Login processing...

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

Environment

Extractie van organische chloride pesticiden uit plastic pellets en plastic type analyse

doi: 10.3791/55531 Published: July 1, 2017

Summary

Microplastica fungeren als vector van potentieel toxische organische verontreinigingen met onvoorspelbare effecten. Dit protocol beschrijft een alternatieve methodologie voor het beoordelen van de niveaus van organische chloorpesticiden die geadsorbeerd zijn op plastic pellets en de polymerische chemische structuur identificeren. De focus ligt op drukvluchtige extractie en verzwakte totale reflectie Fourier transform infrarood spectroscopie.

Abstract

Plastische harspellets, gecategoriseerd als microplastics (≤5 mm in diameter), zijn kleine korrels die onbedoeld in de productie kunnen worden vrijgegeven tijdens het vervaardigen en transporteren. Vanwege hun ecologische persistentie, worden ze wijd verspreid in de oceanen en op stranden over de hele wereld. Ze kunnen fungeren als een vector van potentieel toxische organische verbindingen ( bijv. Polychloorbifenylen) en kunnen daarom ook Negatieve effecten op mariene organismen. Hun mogelijke impact langs de voedselketen is nog niet goed begrepen. Om de gevaren in verband met het voorkomen van plastic pellets in het mariene milieu te beoordelen, is het nodig methodologieën te ontwikkelen die het mogelijk maken om snel te bepalen van de bijbehorende organische verontreinigingsniveaus. Het onderhavige protocol beschrijft de verschillende stappen die nodig zijn voor het bemonsteren van harspellets, het analyseren van geadsorbeerde organochloorpesticiden (OCP's) en het identificeren van het plastic type. De nadruk ligt opDe extractie van OCP's uit plastic pellets door middel van een drukvloeibare extractor (PFE) en op de polymeercemische analyse die Fourier Transform-InfraRed (FT-IR) spectroscopie toepast. De ontwikkelde methodologie richt zich op 11 OCP's en verwante verbindingen, waaronder dichloordifenyltrichloorethaan (DDT) en zijn twee hoofdmetabolieten, lindaan en twee productie-isomeren, evenals de twee biologisch actieve isomeren van technisch endosulfan. Dit protocol vormt een eenvoudig en snel alternatief voor bestaande methodologie voor het evalueren van de concentratie van organische verontreinigingen geadsorbeerd op plastic stukken.

Introduction

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

De wereldwijde productie van kunststoffen stijgt voortdurend sinds de jaren 1950 tot 311 miljoen ton in 2014, met ongeveer 40% in verpakkingen 1 . Tegelijkertijd stijgen de toenemende hoeveelheden van deze materialen in het milieu, wat een ernstige bedreiging voor de ecosystemen kan veroorzaken 2 . Hoewel in de jaren zeventig al is gerapporteerd, is het voorbije decennium al meer aandacht besteed aan het optreden van plastic puin in het mariene milieu. Vooral microplastics, plastic fragmenten met een diameter van ≤ 5 mm, worden nu herkend als een van de belangrijkste kwesties voor mariene waterkwaliteit 3 .

Plastische harspellets zijn kleine korrels in het algemeen in de vorm van een cilinder of een schijf en met een diameter van een paar mm ( bijvoorbeeld 2 tot 5 mm) 4 , 5 . Ze vallen in de categorie microplastica. Deze plastic korrels zijnIndustrieel grondstof waarvan de eindproductie door middel van hersmelting en gietvorming bij hoge temperatuur 6 vervaardigd wordt. Ze kunnen onbedoeld worden vrijgegeven aan het milieu tijdens fabricage en transport. Bijvoorbeeld, ze kunnen direct in de oceaan worden geïntroduceerd door toevallige stortingen tijdens verzending 4 , 7 , 8 . Ze kunnen van land tot oceaan worden vervoerd door oppervlakteafloop, stromen en rivieren. Vanwege hun ecologische persistentie worden plastic pellets in de oceanen verspreid en op stranden over de hele wereld gevonden 4 . Ze kunnen mariene organismen negatief beïnvloeden en kunnen de voedselketen binnengaan, waar hun effecten onvoorspelbaar zijn 6 , 7 . Bovendien hebben verschillende studies de aanwezigheid van milieuverontreinigingen geadsorbeerd op plastic pellets die in een coasta zijn verzameld, onthuldL milieu, die fungeren als vector van deze potentieel toxische chemicaliën 4 , 9 , 10 . In feite zijn er laboratorium bewijsmateriaal dat suggereert dat deze chemicaliën kunnen bioaccumuleren in weefsels van organismen nadat ze zijn vrijgelaten uit ingevoerde plastic fragmenten 11 , 12 .

Om de gevaren die verband houden met het optreden van plastic pellets in het mariene milieu beter te beoordelen, is het nodig methodes te ontwikkelen die georiënteerde organische verontreinigingen kunnen bepalen. Een belangrijke stap is de extractie van de chemicaliën uit de plastic matrices, die heterogene fysisch-chemische eigenschappen kunnen voordoen, afhankelijk van het polymeer type, het afbraakstadium en de pre-behandelingen. De meeste van de in de literatuur gerapporteerde onderzoeken gebruiken maceratie- of Soxhlet-technieken 4 ,5 , 6 , 9 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , die oplosmiddel en / of tijdrovend zijn. Met betrekking tot de groeiende belangstelling voor dit probleem, moeten alternatieven worden ontwikkeld voor een snellere evaluatie van organische verontreinigingen geadsorbeerd op plastic stukken. Daarnaast geeft plastic chemische analyse informatie over de chemische structuur van de microplastica. Als gevolg hiervan kunnen de overheersende typen polymeren en copolymeren die aanwezig zijn in het milieu worden geëvalueerd. Hoewel plastic fragmenten gewoonlijk gemaakt zijn van polyethyleen (PE) en polypropyleen (PP) 5 , kunnen sommige steekproeflocaties een bepaald profiel presenteren waar andere categorieën significant vertegenwoordigd zijn ( bijv. Ethyleen / vinylacetaat copolymeerEn polystyreen (PS)). FT-IR spectroscopie is een betrouwbare en gebruiksvriendelijke techniek voor polymeeridentificatie die vaak gebruikt wordt om microplastics 19 , 20 te identificeren.

Het hoofddoel van het huidige werk is om een ​​snelle en eenvoudige optie te bieden voor het onttrekken van OCP's en verwante verbindingen uit plastic pellets door middel van een PFE. Het ontwerp van het protocol omvat echter alle stappen die leiden tot de bepaling van gesorbeerde OCP's, van de bemonstering van de harspellets tot de analyse van de verbindingen. De werkwijze voor het identificeren van het plastic type wordt ook beschreven. De ontwikkelde methodologie richt zich op 11 OCP's en aanverwante verbindingen: i) DDT (2,4'- en 4,4'-dichloordifenyltrichloorethaan) en zijn twee hoofdmetabolieten DDE (2,4'- en 4,4'-dichloordifenyldichloorethyleen) en DDD (2,4'- en 4,4'-dichloordifenyldichloorethaan); Ii) het isomeer gamma-hexachloorcyclohexaan (y-HCH) als hoofdbestanddeel oF het pesticide lindaan en de twee isomeren a-HCH en P-HCH die tijdens de productie 15 vrijkomen; Iii) en de twee biologisch actieve isomeren endosulfan I (Endo I) en II (Endo II) aanwezig in het technische endosulfan. De bestudeerde bestrijdingsmiddelen zijn brede spectrum insecticiden, chemisch stabiel, hydrofoob en geclassificeerd als persistente organische verontreinigende stoffen (POP's) door het Verdrag van Stockholm 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. Plastic Pellet Steekproef

  1. Voordat u naar het veld gaat, spoelt u alle benodigde bemonsteringsmaterialen ( bijv. Pincet en aluminiumfolie) met aceton of ethanol (99%). Als het materiaal niet kan worden gespoeld met oplosmiddelen, verwarm het de nacht bij 450 ° C in een oven ( bijv. Glaswerk).
    OPMERKING: In toeristische gebieden kunt u informatie verkrijgen over mogelijke strandreinigingsactiviteiten die het grootste deel van het mariene rommel inclusief microplastics zouden verwijderen. Bepaal indien mogelijk de bemonstering voor deze operatie. Als u tijdens het schoonmaakseizoen steekproef opneemt, geef de details van deze activiteit op in het identiteitsformulier ( bijv. Data, opruimingsmethode, enz. )
  2. Draag handschoenen, verzamel plastic pellets van het strand met oplosmiddel-gespoeld roestvrij stalen pincet.
  3. Steek 50 tot 100 pellets per locatie, die overeenkomt met 5 tot 10 replicaten per locatie (10 pellets per replicaat). Als het vereiste aantal pellets niet kan worden obtaIn, verzamel de maximale pellets mogelijk en geef het op in het identiteitsstrandvorm.
  4. Aan het eind van de steekproef, pak de verzamelde pellets in oplosmiddel gespoeld aluminiumfolie. Glasflessen kunnen als alternatief of zelfs papieren zakken gebruikt worden.
  5. Vul de identiteitsvorm van het geselecteerde strand in met de ontbrekende informatie ( dwz strandlocatie, weersomstandigheden, details over pellets, enz. ).
  6. Vervoer de monsters naar het laboratorium in een ijskast indien de omgevingstemperatuur meer dan 25 ° C bedraagt. Deze stap kan worden overschreden bij korte uitstapjes ( bijv. <1 uur).
  7. Verwijder voorzichtig afneembare deeltjes ( bijv. Zand) van de pellets in het laboratorium. Droog de monsters indien nodig in een desiccator voorafgaand aan de opslag (duisternis, T <25 ° C). Vermijd kamers waar OCP's in gebruik kunnen zijn ( bijv. Opslag van standaardoplossingen).
  8. Bewaar de pellets in de koelkast (4 ° C) gedurende korte perioden ( dwz enkele dagen) ofIn de vriezer (-18 ° C) gedurende langere perioden in oplosmiddel gespoeld aluminiumfolie.
  9. Vermijd blootstelling van monsters aan kunstlicht of zonlicht. Hanteer de monsters zo weinig mogelijk voor analyse om het risico op verontreiniging te verminderen.

2. Extractie van OCP's uit plastic pellets

  1. Om het risico op verontreiniging te verminderen, werk in een schoon laboratorium met gebruik van zorgvuldig gewassen glazen als volgt: 2 spoeltjes met analytisch aceton, dichloormethaan en n-hexaan. Droog de glaswerk onder stikstofstroom en bescherm het tegen contact met de omgevingslucht ( bijv. Deksel met schoongemaakte aluminiumfolie). Pas deze reinigingsprocedure toe in de verdere stappen van het protocol ( dwz secties 3 en 4).
  2. Met behulp van oplosmiddel gespoelde pincetten, sorteer de pellets per kleur in de volgende categorieën: wit / transparant, witachtig / geelachtig, geel / oranje, amber / bruin, en gepigmenteerd ( bijv. Rood, groen, blauw, enz. )
  3. Verzamel 10 pelletjesS van soortgelijke kleur willekeurig ( dwz plastic type niet overwogen), die een replicaat zal vormen.
  4. Weeg het monster op een analytisch evenwicht en teken de massa op. In dit stadium kunnen de monsters terug in de koelkast of vriezer worden geplaatst.
  5. Om rekening te houden met de achtergrondverontreiniging, voer een blanco monster uit met elke set replicaten ( bijvoorbeeld 1 blanco voor 5 replicaten). Doe hiervoor hetzelfde protocol als hierboven beschreven, maar voeg geen plastic pellets toe in de extractiecel. Dit blanco monster zal de verdere stappen van het protocol ondergaan en worden samen met de monsters geanalyseerd.
  6. Schakel de PFE in. Download de extractiemethode en verwarm het instrument op tot 60 ° C. De details van de methode zijn als volgt:
    1. Stel de temperatuur in op 60 ° C en druk op 100 bar.
    2. Selecteer een cyclus met opwarmtijd van 1 minuut, een houdtijd van 25 minuten en een ontslagstijd van 2 minuten.
    3. Stel het oplosmiddel inEn gas (N 2 ) spoel tijden tot 3 min elk.
    4. Selecteer n-hexaan als extractie oplosmiddel.
  7. Terwijl het instrument opwarmen, bereidt u de extractiecel op zoals hieronder beschreven. Pas indien nodig het protocol aan op de instructies van de leverancier van uw instrument:
    1. Plaats het onderste filter en de frit in de extractiecel. Sluit het en draai het om.
    2. Vul ongeveer de helft van de cel met schoongemaakt kwartszand met een trechter.
    3. Voeg het gewogen monster toe (dat wil zeggen een replicaat van 10 pellets). Bevroren plastic pellets moeten voor de extractie in de koelkast worden geplaatst.
    4. Voeg kwartszand tot 1 cm van de bovenkant van de cel. Wees voorzichtig met het gebruik van Ultra Clean Quartszand (of alternatief glaskrullen), aangezien het aan dezelfde extractieomstandigheden als de monsters blootstaat. Om het zand schoon te maken, haal het achtereenvolgens uit in het PFE in analytisch gehalte dichloormethaan en n-hexaan, waarbij 2 of 2Meer cycli per oplosmiddel ( bijv. 30 min bij 100 ° C onder 100 bar). Alternatief, gebruik een ultrasone bad en / of roterende verdamper. Herhaal de schoonmaakprocedure indien nodig.
    5. Plaats het bovenste filter in de cel en plaats de cel in het instrument.
  8. Plaats de verzamelvaten in het instrument en start de extractiemethode (totale looptijd van ongeveer 35 minuten).
  9. Wanneer de methode is voltooid, leid de extractiecel in een gereinigd glasvat ( bijv. Beker, glascelcultuurschotel) en haal de 10 pellets in het zand. Bewaar ze in een container tot verdere analyse voor het identificeren van plastic ( bijv. Ritssluiting of glazen flesje).

3. Concentratie en opruiming van het extract

  1. Breng het verkregen extract (ongeveer 40 ml) van het verzamelvat naar een glazen buis en verdamp het op 1 ml in een roterende concentrator die gedurende 20 minuten op 35 ° C is ingesteld. Alternatieve methoden kunnen gebruikt wordenCh als verdamping onder stikstofstroom of roterende verdamper. De temperatuur en duur moeten dienovereenkomstig worden geoptimaliseerd.
  2. Ondertussen bereidt u de vaste-fase-extractor (SPE) op door een afvalbuis in het rek te plaatsen en een patroon gevuld met geactiveerd magnesiumsilicaat sorbent (1 g) op de verdeelstuk in de buurt van de klep. De opruiming is gebaseerd op de EPA methode 3620C 22 als volgt:
    1. Zet het vacuüm aan bij de bron en voeg 4 ml hexaan in de patroon toe om het sorbent te activeren.
    2. Open de klep en laat het oplosmiddel door het gehele sorbentbed gaan. Sluit vervolgens de klep en laat het sorbent 5 minuten in hexaan weken.
    3. Open de klep en laat het oplosmiddel doorgaan, maar sluit de klep voordat het sorbent afdroogt.
    4. Wanneer het monster geconcentreerd is, breng het over naar de cartridge met een Pasteur pipette. Open de klep voorzichtig en laat het langzaam doorlopen. 1-2 druppels per seconde isEen passende snelheid.
    5. Spoel de glazen buis die het uittreksel bevat met 0,5 ml hexaan en voeg het toe aan de patroon als het extract doorheen is gegaan.
    6. Wanneer het volledige oplosmiddel doorgaat, sluit de klep en zet het vacuüm uit.
    7. Vervang de afvalbuis met een verzamelbuis en gebruik een leidingsnål voor schoon oplosmiddel.
    8. Voeg 9 ml aceton / hexaan (10/90, v / v) aan de patroon toe en zet het vacuüm bij de bron aan. Laat het sorbent gedurende 1 minuut in het oplosmiddel weken.
    9. Open de klep en haal het volledige eluaat in de verzamelbuis.
  3. Plaats de verzamelbuis in de concentrator en verdamp het oplosmiddel gedurende 9 minuten bij 35 ° C om 1 ml eluaat te bereiken.
  4. Breng het geconcentreerde eluaat in een amber autosampler flesje met een Pasteur pipette. In dit stadium kunnen de monsters vóór de analyse in de vriezer worden opgeslagen.

4. Analyse van de Cleaned en ConcentraTed Extract

  1. Download de analysemethode op de besturingssoftware van het GC-μECD-instrument (gaschromatograaf uitgerust met een micro-elektronenopvangdetector). De details van de methode zijn als volgt:
    1. Stel de injector in de splitsloze modus, de temperatuur tot 250 ° C en de reinigingstijd tot 1 min.
    2. Stel de stroom van het draaggas (He) in op 1,5 ml min -1 .
    3. Programmeer de kolomoven met de volgende temperatuurgradiënt: 60 ° C vasthouden gedurende 1 minuut, helling van 30 ° C min -1 tot 200 ° C, oprit van 5 ° C min -1 tot 230 ° C, helling van 3 ° C min -1 tot 250 ° C, houd deze temperatuur gedurende 5 minuten.
    4. Stel de detector temperatuur in op 300 ° C en de back-up gasstroom (N2) tot 60 mL min -1 .
  2. Plaats de injectieflacon met het monster (gereinigd en geconcentreerd) in het autosampler rek en voer de methode (looptijd van 23,3 minuten). ik Injecteer 2 μL monster.
  3. Identificeer na de analyse de verschillende verbindingen op het chromatogram door hun retentietijden en teken de corresponderende piekgebieden aan.
  4. Rekening houdend met de terugvorderingen (R) en de piekgebieden (A 1 ), bereken de concentratie (C 1 ) van elke OCP in het extract met behulp van de vergelijkingen van de kalibratiekrommen als volgt:
    Vergelijking 1
    Waar b de onderschepping bij de oorsprong is en a de helling van de kalibratievergelijking is,
    Vergelijking 2
  5. Rekening houdend met de massa (m) van het replicaat (dat wil zeggen 10 pellets, zie paragraaf 2.4) en het volume (V) van het uiteindelijke extract (dat wil zeggen 1 ml), bereken de concentratie (C 2 ) van elke OCP geadsorbeerde op De plastic pellets ( dwz ng OCP per g plastic pellet):
    /ftp_upload/55531/55531eq3.jpg "/>

5. Identificatie van de plastic type

  1. Breng de pellets over in een glas Petri-schotel en plaats deze in een plastic zak.
  2. Houd een pellet met pincetjes en snijd een plakje pellet met een scalpel. De plastic zak voorkomt het verlies van pellets tijdens het snijden.
  3. Reinig het verzwakte totale reflectie (ATR) kristal van het FT-IR instrument met ethanol.
  4. Teken een achtergrond spectrum op.
  5. Plaats het fragment op het ATR-kristal en schroef de monsterhouder. De binnenkant van het stuk moet in contact zijn met het kristal.
  6. Scan het monster en record het spectrum.
  7. Identificeer het polymeer dat de plastic pellet vormt door het verkregen spectrum te vergelijken met een spectrumbibliotheek. Hoewel meer tijdrovend, zou de interpretatie van de verkregen spectra ook handmatig kunnen worden uitgevoerd, maar waarschijnlijk zonder de mate van specificiteit te bereiken die is bereikt met een bibliotheekzeerch.

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

Plastic pellets worden meestal gevonden langs de hoge en laagwaterlijnen van zandstranden ( Figuur 1A ). Ze kunnen ook vasthouden aan zeegras, die pas gestrand is op stranden, na een storm bijvoorbeeld. Ze kunnen af ​​en toe worden gevonden op kiezelstenen en steenachtige stranden in accumulatiegebieden van gestrand materiaal.

Plastic pellets zijn meestal herkenbaar door hun vorm, grootte en kleur, zoals getoond in Figuur 1B (zie de twee middelste kolommen). Ze zouden kunnen worden vergist voor kleine gravels (zie kolommen 5 en 6), kleine biologische fragmenten, of deeltjes van verschillende oorsprong (zie kolommen 1 en 2). Eenmaal in het laboratorium kunnen de verdachte items weggegooid worden. In geval van twijfel is het mogelijk om de zwevendheid van de monsters in dubbel gedistilleerd water te controleren. Gravels zullen zinken, terwijl plastic pellets meestal drijven. Een monster van plastic pelletsVerzameld op een strand wordt getoond in figuur 1C voor illustratie. Een voorbeeld van het identiteitsstrandformulier dat in het veld wordt ingevuld wordt verschaft Figuur 1D .

Figuur 1
Figuur 1 : ( A ) Plastische harspellets gestrand op een zandstrand bij de getijlijn. ( B ) Pellets van kunststofhars versus grind en andere gestrande materialen. Fragmenten van verschillende herkomst worden weergegeven in de 1e en 2e kolom van links. Kleine grinddeeltjes zijn uitgelijnd in kolommen 5 en 6. Plastic pellets zijn in de middelste kolommen. ( C ) Monster van pellets van kunststofhars. ( D ) Voorbeeld van een identiteitsstrandvorm. Gelieve cl Ik zie hier een grotere versie van deze figuur.

Witte en geelachtige pellets zijn meestal overheersend over andere pellets, vooral gepigmenteerde. Enkele bemonsteringsterreinen presenteren echter een bepaald profiel en daarom wordt geadviseerd om de plastic stukken per kleur (visuele beoordeling) te classificeren voorafgaand aan extractie. Een visuele referentie kan worden gecreëerd om de pellets te helpen sorteren zoals weergegeven in Figuur 2 (van links naar rechts: wit / transparant, wittig / geelachtig, geel / oranje, amber / bruin en gepigmenteerd).

Figuur 2
Figuur 2 : Classificatie van plastic pellets per kleur, van links naar rechts: wit / transparant, witachtig / geelachtig, geel / oranje, amber / bruin en gepigmenteerd. Bestanden / ftp_upload / 55531 / 55531fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te zien.

Het kan gebeuren dat sommige pellets smelten tijdens het extractieproces. Zo zullen kwartszanddeeltjes op hun oppervlak vasthouden na extractie. Bijvoorbeeld, in Figuur 3A heeft de geïsoleerde pellet aan de linkerzijde van de Petri-schotel zanddeeltjes die op het oppervlak vanwege het smelten op zijn oppervlak steken. Dit komt vaak voor met ethyleen / vinylacetaat copolymeren door hun lage smeltpunt in vergelijking met andere plastic polymeren zoals PE en PP. Bij uitzondering kan het smeltproces te ernstig zijn en het extract zal melkachtig lijken ( Figuur 3B ). In dit geval wordt het aangeraden de monster onmiddellijk na extractie te weggooien. Dit extract zou het sorbent van de SPE-patroon verstoppen.

Figimg "src =" / files / ftp_upload / 55531 / 55531fig3.jpg "/>
Figuur 3 : ( A ) De geïsoleerde pellet aan de linkerkant van de Petri-schotel heeft zanddeeltjes die door het smelten op zijn oppervlak steken. ( B ) Extractie met polymere afbraak. Het smeltproces kan het extract melkerig maken. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Als eerste aanpak werden spiked maagdelijke pellets bereid om de extractiestap te optimaliseren en de herhaalbaarheid ervan te beoordelen. Zoals blijkt uit figuur 4A werden alle 11 OCP's geëxtraheerd met toepassing van het beschreven protocol. Daarnaast illustreert Figuur 4B het analyseresultaat van OCP's uit pellets geëxtraheerd op een strand aan de Adriatische kust. ikIn dit geval werden 8 OCP's uit 11 gedetecteerd. De chromatografische piekidentificatie is gebaseerd op de retentietijden die worden verkregen uit de injectie van OCP's individuele standaardoplossingen. Een afwijking van de standaard piekretentietijd van 0,1% wordt geaccepteerd als maximum. De berekening van OCP concentraties is gebaseerd op de analyse van standaard oplossingen. Kalibratievergelijkingen en terugwinningen van de SPE en concentratie stappen moeten worden vastgesteld voor elke onderzochte verbinding voorafgaand aan de steekproefanalyse ( Tabel 1 ).

Figuur 4
Figuur 4 : ( A ) Chromatogram van OCP's geëxtraheerd uit spiked maagd PE pellets. ( B ) Chromatogram OCP's uit pellets geëxtraheerd aan de Adriatische kust. Klik hier alsjeblieftOm een ​​grotere versie van deze figuur te zien.

verbindingen Tr (min) Kalibratiecurvevergelijking R2 Herstel (%)
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: Voorbeeld van kalibratie- en herstelresultaten verkregen voor de 11 bestudeerde OCP's.

Voor elke bemonsteringsplaats wordt een representatieve concentratie bepaald door ten minste 3 replicaten van 10 pellets te analyseren en de mediane waarde te nemen. Deze laatste heeft de voorkeurNaar de gemiddelde waarde door de dispersie van de resultaten 4 . Figuur 5 toont een voorbeeld van resultaten op basis van 5 replicaten.

Figuur 5
Figuur 5 : Middelgrote concentratie van OCP's uit pellets geëxtraheerd aan de Adriatische kust. De gegevens tonen een voorbeeld van resultaten op basis van 5 replicaten. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

De chemische analyse van het plastic wordt uitgevoerd op een ATR-FT-IR spectrometer. De meting wordt uitgevoerd aan de binnenzijde van een pelletschijf. Plastic stukken worden bedekt met biofilms en / of door aanhechtende lagen die in de IR kunnen storenSpectra van het monster. Zo kan het snijden van de pellets een eenvoudiger identificatie van het polymeer dan het verwerken van onbewerkte producten, omdat het ATR kristal in contact is met minder verontreinigd materiaal. De resultaten van de chemische samenstellinganalyse van een ongesneden pellet worden getoond in Figuur 6A . Het product werd geïdentificeerd als rubber met een waarschijnlijkheid van ongeveer 66% op het hoogste. Figuur 6B presenteert de resultaten verkregen uit een segment van dezelfde pellet, die uiteindelijk bleek te zijn gemaakt van PE met een kans van 99%. De tweede meting werd uitgevoerd aan de binnenkant van het fragment.

Figuur 6
Figuur 6 : ( A ) FT-IR spectrum van de ongesneden pellet en het beste resultaat komt uit de spectra bibliotheek. ( B ) FT-IR spectrumM van de pelletschijf en de beste resultaten van de spectrumbibliotheek. Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

PE, zoals geïdentificeerd in figuur 7A , is het meest voorkomende polymeer type gevonden in plastic pellets, gevolgd door PP ( Figuur 7B ). Ethyleen / vinylacetaat copolymeer is het 3 meest voorkomende plastic type dat gewoonlijk wordt geïdentificeerd ( Figuur 7C ). Pellets gemaakt van PS kunnen af ​​en toe ook worden gevonden ( Figuur 7D ). Een voorbeeld van identificatie van een plastic type voor een replicaat van 10 pellets wordt gegeven in tabel 2 . Zoals blijkt, bestaat het monster uit 70% per PE.

Figuur 7 <Figuur 7 : FT-IR spectrum en de beste resultaten van een pellet geïdentificeerd als ( A ) PE (99,0%); ( B ) PP (98,9%); ( C ) ethyleen / vinylacetaat copolymeer (97,0%); En ( D ) PS (99,6%). Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Voorbeeld Naam Zoek Score Zoek de beste hit Zoek de beste hitomschrijving
Voorbeeld 1-1 0.990764 P01034 P1034.SP IMPACT-RESISTANT UHMW POLYETHYLENE ROD
Sample 1-2 0.992768 P00508 P0508.SP POLYETHYLENE, MN = 1100, 9002-88-4
Voorbeeld 1-3 P01037 P1037.SP VOGEL-RESISTANT LDPE POLYETHYLENE ROD
Voorbeeld 1-4 0.956303 P00561 P0561.SP POLYSTYRENE, MONOCARBOXY TERMINATED, MW = 200000, 9003-53-6
Voorbeeld 1-5 0.988493 P00147 P0147.SP ETHYLENE / VINYL ACETATE COPOLYMER, 18% VA BY WT., 24937-78-8
Voorbeeld 1-6 0.990185 P01046 P1046.SP RIGID HDPE POLYETHYLENE ROD
Voorbeeld 1-7 0.988167 P01034 P1034.SP IMPACT-RESISTANT UHMW POLYETHYLENE ROD
Voorbeeld 1-8 0.969821 P00546 P0546.SP POLYPROPYLENE, ISOTACTIC, TG = -26, 9003-07-0
Voorbeeld 1-9 0.991779 P01036 P1036.SP METAL-DETECTOR-GRAAD UHMW POLYETHYLENE ROD
Voorbeeld 1-10 0.988388 P01046 P1046.SP RIGID HDPE POLYETHYLENE ROD

Tabel 2: Polymeridentificatie resultaten van een pool van 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 meeste studies die zich richten op organische verontreinigingen geassocieerd met plastic pellets hebben gebaseerd op klassieke extractiemethoden van geadsorbeerde chemicaliën. Het Soxhlet apparaat is de meest gebruikte techniek met typische extractietijden van 12 tot 24 uur en met een hoog verbruik van organische oplosmiddelen ( dwz 100 tot 250 ml per extractie) 23 . Maceratie-extracties vereisen een lange contacttijd tussen het monster en het organische oplosmiddel ( bijvoorbeeld 6 dagen) 4 en kunnen worden gehaald door een ultrasonische stap toe te voegen. In tegenstelling hiermee is drukvloeistofwinning, zoals beschreven in deze studie, een efficiënte manier om analyten snel uit vaste of halve vaste matrices te extraheren onder hoge druk en temperatuur onder gebruikmaking van een verminderde hoeveelheid oplosmiddel ( bijv. 40 ml). Hoewel het vaak gebruikt wordt als een alternatief voor de Soxhlet-methode, is deze techniek zelden toegepast op het gebied van microplastica"Xref"> 14. Een van de beperkingen verbonden aan de toepassing van deze techniek op de analyse van kunststoffragmenten is de mogelijke smelting van polymeren, die dan moeilijk uit het extract kunnen worden verwijderd en vaak zijn analyse onmogelijk maken. Dit probleem komt niet voor bij de extractie van organische stoffen uit homogene matrices. In dit geval wordt de extractietemperatuur ingesteld volgens het polymeertype van het plastic monster. Microplastische monsters zijn samengesteld uit een heterogeen mengsel van voorwerpen gemaakt van verschillende polymeertypen in verschillende afbraakstaten, die vaak de vroege smelting van het plastic veroorzaken. Zo moet de temperatuur in de PFE-cel worden geoptimaliseerd om de extractie van OCP's mogelijk te maken, ongeacht het polymeer type en de afbraakstoestand ervan. In dit werk bleek een temperatuur van 60 ° C, samen met een lange houdingstijd, een goed compromis tussen extractie-efficiëntie en smeltproblemen. Alleen rubberen en etheen / vinyl acetaat copolymeer zijn geneigd om te smelten, bDeze polymeren zijn gewoonlijk aanwezig bij zulke lage hoeveelheden in het monster dat ze geen invloed hebben op extractie.

In veel studies worden 4 , 8 , 13 , 16 , 18 , alleen oude PE-pellets geanalyseerd voor hun geadsorbeerde organische verontreinigende inhoud. Vanwege hun oppervlakte-eigenschappen heeft deze categorie polymeren een grotere affiniteit om adsorbent milieuverontreinigende stoffen dan andere soorten pellets te adsorberen en zij zijn de overheersende polymeerklasse 4 . Enkele bemonsteringslocaties presenteren echter een speciaal profiel met een overvloed aan minder oude pellets ( dwz wit of doorzichtig) en / of een grotere verscheidenheid in polymere typen dan algemeen gevonden. Zo wordt hier een andere aanpak voorgesteld om een ​​mogelijke overschatting van de organische verontreinigende niveaus te vermijden. De classificatie van plastic pellets is gebaseerd op kleurratHaar dan op polymeer type. Bovendien kan de identificatie van het plastic type nog na de extractiestap uitgevoerd worden. Door in deze volgorde te gaan, wordt het risico op monsterverontreiniging tijdens de polymerische chemische analyse verlaagd en kan het plastic identificatieproces vergemakkelijkt worden door de pellets te snijden, zoals eerder uitgelegd. Het verwijderen van organische verontreinigingen uit voorwerpen die zich voor de plastic pellets vergissen zouden de belangrijkste beperking van deze methodiek zijn. Het kan echter onderstreept worden dat slechts een verwaarloosbare fractie (dat wil zeggen minder dan 0,5%) van de bemonsterde pellets niet na plastic analyse van plastic polymeer wordt gemaakt.

Dit protocol is ontwikkeld voor de bepaling van OCP's geadsorbeerd op plastic pellets. Het kan echter aangepast worden voor het opsporen van andere categorieën organische verontreinigingen die gewoonlijk worden geassocieerd met microplastica zoals polychloorbifenylen (PCB's) of polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAH's), alsmede plAstische verzachters of additieven. Daartoe moet de opruimingsstap verder worden geoptimaliseerd door het sorbent te elueren met verscheidene opeenvolgende oplosmiddelen met verschillende polariteiten 4 , 10 . In zekere mate kan de extractie oplosmiddel samenstelling ook worden gemodificeerd, bijvoorbeeld door een fractie dichloormethaan en / of aceton aan hexaan toe te voegen. Tenslotte moeten nieuwe analysemethoden speciaal worden ontwikkeld voor de te onderzoeken verbindingen. Hoewel GC-ECD (Gas Chromatography-Electron Capture Detector) een gevoelige techniek is, beperkt de selectiviteit voor gehalogeneerde verbindingen de toepassing ervan aan andere klassen van verbindingen. Bovendien is piekidentificatie alleen gebaseerd op retentietijden, wat kan leiden tot verkeerde interpretatie van chromatogrammen. Om het risico van verkeerde identificatie te verminderen, wordt een afwijking van de standaardoplossingstijden van slechts 0,1% geaccepteerd. Gaschromatografie uitgerust met een massaspectrometer (GC-MS) is een geschikte techniekE voor het valideren van de piekidentificatie. Het kan parallel lopen met GC-ECD of gebruikt worden als een enkele analysemethode indien de gevoeligheid ervan de kwantificering van sporenconcentraties mogelijk maakt.

Deze methode richt zich op harspellets, maar kan verder worden geoptimaliseerd voor de analyse van andere microplastische categorieën. Het sorteren van plastic fragmenten uit milieuproeven ( bijvoorbeeld zeeoppervlak, sediment of biota) is echter meer uitdagend dan die van pellets en een visuele identificatie is niet geschikt. Zo moet de chemische analyse van de polymeren voorafgaand aan extractie worden uitgevoerd. Omdat microplastische afmetingen variëren van 5 mm tot enkele honderd μm ( bijv. 300 μm), moet de analyse worden uitgevoerd op een micro-ATR-FTIR-spectrometer, die is aangepast voor de metingen van kleine deeltjes 19 , 20 . Bovendien onderscheidt de scheiding van microplastics van milieu onsUally vereist het gebruik van oplosmiddelen ( bijvoorbeeld ethanol) en / of sterke zuren of basen ( bijv . Zuurvertering van weefsels), die de organische verontreinigingen die geassocieerd zijn met de deeltjes kunnen desorberen en / of degraderen. Zo moeten alternatieve scheidingstechnieken worden ontwikkeld, die de chemicaliën zouden behouden. Daarnaast moet worden onderstreept dat de hoeveelheid microplastica die in zeeoppervlak en biota wordt gedetecteerd vaak onvoldoende is voor het uitvoeren van kwantitatieve analyses van organische verbindingen. Dit protocol is aangepast voor het verwerken van kunststoffragmenten die zichtbaar zijn voor het blote oog en gemaakt zijn van harde polymeren. Het is niet waarschijnlijk dat u op zachte materialen of extreem kleine items werkt ( dwz <1 mm). Zo moeten de microplastische categorieën films, filamenten en schuimen van de monsters worden weggegooid. Niettemin kunnen kleine microplastische stukken worden geanalyseerd voor hun organische verontreinigende inhoud en hun polymeer type. In dit geval is het raadzaam om de items in kleine deeltjes van een paar te snijdenMm voor extractie of FT-IR analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk is gefinancierd door het IPA Adriatisch Grensoverschrijdend Samenwerkingsprogramma 2007-2013, binnen het DeFishGear project (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).
Extractie van organische chloride pesticiden uit plastic pellets en plastic type analyse
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