Waiting
Login processing...

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

Engineering

تشكيل البلاستيك الجزئي والنانوي من الأغشية البلاستيكية الزراعية للعمل في الدراسات البحثية الأساسية

Published: July 27, 2022 doi: 10.3791/64112
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 2, 2, 4
1Department of Biosystems Engineering and Soil Science, University of Tennessee, 2Neutron Scattering, Oak Ridge National Laboratory, 3Chemical Sciences Divisions, Oak Ridge National Laboratory, 4Center for Renewable Carbon, The University of Tennessee

Summary

نعرض التكوين والتوصيف البعدي للبلاستيك الدقيق والنانوي (MPs و NPs ، على التوالي) باستخدام عملية تدريجية للطحن الميكانيكي والطحن وتحليل التصوير.

Abstract

يمكن أن تشكل اللدائن الدقيقة (MPS) واللدائن النانوية (NPs) المنتشرة في النظم الإيكولوجية الزراعية تهديدا خطيرا للكائنات الحية في التربة والمجاري المائية القريبة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمواد الكيميائية مثل المبيدات الحشرية التي تمتصها NPs أن تضر الكائنات الحية في التربة وربما تدخل السلسلة الغذائية. وفي هذا السياق، تسهم المواد البلاستيكية المستخدمة زراعيا مثل أغشية المهاد البلاستيكية إسهاما كبيرا في التلوث البلاستيكي في النظم الإيكولوجية الزراعية. ومع ذلك ، فإن معظم الدراسات الأساسية للمصير والسمية البيئية تستخدم مواد MP مثالية وسيئة التمثيل ، مثل الميكروسفير البوليسترين.

لذلك ، كما هو موضح هنا ، قمنا بتطوير إجراء متعدد الخطوات على نطاق المختبر لتشكيل أعضاء البرلمان الممثلين و NPs ميكانيكيا لمثل هذه الدراسات. تم تحضير المادة البلاستيكية من أغشية المهاد البلاستيكية المتاحة تجاريا من بولي بوتيرات أديبات كو-تيريفثاليت (PBAT) التي تم تطريزها إما من خلال المعالجة المبردة (CRYO) أو التجوية البيئية (W) ، ومن كريات PBAT غير المعالجة. ثم تمت معالجة المواد البلاستيكية عن طريق الطحن الميكانيكي لتشكيل أعضاء البرلمان بحجم 46-840 ميكرومتر ، مما يحاكي تآكل الشظايا البلاستيكية بواسطة آلات الرياح والميكانيكية. ثم تم غربلة النواب إلى عدة أجزاء من الحجم لتمكين المزيد من التحليل. وأخيرا ، تعرض جزء الغربال 106 ميكرومتر للطحن الرطب لتوليد NPs من 20-900 نانومتر ، وهي عملية تحاكي عملية تقليل الحجم البطيئة للنواب الأرضيين. تم تحديد أبعاد وشكل النواب من خلال تحليل الصور المجهرية المجسمة ، وتم استخدام تشتت الضوء الديناميكي (DLS) لتقييم حجم الجسيمات ل NPs. يمتلك النواب و NPs الذين تم تشكيلهم من خلال هذه العملية أشكالا غير منتظمة ، وهو ما يتماشى مع الخصائص الهندسية للنواب المستردة من الحقول الزراعية. بشكل عام ، أثبتت طريقة تقليل الحجم هذه فعاليتها في تشكيل أعضاء البرلمان و NPs المكونة من مواد بلاستيكية قابلة للتحلل الحيوي مثل البولي بيوتيلين أديبات - كو-تيريفثاليت (PBAT) ، والتي تمثل مواد المهاد المستخدمة في إنتاج المحاصيل الزراعية المتخصصة.

Introduction

في العقود الأخيرة ، أدى الإنتاج العالمي المتزايد بسرعة من البلاستيك والتخلص غير السليم وعدم إعادة تدوير النفايات البلاستيكية إلى تلوث بيئي أثر على النظم الإيكولوجية البحرية والبرية1،2،3. المواد البلاستيكية ضرورية للزراعة المعاصرة ، وخاصة لزراعة الخضروات والفواكه الصغيرة وغيرها من المحاصيل المتخصصة. ويهدف استخدامها كأفلام نشارة ، وأغطية أنفاق عالية ومنخفضة ، وشريط بالتنقيط ، وغيرها من التطبيقات إلى تعزيز غلة المحاصيل وجودتها ، وخفض تكاليف الإنتاج ، وتعزيز أساليب الزراعة المستدامة 4,5. ومع ذلك ، فإن التوسع في توظيف "البلاستيار" أثار مخاوف بشأن تكوين القطع البلاستيكية وتوزيعها والاحتفاظ بها في البيئات الزراعية. بعد عملية تجزئة مستمرة ناجمة عن التقصف من خلال التدهور البيئي خلال فترة الخدمة ، تشكل شظايا بلاستيكية أكبر من البلاستيك الدقيق والنانوي (MNPs) ، والتي تستمر في التربة أو تهاجر إلى المجاري المائية المجاورة عبر الجريان السطحي للمياه والرياح6،7،8. العوامل البيئية مثل الأشعة فوق البنفسجية (UV) من خلال أشعة الشمس ، والقوى الميكانيكية للماء ، والعوامل البيولوجية تؤدي إلى تطريز البلاستيك من البلاستيك المشتت بيئيا ، مما يؤدي إلى انهيار شظايا بلاستيكية أكبر إلى جزيئات بلاستيكية كبيرة أو متوسطة 9,10. ويشكل المزيد من إلغاء التجزئة اللدائن الدقيقة (MPs) واللدائن النانوية (NPs)، التي تعكس جزيئات متوسطة الحجم (القطر الاسمي؛ والقطر الاسمي؛ والقطر الاسمي؛ وال دع) من 1-5000 ميكرومتر و 1-1000 نانومتر ، على التوالي11. ومع ذلك ، فإن الحد الأعلى dp ل NPs (أي الحد الأدنى للنواب) غير متفق عليه عالميا وفي العديد من الأوراق ، يتم سرد هذا على أنه 100 نانومتر12.

وتشكل النفايات البلاستيكية تهديدا عالميا ناشئا لصحة التربة وخدمات النظم الإيكولوجية. أدى امتزاز المعادن الثقيلة من المياه العذبة من قبل النواب إلى تركيز أعلى بمقدار 800 ضعف من المعادن الثقيلة مقارنة بالبيئة المحيطة13. وعلاوة على ذلك، يشكل أعضاء البرلمان في النظم الإيكولوجية المائية ضغوطات وملوثات متعددة عن طريق تغيير تغلغل الضوء، مما يسبب استنفاد الأكسجين، ويسبب الالتصاق بمختلف الكائنات الحية، بما في ذلك الاختراق والتراكم في الكائنات المائية14.

وتشير الدراسات الحديثة إلى أن هذه العناصر يمكن أن تؤثر على الكيمياء الجيولوجية والكائنات الحية، بما في ذلك المجتمعات الميكروبية والنباتات15،16،17. علاوة على ذلك ، تهدد NPs الشبكة الغذائية17،18،19،20. وبما أن هذه الكائنات متعددة الجنسيات تخضع بسهولة للانتقال الرأسي والأفقي في التربة، فإنها يمكن أن تحمل الملوثات الممتصة مثل المبيدات الحشرية والملدنات والكائنات الحية الدقيقة عبر التربة إلى المياه الجوفية أو النظم الإيكولوجية المائية مثل الأنهار والجداول21،22،23،24. البلاستيك الزراعي التقليدي مثل أفلام المهاد مصنوع من البولي إيثيلين ، والذي يجب إزالته من الحقل بعد الاستخدام والتخلص منه في مدافن النفايات. ومع ذلك ، فإن الإزالة غير المكتملة تؤدي إلى تراكم كبير للحطام البلاستيكي في التربة9،25،26. بدلا من ذلك ، تم تصميم المهاد البلاستيكية القابلة للتحلل البيولوجي للتربة (BDMs) ليتم حرثها في التربة بعد الاستخدام ، حيث ستتحلل بمرور الوقت. ومع ذلك ، تستمر BDMs مؤقتا في التربة وتتحلل تدريجيا وتجزأ إلى نواب و NPs 9,27.

تستخدم العديد من دراسات السمية البيئية والمصير البيئية الحالية مواد نموذجية مثالية وغير تمثيلية للنواب و NPs. و MNPs البديلة الأكثر استخداما هي الكرات الدقيقة أو النانوية أحادية التشتت من البوليسترين ، والتي لا تعكس MNPs الفعلية المقيمة في البيئة12,28. ونتيجة لذلك، قد يؤدي اختيار النواب غير الممثلين ونواب الشعب إلى قياسات ونتائج غير دقيقة. استنادا إلى عدم وجود نماذج ΜNPs مناسبة للدراسات البيئية الأرضية ، كان المؤلفون متحمسين لإعداد مثل هذه النماذج من البلاستيك الزراعي. لقد أبلغنا سابقا عن تكوين MNPs من BDMs وكريات البولي إيثيلين من خلال الطحن الميكانيكي وطحن الكريات البلاستيكية ومواد الأفلام والخصائص البعدية والجزيئية ل MNPs29. وتقدم الورقة الحالية بروتوكولا أكثر تفصيلا لإعداد ال MNPs التي يمكن تطبيقها على نطاق أوسع على جميع المواد البلاستيكية الزراعية، مثل أغشية المهاد أو المواد الأولية الحبيبية (الشكل 1). هنا ، على سبيل المثال ، اخترنا فيلم المهاد والكريات الكروية من البوليمر القابل للتحلل الحيوي بولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت (PBAT) لتمثيل البلاستيك الزراعي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. معالجة النواب من الكريات البلاستيكية من خلال المعالجة المسبقة المبردة والطحن

ملاحظة: تستند هذه المنهجية إلى إجراء موصوف في مكان آخر، باستخدام فيلم PBAT يتكون من نفس المادة المستخدمة في هذه الدراسة المقدمة29.

  1. وزن عينات بيليه البوليمر من ~ 1 غرام ونقلها إلى جرة زجاجية 50 مل.
  2. ضع أنبوب "التسليم المستطيل" بغربال شبكي 20 (840 ميكرومتر) في الفتحة أمام مطحنة القطع الدوارة وارفع أنبوب التوصيل حتى يصل إلى دبوس التوقف.
  3. ضع اللوحة الزجاجية على وجه غرفة الطحن وقم بتثبيتها بالمشبك القابل للتعديل. بعد ذلك ، ضع جرة زجاجية سعة 50 مل تحت منفذ المطحنة (الشكل 2).
  4. ضع دعامة الذراع الجانبية المنزلقة على المطحنة (الموجودة على الجانب العلوي الأيمن) في منتصف الزجاج الأمامي وشدها باستخدام الترباس المخرش. تأكد من وضع الزجاج الأمامي للمطحنة بشكل آمن (الشكل 2 أ).
  5. أدخل قمع القادوس أعلى المطحنة في فتحة غرفة الطحن العلوية.
  6. قم بتوصيل سلك خط بمأخذ طاقة ومفتاح سلك الضغط لبدء تشغيل المطحنة.
    ملاحظة: لمنع التشويش، قم بتغذية المواد فقط بعد تشغيل المطحنة وتدويرها. أيضا ، ارتداء حماية العين والأذن أثناء إجراء الطحن بأكمله.
  7. قم بتغذية العينة ببطء في القادوس (حوالي 10 كريات / دقيقة) لمنع التباطؤ أو التشويش. بعد تقليل الضوضاء المسموعة ، أضف الدفعة التالية من الكريات (~ 10 قطع). بعد معالجة الكريات (1 جم) ، اضغط على مفتاح السلك لإيقاف تشغيل المطحنة لمدة 20 دقيقة تقريبا حتى تبرد. استخدم مكبس خشبي لتغذية العينة ومنع طرد الجسيمات وتكتلها داخل قادوس التغذية.
    تنبيه: يختلف معدل التغذية الأمثل حسب نوع مادة المعالجة. قم بإيقاف تشغيل المطحنة على الفور إذا انخفضت سرعة المعالجة بسبب احتكاك الجسيمات في غرفة القطع ، أو إذا لوحظ تكوين البوليمر المنصهر على اللوحة الزجاجية ، لمنع ارتفاع درجة الحرارة وزيادة ذوبان جزيئات البوليمر.
  8. قم بإزالة أنبوب التوصيل الشبكي 20 (840 ميكرومتر) واستبدله بأنبوب التوصيل ذي ال 60 شبكة (250 ميكرومتر) عند الانتهاء من الدفعة الأولى (الشكل 2 ب).
  9. أعد إدخال المواد التي تم جمعها في قادوس الطاحونة. اتبع الخطوتين 1.1 و 1.7 لجزء الطحن 250 ميكرومتر.
  10. أعد تغذية الكسور التي تم جمعها 250 ميكرومتر حتى ثلاث مرات.
  11. استعادة الجسيمات المتبقية في الغرفة وإضافتها إلى الجزء الرئيسي الذي تم جمعه.

2. معالجة الأفلام البلاستيكية عن طريق المعالجة المسبقة المبردة والطحن

  1. استرجع عينة فيلم من اللفة وقطع العينة إلى شرائح ~ 120 مم (عبر الاتجاه) × 20 مم (اتجاه الماكينة) باستخدام قاطع ورق.
  2. شظايا Presoak (~ 1 جم) في 800 مل من الماء منزوع الأيونات (DI) لمدة 10 دقائق في كوب زجاجي 1000 مل. تعمل هذه الخطوة على تحسين التطريز لإجراء التبريد المبرد اللاحق عن طريق نقع البوليمر مسبقا.
    تنبيه: تعامل مع النيتروجين السائل بمعدات السلامة عن طريق ارتداء قفازات مبردة ونظارات أمان.
  3. أضف ببطء 200 مل من النيتروجين السائل (N2) إلى حاوية مبردة.
  4. انقل جزيئات الفيلم المنقوعة مسبقا بعناية إلى الحاوية المبردة باستخدام ملاقط فولاذية. ينقع مسبقا لمدة 3 دقائق في السائل N2.
  5. انقل شظايا الفيلم المجمدة إلى خلاط بقوة 200 واط و 14 سرعة.
  6. قم بمعالجة المواد المجمدة عند مستوى السرعة 3 لمدة 10 ثوان لكسر هيكل الفيلم الزجاجي المجمد. لتعزيز المزيد من تقليل الحجم ، أضف 400 مل من ماء DI وامزج ملاط الماء السينمائي لمدة 5 دقائق.
  7. انقل الملاط إلى قمع Büchner مع مرشح (شبكة 1 ميكرومتر) وتطبيق الفراغ لمدة 1 ساعة على الأقل.
  8. الجسيمات الصلبة الجافة بالتفريغ عند 30 درجة مئوية لمدة 48 ساعة على الأقل في طبق من الألومنيوم.
  9. تغذية الجسيمات الجافة في المطحنة مع ملاقط. للطحن، اتبع الخطوات من 1.1 إلى 1.11.

3. معالجة الأفلام البلاستيكية المعالجة مسبقا من خلال التجوية البيئية والطحن

  1. ضع شظايا الفيلم البلاستيكي المستردة من الحقل على سطح أملس (مقعد المختبر). قم بإزالة جزيئات التربة الممتصة وبقايا النباتات بعناية باستخدام الفرشاة ذات الشعيرات الناعمة.
  2. قطع الفيلم مع مقص إلى ~ 4 سم2 عينات من ~ 1.0 غرام.
  3. أضف شظايا الفيلم إلى كوب سعة 1000 مل مملوء ب 500 مل من ماء DI. يحرك بمعدل 300 دقيقة-1 مع شريط تحريك 20 مم لمدة 1 ساعة.
  4. قم بإزالة جزيئات التربة الذائبة عن طريق صب وإعادة إدخال ماء DI تحت تأثير طفيف من الكأس في حوض أو دلو بلاستيكي. كرر هذه الخطوة ثلاث مرات. يحافظ التحريض المستمر على تشتت جزيئات التربة في الماء ويمكن أن يكون من الأسهل صبها.
  5. نقل عينات من الكأس إلى طبق من الألومنيوم. جفف العينات البلاستيكية في الهواء لمدة 12 ساعة ، ثم انقلها وجففها في فرن فراغ لمدة 24 ساعة عند 30 درجة مئوية. للطحن، اتبع الخطوات من 1.1 إلى 1.11.

4. إجراء الغربلة من خلال المناخل المتتالية

  1. تكديس المناخل (قطرها 3 بوصات) بدءا من المقلاة في الأسفل ، تليها أفضل غربال (# 325 ؛ 45 ميكرومتر) ، ثم بواسطة غربال أكثر خشونة (مثل # 140 ؛ 106 ميكرومتر ، و # 60 ؛ 250 ميكرومتر ، حيث يكون الغربال # 20 ؛ 840 ميكرومتر هو الأكثر خشونة) ، ووضع الغطاء في الأعلى.
  2. قم بتركيب جميع المناخل الأربعة على الخلاط عن طريق إدخال أربعة دبابيس في فتحات شاكر الغربال.
  3. انقل الكسور الفردية التي تم جمعها في أي من الخطوتين 1 أو 2 أو 3 فوق المناخل الأربعة المتتالية. رجه لمدة 10 دقائق في 300 دقيقة-1.
  4. استرجع الجزء الأكبر (العلوي) بشكل منفصل ، والذي سيخضع لمزيد من الطحن.
    ملاحظة: اضبط سرعة الاهتزاز على الخلاط حسب الحاجة. بدلا من ذلك ، يمكن هز المناخل باليد. استخدم غربالا واحدا فقط في كل مرة ، بدءا من غربال الشبكة رقم 20: أمسك الجزء السفلي والغطاء بإحكام ضد الغربال باليد ، ورجه محوريا وأفقيا لمدة 5 دقائق.
  5. إعادة إدخال الجسيمات المنخلة من dp > 106 ميكرومتر إلى مطحنة القطع الدوارة كما هو موضح في الخطوات 1.6-1.10.
  6. استرجع الكسور السفلية من المقلاة وأعد إدخال الجسيمات إلى حجم الغربال الأصغر التالي. كرر الإجراء حتى تمثل جزيئات 106 ميكرومتر الجزء الرئيسي.
  7. دمج الكسور التي تم جمعها 106 ميكرومتر وتخزين الجسيمات في منطقة جافة (المجفف أو كيس بلاستيكي مغلق بالهواء).
    ملاحظة: الكسر 45 ميكرومتر هو جزء من الكسر 106 ميكرومتر. ومع ذلك ، لم يتم عزل الجزء السابق وتحليله بشكل منفصل لأن العائد منخفض جدا بشكل عام. يمكن تحديد استرداد الغلة وكسور حجم الجسيمات من الكسور الفردية عن طريق قياسات الجاذبية بالوزن٪ لكل كسر غربال (شبكة #20 - شبكة #325) فيما يتعلق بكسر التغذية الأولي باستخدام توازن دقيق عالي الدقة.

5. إعداد ملاط NP المائي للطحن الرطب

  1. قم بإعداد ملاط من النواب المنتشرين في ماء DI عن طريق إضافة 800 مل من الماء المقطر إلى الكأس الزجاجي سعة 1000 مل وإدخال شريط تحريك (القطر = 8 مم ، الطول = 50.8 مم).
  2. أدخل 8 جم من الكسر البلاستيكي 106 ميكرومتر من الخطوات 1 أو 2 أو 3 أو 4 في ماء DI ، مما ينتج عنه 1 واط ٪ من الطين.
  3. ضع الكوب الزجاجي على طبق تحريك وحرك مغناطيسيا لمدة 24 ساعة في 400 دقيقة-1 لنقع الجسيمات في الماء لتعزيز تليين الجسيمات.
  4. انقل الجسيمات إلى حاوية بلاستيكية سعة 1000 مل.
  5. املأ حاويتين بلاستيكيتين إضافيتين سعة 1000 مل بماء DI ، والذي سيتم استخدامه لشطف الجزيئات الملتصقة على قادوس المطحنة أثناء عملية الطحن.

6. إعداد آلة الطحن الرطب لإنتاج NP

  1. ضع الحجارة بحجم 46 حبة (حصى حجر الطحن = 297-420 ميكرومتر) في مطحنة الاحتكاك الرطبة واربط المكسرات المركزية بإحكام يدوي باستخدام مفتاح ربط 17 مم.
  2. أضف القادوس في الأعلى واربط الصواميل والبراغي الثلاثة باستخدام مفتاح الربط مقاس 17 مم.
  3. ضع جرة جمع بلاستيكية سعة 1 لتر تحت مخرج المصادم. ضع دلو فارغ ثان سعة 1 لتر بجوار المخرج ، والذي سيتم استخدامه للتبادل أثناء المعالجة.
  4. اضبط خلوص المقياس على + 1.0 ، المقابلة لتحول موجب 0.10 ميكرومتر من موضع الصفر.
  5. قم بتشغيل الطاقة وقم بتشغيل عجلة الضبط بعناية في اتجاه عقارب الساعة حتى تسمع أحجار الطحن تلمس. بعد ذلك ، اضبط حلقة القياس المرنة إلى الصفر وأدر العجلة عكس اتجاه عقارب الساعة على الفور. بشكل افتراضي ، يتم ضبط السرعة إلى 1500 min-1.
    ملاحظة: تجنب "الطحن الجاف" للأحجار لأن هذا يخلق حرارة مفرطة على أحجار الطحن.
  6. أدر عجلة الضبط في اتجاه عقارب الساعة حتى تلمس الحجارة واملأ بلطف ملاط الماء NP في القادوس. قم بتقليل الفجوة باستمرار إلى مقياس إزالة -2.0 ، وهو ما يعادل تحولا سالبا 0.20 ميكرومتر من موضع الصفر بعد إدخال الملاط. تعزز ملاط الجسيمات البلاستيكية والماء بين القرصين الحجريين التحول من النواب إلى NPs وتجنب الاحتكاك المباشر بين أحجار الطحن.
  7. اجمع الملاط عن طريق تبادل جرافات التجميع بمجرد أن يتجاوز مستوى التعبئة في الجرافة 0.5 لتر.
  8. جمع وإعادة إدخال الجسيمات في المطحنة بين 30-60 مرة ؛ تؤدي التمريرات الأعلى (عدد عمليات إعادة الإدخال) إلى أحجام جسيمات أصغر.
  9. اغسل الجسيمات الملتصقة الممتصقة بالقادوس باستخدام زجاجة مياه DI المعدة للسماح بخلط الطين المناسب أثناء المعالجة.
    ملاحظة: يمكن جمع العينات الوسيطة أثناء العملية عن طريق الاحتفاظ بقوارير زجاجية سعة 20 مل في تيار المخرج. ستقوم الخطوات الفردية بتقييم آليات تجزئة الجسيمات بينما تزداد شدة العملية (عدد التمريرات). استعادة الطين وتحريك لمدة 4 ساعات في 400 دقيقة-1 عند 25 درجة مئوية للخلط الجيد ؛ دع الطين يقف لمدة 48 ساعة حتى يستقر.

7. استعادة وتجفيف NPs من الطين

  1. اعزل الجزء السفلي (أو المرحلة ذات أعلى تركيز NP) إذا لوحظت طبقات متعددة في الملاط عن طريق صب الملاط ببطء في كوب زجاجي إضافي سعة 1000 مل.
  2. انقل الكسور إلى قوارير طرد مركزي (50 مل) وأجهزة طرد مركزي لمدة 10 دقائق (قوة الطرد المركزي النسبية [RCF] = 20 × 102 جم). RCF (وتسمى أيضا g-force) هي القوة الشعاعية المتولدة كدالة لنصف قطر الدوار وسرعة الدوار ، مما يسبب فصل الجسيمات الأثقل وماء الملاط.
  3. قم بإزالة الطبقة العليا الشفافة عن طريق صبها في مقلاة ألومنيوم منفصلة.
  4. انقل الطبقة السفلية المتبقية (التي تحتوي على ملاط NP) إلى طبق ألومنيوم إضافي وضعها في فرن فراغ عند 30 درجة مئوية لمدة 48 ساعة.
  5. استرجع المواد المجففة باستخدام ملعقة تحت غطاء دخان أو صندوق قفازات أثناء ارتداء قناع تنفسي. انقل المحتوى المجفف إلى وعاء زجاجي سعة 100 مل وأغلقه بغطاء.
  6. تحتوي على NPs في قارورة وتخزينها في مكان محكم الإغلاق وجاف وبارد (على سبيل المثال ، مجفف).
    ملاحظة: قد تشكل ال MNPs التي تطلق في البيئة أثناء عملية التصنيع (هنا، إما أثناء عملية الطحن الرطب أو كجسيمات مجففة) تهديدا خطيرا للنظم الإيكولوجية المائية والأرضية. على وجه الخصوص ، تم تصميم التدابير التنظيمية لتقليل مخاطر إنتاجها واستخدامها للمواد النانوية الهندسية30. لذلك ، يتطلب تكوين MNPs خطوات وقائية محددة مثل مناولة المواد في غطاء الدخان أو صندوق القفازات. وعلاوة على ذلك، ستخضع محاليل النفايات المائية التي تتشكل أثناء عزل مصادر الطاقة النووية (الخطوات 6-7-6-9) لإجراء التخلص من النفايات المائية في نهاية العمر الذي تقوم به إدارة الصحة والسلامة البيئية.

8. التصوير MP عن طريق المجهر ستيريو

  1. تشتيت ~ 20 ملغ من الجسيمات (التي تم جمعها في الخطوة 4) على سطح مساحة ~ 4 سم2. انشر النواب البيض أو الشفافين على سطح داكن وانشر النواب ذوي الألوان السوداء أو الداكنة على خلفية بيضاء (ورقة ورقية) لزيادة تباين الخلفية إلى أقصى حد.
  2. اضبط المجهر على أدنى تكبير لالتقاط أكبر مساحة ممكنة (وسط مساحة الجسيمات). بعد ذلك ، قم بتوجيه المصباح الخارجي إلى مركز التركيز البؤري لتحقيق الإضاءة في المناطق ذات الاهتمام.
  3. قم بتطبيق تكبير يسمح باكتشاف جسيمات >50 في منتصف مجال الرؤية. يوصى بهذا المبلغ للحصول على نتائج تقييم إحصائي قوية.
  4. ركز على المناطق التي لا تحتوي على تداخل جسيمي أو بسيط وتباين ألوان جيد.
  5. التقط خمس صور تمثيلية على الأقل من خلال التركيز على أشكال الجسيمات الخارجية. يحفظ الكمبيوتر المحلي المستخدم للتصوير الصور عالية الدقة كصورة نقطية في البرنامج.
  6. احفظ الصور المجهرية المجسمة المسجلة بتنسيق ملف تم التعرف عليه بواسطة ImageJ (صورة نقطية أو TIFF أو jpeg) لتحليل البيانات الكمية التالية.
    ملاحظة: التقط صورة مرجعية واحدة في إعدادات التكبير الدقيقة التي تم التقاط الصورة الرئيسية لها باستخدام مسطرة أو أي كائن مرجعي آخر مسجل في الصورة. سيسمح هذا الإجراء بسهولة معايرة الصور عند إعدادها وتحليلها من خلال برنامج ImageJ.

9. تحليل الصور من خلال ImageJ

  1. افتح برنامج ImageJ31 وقم بإعداد استيراد الملفات عن طريق إدخال (CTRL + L) لفتح مكتشف الأوامر. بعد ذلك أدخل التنسيقات الحيوية في الزاوية السفلية اليمنى. تقوم هذه الوظيفة بتنشيط مسار القائمة File > Import > Bio Format (يشير > إلى خطوات التنقل داخل البرنامج). ابحث عن دليل ملفات الصور المخزنة.
    ملاحظة: إذا لم تظهر حزمة التنسيقات الحيوية في " مكتشف الأوامر"، فابحث عبر الإنترنت ضمن "صورة التنسيقات الحيوية". اتبع الإرشادات الخاصة بتنزيل ImageJ وتثبيته. يسمح مستورد Bio-Formats بمعالجة بسيطة لاستيراد / تصدير ملفات الصور داخل ImageJ والبحث عن الأوامر.
  2. افتح الصورة (بدلا من ذلك استيراد التنسيقات الحيوية كما هو موضح في الخطوة 9.1) بالنقر فوق ملف > فتح > حدد صورة الجسيمات في موقع الملف الذي تم تجميعه في الخطوة 4.7 وصورة مرجع المسطرة الموضحة في الخطوة 1.6. يوصى بإنشاء صورة مكررة بالنقر فوق Shift + Command + D للمقارنة مع الصورة الأصلية أثناء ضبط إعدادات العتبة لصورة النسخ.
    ملاحظة: يفتح الأمر "فتح > الملف " تنسيقات مختلفة مدعومة أصلا بواسطة ImageJ كما هو موضح في الخطوة 8.7. بدلا من ذلك ، حدد موقع الصورة على الكمبيوتر واسحب الملف وأفلته على شريط حالة نافذة ImageJ الرئيسي. سيتم فتح ملف الصورة تلقائيا في نافذة منفصلة.
  3. قم بتكبير الصورة وتصغيرها باستخدام CTRL + و CTRL -، على التوالي.
  4. قم بتعيين القياسات بالنقر على تحليل > تعيين القياسات، ثم حدد واصفات المساحة والشكل كقيم افتراضية.
  5. قم بتعريف شريط المقياس عن طريق رسم خط مستقيم فوق طول شريط المقياس باستخدام صورة مرجع المسطرة كما هو موضح في الخطوة 8. اضغط على تحليل > تعيين المقياس، وأدخل القيمة العددية لطول الشريط ضمن المسافة المعروفة ووحدة الطول المقابل.
  6. قم بتصور شريط المقياس على الصورة بالنقر فوق أدوات تحليل > > شريط القياس، واضبط الإعدادات مثل إظهار تباين واضح على الصورة. حدد موضعا على الصورة حيث يجب وضع شريط المقياس لإعدادات شريط المقياس. حدد العرض لضبط الشريط في الوحدات المعايرة، وارتفاع الشريط بالبكسل، وحجم الخط لتسمية شريط المقياس. حدد الخلفية لضبط لون تعبئة مربع نص التسمية.
    ملاحظة: بالنسبة للميكرومترات ، يكون إدخال μm كافيا ؛ يتكيف البرنامج μm تلقائيا في إخراج البيانات.
  7. حول الصورة إلى صورة 8 بت عن طريق تحديد نوع الصورة > > 8 بت.
  8. قم بتحويل الصورة المنسوخة إلى 8 بت عن طريق تحديد نوع الصورة > > 8 بت.
  9. ضبط عن طريق تحديد صورة > ضبط > عتبة > تعيين (مقارنة الحجم بالصورة الأصلية).
  10. حدد القياسات التي يجب اتخاذها عن طريق تحديد تحليل > تعيين القياسات.
  11. حدد تحليل الجسيمات > 0-infinity، وانقر فوق عرض النتائج، ثم عرض في الموقع.
  12. قم بتخزين نتائج عائد الاستثمار (.zip) ضمن حفظ القياسات وتحديد مجلد.
  13. حفظ النتائج (*.csv) ضمن ملف > حفظ باسم > تحديد مجلد.

10. قطر الجسيمات (dp) وحساب عامل الشكل في برنامج جداول البيانات

ملاحظة: معرفة قطر الجسيمات وعوامل الشكل ضرورية لسلوك الجسيمات (المصير والنقل) في البيئة وتحديد مساحة السطح. لذلك ، تعد الهندسة ضرورية عند استخدام النواب للدراسات البيئية. على سبيل المثال ، لوحظت آليات تفاعل مختلفة مع التربة اعتمادا على أحجام وأشكال النواب ، مثل تجمعات MP-MP و MP-soil ، والتي تؤثر على حركة الجسيمات في التربة15,32. لذلك ، يتم اقتراح الخطوات التالية لتحديد توزيع حجم الجسيمات dp والمعلمة الهندسية.

  1. استيراد ملف *.csv المقابل الذي تم الحصول عليه وحفظه من تحليل ImageJ (الخطوة 9.13) إلى برنامج جدول البيانات.
    ملاحظة: تعكس القيم العددية في كل سطر عمود العمليات الحسابية الفردية لكل جسيم وفقا للمعادلة 1 والمعادلة 2.
  2. قم بتقييم قيم معلمات الشكل المتوسط مثل الدائرية (CIR) ونسبة العرض إلى الارتفاع (AR) عن طريق إدخال = المتوسط (x,y) في أسفل كل عمود، حيث يمثل x السطر الأول والسطر الأخير y من العمود، ثم اضغط على Enter. تصف قيم CIR العلاقة بين المساحة المسقطة والدائرة المثالية مع CIR للجسيم الفردي = 1 (المعادلة 1). يمثل AR نسبة طول الجسيم / عرضه الموصوفة بالمعادلة 2.
  3. حدد ما إذا كان متوسط AR < 2.5، ثم احسب قيم dp في عمود جديد باستخدام المعادلة 3. إذا كان AR ≥ 2.5 ، فاحسب قيم dp التي تعكس المعادلة 4. أضف عمودا جديدا لحساب dp استنادا إلى عمود المساحة المستلم من مخرج ImageJ.
    ملاحظة: يمثل اختيار قيم عتبة AR ≥ 2.5 جسيمات مستطيلة الشكل أكثر، في حين أن AR < 2.5 يعكس المزيد من الجسيمات المستديرة الشكل. يسمح هذا التحديد بتقليل خطأ حساب dp المستمد من المساحة المقاسة بواسطة الفحص المجهري والتي تم تحديدها من خلال ImageJ.
    (1) Equation 1
    (2) Equation 2
    (3) Equation 3
    (4) Equation 4

11. التحليل الإحصائي للنواب ونواب الشعب

  1. افتح ملف البيانات *.csv باستخدام البرنامج الإحصائي بواسطة ملف > فتح > حدد موقع الملف للملف المقابل كما تم إنشاؤه في الخطوة 9.13.
    ملاحظة: بدلا من ذلك، يمكن نقل الجدول مباشرة من خلال ميزة النسخ واللصق إلى البرنامج الإحصائي. ارجع إلى جدول المواد الخاص بالعلامة التجارية وإصدار البرنامج الإحصائي تحرير > لصق بأسماء الأعمدة.
  2. قم بتقييم بيانات dp عن طريق تحديد تحليل توزيع >.
  3. حدد dp، الذي يعكس بيانات العمود، واسحب وأفلت في أعمدة Y، ثم اضغط على الزر موافق ( OK) . تقوم هذه الميزة بإنشاء مدرج تكراري مع إخراج إحصائي بما في ذلك قيم إحصائيات الملخص والمتوسط و Std Dev في نافذة منفصلة.
  4. قم بتقييم ما إذا كان الرسم البياني يتبع توزيعا طبيعيا (أو الأنسب ل d p) مع منحنى أفضل ملاءمة عن طريق تحديد المثلث المجاور ل d p > Continuous Fit، ثم حدد المنحنى المستلم كأفضل ملاءمة (على سبيل المثال، Fit Normal). تفرض هذه الخطوة الرسم البياني بتناسب موزع بشكل طبيعي.
  5. تحديد قيم الانحراف المتوسط والمعياري والإبلاغ عنها من مخرجات الإحصاءات الموجزة لقيم معلمات الشكل المتوسط للدائرية (Cir) ونسبة العرض إلى الارتفاع (AR) والاستدارة (Round) والصلابة (Sol).
    ملاحظة: يوصى باستخدام مستوى دلالة إحصائية يبلغ α = 0.05 وتم استخدامه لجميع التقييمات. مستوى الدلالة هو احتمال رفض فرضية العدم عندما تكون صحيحة عند مقارنة النتائج العددية.

12. أفضل ملاءمة لتوزيع حجم dp وعوامل شكل الجسيمات

  1. قم بتحميل مجموعة البيانات في برنامج إحصائي واستخدم نفس مجموعة بيانات *.csv لتوزيع dp كما هو محسوب في الخطوة 10.
  2. حدد تحليل موثوقية > والبقاء على قيد الحياة > توزيع الحياة.
  3. اسحب العمود dp إلى الحقل Y، الوقت المستغرق للحدث، وحدد موافق. تنشئ هذه الميزة مخرجا بمخطط احتمال كدالة dp.
  4. حدد التوزيع الأمثل ضمن مقارنة التوزيعات عن طريق التحقق من غير المعلمات و Lognormal و Weibull و Loglogistics و Normal.
  5. قم بتقييم جودة النموذج المناسب من خلال أدنى القيم العددية لمعايير معلومات Akaike و Bayesian (AIC و BIC ، على التوالي) في جدول مقارنة نموذج الإحصاءات أسفل الرسم البياني بأقل أرقام BIC . يتم تقديم النموذج الأفضل ملاءمة في الصف الأول افتراضيا. توجد حقول مخرجات التقدير البارامتري أو غير البارامتري لكل تقييم توزيع أسفل الرسم البياني لمقارنة التوزيعات .
  6. احفظ البرنامج النصي للإخراج في جدول البيانات عن طريق تحديد المثلث الأحمر المنسدل لأسفل في الزاوية العلوية اليسرى بواسطة حفظ البرنامج النصي > إلى جدول البيانات. بعد ذلك ، احفظ جدول البيانات الأصلي في موقع الملف المطلوب عن طريق تحديد ملف > حفظ باسم > *.jmp.

13. توصيف الأبعاد ل NPs من خلال تشتت الضوء الديناميكي

  1. ابدأ تشغيل برنامج تشتت الضوء الديناميكي (DLS) بالنقر المزدوج فوق رمز سطح المكتب. حدد ملف > الإجراء التشغيلي الموحد > الجديد. أضف اسم العينة وحدد معامل انكسار المواد إلى 1.33 للماء المقطر و 1.59 للبوليمرات33 في برنامج DLS ضمن إعداد العينة. حدد المادة في القائمة المنسدلة ثم انقر فوق موافق.
    ملاحظة: يؤدي النقر فوق القائمة المنسدلة إلى فتح مدير المواد، الذي يعرض إضافة عينات جديدة أو تعديل العينات الموجودة عن طريق تغيير معامل الانكسار والامتصاص. اختر كماء مشتت.
  2. حدد الخلية المناسبة ضمن نوع الخلية > وحدد التقارير لتحديد المخرجات التي سيتم عرضها بعد كل قياس.
  3. ابدأ تشغيل الجهاز عن طريق إغلاق غطاء الجهاز وتشغيل النظام عن طريق إغلاق الغطاء (إذا كان مفتوحا) والضغط على زر التشغيل . انتظر بعد أول صفارة وانتظر حوالي 30 دقيقة للسماح باستقرار الشعاع.
  4. انتظر حتى يكتمل روتين التهيئة وانتظر صوت صفير ثان ، مما يشير إلى أنه تم الوصول إلى درجة الحرارة المحددة مسبقا (عادة 25 درجة مئوية).
  5. قم بإعداد عينة من الطين من NPs (كما وردت في الخطوة 7) وماء DI في قارورة 15 مل بتركيز ~ 0.1٪ من الوزن عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة ~ 1 ساعة للسماح بالخلط جيدا.
  6. هز الملاط قبل نقل ~ 1.0 مل إلى كوفيت الكوارتز 4.5 مل وافتح الغطاء. ثم أدخل خلية العينة بعناية في حامل العينة الخاص بأداة DLS.
    ملاحظة: قم بإعداد ثلاث عينات من نفس دفعة الطين بنفس التركيز كما هو موضح في الخطوة 13.5.
  7. قم بإجراء ثلاثة قياسات (التحديد في برنامج DLS) لكل عينة. بين القياسات ، قم بإزالة خلية العينة وهز العينات بلطف لمدة 5 ثوان للسماح بخلط العينة.
  8. استخراج البيانات وتصديرها من خلال برنامج DLS ، ونقل مجموعة البيانات إلى برنامج جدول البيانات ، وإنشاء مخططات بيانية للنواب و NPs كما هو موضح في الخطوات 11.1-11.5 (الشكل 1). انسخ من علامة التبويب عرض السجلات إما جدولا أو رسما بيانيا عن طريق تحديد تحرير نسخة، والتي يمكن لصقها في تطبيق آخر مثل برنامج جدول البيانات.

14. التحليل الكيميائي لل MNPs باستخدام الانعكاس الكلي الموهن للأشعة تحت الحمراء التحويلية (FTIR) من فورييه (ATR)

ملاحظة: تعد التحليلات الكيميائية لل MNPs بواسطة التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء التحويلية من فورييه (FTIR) والتحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي (NMR) أدوات مناسبة تماما لتقييم تأثير الطحن الرطب على خصائص الترابط الكيميائي ، وكذلك الكميات النسبية للمكونات الرئيسية والمكونات الأحادية للبوليمرات ، على التوالي10. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تقييم الخصائص الحرارية واستقرار المكونات البوليمرية ل MNPs من خلال كالوريمتر المسح التفاضلي (DSC) والتحليل الحراري الوزني (TGA) ، على التوالي29.

  1. نظف نظام الكشف (سطح الكريستال ATR) بالإيثانول وقطعة قماش خالية من الوبر.
  2. ابدأ تشغيل البرنامج واضغط على زر الخلفية في شريط الأوامر لإجراء فحص الخلفية في الهواء عن طريق مسح مسار شعاع الأداة. يتم عرض طيف الخلفية بعد وقت قصير من التجميع.
  3. أدخل معرف العينة ووصف العينة في شريط أدوات إعدادات الأداة.
  4. اضبط الرقم الموجي الطيفي بين 4000 سم-1 و600 سم-1 وحدد دقة 2.0 سم-1 في وضع الامتصاص. حدد 32 عملية مسح ضوئي لكل طيف وابدأ.
  5. ضع عينة بلاستيكية (~ 20 ملغ أو ~ 1-3 مم3) من MPs (106 ميكرومتر) و NPs (~ 300 نانومتر) داخل غسالة فولاذية يبلغ قطرها الداخلي ~ 10 مم ، أو ما يعادلها ، على سطح الكريستال.
    ملاحظة: تمنع الغسالة التشتت على الكريستال عندما يضغط حامل العينة على العينة، مما يؤدي إلى عدم تجانس المواد وانحياز البيانات بسبب القياسات غير المتناسقة.
  6. ضع الغسالة في وسط بلورة ATR وأضف عينة البوليمر إلى منتصف فتحة الغسالة باستخدام ملعقة.
  7. أرجح ذراع العينة أعلاه إلى وسط العينة وأدر المقبض في اتجاه عقارب الساعة من خلال مراقبة قوة مقياس القوة بين 50-90. تظهر العينة الأطياف الأولية. اضغط على زر المسح الضوئي مرة ثانية لجمع الطيف.
  8. اجمع ما بين 8-10 أطياف بالنقر فوق الزر مسح ضوئي وامزج العينات بعناية بعد كل قياس باستخدام ملعقة للسماح بجمع النتائج التمثيلية.
  9. انقر فوق المجلد "عرض العينات " في " مستكشف البيانات" لعرض جميع العينات التي تم جمعها المتراكبة في منطقة العرض. أولا ، قم بإزالة الأطياف المنحرفة بشكل كبير التي تمثل القيم المتطرفة. بعد ذلك، حدد إما وضع الامتصاص أو النفاذية في شريط الأدوات .
  10. احفظ الأطياف عن طريق تحديد مجلد "عرض العينة " الذي يحتوي على الأطياف وتحديد حفظ باسم من قائمة الملفات. تمكن نافذة الحوار اسم الملف ودليل الوجهة وتغيير الموقع الافتراضي لجميع الأطياف.
    ملاحظة: بدلا من ذلك، يمكن حفظ الأطياف كملف *.sp عن طريق تحديد طيف والنقر بزر الماوس الأيمن لعرض الخيار ثنائي. حدد حفظ ثنائي واستعرض موقع الحفظ النهائي.
  11. قم بإجراء تصحيح خط الأساس ومتوسط التطبيع عن طريق تحديد طيف واحد في مستكشف البيانات عن طريق تحديد عملية > التطبيع في القائمة إما من خلال البرنامج أو في الخطوة التالية.
    ملاحظة: يعوض متوسط التطبيع عن الأخطاء الطيفية بسبب اختلاف السمك أو المادة في العينة.
  12. نظف المنطقة الكريستالية بالإيثانول وقطعة قماش خالية من الوبر عند الانتهاء من جمع البيانات.
  13. تفسير الاختلافات بين النواب و NPs وفقا لنطاقات اهتزاز FTIR المعينة ، والتي تم تعيينها وتقييمها في منشور سابق10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

للتحقق من صحة طريقة الإجراء التجريبي والتحليل ، تم تشكيل MPs و NPs من الكريات ومواد الأفلام ومقارنتها بالحجم والشكل باستخدام الصور المجهرية. الطريقة الموصوفة في الشكل 1 شكلت بكفاءة النواب و NPs من الكريات البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي والأغشية ؛ وقد تحقق ذلك من خلال التبريد المبرد والطحن والطحن الرطب والتوصيف. كانت الخطوة الأولى غير ضرورية للأفلام التي تم تجوية بيئيا لأن التجوية تسببت في التقصف (Astner et al. ، غير منشور). كما تعرضت الكريات مباشرة للطحن دون معالجة مسبقة مبردة. بعد الطحن ، تم تقسيم الجسيمات من خلال الغربلة إلى أربعة أجزاء حجم: 840 ميكرومتر ، 250 ميكرومتر ، 106 ميكرومتر ، و 45 ميكرومتر ، كما هو موضح في خطوة البروتوكول 4. وتألفت الكسور الثلاثة الأخيرة فقط من النواب. وفي وقت لاحق، تم تقييم توصيف الجسيمات لكل جزء من خلال تحديد توزيع الحجم (dp) وعوامل الشكل (أي الدائرية ونسبة العرض إلى الارتفاع) للصور المجهرية المجسمة التي تم جمعها باستخدام برنامج ImageJ على النحو المبين في الخطوات 8.1-8.6. وتظهر أمثلة على الصور التي تم الحصول عليها بواسطة مجهر مجسم، لجزء الغربلة البالغ 106 ميكرومتر لكريات PBAT (الشكل 3 أ، ج) وجزء الغربال 250 ميكرومتر، ولفيلم PBAT غير المتجوية المعالج بالتعرض المبرد (الشكل 3ب، د).

وأشار التحليل الإحصائي لأبعاد الجسيمات إلى أن متوسط dp كان أصغر بمقدار 41 ميكرومتر من حجم الغربال الاسمي (106 ميكرومتر) لحبيبة PBAT ، و 137 ميكرومتر أصغر لفيلم PBAT (250 ميكرومتر الحجم الاسمي) ، مما يشير إلى أن جزء الغربال الأصغر يمثل توزيعا أكثر تجانسا لحجم الجسيمات (الجدول 1). وقد تأكدت هذه الملاحظة أيضا من خلال قيمة أكبر في الدائرية ونسب عرض إلى ارتفاع أقل (مما يشير إلى المزيد من الجسيمات المستديرة الشكل) للكريات المعالجة مقارنة بمادة الفيلم، والتي يمكن أن تعزى إلى الخصائص المختلفة (الكثافة) للمواد الأولية. كان التوزيع الطبيعي هو أفضل نموذج لوصف توزيع حجم الجسيمات لكلا الكسرين. ومع ذلك ، لتحديد الدائرية ونسبة العرض إلى الارتفاع ، كان نموذجي Weibull و Lognormal مثاليين (الشكل 4 أ - د; الجدول 1). بالنسبة لكل من المواد الأولية ، شكلت عملية طحن رطبة مطبقة على كسور غربال 106 ميكرومتر MP NPs ، وتم قياس توزيع حجم الجسيمات الخاصة بها عبر DLS. وكشف التحليل العددي عن توزيع حجم الجسيمات ثنائي النمط للمصادر النووية المنتجة من كلا المادتين اللقيمتين (الشكل 5). كانت مجموعات الجسيمات الرئيسية ل NPs من كريات PBAT عند ~ 80 نانومتر و 531 نانومتر ، وكانت قيم تردد كثافة الأعداد المقابلة (NDF) عند 25٪ و 5٪ على التوالي. من ناحية أخرى ، تمتلك NPs المشتقة من أفلام PBAT الحد الأقصى للحجم عند ~ 50 نانومتر و 106 نانومتر ، مع قيم NDF المقابلة بنسبة 11٪ و 10٪ على التوالي. وتشير الملاحظات إلى أن NPs من كريات PBAT أنتجت قيما dp أكثر اتساقا (~ 50-110 نانومتر) من أفلام PBAT؛ ومع ذلك ، فإن مجموعة فرعية من الجسيمات تتراوح بين 300 نانومتر و 700 نانومتر ، بحد أقصى 531 نانومتر ، تعايشت أيضا (الشكل 5).

تم تقييم خصائص الترابط الكيميائي لفيلم PBAT بواسطة التحليل الطيفي FITR. أظهرت الأطياف تغييرات طفيفة فقط بسبب الطحن للنواب والطحن الرطب ل NPs في المناطق التي تتراوح بين 1300 و 700 سم - 1. ومع ذلك ، لوحظ انخفاض كبير في تمدد C-O للنشويات ، مما يعكس امتصاص مكون النشا10 ، لفيلم المهاد. ومع ذلك، لوحظت تغيرات طفيفة في النطاقات التي تمثل PBAT، مثل تمدد C-H وC-O، بين 1800 سم-1 و1230 سم-1، مما يشير إلى تغيرات ضئيلة في بنية البوليستر تعزى إلى عملية الطحن الرطب (الشكل 6).

Figure 1
الشكل 1: مخطط التدفق لتشكيل وتوصيف اللدائن الدقيقة والنانوية. يوضح التمثيل عملية التكوين وتقييم الجسيمات الهندسية والكيميائية اللاحقة. تم تحديد الخصائص الهندسية من خلال الجمع بين المجهر المجسمة وتحليل الصور (ImageJ) ، متبوعا بتحليل إحصائي رقمي. تم إجراء التوصيف الكيميائي مثل الترابط الجزيئي من خلال قياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه باستخدام الانعكاس الكلي الموهن (FTIR-ATR). يمكن تقييم التركيب الجزيئي للبوليمرات بواسطة التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) كطريقة تكميلية (غير موصوفة في هذه الدراسة). لكل خطوة، يتم تمييز النقاط الرئيسية في الإجراء التالي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: جهاز مطحنة القطع الدوارة. صور ل (أ) مجموعة المطحنة الدوارة بما في ذلك قادوس التغذية واللوحة الزجاجية الأمامية وفتحة الغربال ؛ (ب) تركيب أنابيب توصيل فردية بأحجام غربال #20 (840 ميكرومتر) و#60 (250 ميكرومتر) في فتحة غربال المطحنة بدءا من الخشن؛ و (ج) يتم إرفاق لوحة أمامية زجاجية مزدوجة الطبقة بالجزء الأمامي من غرفة الطحن. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: الصور المجهرية المجسمة للبلاستيك الدقيق (MPs) ، بما في ذلك الصور المعالجة بالبرمجيات. كانت الصور ل MPs مشتقة من (أ) كريات PBAT (جزء غربال 106 ميكرومتر) و (ب) فيلم PBAT (جزء غربال 250 ميكرومتر) تم إعداده من خلال التعرض المبرد متبوعا بالطحن الميكانيكي. تم اختيار خلفية سوداء لتصوير جزيئات PBAT البيضاء (أ) ، وتم اختيار خلفية بيضاء لفيلم PBAT أسود (b). تمت معالجة الصور المقابلة بواسطة برنامج ImageJ31 (c) و (d) ، على التوالي. ويمثل التوزيع الطبيعي نموذج أنسب لتوزيع dp، يصور في صور بيانية للجسيمات المشتقة من الصور المجسمة لكريات (ه) PBAT و (و) فيلم PBAT. تعكس أشرطة الخطأ انحرافا معياريا واحدا. جمع المجهر المجسم الصور المجهرية المجسمة مع رأس كاميرا مدمج. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: المدرج التكراري لتوزيع عامل شكل الجسيمات مع تركيب أفضل منحنى متراكب. تمثل الصورة النواب: (أ) الدائرية و (ج) نسبة العرض إلى الارتفاع لكريات PBAT و (ب) الدائرية و (د) نسبة العرض إلى الارتفاع لفيلم PBAT ، استنادا إلى تحليل ImageJ31. تعتمد الصور المجسمة على جزيئين من أجزاء الغربال من كريات PBAT (106 ميكرومتر) و PBAT BDM MPs (250 ميكرومتر). تم إجراء التحليل العددي في البرنامج الإحصائي ، V 15. تمثل الصور المجسمة والرسوم البيانية الصور المقابلة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: رسم بياني لحجم الجسيمات (dp) ل NPs. يمثل الشكل توزيعات الجسيمات المشتقة من فيلم PBAT وكريات PBAT التي تشكلت من معالجة الطحن الرطب لجزء الغربال 106 ميكرومتر MP. تمثل المنحنيات نموذج Weibull ثنائي المعلمات يناسب توزيع الحجم ، والذي يتم إجراؤه باستخدام البرنامج الإحصائي. تم إجراء قياسات البيانات باستخدام تشتت الضوء الديناميكي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6. أطياف FTIR التمثيلية لمقارنة MNP بين خطوات المعالجة المختلفة. يصور الشكل المقارنة بين الظروف الأولية لفيلم PBAT و PBAT-MPs و PBAT-NPs. تمت معالجة فيلم PBAT بالتبريد قبل الطحن الميكانيكي للنواب الذي يتكون من جزء غربال 106 ميكرومتر من البلاستيك المطحون الجاف ؛ تم إنتاج NPs عن طريق الطحن الرطب لنواب جزء الغربال 106 ميكرومتر بعد الطحن الجاف والغربال. وجمعت البيانات الطيفية باستخدام مقياس الطيف المزود بمرفق الانعكاس الكلي الموهن بالماس (ATR). وأجري تحليل البيانات الطيفية باستخدام برنامج تحليل الطيف FTIR. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

كريات PBAT فيلم PBAT
كسر غربال ، ميكرومتر 106 250
موانئ دبي العادية ، ميكرومتر 65 113
STD Dev, μm 24 58
تدوير 0.68 0.47
نسبة العرض إلى الارتفاع 1.73 2.33
الأنسب ، موانئ دبي عادي عادي
الأنسب ، التعميم ويبول ويبول
الأنسب ، نسبة العرض إلى الارتفاع لوشهرعادي لوشهرعادي
N 83 125

الجدول 1: حجم الجسيمات التمثيلية ومعلمات الشكل. تم اشتقاق النتائج من التحليل الإحصائي للنواب الذين تمت معالجتهم من كريات PBAT وفيلم PBAT المبين في الشكل 3 والشكل 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تصف هذه الطريقة عملية فعالة وصفت في البداية في منشور سابقرقم 29 ، لإعداد MNPs التي يتم الحصول عليها من الكريات وأفلام المهاد للدراسات البيئية. تضمنت عملية تقليل الحجم التبريد المبرد (للفيلم فقط) ، والطحن الجاف ، ومراحل الطحن الرطب ، لتصنيع نماذج MNPs. وقد طبقنا هذه الطريقة لإعداد MNPs من مجموعة واسعة من المواد الأولية البوليمرية، بما في ذلك البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE)، والبولي بوتيرات أديبات - تيريفثاليت المشترك (PBAT)، وحمض البوليلاكتيك (PLA)29 (أستنر وآخرون، مخطوطة قيد الإعداد). غير أنه بالنسبة للبولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE)، لا يمكن أن يكون سوى الكريات بمثابة مواد وسيطة؛ تعذر معالجة أفلام المهاد بسبب شبكة التعزيز المدمجة في الفيلم أثناء قذفه ، كما هو موضح في منشور سابق29.

وتشمل الخطوات الحاسمة في إطار البروتوكول أ) المعالجة المسبقة المبردة ، وتوفير تطريز الفيلم المرن بشكل عام ، ب) الطحن لمحاكاة التأثير الميكانيكي من خلال الممارسات الزراعية (الحرث ، الحراثة) ، و ج) الطحن الرطب ، ومحاكاة أحداث القص البيئية بين تصادمات MP-التربة. ومن المرجح أن تمثل ال MNPs التي تشكلت من خلال هذه الطريقة الجسيمات التي تحدث في التربة الزراعية أكثر من الكرات الدقيقة والنانوية المصنوعة من البوليسترين. ومع ذلك ، غالبا ما يتم استخدام هذه الأخيرة كمواد نموذجية هندسية في الدراسات البيئية التي تبحث في التأثير على المجتمعات الميكروبية في التربة 34،35،36 ، والنباتات 37 ، التربة 38.

وقد ولدت طرق مختلفة NPs بديلة ، بما في ذلك الطحن والطحن المبرد باستخدام المطاحن الدوارة والكروية39،40،41،42. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام الطحن بالاشتراك مع النيتروجين السائل في كثير من الأحيان لتشكيل MNPs 40,41,42,43,44,45. في المقابل ، تم استخدام إجراء طحن جاف فائق الطرد المركزي (بدون معالجة مبردة) بالاشتراك مع طحن الكرة الرطبة لتوليد النواب و NPs39 ، على التوالي. في المقابل ، تستخدم الطريقة الموصوفة في هذه الورقة مزيجا غير مكلف من النقع المبرد والمزج والطحن لتوليد MNPs من الأفلام البلاستيكية لمحاكاة التأثيرات البيئية مثل التجوية وقوى القص الميكانيكية. لذلك ، قارنت دراسة حديثة تغيرات الخصائص الميكانيكية والكيميائية بين الأغشية البلاستيكية الزراعية المبردة التي تم تجميعها بيئيا. أظهرت النتائج فروقا ذات دلالة إحصائية في السمات الهندسية، والخواص الفيزيائية الكيميائية، والتحلل الأحيائي لل MNPs المشكلة (Astner et al., unpubation).

أحد القيود المفروضة على طريقة الطحن الميكانيكية المبردة هو عائد الغربلة المنخفض نسبيا بعد مرور الطحن الأول (~ 10 وزن) من الكسور <840 ميكرومتر ، مما يتطلب تمريرتين أخريين ، مما يؤدي إلى وقت معالجة أطول مقارنة بالكسور الأكبر من >840 ميكرومتر29. وبما أن غلة الكسر 46 ميكرومتر تتراوح بين 1 و 2 وزن، فقد تم استخدام جزء الجسيمات 106 ميكرومتر لإجراء الطحن الرطب لتشكيل NPs. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي الاحتكاك أثناء عملية الطحن إلى ارتفاع درجة حرارة غرفة المعالجة ، مما يؤدي إلى التكتل والتدهور الحراري للجسيمات أو شظايا الأفلام أثناء عملية الطحن ، كما هو موضح في دراسات أخرى 29,46. وهناك قيد آخر لطريقة الطحن المبردة الموصوفة في هذه الورقة هو التطبيق المحدود للمواد البلاستيكية مثل أفلام البولي إيثيلين منخفض الكثافة أو كريات PBS ذات الخصائص الحرارية الضعيفة (أي درجات حرارة التزجج المنخفضة). كان من المستحيل ضبط البلاستيك السابق بسبب البنية الليفية لأفلام LDPE. بالإضافة إلى ذلك ، أدى هذا الأخير إلى انسداد المطحنة ، حيث زاد القص الميكانيكي من درجة الحرارة في غرفة الطحن. في المقابل ، كانت كريات LDPE سهلة المعالجة من خلال الطحن دون استخدام التبريد المبرد. تظهر مقارنة d p s للنواب انحرافا أكبر للكسر 250 ميكرومتر عن حجم الغربال الاسمي من الكسر p 106 ميكرومتر d. ومع ذلك، فإن كلا الكسرين المنخلين اتبعا توزيعا طبيعيا أحادي التشتت (الشكل 3 ه، وو، والجدول 1)، مما يشير إلى آليات انهيار مماثلة للمواد الأولية للفيلم أو الكريات. وعلى النقيض من ذلك، أسفر تحليل حجم NP عن توزيع ثنائي النمط لأفلام PBAT، على غرار المنشور السابق29، وكريات PBAT ذات ذروة توزيع الحجم التمثيلي عند 50 نانومتر و 107 نانومتر. ومع ذلك ، أظهرت بيانات توزيع الكريات قمم عند حوالي 80 نانومتر و 531 نانومتر ، مما يشير إلى أن الانهيار يحدث بشكل أقل اتساقا مما هو عليه في الأفلام. تكمن أهمية الطريقة المحددة سابقا في الجمع الفعال وغير المكلف لخطوات المعالجة مثل المعالجة المسبقة المبردة والطحن والطحن الرطب. تشبه توزيعات حجم الجسيمات ل NPs من فيلم PBAT في هذه الدراسة دراسة أولية أجريت على تكوين NP للبلاستيك القابل للتحللالحيوي 29 ، والذي يتميز بتوزيع ثنائي النمط مع مجموعات فرعية من الجسيمات تبلغ ذروتها عند ~ 50 نانومتر و ~ 200 نانومتر ؛ ومع ذلك، أدى هذا الأخير إلى جسيمات أصغر قليلا (106 نانومتر)، كما هو موضح في الشكل 5، استنادا إلى العدد الأكبر من التمريرات (60) في هذه الدراسة، مقارنة ب 27 تمريرة كما أجراها سابقا أستنر، وآخرون. 29- وتشير هذه الدراسة إلى أن تكوين NP المستمد من أفلام PBAT يتبع نتائج الدراسة الأولية.

دليل آخر على متانة هذه الطريقة هو أن التركيب الكيميائي لم يتغير بشكل كبير بسبب المعالجة المبردة والطحن والطحن الرطب (الشكل 6). وبالإضافة إلى ذلك، لم تختلف الاختلافات بين المواد الأولية مثل الكريات مقابل الفيلم (توزيعات حجم الجسيمات)، أو متوسط dp، أو بارامترات الشكل اختلافا كبيرا (الشكل 3 والشكل 4). وقد أبلغ على نطاق واسع عن وجود كائنات متعددة الجنسيات مشتتة بيئيا وآثارها السمية الإيكولوجية على الكائنات الأرضية 47,48 والكائنات الحية البحرية 49,50. ومع ذلك، في حين أن التربة تمثل أبرز خزان بيئي عالمي لنقل MNP وتدهورها وتراكمها الأحيائي، فإن الافتقار إلى أساليب تحليلية قوية وموحدة لهذه المواد يؤدي إلى فجوات معرفية حاسمة في تقييم المخاطر لدى أعضاء البرلمان وNPs في النظم الإيكولوجية الأرضية51. ونتيجة لذلك، قد تنطوي التطبيقات المستقبلية لهذه الطريقة على إعداد وتوصيف MNPs من المواد البلاستيكية المطورة حديثا لأغشية البوليمر الزراعية (مثل PBAT جنبا إلى جنب مع اللجنين) لتقييم المصير البيئي والسمية الإيكولوجية لل MNPs قبل طرحها في السوق. ولذلك، يمكن أن يخدم هذا البروتوكول الدراسات البيئية كبروتوكول موحد لتوليد أعضاء البرلمان من خلال الطحن المبرد وNPs من خلال الطحن الرطب وللتوصيف البعدي والكيميائي لل MNPs الناتجة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الجسيمات المشتقة في الدراسات البيئية مثل المصير والسمية البيئية والنقل والتحلل البيولوجي في البيئات البرية والبحرية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

تم تمويل هذا البحث من قبل كلية هربرت للزراعة ، وقسم هندسة النظم الحيوية والتربة ، وتحالف العلوم في جامعة تينيسي ، نوكسفيل. علاوة على ذلك ، يعترف المؤلفون بامتنان بالدعم المالي المقدم من خلال منحة وزارة الزراعة الأمريكية 2020-67019-31167 لهذا البحث. وقد تفضلت شركة BioBag Americas, Inc. (دنيفين، فلوريدا، الولايات المتحدة الأمريكية) بتقديم المواد الأولية الأولية لإعداد MNPs من فيلم المهاد القابل للتحلل البيولوجي القائم على PBAT من قبل Mobius, LLC (مدينة لينوار، تينيسي).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum dish, 150 mL  Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 08-732-103 Drying of collected NPs
Aluminum dish, 500 mL VWR International, Radnor, PA, USA 25433-018 Collecting NPs after wet-grinding
Centrifuge Fisher Scientific, Waltham, MA, USA Centrific 228 Container for centrifugation
Delivery tube, #20, 840 µm Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA 3383M30 Sieving of the first fraction during milling
Delivery tube, #60, 250 µm Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA 3383M45 Sieving of the second fraction (3x)  during milling
Thermomixer,  5350 Mixer Eppendorf North America, Enfield, CT, USA 05-400-200 Analysis of sieving experiments
FT-IR Spectrum Two, spectrometer with attenuated total reflectance (ATR) Perkin Elmer, Waltham, MA, USA L1050228  Measuring FTIR spectra
Glass beaker, 1000 mL DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA 02-555-113 Stirring of MPs-water slurry before grinding
Glass front plate Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA 3383N55  Front cover plaste for Wiley Mini Mill
Glass jar, 50 mL Uline, Pleasant Prairie, WI, USA S-15846P Collective MPs after milling
Glove Box, neoprene Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA BEL-H500290000 22-Inch, Size 10
Zetasizer Nano ZS 90 size analyzer Malvern Panalytical, Worcestershire, UK  Zetasizer Nano ZS Measuring nanoplastics dispersed in DI-water
Microscope camera Nikon, Tokyo, 108-6290, Japan Nikon Digital Sight 10 Combined with Olympus microscope to receive digital images
Microscope Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japan Model SZ 61 Imaging of MPs
Nitrogen jar, low form dewar flasks Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA UX-03771-23 Storage of liquid nitrogen during cryogenic cooling
Accurate Blend 200, 12-speed blender Oster, Boca Raton, FL, USA 6684 Initiating the size reduction of cryogenically treated plastic film
PBAT film, - BioAgri™ (Mater-Bi®) BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA 0.7 mm thick Feedstock to form MPs and NPs, agricultural mulch film
PBAT pellets Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA Diameter 3 mm Feedstock to form microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) trough milling and grinding
Plastic centrifuge tubes, 50 mL Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 06-443-18 Centrifugation of slurry after wet-grinding
Plastic jar, 1000 mL, pre-cleaned, straight sided Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 05-719-733 Collection of NPs during and after wet grinding
Polygon stir bars, diameterø=8 mm, length=50.8 mm   Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 14-512-127 Stirring of MPs slurry prior to wet-grinding
Scissors, titanium bonded Westcott, Shelton, CT, USA 13901 Cutting of initial PBAT film feedstocks
Square glass cell with square aperture and cap, 12 mm O.D. Malvern Panalytical, Worcestershire, UK  PCS1115 Measuring of NPs particle size
Stainless steel bottom, 3 inch, pan Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 8401 For sieving after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 140 (106 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1308 For sieving after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 20 (850 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1296 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 325 (45 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1313 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 60 (250 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1303 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel top cover, 3 inch Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 8406 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel tweezers Global Industrial, Port Washington, NY, USA T9FB2264892 Transferring of  frozen film particles from jar into blender
Vacuum oven, model 281A Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 13-262-50 Vacuum oven to dry NPs after wet-grinding
Friction grinding machine, Supermass Colloider Masuko Sangyo, Tokyo, Japan MKCA6-2J Grinding machine to form NPs from MPs
Wet-grinding stone, grit size: 297 μm -420 μm Masuko Sangyo, Tokyo, Japan MKE6-46DD Grinding stone to form NPs from MPs
Wiley Mini Mill, rotary cutting mill Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA NC1346618 Size reduction of pellets and film into MPs and NPs
Software
FTIR-Spectroscopy software Perkin Elmer, Waltham, MA, USA Spectrum 10  Collection of spectra from the initial plastic, MPs and NPs
Image J, image processing program National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA Version 1.53n Analysis of digital images received from microscopy 
Microscope software, ds-fi1 software Malvern Panalytical , Malvern, UK Firmware DS-U1 Ver3.10 Recording of digital images
Microsoft, Windows,  Excel 365, spreadsheet software Microsoft, Redmond, WA, USA Office 365 Calculating the average particle size and creating FTIR spectra images
JMP software, statistical software SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021 Version 15 Statistical analysis of particle size and perform best fit of data set
Unscrambler software Camo Analytics, Oslo, Norway Version 9.2 Normalizing and converting FTIR spectra into .csv fromat

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jin, Z., Dan, L. Review on the occurrence, analysis methods, toxicity and health effects of micro-and nano-plastics in the environment. Environmental Chemistry. (1), 28-40 (2021).
  2. Kumar, M., et al. Current research trends on micro-and nano-plastics as an emerging threat to global environment: a review. Journal of Hazardous Materials. 409, 124967 (2021).
  3. Alimba, C. G., Faggio, C., Sivanesan, S., Ogunkanmi, A. L., Krishnamurthi, K. Micro (nano)-plastics in the environment and risk of carcinogenesis: Insight into possible mechanisms. Journal of Hazardous Materials. 416, 126143 (2021).
  4. Serrano-Ruiz, H., Martin-Closas, L., Pelacho, A. M. Biodegradable plastic mulches: Impact on the agricultural biotic environment. Science of The Total Environment. 750, 141228 (2021).
  5. Hayes, D. G., et al. Biodegradable plastic mulch films for sustainable specialty crop production. Polymers for Agri-Food Applications. , Springer. Cham. 183-213 (2019).
  6. Viaroli, S., Lancia, M., Re, V. Microplastics contamination of groundwater: Current evidence and future perspectives. A review. Science of The Total Environment. , 153851 (2022).
  7. Rillig, M. C., Lehmann, A. Microplastic in terrestrial ecosystems. Science. 368 (6498), 1430-1431 (2020).
  8. Anunciado, M. B., et al. Effect of environmental weathering on biodegradation of biodegradable plastic mulch films under ambient soil and composting conditions. Journal of Polymers and the Environment. 29 (9), 2916-2931 (2021).
  9. Yang, Y., et al. Kinetics of microplastic generation from different types of mulch films in agricultural soil. Science of The Total Environment. 814, 152572 (2022).
  10. Hayes, D. G., et al. Effect of diverse weathering conditions on the physicochemical properties of biodegradable plastic mulches. Polymer Testing. 62, 454-467 (2017).
  11. Schwaferts, C., Niessner, R., Elsner, M., Ivleva, N. P. Methods for the analysis of submicrometer-and nanoplastic particles in the environment. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 112, 52-65 (2019).
  12. Gigault, J., et al. Current opinion: what is a nanoplastic. Environmental Pollution. 235, 1030-1034 (2018).
  13. Naqash, N., Prakash, S., Kapoor, D., Singh, R. Interaction of freshwater microplastics with biota and heavy metals: a review. Environmental Chemistry Letters. 18 (6), 1813-1824 (2020).
  14. Manzoor, S., Naqash, N., Rashid, G., Singh, R. Plastic material degradation and formation of microplastic in the environment: A review. Materials Today: Proceedings. , 3254-3260 (2022).
  15. de Souza Machado, A. A., et al. Impacts of microplastics on the soil biophysical environment. Environmental Science & Technology. 52 (17), 9656-9665 (2018).
  16. Jacques, O., Prosser, R. A probabilistic risk assessment of microplastics in soil ecosystems. Science of The Total Environment. 757, 143987 (2021).
  17. Kwak, J. I., An, Y. -J. Microplastic digestion generates fragmented nanoplastics in soils and damages earthworm spermatogenesis and coelomocyte viability. Journal of Hazardous Materials. 402, 124034 (2021).
  18. Wahl, A., et al. Nanoplastic occurrence in a soil amended with plastic debris. Chemosphere. 262, 127784 (2021).
  19. Vighi, M., et al. Micro and nano-plastics in the environment: research priorities for the near future. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology Volume 257. , 163-218 (2021).
  20. Pironti, C., et al. Microplastics in the environment: intake through the food web, human exposure and toxicological effects. Toxics. 9 (9), 224 (2021).
  21. Zurier, H. S., Goddard, J. M. Biodegradation of microplastics in food and agriculture. Current Opinion in Food Science. 37, 37-44 (2021).
  22. Horton, A. A., Dixon, S. J. Microplastics: An introduction to environmental transport processes. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water. 5 (2), 1268 (2018).
  23. Panno, S. V., et al. Microplastic contamination in karst groundwater systems. Groundwater. 57 (2), 189-196 (2019).
  24. Su, Y., et al. Delivery, uptake, fate, an transport of engineered nanoparticles in plants: a critical review and data analysis. Environmental Science: Nano. 6 (8), 2311-2331 (2019).
  25. Yu, Y., Griffin-LaHue, D. E., Miles, C. A., Hayes, D. G., Flury, M. Are micro-and nanoplastics from soil-biodegradable plastic mulches an environmental concern. Journal of Hazardous Materials Advances. 4, 100024 (2021).
  26. Hayes, D. G. Enhanced end-of-life performance for biodegradable plastic mulch films through improving standards and addressing research gaps. Current Opinion in Chemical Engineering. 33, 100695 (2021).
  27. Qin, M., et al. A review of biodegradable plastics to biodegradable microplastics: Another ecological threat to soil environments. Journal of Cleaner Production. 312, 127816 (2021).
  28. Phuong, N. N., et al. Is there any consistency between the microplastics found in the field and those used in laboratory experiments. Environmental Pollution. 211, 111-123 (2016).
  29. Astner, A., et al. Mechanical formation of micro-and nano-plastic materials for environmental studies in agricultural ecosystems. Science of The Total Environment. 685, 1097-1106 (2019).
  30. Rist, S., Hartmann, N. B. Aquatic ecotoxicity of microplastics and nanoplastics: lessons learned from engineered nanomaterials. Freshwater Microplastics. , Springer. Cham. 25-49 (2018).
  31. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
  32. Raju, S., et al. Improved methodology to determine the fate and transport of microplastics in a secondary wastewater treatment plant. Water Research. 173, 115549 (2020).
  33. Caputo, F., et al. Measuring particle size distribution and mass concentration of nanoplastics and microplastics: addressing some analytical challenges in the sub-micron size range. Journal of Colloid and Interface Science. 588, 401-417 (2021).
  34. Xu, M., et al. Polystyrene microplastics alleviate the effects of sulfamethazine on soil microbial communities at different CO2 concentrations. Journal of Hazardous Materials. 413, 125286 (2021).
  35. Ding, L., et al. Insight into interactions of polystyrene microplastics with different types and compositions of dissolved organic matter. Science of The Total Environment. 824, 153883 (2022).
  36. Abbasimaedeh, P., Ghanbari, A., O'Kelly, B. C., Tavanafar, M., Irdmoosa, K. G. Geomechanical behaviour of uncemented expanded polystyrene (EPS) beads-clayey soil mixtures as lightweight fill. Geotechnics. 1 (1), 38-58 (2021).
  37. Li, Z., Li, Q., Li, R., Zhou, J., Wang, G. The distribution and impact of polystyrene nanoplastics on cucumber plants. Environmental Science and Pollution Research. 28 (13), 16042-16053 (2021).
  38. Sobhani, Z., Panneerselvan, L., Fang, C., Naidu, R., Megharaj, M. Chronic and transgenerational effects of polystyrene microplastics at environmentally relevant concentrations in earthworms (Eisenia fetida). Environmental Toxicology and Chemistry. 40 (8), 2240-2246 (2021).
  39. Lionetto, F., Esposito Corcione, C., Rizzo, A., Maffezzoli, A. Production and characterization of polyethylene terephthalate nanoparticles. Polymers. 13 (21), 3745 (2021).
  40. Dümichen, E., et al. Analysis of polyethylene microplastics in environmental samples, using a thermal decomposition method. Water Research. 85, 451-457 (2015).
  41. Robotti, M., et al. Attrition and cryogenic milling production for low pressure cold gas spray and composite coatings characterization. Advanced Powder Technology. 27 (4), 1257-1264 (2016).
  42. Ducoli, S., et al. A different protein corona cloaks "true-to-life" nanoplastics with respect to synthetic polystyrene nanobeads. Environmental Science: Nano. 9 (4), 1414-1426 (2022).
  43. El Hadri, H., Gigault, J., Maxit, B., Grassl, B., Reynaud, S. Nanoplastic from mechanically degraded primary and secondary microplastics for environmental assessments. NanoImpact. 17, 100206 (2020).
  44. Eitzen, L., et al. The challenge in preparing particle suspensions for aquatic microplastic research. Environmental research. 168, 490-495 (2019).
  45. Ekvall, M. T., et al. Nanoplastics formed during the mechanical breakdown of daily-use polystyrene products. Nanoscale advances. 1 (3), 1055-1061 (2019).
  46. Caldwell, J., et al. Fluorescent plastic nanoparticles to track their interaction and fate in physiological environments. Environmental Science: Nano. 8 (2), 502-513 (2021).
  47. Zeb, A., et al. Evaluating the knowledge structure of micro-and nanoplastics in terrestrial environment through scientometric assessment. Applied Soil Ecology. 177, 104507 (2022).
  48. Ji, Z., et al. Effects of pristine microplastics and nanoplastics on soil invertebrates: A systematic review and meta-analysis of available data. Science of The Total Environment. 788, 147784 (2021).
  49. de Alkimin, G. D., Gonçalves, J. M., Nathan, J., Bebianno, M. J. Impact of micro and nanoplastics in the marine environment. Assessing the Effects of Emerging Plastics on the Environment and Public Health. , IGI Global. 172-225 (2022).
  50. Pires, A., Cuccaro, A., Sole, M., Freitas, R. Micro (nano) plastics and plastic additives effects in marine annelids: A literature review. Environmental Research. , 113642 (2022).
  51. Hurley, R. R., Nizzetto, L. Fate and occurrence of micro (nano) plastics in soils: Knowledge gaps and possible risks. Current Opinion in Environmental Science & Health. 1, 6-11 (2018).

Tags

الهندسة، العدد 185، التكوين الأرضي، الميكانيكي، الدراسات البيئية، البلاستيك الدقيق، الجسيمات النانوية
تشكيل البلاستيك الجزئي والنانوي من الأغشية البلاستيكية الزراعية للعمل في الدراسات البحثية الأساسية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Astner, A. F., Hayes, D. G.,… More

Astner, A. F., Hayes, D. G., O'Neill, H. M., Evans, B. R., Pingali, S. V., Urban, V. S., Young, T. M. Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies. J. Vis. Exp. (185), e64112, doi:10.3791/64112 (2022).

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