Extraktion av organiska klorpesticider från plastpellets och plasttypsanalys
Summary
Mikroplastik fungerar som vektor av potentiellt toxiska organiska föroreningar med oförutsägbara effekter. Detta protokoll beskriver en alternativ metod för att bedöma nivåerna av organiska klorpesticider adsorberade på plastpellets och identifiering av den polymera kemiska strukturen. Fokus ligger på tryckvätskeextraktion och dämpad totalreflektans Fourier transform-infraröd spektroskopi.
Abstract
Plasthartspellets, kategoriserade som mikroplastics (≤5 mm i diameter), är små granulat som oavsiktligt kan släppas ut i miljön under tillverkning och transport. På grund av sin miljöpåverkan är de brett utbredda i havet och på stränder över hela världen. De kan fungera som en vektor av potentiellt toxiska organiska föreningar ( t.ex. polyklorerade bifenyler) och kan följaktligen Negativt påverka marina organismer. Deras eventuella konsekvenser längs livsmedelskedjan är ännu inte väl förstådda. För att bedöma de faror som är förknippade med förekomst av plastpellets i havsmiljön är det nödvändigt att utveckla metoder som möjliggör snabb bestämning av associerade organiska föroreningsnivåer. Det föreliggande protokollet beskriver de olika stegen som krävs för provtagning av hartspellets, analysering av adsorberade organoklorpesticider (OCP) och identifiering av plasttypen. Fokus ligger påExtraktionen av OCP från plastpellets med hjälp av en tryckvätskextraktor (PFE) och polymerkemisk analys som tillämpar Fourier Transform-InfraRed (FT-IR) spektroskopi. Den utvecklade metoden fokuserar på 11 OCP och besläktade föreningar, däribland diklorodifenyltrikloretan (DDT) och dess två huvudmetaboliter, lindan och två produktionsisomerer, liksom de två biologiskt aktiva isomererna av teknisk endosulfan. Detta protokoll utgör ett enkelt och snabbt alternativ till befintlig metod för att utvärdera koncentrationen av organiska föroreningar adsorberade på plastbitar.
Introduction
Den globala produktionen av plast ökar ständigt sedan 1950-talet för att uppnå 311 miljoner ton 2014 med cirka 40% som används i förpackning 1 . Parallellt ökar ökade kvantiteter av dessa material i miljön, vilket kan utgöra ett allvarligt hot mot ekosystemen 2 . Även om det redan rapporterades på 1970-talet har förekomsten av plastrester i den marina miljön endast fått större uppmärksamhet under det senaste decenniet. Speciellt mikroplastik, plastfragment med en diameter av ≤ 5 mm, är nu kända som en av de viktigaste problemen med havsvattenkvalitet 3 .
Plasthartspellets är små granuler i allmänhet i form av en cylinder eller en skiva och med en diameter av några mm ( t.ex. 2 till 5 mm) 4 , 5 . De faller i kategorin mikroplastik. Dessa plastgranuler ärIndustriellt råmaterial från vilket slutliga plastprodukter tillverkas genom omsmältning och gjutning vid hög temperatur 6 . De kan oavsiktligt släppas ut till miljön under tillverkning och transport. Till exempel kan de direkt introduceras till havet genom oavsiktlig spillning under frakt 4 , 7 , 8 . De kan transporteras från land till havs genom ytflod, strömmar och floder. På grund av sin miljöpåverkan är plastpellets utbredda i oceanerna och finns på stränder över hela världen 4 . De kan påverka marina organismer negativt och kan komma in i livsmedelskedjan, där deras effekter är oförutsägbara 6 , 7 . Vidare har flera studier visat förekomsten av miljöföroreningar adsorberade på plastpellets uppsamlade i en coastaL-miljö, som fungerar som vektor av dessa potentiellt giftiga kemikalier 4 , 9 , 10 . Faktum är att det finns laboratoriebevis som tyder på att dessa kemikalier kan bioackumulera i vävnader av organismer efter att de släppts från inmatade plastfragment 11 , 12 .
För att bättre kunna bedöma de faror som är förknippade med förekomsten av plastpellets i havsmiljön är det nödvändigt att utveckla metoder som kan bestämma sorberade organiska föroreningar. Ett viktigt steg är utvinningen av kemikalierna från plastmatriserna, som kan presentera heterogena fysikalisk-kemiska egenskaper, beroende på polymertyp, dess nedbrytningsstadium och förbehandlingar. De flesta av de undersökningar som rapporterats i litteraturen använder maceration eller Soxhlet-tekniker 4 ,5 , 6 , 9 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , vilka är lösningsmedel och / eller tidskrävande. När det gäller växande intresse för denna fråga bör alternativ utvecklas för en snabbare utvärdering av organiska föroreningar adsorberade på plastbitar. Dessutom ger plastkemisk analys information om mikroplastikens kemiska struktur. Som ett resultat kan de övervägande typerna av polymerer och sampolymerer närvarande i miljön utvärderas. Även om plastfragment vanligen tillverkas av polyeten (PE) och polypropen (PP) 5 , kan vissa provtagningsställen presentera en speciell profil där andra kategorier är signifikant representerade (t ex etylen / vinylacetatsampolymerOch polystyren (PS)). FT-IR-spektroskopi är en pålitlig och användarvänlig teknik för polymeridentifikation som vanligtvis används för att identifiera mikroplastik 19 , 20 .
Huvudsyftet med föreliggande arbete är att erbjuda ett snabbt och enkelt alternativ för att extrahera OCP och besläktade föreningar från plastpellets med hjälp av en PFE. Konstruktionen av protokollet innefattar emellertid alla steg som leder till bestämningen av sorberade OCP, från provtagningen av hartspellets till analysen av föreningarna. Metoden för identifiering av plasttypen beskrivs också. Den utvecklade metoden fokuserar på 11 OCP och relaterade föreningar: i) DDT (2,4'- och 4,4'-diklorodifenyltrikloretan) och dess två huvudmetaboliter DDE (2,4'- och 4,4'-diklorodifenyldikloretylen) och DDD (2,4'- och 4,4'-diklorodifenyldikloretan); Ii) isomer-gamma-hexaklorcyklohexan (y-HCH) som huvudbeståndsdel oF bekämpningsmedlet lindan och de två isomererna a-HCH och p-HCH frisläppt under dess produktion 15 ; Iii) och de två biologiskt aktiva isomererna endosulfan I (Endo I) och II (Endo II) närvarande i den tekniska endosulfan. De studerade bekämpningsmedlen är bredspektrum insekticider, kemiskt stabila, hydrofoba och klassificeras som persistenta organiska föroreningar (POP) enligt Stockholmskonventionen 21 .
Protocol
Representative Results
Discussion
De flesta studier som fokuserar på organiska föroreningar i samband med plastpellets har åberopat klassiska extraktionsmetoder för de adsorberade kemikalierna. Soxhlet-apparaten är den mest använda tekniken med typiska utvinningstider från 12 till 24 timmar och med hög konsumtion av organiska lösningsmedel ( dvs. från 100 till 250 ml per extraktion) 23 . Maceration extraktioner kräver en lång kontakt tid mellan provet och det organiska lösningsmedlet (t ex 6 d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet finansierades av IPA Adriatiska gränsöverskridande samarbetsprogram 2007-2013 inom ramen för projektet DeFishGear (1 ° str / 00010).
Materials
| 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. , (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. , (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, &. #. 3. 5. 2. ;., 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 . , (2017).
- EPA – Environmental protection Agency. . Method 3620C: Florisil Cleanup, part of Test Methods for Evaluating Solid Waste, Physical/Chemical Methods (2014). , (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).
