Summary

Prøvetaking, identifisering og karakterisering av mikroplastfrigjøring fra polypropylen babyfôringsflaske under daglig bruk

Published: July 24, 2021
doi:

Summary

Denne studien detaljerte en pålitelig og kostnadseffektiv protokoll for mikroplastoppsamling og deteksjon fra daglig bruk av plastprodukter.

Abstract

Mikroplast (MPs) blir en global bekymring på grunn av den potensielle risikoen for menneskers helse. Casestudier av plastprodukter (dvs. engangskopper og vannkoker i plast) indikerer at MP-frigjøring under daglig bruk kan være ekstremt høy. Nøyaktig bestemmelse av MP-utløsernivået er et avgjørende skritt for å identifisere og kvantifisere eksponeringskilden og vurdere / kontrollere de tilsvarende risikoene som stammer fra denne eksponeringen. Selv om protokoller for måling av MP-nivåer i marine eller ferskvann er godt utviklet, kan forholdene som oppleves av husholdningsplastprodukter variere mye. Mange plastprodukter utsettes for hyppige høye temperaturer (opptil 100 °C) og avkjøles tilbake til romtemperatur under daglig bruk. Det er derfor avgjørende å utvikle en prøvetakingsprotokoll som etterligner det faktiske daglige bruksscenariet for hvert enkelt produkt. Denne studien fokuserte på mye brukte polypropylenbaserte babyfôringsflasker for å utvikle en kostnadseffektiv protokoll for MP-utgivelsesstudier av mange plastprodukter. Protokollen som er utviklet her muliggjør: 1) forebygging av potensiell forurensning under prøvetaking og deteksjon; 2) realistisk implementering av daglige bruk scenarier og nøyaktig innsamling av MPs utgitt fra baby fôring flasker basert på WHO retningslinjer; og 3) kostnadseffektiv kjemisk bestemmelse og fysisk topografi kartlegging av MPs frigjort fra baby fôring flasker. Basert på denne protokollen var utvinningsprosenten ved hjelp av standard polystyren MP (diameter på 2 μm) 92,4-101,2% mens den oppdagede størrelsen var rundt 102,2% av den designede størrelsen. Protokollen som er beskrevet her, gir en pålitelig og kostnadseffektiv metode for MP-prøvepreparering og -deteksjon, noe som kan dra stor nytte av fremtidige studier av MP-utslipp fra plastprodukter.

Introduction

De fleste typer plast er ikke-biologisk nedbrytbare, men kan brytes ned i små biter på grunn av kjemiske og fysiske prosesser som oksidasjon og mekanisk friksjon1,2. Plastbiter mindre enn 5 mm er klassifisert som mikroplast (MPs). MPs er allestedsnærværende og finnes i nesten alle hjørner i verden. De har blitt en global bekymring på grunn av den potensielle risikoen for mennesker og dyreliv3,4. Til dags dato har betydelige akkumuleringer av MPs blitt funnet i fisk, fugler, insekter5,6 samt pattedyr (mus, i tarmen, nyre og lever7,8). Studier fant at eksponering og akkumulering av MPs kan skade lipidmetabolismen til mus7,8. En risikovurdering med fokus på fisk fant at submikron MPs kan trenge inn i blod-til-hjernebarrieren og forårsake hjerneskade9. Det skal bemerkes at hittil er alle MP-risikoresultater oppnådd fra dyrestudier, mens den spesifikke risikoen for menneskers helse fortsatt er ukjent.

I løpet av de siste 2 årene har bekymringene for MP-trusselen mot menneskers helse økt betydelig med bekreftelsen på nivåene av menneskelig eksponering for parlamentsmedlemmer. Akkumuleringen av MPs har blitt funnet i den menneskelige kolon10, morkaken til gravide kvinner11 og voksen avføring12. En presis bestemmelse av MP-utgivelsesnivåer er avgjørende for å identifisere eksponeringskilder, vurdere helserisikoen og evaluere effektiviteten av eventuelle kontrolltiltak. I løpet av de siste årene rapporterte noen casestudier at plast til daglig bruk (dvs. plastkokeren13 og engangskopper14) kan frigjøre ekstremt høye mengder MPs. For eksempel ga engangspapirkopper (med interiører laminert med polyetylen-PE eller kopolymerfilmer), utgitt ca. 250 mikron-størrelse MPs og 102 millioner partikler i undermikronstørrelse i hver milliliter væske etter eksponering for 85-90 ° C varmt vann14. En studie av polypropylen (PP) matbeholdere rapporterte at opptil 7,6 mg plastpartikler frigjøres fra beholderen under enengangsbruk 15. Enda høyere nivåer ble registrert fra teposer laget av polyetylentereftalat (PET) og nylon, som ga ut omtrent 11,6 milliarder MPs og 3,1 milliarder nano-størrelse MPs i en enkelt kopp (10 ml) av drikken16. Gitt at disse daglige plastproduktene er designet for matlaging og drikkeforberedelse, er utgivelsen av høye mengder MPs sannsynlig, og deres forbruk er en potensiell trussel mot menneskers helse.

Studier på MP-utslipp fra husholdningsplastprodukter (dvs. plastkoker13 og engangskopper14) er på et tidlig stadium, men det forventes at dette emnet vil få økende oppmerksomhet fra forskere og allmennheten. Metodene som kreves i disse studiene er vesentlig forskjellige fra de som brukes i romtemperatur marine eller ferskvannsstudier der veletablerte protokoller allerede eksisterer17. I motsetning innebærer studier som involverer daglig bruk av husholdningsplastprodukter mye høyere temperatur (opptil 100 °C), med i mange tilfeller gjentatt sykling tilbake til romtemperatur. Tidligere studier påpekte at plast i kontakt med varmt vann kan frigjøre millioner av MPs16,18. I tillegg kan daglig bruk av plastprodukter over tid endre egenskapene til selve plasten. Det er derfor avgjørende å utvikle en prøvetakingsprotokoll som nøyaktig etterligner de vanligste daglige bruksscenarioene. Påvisning av mikrostore partikler er en annen stor utfordring. Tidligere studier påpekte at MPs utslipp fra plastprodukter er mindre enn 20 μm16,19,20. Påvisning av denne typen MPs krever bruk av glatte membranfiltre med liten porestørrelse. I tillegg er det nødvendig å skille MPs fra mulige forurensninger fanget av filteret. Høysensitiv Raman spektroskopi brukes til kjemisk sammensetningsanalyse, som har fordelen av å unngå behovet for høy laserkraft som er kjent for å enkelt ødelegge små partikler20. Derfor må protokollen kombinere forurensningsfrie håndteringsprosedyrer ved bruk av optimale membranfiltre og for en karakteriseringsmetode som muliggjør rask og nøyaktig MP-identifikasjon.

Studien rapporterte her fokusert på pp-basert baby fôring flaske (BFB), en av de mest brukte plastprodukter i dagliglivet. Det ble funnet at et høyt antall MPs frigjøres fra plast BFB under formelforberedelse18. For videre studier av MP-utslipp fra daglig plast, er prøvepreparerings- og deteksjonsmetoden for BFB detaljert her. Under prøvepreparering ble standard formelforberedelsesprosess (rengjøring, sterilisering og blanding) anbefalt av WHO21 nøye fulgt. Ved å designe protokollene rundt WHO-retningslinjene, sørget vi for at MP-utgivelsen fra BFF-er etterlignet forberedelsesprosessen for babyformel som brukes av foreldre. Filterprosessen ble utformet for å samle inn MPs som er utgitt fra BMB-er, nøyaktig. For kjemisk identifisering av MPs ble arbeidsforholdene for Raman spektroskopi optimalisert for å oppnå rent og lett identifisert spektra av MPs, samtidig som de unngår muligheten for å brenne målpartiklene. Til slutt ble den optimale testprosedyren og anvendt kraft for å tillate nøyaktig 3-dimensjonal topografikartlegging av MPs ved hjelp av atomkraftmikroskopi (AFM) utviklet. Protokollen (figur 1) som er beskrevet her, gir en pålitelig og kostnadseffektiv metode for MP-prøvepreparering og -deteksjon, noe som kan være til stor nytte for fremtidige studier av plastprodukter.

Protocol

1. Varmtvannsforberedelse For all maskinvare som kommer i kontakt med prøvene, bruk rent glass laget av borosilikat 3.3 for å forhindre potensiell forurensning. Rengjør alt glasset grundig.Advarsel: Eksisterende riper eller ufullkommenheter på glassvarer kan frigjøre partikler under oppvarmings- og ristingsprosessen. Vi foreslår at brukerne sjekker glasset og unngår bruk av riper glass. Vår sammenligning av glassvarer laget av forskjellige briller (som soda-lime og borosilikat) vist…

Representative Results

For å validere denne protokollen ble vannprøven utarbeidet ved å legge til standard polystyrenmikroplastiske sfærer (en diameter på 2,0 ± 0,1 μm) til DI-vann. MP-mengden som ble lagt til, tilsvarte 4 500 000 partikler/l, som ligner på MP-utløsernivået fra BGB-er. Etter protokolldelene 2-3 ble MPs samlet inn (figur 4A) og gjenopprettingshastigheten var 92,4-101,2 %. Denne utvinningsgraden er sammenlignbar med en tidligere studie på MPs23. Ved hjelp av ImageJ…

Discussion

Selv om studiet av parlamentsmedlemmer i marine og ferskvann har blitt mye rapportert og den relevante standardprotokollen er utviklet17, er studiet av daglig bruk av plastprodukter et viktig fremvoksende forskningsområde. De ulike miljøforholdene som husholdningsplastprodukter opplever, betyr at det er behov for ekstra forsiktighet og innsats for å oppnå pålitelige resultater. Studieprotokollen må være i samsvar med de virkelige daglige bruksscenarioene. For eksempel er sonikering mye bruk…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne setter pris på Enterprise Ireland (tilskuddsnummer CF20180870) og Science Foundation Ireland (tilskuddstall: 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 og 16/IA/4462) for økonomisk støtte. Vi anerkjenner også økonomisk støtte fra School of Engineering Scholarship ved Trinity College Dublin og China Scholarship Council (201506210089 og 201608300005). I tillegg setter vi pris på den profesjonelle hjelpen fra prof. Sarah Mc Cormack og teknikerteam (David A. McAulay, Mary O’Shea, Patrick L.K. Veale, Robert Fitzpatrick og Gilligan etc.) fra Trinity Civil, Structural and Environmental Department og AMBER Research Centre.

Materials

AFM cantilever NANOSENSORS PPP-NCSTAuD-10 To obtain three-dimensional topography of PP MPs
Atomic force microscope Nova NT-MDT To obtain three-dimensional topography of PP MPs
Detergent Fairy Original 1015054 To clean the brand-new product
Gold-coated polycarbonate-PC membrane filter-0.8 um APC, Germany 0.8um25mmGold To collect microplastics in water and benefit for Raman test
Gwyddion software Gwyddion Gwyddion2.54 To determine MPs topography
ImageJ software US National Institutes of Health No, free for use To determine MPs size
Microwave oven De'longhi, Italy 815/1195 Hot water preparation
Optical microscope, x100 Mitutoyo, Japan 46-147 To find and observe the small MPs
Raman spectroscopy Renishaw InVia confocal Raman system To checmically determine the PP-MPs
Shaking bed-SSL2 Stuart, UK 51900-64 To mimic the mixing process during sample preparaton
Standard polystyrene microplastic spheres Polysciences, Europe 64050-15 To validate the robusty of current protocol
Tansfer pipette with glass tip Macro, Brand 26200 To transfer water sample to glass filter
Ultrasonic cleaner Witeg, Germany DH.WUC.D06H To clean the glassware
Vacuum pump ILMVAC GmbH 105697 To filter the water sample

References

  1. Law, K. L., Thompson, R. C. Microplastics in the seas. Science. 345 (6193), 144-145 (2014).
  2. Thompson, R. C., et al. Lost at sea: where is all the plastic. Science. 304 (5672), 838 (2004).
  3. Coburn, C. Microplastics and gastrointestinal health: how big is the problem. The Lancet Gastroenterology & Hepatology. 4 (12), 907 (2019).
  4. The Lancet Planetary Health. Microplastics and human health-an urgent problem. The Lancet Planetary Health. 1 (7), 254 (2017).
  5. Foley, C. J., Feiner, Z. S., Malinich, T. D., Höök, T. O. A meta-analysis of the effects of exposure to microplastics on fish and aquatic invertebrates. Science of the Total Environment. 631, 550-559 (2018).
  6. Chae, Y., An, Y. -. J. Effects of micro-and nanoplastics on aquatic ecosystems: Current research trends and perspectives. Marine Pollution Bulletin. 124 (2), 624-632 (2017).
  7. Lu, L., Wan, Z., Luo, T., Fu, Z., Jin, Y. Polystyrene microplastics induce gut microbiota dysbiosis and hepatic lipid metabolism disorder in mice. Science of the total environment. 631, 449-458 (2018).
  8. Yang, Y. -. F., Chen, C. -. Y., Lu, T. -. H., Liao, C. -. M. Toxicity-based toxicokinetic/toxicodynamic assessment for bioaccumulation of polystyrene microplastics in mice. Journal of Hazardous Materials. 366, 703-713 (2019).
  9. Mattsson, K., et al. Brain damage and behavioural disorders in fish induced by plastic nanoparticles delivered through the food chain. Scientific Reports. 7 (1), 11452 (2017).
  10. Ibrahim, Y. S., et al. Detection of microplastics in human colectomy specimens. JGH Open. , (2021).
  11. Ragusa, A., et al. Plasticenta: First evidence of microplastics in human placenta. Environment International. 146, 106274 (2021).
  12. Schwabl, P., et al. Detection of various microplastics in human stool: a prospective case Series. Annals of Internal Medicine. 171 (7), 453-457 (2019).
  13. Sturm, M. T., Kluczka, S., Wilde, A., Schuhen, K. Determination of particles produced during boiling in differenz plastic and glass kettles via comparative dynamic image analysis using FlowCam. Analytik News. , (2019).
  14. Ranjan, V. P., Joseph, A., Goel, S. Microplastics and other harmful substances released from disposable paper cups into hot water. Journal of Hazardous Materials. 404, 124118 (2020).
  15. Fadare, O. O., Wan, B., Guo, L. -. H., Zhao, L. Microplastics from consumer plastic food containers: Are we consuming it. Chemosphere. 253, 126787 (2020).
  16. Hernandez, L. M., et al. Plastic teabags release billions of microparticles and nanoparticles into tea. Environmental Science & Technology. 53 (21), 12300-12310 (2019).
  17. Frias, J., et al. Standardised protocol for monitoring microplastics in sediments. Deliverable 4.2. , (2018).
  18. Li, D., et al. Microplastic release from the degradation of polypropylene feeding bottles during infant formula preparation. Nature Food. , (2020).
  19. Imhof, H. K., et al. Pigments and plastic in limnetic ecosystems: A qualitative and quantitative study on microparticles of different size classes. Water Research. 98, 64-74 (2016).
  20. Oßmann, B. E., et al. Small-sized microplastics and pigmented particles in bottled mineral water. Water Research. 141, 307-316 (2018).
  21. World Health Organization. How to prepare formula for bottle-feeding at home. World Health Organization. , (2007).
  22. Käppler, A., et al. Analysis of environmental microplastics by vibrational microspectroscopy: FTIR, Raman or both. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 408 (29), 8377-8391 (2016).
  23. Zhao, S., Danley, M., Ward, J. E., Li, D., Mincer, T. J. An approach for extraction, characterization and quantitation of microplastic in natural marine snow using Raman microscopy. Analytical Methods. 9 (9), 1470-1478 (2017).
  24. World Health Organization. Microplastics in drinking-water. World Health Organization. , (2019).
  25. Sunta, U., Prosenc, F., Trebše, P., Bulc, T. G., Kralj, M. B. Adsorption of acetamiprid, chlorantraniliprole and flubendiamide on different type of microplastics present in alluvial soil. Chemosphere. 261, 127762 (2020).
  26. Gong, W., et al. Comparative analysis on the sorption kinetics and isotherms of fipronil on nondegradable and biodegradable microplastics. Environmental Pollution. 254, 112927 (2019).
  27. Wong, M., Moyse, A., Lee, F., Sue, H. -. J. Study of surface damage of polypropylene under progressive loading. Journal of Materials Science. 39 (10), 3293-3308 (2004).

Play Video

Cite This Article
Li, D., Yang, L., Kavanagh, R., Xiao, L., Shi, Y., Kehoe, D. K., Sheerin, E. D., Gun’ko, Y. K., Boland, J. J., Wang, J. J. Sampling, Identification and Characterization of Microplastics Release from Polypropylene Baby Feeding Bottle during Daily Use. J. Vis. Exp. (173), e62545, doi:10.3791/62545 (2021).

View Video