklede metode fokuserer på 11 OCP'er og beslægtede forbindelser: i) DDT (2,4'- og 4,4'-dichlorodiphenyltrichlorethan) og dets to hovedmetabolitter DDE (2,4'- og 4,4'-dichlorodiphenyldichlorethylen) og DDD (2,4'- og 4,4'-dichlorodiphenyldichlorethan); Ii) isomer gamma-hexachlorcyclohexan (y-HCH) som hovedbestanddel oF pesticid lindan og de to isomerer a-HCH og p-HCH frigivet under dets produktion 15 ; Iii) og de to biologisk aktive isomerer endosulfan I (Endo I) og II (Endo II) til stede i det tekniske endosulfan. De undersøgte pesticider er bredspektrede insekticider, kemisk stabile, hydrofobe og klassificeret som vedvarende organiske forurenende stoffer (POP'er) ved Stockholmskonventionen 21 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Plastpilleprøveudtagning

  1. Før du går til marken, skylles alle nødvendige prøveudtagningsmaterialer ( fx pincett og aluminiumsfolie) med acetone eller ethanol (99%). Hvis materialet ikke kan løsnes med opløsningsmiddel, skal det opvarmes ved 450 ° C natten over i en ovn ( fx glasvarer).
    BEMÆRK: I turistområder, få oplysninger om mulige strandrensningsaktiviteter, der fjerner det meste af det marine kuld, herunder mikroplastik. Planlæg prøveudtagningen forud for denne operation, hvis det er muligt. Hvis prøveudtagning i oprydningstidspunktet specificerer detaljerne i denne aktivitet i identitetsformularen ( f.eks. Datoer, oprydningsmetode osv. )
  2. Brug handsker, saml plastpiller fra stranden med pincet af rustfrit stål med opløsningsmiddel.
  3. Prøve 50 til 100 pellets pr. Placering, hvilket svarer til 5 til 10 replikater pr. Lokalitet (10 pellets pr. Replikat). Hvis det krævede antal pellets ikke kan obtaIndsamle de mulige maksimale pellets og angive det i identitetsstrandformen.
  4. Ved afslutningen af ​​prøveudtagningen pakkes de samlede pellets i opløsningsmiddel-skyllet aluminiumsfolie. Glasflasker kan bruges som et alternativ eller endda papirposer.
  5. Udfyld identitetsformularen for den valgte strand med de manglende oplysninger (f.eks. Strandplacering , vejrforhold, detaljer om pellets osv. ).
  6. Transport prøverne til laboratoriet i en isboks, hvis omgivelsestemperaturen overstiger 25 ° C. Dette trin kan springes over ved korte udflugter ( fx <1 time).
  7. Tør forsigtigt af aftagelige partikler ( f.eks. Sand) af pelletsne forsigtigt i laboratoriet. Tør prøverne om nødvendigt i en tørremiddel før opbevaring (mørke, T <25 ° C). Undgå værelser, hvor OCP'er kan være i brug ( f.eks. Opbevaring af standardløsninger).
  8. Opbevar pellets i køleskabet (4 ° C) i korte perioder ( dvs. få dage) ellerI fryseren (-18 ° C) i længere perioder i opløsningsmiddel-skyllet aluminiumsfolie.
  9. Undgå eksponering af prøver til kunstigt lys eller sollys. Håndter prøverne så lidt som muligt før analysen for at mindske risikoen for forurening.

2. Ekstraktion af OCP fra plastpellets

  1. For at reducere risikoen for forurening skal du arbejde i et rent laboratorium ved brug af omhyggeligt vasket glasvarer som følger: 2 skylninger med aceton, dichlormethan og n-hexan af analytisk kvalitet. Tør glasvaren under nitrogenstrøm og beskytt den mod kontakt med omgivende luft ( fx afdækning med renset aluminiumsfolie). Anvend denne rengøringsprocedure i de yderligere trin i protokollen ( dvs. sektioner 3 og 4).
  2. Ved hjælp af opløsningsmiddelskyllede pincet sorteres pellets efter farve i følgende kategorier: hvid / gennemsigtig, hvidlig / gullig, gul / orange, gul / brun og pigmenteret ( f.eks. Rød, grøn, blå osv. )
  3. Saml 10 pillerS af tilsvarende farve tilfældigt ( dvs. plastik type ikke overvejet), som vil udgøre en replikat.
  4. Væg prøven på en analytisk balance og registrer massen. På dette stadium kan prøverne sættes tilbage i køleskabet eller fryseren.
  5. For at tage hensyn til baggrundsforureningen skal du udføre en blank prøve med hvert sæt replikater ( fx 1 blank til 5 replikater). Til det formål skal du anvende den samme protokol som beskrevet ovenfor, men tilføj ikke plastpiller i ekstraktionscellen. Denne blinde prøve vil gennemgå de yderligere trin i protokollen og blive analyseret sammen med prøverne.
  6. Tænd for PFE. Download ekstraktionsmetoden og opvarm instrumentet til 60 ° C. Detaljerne i metoden er som følger:
    1. Indstil temperaturen til 60 ° C og trykket til 100 bar.
    2. Vælg en cyklus med opvarmningstid på 1 min, en holdetid på 25 min og en udløbstid på 2 min.
    3. Sæt opløsningsmidletOg gas (N2) skylle gange til 3 minutter hver.
    4. Vælg n-hexan som ekstraktionsopløsningsmiddel.
  7. Mens instrumentet opvarmer, skal du udarbejde ekstraktionscellen som beskrevet nedenfor. Om nødvendigt skal du tilpasse protokollen til leverandørens instruktioner af dit instrument:
    1. Placer bundfiltret og fritteren i ekstraktionscellen. Luk det og drej det om.
    2. Fyld ca. halvdelen af ​​cellen med renset kvarts sand ved hjælp af en tragt.
    3. Tilsæt den vejede prøve ( dvs. et replikat på 10 pellets). Frosne plastpellets skal anbringes i køleskabet natten over før ekstraktion.
    4. Tilsæt kvartssand op til 1 cm fra toppen af ​​cellen. Vær særlig forsigtig med at bruge ultra clean quartz sand (eller alternativt glasperler), da det udsættes for de samme ekstraktionsbetingelser som prøverne. For at rense sandet, ekstraheres det i PFE i analytisk kvalitet dichlormethan og n-hexan ved anvendelse af 2 ellerFlere cyklusser pr. Opløsningsmiddel ( f.eks. 30 minutter ved 100 ° C under 100 bar). Alternativt kan du bruge et ultralydbad og / eller en roterende fordamper. Gentag rengøringsproceduren, hvis det er nødvendigt.
    5. Indsæt topfilteret i cellen og læg cellen i instrumentet.
  8. Placer opsamlingsbeholderne i instrumentet og start ekstraktionsmetoden (samlet løbetid på ca. 35 minutter).
  9. Når metoden er færdig, tøm udvindingscellen i et renset glasbeholder ( fx bægerglas, glascellekulturskål) og hent de 10 pellets i sandet. Opbevar dem i en beholder indtil yderligere analyse for identifikation af plast ( f.eks. Lynpose eller glas hætteglas).

3. Koncentration og oprensning af ekstraktet

  1. Overfør det opnåede ekstrakt (ca. 40 ml) fra opsamlingsbeholderen til et glasrør og inddamp det til 1 ml i en roterende koncentrator indstillet til 35 ° C i 20 minutter. Alternative metoder kunne anvendes suCh som fordampning under nitrogenstrøm eller roterende fordamper. Temperaturen og varigheden bør optimeres i overensstemmelse hermed.
  2. I mellemtiden fremstilles fastfasekstrahereren (SPE) ved at anbringe et affaldsrør i stativet og en patron fyldt med aktiveret magnesiumsilicat sorbent (1 g) på manifolden i tætluftpositionen. Oprydning er baseret på EPA-metoden 3620C 22 som følger:
    1. Tænd vakuumet ved kilden og tilsæt 4 ml hexan i patronen for at aktivere sorbenten.
    2. Åbn ventilen og lad opløsningsmidlet passere gennem hele sorbentsengen. Luk derefter ventilen og lad sorbenten sive i hexan i 5 minutter.
    3. Åbn ventilen og lad opløsningsmidlet passere, men luk ventilen, inden sorbenten tørrer ud.
    4. Når prøven er koncentreret, skal den overføres til patronen med en Pasteur pipette. Åbn forsigtigt ventilen og lad den passere langsomt. 1-2 dråber pr. Sekund erEn passende hastighed.
    5. Skyl glassrøret, der indeholder ekstrakten, med 0,5 ml hexan, og læg det til patronen, når ekstraktet har passeret.
    6. Når hele opløsningsmidlet er passeret, skal du lukke ventilen og slukke for vakuumet.
    7. Udskift affaldsslangen med et opsamlingsrør og brug en ren opløsningsmiddelstyringsnål.
    8. Tilsæt 9 ml acetone / hexan (10/90, v / v) til patronen og tænd vakuumet ved kilden. Lad sorbenten sive i opløsningsmidlet i 1 minut.
    9. Åbn ventilen og saml hele eluatet i opsamlingsrøret.
  3. Placer opsamlingsrøret i koncentratoren og fordamp opløsningsmidlet i 9 minutter ved 35 ° C for at nå 1 ml eluat.
  4. Overfør det koncentrerede eluat til et gule autosampler hætteglas med en glas Pasteur pipette. På dette stadium kan prøverne opbevares i fryseren forud for analysen.

4. Analyse af det rensede og koncentreretTed Extract

  1. Download analysemetoden på styringssoftwaren i GC-μECD-instrumentet (gaschromatograf udstyret med en mikro-elektronindfangningsdetektor). Detaljerne i metoden er som følger:
    1. Sæt injektoren til splitless mode, dens temperatur til 250 ° C, og rensetiden til 1 min.
    2. Sæt strømmen af ​​bæregassen (He) til 1,5 ml min -1 .
    3. Program kolonneovn 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 at nå 250 ° C, hold denne temperatur i 5 minutter.
    4. Indstil detektortemperaturen til 300 ° C og back-up gasstrømmen (N2) til 60 mL min -1 .
  2. Placer hætteglasset, der indeholder prøven (rengjort og koncentreret) i autosamplerholderen og kør metoden (kørselstid på 23,3 min). jeg Inddamp 2 μL prøve.
  3. Efter analysen identificere de forskellige forbindelser på kromatogrammet ved deres retentionstider og registrer de tilsvarende topområder.
  4. Under hensyntagen til tilbagekøbene (R) og toppunkterne (A 1 ) beregnes koncentrationen (C 1 ) af hver OCP i ekstraktet ved hjælp af ligningerne for kalibreringskurverne som følger:
    Ligning 1
    Hvor b er aflytningen ved oprindelsen og a er hældningen af ​​kalibreringsligningen,
    Ligning 2
  5. Under hensyntagen til replikatets masse (m) ( dvs. 10 pellets, se afsnit 2.4) og volumenet (V) af det endelige ekstrakt ( dvs. 1 ml), beregnes koncentrationen (C 2 ) af hver OCP adsorberet på Plastpelletsne ( dvs. ng OCP pr. G plastpellet):
    /ftp_upload/55531/55531eq3.jpg "/>

5. Identifikation af plasttype

  1. Overfør pelletsene i en glas petriskål og læg den i en plastikpose.
  2. Hold en pille med pincet og skære et stykke af pelleten med en skalpel. Plastposen forhindrer tab af pellets under skæreprocessen.
  3. Rengør den dæmpede totalreflektans (ATR) krystal af FT-IR instrumentet med ethanol.
  4. Optag et baggrundsspektrum.
  5. Placer fragmentet på ATR krystal og skru prøveholderen. Indersiden af ​​stykket skal være i kontakt med krystallen.
  6. Scan prøven og optag spektret.
  7. Identificer polymeren som udgør plastpellet ved sammenligning af det opnåede spektrum til et spektra bibliotek. Selv om det var mere tidskrævende, kunne tolkningen af ​​de opnåede spektre også udføres manuelt, men sandsynligvis uden at nå den grad af specificitet, der blev opnået med et bibliotekssøRCH.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Plastpellets findes sædvanligvis langs de høje og lavvande linjer af sandstrande ( figur 1A ). De kan også holde sig til seagrasser nystribet på strande, efter en storm for eksempel. De kan lejlighedsvis findes på småsten og stenede strande i akkumuleringsområder af strandet materiale.

Plastpellets er normalt let genkendelige af deres form, størrelse og farve som vist i figur 1B (se de to midterste kolonner). De kunne forveksles med små graveller (se kolonne 5 og 6), små biologiske fragmenter eller partikler af forskellig oprindelse (se kolonne 1 og 2). En gang i laboratoriet kan de mistænkelige genstande kasseres. I tvivlstilfælde er det muligt at kontrollere prøvernes flydeevne i dobbeltdestilleret vand. Gravels vil synke, mens plastikpiller hovedsagelig flyder. En prøve af plastpelletsIndsamlet på en strand er vist i figur 1C til illustration. Et eksempel på identitetsstrandformularen, der skal udfyldes i feltet, er tilvejebragt Figur 1D .

figur 1
Figur 1 : ( A ) Plastharpikspiller strandet på en sandstrand ved tidevandet. ( B ) Plastharpikspiller vs. grus og andre strengede materialer. Fragmenter af forskellig oprindelse er præsenteret i 1. og 2. kolonne fra venstre. Små gruspartikler er justeret i kolonne 5 og 6. Plastpellets er i midterste søjler. ( C ) Prøve af plastharpikspellets. ( D ) Eksempel på en identitetsstrandform. Venligst cl Ick her for at se en større version af denne figur.

Whitish og gullige pellets er som regel dominerende over andre pellets, især pigmenterede. Imidlertid præsenterer nogle prøveudtagningssteder en særlig profil, og det anbefales derfor at klassificere plastikstykkerne efter farve (visuel vurdering) før ekstraktion. En visuel reference kan oprettes for at hjælpe med at sortere pellets som vist på figur 2 (fra venstre mod højre: hvid / gennemsigtig, hvidlig / gullig, gul / orange, gulbrun / brun og pigmenteret).

Figur 2
Figur 2 : Klassificering af plastpellets efter farve, fra venstre mod højre: hvid / gennemsigtig, hvidlig / gullig, gul / orange, gul / brun og pigmenteret. Filer / ftp_upload / 55531 / 55531fig2large.jpg "target =" _ blank "> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.

Det kan ske, at nogle pellets begynder at smelte under udvindingsprocessen. Således vil kvartsandpartikler holde fast på deres overflade efter ekstraktion. For eksempel har i figur 3A den isolerede pille på venstre side af petriskålen sandpartikler, der klæber på overfladen på grund af smeltning. Dette sker ofte med ethylen / vinylacetat-copolymerer på grund af deres lave smeltepunkt sammenlignet med andre plastpolymerer, såsom PE og PP. Undtagelsesvis kan smelteprocessen være for alvorlig, og ekstraktet vil fremstå mælkeagtige ( figur 3B ). I dette tilfælde anbefales det at kassere prøven umiddelbart efter ekstraktion. Dette ekstrakt ville tilstoppe sorbenten af ​​SPE patronen.

Figimg "src =" / files / ftp_upload / 55531 / 55531fig3.jpg "/>
Figur 3 : ( A ) Den isolerede pille på venstre side af petriskålen har sandpartikler, der klæber på overfladen på grund af smeltning. ( B ) Ekstraktion med polymer nedbrydning. Smelteprocessen kan gøre ekstraktet til at virke mælkeagtigt. Klik her for at se en større version af denne figur.

Som en første fremgangsmåde blev spiked jomfru pellets fremstillet for at optimere ekstraktionstrinnet og vurdere dets repeterbarhed. Som det fremgår af figur 4A , blev alle 11 OCP'er ekstraheret under anvendelse af den beskrevne protokol. Derudover illustrerer figur 4B analyseresultatet af OCP ekstraheret fra pellets, der er samplet på en strand ved Adriaterhavskysten. jegI denne sag blev 8 OCP'er ud af 11 detekteret. Den chromatografiske topidentifikation er baseret på retentionstider opnået ved injektion af OCPs individuelle standardløsninger. En afvigelse fra standard peak retentionstid på 0,1% accepteres som maksimum. Beregningen af ​​OCP-koncentrationer er baseret på analysen af ​​standardløsninger. Kalibreringsligninger og udvindinger fra SPE- og koncentrationsstrinnene skal bestemmes for hver undersøgt forbindelse forud for prøveanalyse ( tabel 1 ).

Figur 4
Figur 4 : ( A ) Kromatogram af OCP'er ekstraheret fra spiked virgin PE pellets. ( B ) Chromatogram af OCP ekstraheret fra pellets samplet på Adriaterhavskysten. Venligst klik herFor at se en større version af denne figur.

forbindelser Tr (min) Kalibreringskurve ligning R2 Genopretning (%)
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

Tabel 1: Eksempel på kalibrerings- og genvindingsresultater opnået for de 11 undersøgte OCP'er.

En repræsentativ koncentration bestemmes for hvert prøveudtagningssted ved at analysere mindst 3 replikater af 10 pellets og tage medianværdien. Sidstnævnte er foretrukketTil gennemsnitsværdien på grund af dispersionen af ​​resultaterne 4 . Figur 5 viser et eksempel på resultater baseret på 5 replikater.

Figur 5
Figur 5 : Median koncentration af OCP ekstraheret fra pellets samplet på Adriaterhavskysten. Dataene viser et eksempel på resultater baseret på 5 replikater. Klik her for at se en større version af denne figur.

Den kemiske analyse af plasten udføres på et ATR-FT-IR spektrometer. Måling udføres på indersiden af ​​en pelletskive. Plast stykker er dækket af biofilm og / eller vedhæftende lag (er), som kan blande sig i IRSpektra af prøven. At skære pellets gør det således lettere at identificere polymeren end at behandle uhensigtsmæssige elementer, fordi ATR-krystal er i kontakt med mindre forurenet materiale. Kemisk sammensætningsanalyseresultater af en uhærdet pellet er vist i figur 6A . Elementet blev identificeret som gummi med en sandsynlighed på ca. 66% på højeste. Figur 6B viser resultaterne opnået fra en skive af samme pellet, hvilket i sidste ende viste sig at være fremstillet af PE med en sandsynlighed på 99%. Den anden måling blev udført på den indre side af fragmentet.

Figur 6
Figur 6 : ( A ) FT-IR spektrum af den ubeskyttede pellet og bedst ramte resultater fra spektra biblioteket. ( B ) FT-IR spektrumM af pelletskiven og bedst ramte resultater fra spektra biblioteket. Klik her for at se en større version af denne figur.

PE, som identificeret i figur 7A , er den mest almindelige polymertype, der findes i plastpellets efterfulgt af PP ( figur 7B ). Ethylen / vinylacetat-copolymer er den tredje mest almindelige plastype, der normalt er identificeret ( figur 7C ). Pellets fremstillet af PS kan lejlighedsvis også findes ( figur 7D ). Et eksempel på identifikation af plasttype til et replikat på 10 pellets er angivet i tabel 2 . Som det kan ses, består prøven af ​​70% af PE.

Figur 7 <Figur 7 : FT-IR spektrum og bedst ramte resultater af en pellet identificeret som ( A ) PE (99,0%); ( B ) PP (98,9%); ( C ) ethylen / vinylacetat-copolymer (97,0%); Og ( D ) PS (99,6%). Klik her for at se en større version af denne figur.

Eksempelnavn Søgescore Søg efter bedste hit Søg efter bedste hit beskrivelse
Prøve 1-1 0.990764 P01034 P1034.SP IMPACT-RESISTANT UHMW POLYETHYLENE ROD
Prøve 1-2 0.992768 P00508 P0508.SP POLYETHYLENE, MN = 1100, 9002-88-4
Prøve 1-3 P01037 P1037.SP MOISTURE-RESISTANT LDPE POLYETHYLENE ROD
Prøve 1-4 0.956303 P00561 P0561.SP POLYSTYRENE, MONOCARBOXY TERMINATED, MW = 200000, 9003-53-6
Prøve 1-5 0.988493 P00147 P0147.SP ETHYLENE / VINYL ACETAT 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
Prøve 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
Prøve 1-10 0.988388 P01046 P1046.SP RIGID HDPE POLYETHYLENE ROD

Tabel 2: Polymeridentifikationsresultater af en pulje på 10 pellets.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De fleste undersøgelser med fokus på organiske forureninger forbundet med plastpellets har lagt vægt på klassiske ekstraktionsmetoder for de adsorberede kemikalier. Soxhlet-apparatet er den mest anvendte teknik med typiske ekstraktionstider fra 12 til 24 timer og med højt forbrug af organiske opløsningsmidler ( dvs. fra 100 til 250 ml pr. Ekstraktion) 23 . Maceration ekstraktioner kræver en lang kontakt tid mellem prøven og det organiske opløsningsmiddel ( f.eks. 6 dage) 4 og kan fremskyndes ved at tilsætte et ultralydningstrin. I modsætning hertil er tryksat fluidudvinding som beskrevet i denne undersøgelse en effektiv måde til hurtigt at ekstrahere analytter fra faste eller halvfaste matricer under højt tryk og temperatur under anvendelse af en reduceret mængde opløsningsmiddel ( f.eks. 40 ml). Selv om det almindeligvis anvendes som et alternativ til Soxhlet-metoden, har denne teknik sjældent været anvendt inden for mikroplastik"Xref"> 14. En af begrænsningerne knyttet til anvendelsen af ​​denne teknik til analysen af ​​plastfragmenter er den potentielle smeltning af polymerer, som så er vanskelige at fjerne fra ekstraktet og ofte gør sin analyse umulig. Dette problem opstår ikke ved ekstraktion af organiske stoffer fra homogene matricer. I dette tilfælde sættes udløbstemperaturen i overensstemmelse med plasteksemplet af plastprøven. Mikroplastiske prøver består af en heterogen blanding af genstande fremstillet af forskellige polymertyper i forskellige nedbrydningstilstande, som ofte forårsager plastens tidlige smeltning. Således skal temperaturen i PFE-cellen optimeres for at muliggøre ekstraktion af OCP'er uanset polymertype og dets nedbrydningstilstand. I dette arbejde viste en temperatur på 60 ° C sammen med en lang ventetid et godt kompromis mellem udvindingseffektivitet og smelteproblemer. Kun gummi og alderen ethylen / vinylacetat copolymer er tilbøjelige til at smelte, bDisse polymerer er sædvanligvis til stede ved så lave mængder i prøven, at de ikke påvirker ekstraktion.

I mange studier 4 , 8 , 13 , 16 , 18 analyseres kun ældre PE-pellets for deres adsorberede indhold af organisk kontaminant. På grund af deres overfladeegenskaber har denne kategori af polymerer en større affinitet til adsorption af miljøforurenende stoffer end andre typer af pellets, og de er den overvejende polymerklasse 4 . Imidlertid præsenterer nogle prøveudtagningssteder en speciel profil med en overflod af mindre gamle pellets ( dvs. hvid eller gennemsigtig) og / eller en højere variation i polymertyper end almindeligvis fundet. Således foreslås en anden tilgang her for at undgå en mulig overvurdering af de organiske forureningsniveauer. Klassificeringen af ​​plastpellets er baseret på farve rotteHende end på polymer type. Desuden kan identifikationen af ​​plastypen stadig udføres efter ekstraktionstrinnet. Ved at fortsætte i denne rækkefølge sænkes risikoen for prøveforurening under polymerkemisk analyse, og plastidentifikationsprocessen kan lettes ved at skære pellets, som tidligere beskrevet. Udvinding af organiske forureninger fra genstande, der forveksles med plastpiller, vil være hovedbegrænsningen af ​​denne metode. Imidlertid kan det understreges, at kun en ubetydelig fraktion ( dvs. mindre end 0,5%) af de sampellede pellets er vist ikke at være fremstillet af plastpolymer efter kemisk analyse.

Denne protokol blev udviklet til bestemmelse af OCP'er adsorberet på plastpellets. Det kan dog tilpasses til påvisning af andre kategorier af organiske forureninger, der normalt findes forbundet med mikroplastik, såsom polychlorerede biphenyler (PCB) eller polycycliske aromatiske carbonhydrider (PAH'er) samt plAstere blødgøringsmidler eller tilsætningsstoffer. Til dette formål skal oprydningstrinet være yderligere optimeret ved at eluere sorbenten med adskillige successive opløsningsmidler med forskellige polariteter 4 , 10 . I et vist omfang kunne ekstraktionsopløsningsmiddelsammensætningen også modificeres ved tilsætning af en brøkdel af dichlormethan og / eller acetone til hexan. Endelig skal der udvikles nye analysemetoder specielt til de forbindelser, der skal undersøges. Selvom gaschromatografi-elektronindfangningsdetektor (GC-ECD) er en følsom teknik, begrænser dets selektivitet for halogenerede forbindelser dets anvendelse til andre klasser af forbindelser. Desuden er topidentifikation kun baseret på retentionstider, som kan føre til fejlfortolkning af kromatogrammer. For at mindske risikoen for fejlidentifikation accepteres en afvigelse fra standardopløsningsretentionstider på kun 0,1%. Gaskromatografi udstyret med et massespektrometer (GC-MS) er en passende teknikE til validering af topidentifikationen. Det kan køres parallelt med GC-ECD eller anvendes som en enkelt analysemetode, hvis dens følsomhed tillader kvantificering af sporkoncentrationer.

Denne metode fokuserer på harpikspiller, men den kan yderligere optimeres til analyse af andre mikroplastiske kategorier. Sorteringen af ​​plastfragmenter fra miljøprøver ( f.eks. Havoverflade, sediment eller biota) er imidlertid mere udfordrende end den af ​​pellets, og en visuel identifikation er ikke hensigtsmæssig. Den kemiske analyse af polymererne bør således udføres før ekstraktion. At vide, at mikroplastiske størrelser varierer fra 5 mm til nogle få hundrede μm ( fx 300 μm), skal analysen udføres på et mikro ATR-FTIR spektrometer, som er tilpasset til målingerne af små partikler 19 , 20 . Desuden er adskillelsen af ​​mikroplastik fra miljøprøver osUalder kræver brug af opløsningsmidler ( fx ethanol) og / eller stærke syrer eller baser ( fx syrefordøjning af væv), som kan desorbere og / eller nedbryde de organiske forureninger, der er forbundet med partiklerne. Således bør alternative separationsteknikker udvikles, hvilket vil bevare kemikalierne. Derudover bør det understreges, at mængden af ​​mikroplastik, der er påvist i havfladen og biota, ofte er utilstrækkelig til at udføre kvantitative analyser af organiske forbindelser. Denne protokol er indrettet til at behandle plastfragmenter, der er synlige for det blotte øje og fremstillet af hårde polymerer. Det er ikke sandsynligt at arbejde på bløde materialer eller ekstremt små genstande ( dvs. <1 mm). De mikroplastiske kategorier af film, filamenter og skum bør således kasseres fra prøverne. Ikke desto mindre kan små mikroplastiske stykker analyseres for deres organiske forureningsindhold og deres polymertype. I dette tilfælde anbefales det at skære emnerne i små partikler af fåMm før ekstraktion eller FT-IR analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev finansieret af IPA Adriaterhavets grænseoverskridende samarbejdsprogram 2007-2013 inden for DeFishGear-projektet (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Andrady, A. L. Microplastics in the marine environment. Mar Pollut Bull. 62, (8), 1596-1605 (2011).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
Ekstraktion af organiske chlorpesticider fra plastpellets og plasttypeanalyse
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pflieger, M., Makorič, P., Kovač Viršek, M., Koren, Š. Extraction of Organochlorine Pesticides from Plastic Pellets and Plastic Type Analysis. J. Vis. Exp. (125), e55531, doi:10.3791/55531 (2017).More

Pflieger, M., Makorič, P., Kovač Viršek, M., Koren, Š. Extraction of Organochlorine Pesticides from Plastic Pellets and Plastic Type Analysis. J. Vis. Exp. (125), e55531, doi:10.3791/55531 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter