Waiting
Login processing...

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

Engineering

Dannelse af mikro- og nanoplast fra landbrugsplastfilm til beskæftigelse i grundlæggende forskningsundersøgelser

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

Vi viser dannelsen og dimensionel karakterisering af mikro- og nanoplastik (henholdsvis parlamentsmedlemmer og NP'er) ved hjælp af en trinvis proces med mekanisk fræsning, slibning og billedanalyse.

Abstract

Mikroplast (parlamentsmedlemmer) og nanoplast (NP'er) spredt i landbrugsøkosystemer kan udgøre en alvorlig trussel mod biota i jord og nærliggende vandveje. Derudover kan kemikalier som pesticider adsorberet af NP'er skade jordorganismer og potentielt komme ind i fødekæden. I denne sammenhæng bidrager landbrugsudnyttede plastmaterialer såsom plastmuldfilm væsentligt til plastforurening i landbrugets økosystemer. Imidlertid anvender de fleste grundlæggende undersøgelser af skæbne og økotoksicitet idealiserede og dårligt repræsentative MP-materialer, såsom polystyrenmikrosfærer.

Derfor, som beskrevet heri, udviklede vi en flertrinsprocedure i laboratorieskala til mekanisk at danne repræsentative parlamentsmedlemmer og NP'er til sådanne undersøgelser. Plastmaterialet blev fremstillet af kommercielt tilgængelige plastmuldfilm af polybutyratadipat-co-terephthalat (PBAT), der blev broderet gennem enten kryogen behandling (CRYO) eller miljøforvitring (W) og fra ubehandlede PBAT-pellets. Plastmaterialerne blev derefter behandlet ved mekanisk fræsning til dannelse af parlamentsmedlemmer med en størrelse på 46-840 μm, hvilket efterlignede slid af plastfragmenter ved vind og mekaniske maskiner. Parlamentsmedlemmerne blev derefter sigtet i flere størrelsesfraktioner for at muliggøre yderligere analyse. Endelig blev sigtefraktionen på 106 μm udsat for vådslibning for at generere NP'er på 20-900 nm, en proces, der efterligner den langsomme størrelsesreduktionsproces for jordbaserede parlamentsmedlemmer. Dimensionerne og formen for parlamentsmedlemmer blev bestemt gennem billedanalyse af stereomikrografer, og dynamisk lysspredning (DLS) blev anvendt til at vurdere partikelstørrelse for NP'er. Samlet set viste denne størrelsesreduktionsmetode sig effektiv til dannelse af parlamentsmedlemmer og NP'er sammensat af bionedbrydelig plast såsom polybutylenadipat-co-terephthalat (PBAT), der repræsenterer mulchmaterialer, der anvendes til produktion af landbrugsspecialafgrøder.

Introduction

I de seneste årtier har den hurtigt stigende globale produktion af plast og forkert bortskaffelse og manglende genanvendelse af plastaffald ført til miljøforurening, der har påvirket marine og terrestriske økosystemer 1,2,3. Plastmaterialer er afgørende for moderne landbrug, især for at dyrke grøntsager, små frugter og andre specialafgrøder. Deres anvendelse som mulchfilm, høje og lave tunnelbelægninger, dryptape og andre applikationer sigter mod at forbedre afgrødeudbyttet og kvaliteten, sænke produktionsomkostningerne og fremme bæredygtige landbrugsmetoder 4,5. Den voksende anvendelse af "plasticulture" har imidlertid rejst bekymringer om dannelse, distribution og opbevaring af plaststykker i landbrugsmiljøer. Efter en kontinuerlig fragmenteringsproces forårsaget af brude gennem miljøforringelse i løbet af levetiden danner større plastfragmenter mikro- og nanoplastik (MNP'er), som fortsætter i jorden eller migrerer til tilstødende vandveje via vandafstrømning og vind 6,7,8. Miljøfaktorer såsom ultraviolet (UV) stråling gennem sollys, mekaniske kræfter af vand og biologiske faktorer udløser plastisk nedbrydning af miljømæssigt spredt plast, hvilket resulterer i nedbrydning af større plastfragmenter i makro- eller mesoplastpartikler 9,10. Yderligere defragmentering danner mikroplast (PARLAMENTSMEDLEMMER) og nanoplastik (NP'er), der afspejler partikler af gennemsnitlig størrelse (nominel diameter; dp) på henholdsvis 1-5000 μm og 1-1000 nm11. Den øvre dp-grænse for NP'er (dvs. en nedre grænse for parlamentsmedlemmer) er imidlertid ikke universelt aftalt, og i flere papirer er dette angivet som 100 nm12.

MNP'er fra plastaffald udgør en ny global trussel mod jordens sundhed og økosystemtjenester. Adsorption af tungmetaller fra ferskvand af parlamentsmedlemmer førte til en 800 gange højere koncentration af tungmetaller sammenlignet med det omgivende miljø13. Desuden udgør parlamentsmedlemmer i akvatiske økosystemer flere stressfaktorer og forurenende stoffer ved at ændre lysindtrængning, forårsage iltsvind og forårsage vedhæftning til forskellige biota, herunder penetration og ophobning i vandorganismer14.

Nylige undersøgelser tyder på, at MNP'er kan påvirke jordgeokemi og biota, herunder mikrobielle samfund og planter 15,16,17. Desuden truer NP'er fødenettet 17,18,19,20. Da MNP'er let gennemgår vertikal og vandret transport i jord, kan de transportere absorberede forurenende stoffer såsom pesticider, blødgørere og mikroorganismer gennem jorden til grundvand eller akvatiske økosystemer såsom floder og vandløb 21,22,23,24. Konventionel landbrugsplast såsom mulchfilm er lavet af polyethylen, som skal fjernes fra marken efter brug og bortskaffes på lossepladser. Ufuldstændig fjernelse fører imidlertid til betydelig ophobning af plastaffald i jord 9,25,26. Alternativt er jordbionedbrydelige plastmuld (BDM'er) designet til at blive dyrket i jorden efter brug, hvor de vil nedbrydes over tid. BDM'er forbliver dog midlertidigt i jorden og nedbrydes gradvist og fragmenteres til parlamentsmedlemmer og NP'er 9,27.

Mange nuværende miljøøkotoksikologiske og skæbneundersøgelser anvender idealiserede og ikke-repræsentative parlamentsmedlemmer og NP'er modelmaterialer. De mest almindeligt anvendte surrogat-MNP'er er monodisperse polystyrenmikro- eller nanosfærer, som ikke afspejler de faktiske MNP'er, der bor i miljøet12,28. Derfor kan udvælgelsen af ikke-repræsentative parlamentsmedlemmer og NP'er resultere i unøjagtige målinger og resultater. Baseret på manglen på passende model-ΜNP'er til terrestriske miljøundersøgelser var forfatterne motiverede til at forberede sådanne modeller fra landbrugsplast. Vi har tidligere rapporteret om dannelsen af MNP'er fra BBM'er og polyethylenpellets gennem mekanisk fræsning og slibning af plastpellets og filmmaterialer og MNP'ernes dimensionelle og molekylære egenskaber29. Det nuværende papir giver en mere detaljeret protokol til forberedelse af MNP'er, der kan anvendes mere bredt på al landbrugsplast, såsom mulchfilm eller deres pelleterede råmaterialer (figur 1). Her, for at tjene som et eksempel, valgte vi en mulchfilm og sfæriske pellets af den bionedbrydelige polymer polybutylenadipatterephthalat (PBAT) til at repræsentere landbrugsplast.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Forarbejdning af parlamentsmedlemmer fra plastpellets gennem kryogen forbehandling og fræsning

BEMÆRK: Denne metode er baseret på en procedure, der er beskrevet andetsteds, idet der anvendes en PBAT-film sammensat af det samme materiale, der blev brugt til denne præsenterede undersøgelse29.

  1. Afvej polymerpelletprøver på ~ 1 g og overfør til en 50 ml glasbeholder.
  2. Placer det "rektangulære leveringsrør" med en 20 mesh (840 μm) sigte i spalten foran den roterende skæremølle, og hæv leveringsrøret, indtil det rammer stopstiften.
  3. Placer glaspladen over fræsekammerets overflade, og fastgør den med den justerbare klemme. Placer derefter en 50 ml glasburk under mølleudløbet (figur 2).
  4. Placer den glidende sidearmstøtte på møllen (placeret på højre overside) i midten af frontglasset, og stram med den knurrede bolt. Sørg for, at møllens forreste glas er sikkert placeret (figur 2a).
  5. Indsæt tragten oven på møllen i åbningen af det øverste fræsekammer.
  6. Sæt en ledning i en stikkontakt og presseledningskontakten for at starte fræsningen.
    BEMÆRK: For at forhindre fastklemning skal du kun fodre materiale, efter at møllen er tændt og roterer. Brug også øjen- og ørebeskyttelse under hele fræseproceduren.
  7. Før prøven langsomt ind i tragten (ca. 10 pellets / min) for at forhindre bremsning eller fastklemning. Når hørbar støj er reduceret, tilsættes det næste parti pellets (~ 10 stykker). Efter behandling af pellets (1 g) skal du trykke på ledningskontakten for at stoppe mølledriften i ~ 20 minutter for at køle ned. Brug et træstempel til at fodre prøven og forhindre partiklers udstødning og agglomerering inde i foderbeholderen.
    FORSIGTIG: Den optimale foderhastighed varierer afhængigt af typen af forarbejdningsmateriale. Sluk straks møllen, hvis behandlingshastigheden falder på grund af partikelfriktion i skærekammeret, eller hvis der observeres dannelse af smeltet polymer på glaspladen for at forhindre overophedning og yderligere smeltning af polymerpartiklerne.
  8. Fjern 20 mesh (840 μm) leveringsrøret, og udskift det med 60 mesh (250 μm) leveringsrøret efter afslutningen af det første parti (figur 2b).
  9. Genindfør det indsamlede materiale i møllebeholderen. Følg trin 1.1 og 1.7 for 250 μm fræsefraktionen.
  10. Refeed de opsamlede 250 μm fraktioner op til tre gange.
  11. Gendan de resterende partikler i kammeret og tilsæt dem til den opsamlede hovedfraktion.

2. Behandling af plastfilm ved kryogen forbehandling og fræsning

  1. Hent en filmprøve fra rullen og skær prøven i strimler på ~ 120 mm (tværretning) x 20 mm (maskinretning) med en papirskærer.
  2. Presoak-fragmenter (~ 1 g) i 800 ml deioniseret (DI) vand i 10 minutter i et 1000 ml glasbægerglas. Dette trin forbedrer skarphed for den efterfølgende kryogene afkølingsprocedure ved at præsochere polymeren.
    FORSIGTIG: Håndter flydende nitrogen med sikkerhedsudstyr ved at bære kryogene handsker og sikkerhedsbriller.
  3. Tilsæt langsomt 200 ml flydende nitrogen (N2) til en kryogen beholder.
  4. Overfør de presoaked filmpartikler forsigtigt ind i den kryogene beholder med stålpincet. Presoak i 3 minutter i væske N2.
  5. Overfør de frosne filmfragmenter til en 200 W, 14-trins blender.
  6. Behandl det frosne materiale ved hastighedsniveau 3 i 10 s for at bryde den frosne glasfilmstruktur. For at fremme yderligere størrelsesreduktion tilsættes 400 ml DI-vand og blandes film-vand-gyllen i 5 min.
  7. Gyllen overføres til en Büchner-tragt med filter (1 μm mesh), og der påføres vakuum i mindst 1 time.
  8. Vakuumtørre faste partikler ved 30 °C i mindst 48 timer i en aluminiumsskål.
  9. Før tørre partikler ind i møllen med pincet. Følg trin 1.1-1.11 til fræsning.

3. Forarbejdning af plastfilm, der forbehandles gennem miljøforvitring og fræsning

  1. Læg plastfilmfragmenter, der er genvundet fra marken på en glat overflade (laboratoriebænk). Fjern forsigtigt absorberede jordpartikler og planterester med den bløde børste.
  2. Klip filmen med en saks i ~4 cm2 prøver på ~1,0 g.
  3. Der tilsættes filmfragmenter i et 1000 ml bægerglas fyldt med 500 ml DI-vand. Rør med en hastighed på 300 min-1 med 20 mm omrøringsstang i 1 time.
  4. Fjern opløste jordpartikler ved at dekantere og genindføre DI-vand under let omrøring af bægerglasset i en vask eller plastspand. Gentag dette trin tre gange. Kontinuerlig omrøring holder jordpartikler spredt i vand og kan lettere dekanteres.
  5. Overfør prøver fra bægerglasset til en aluminiumsskål. Lufttørre plastprøverne i 12 timer, og derefter overføres og tørres i en vakuumovn i 24 timer ved 30 °C. Følg trin 1.1-1.11 til fræsning.

4. Sigtningsprocedure gennem kaskadesigte

  1. Stak sigterne (3 tommer i diameter) startende med gryden i bunden efterfulgt af den fineste sigte (# 325; 45 μm) og derefter med stadig grovere sigter (såsom # 140; 106 μm og # 60; 250 μm, hvor # 20; 840 μm sigten er den groveste), og læg låget ovenpå.
  2. Monter alle fire sigter på rysteren ved at indsætte fire stifter i åbningerne på sigterysteren.
  3. Overfør individuelle fraktioner indsamlet i enten trin 1, 2 eller 3 oven på de fire kaskadesigter. Ryst i 10 min ved 300 min-1.
  4. Gendan den større (øverste) fraktion separat, som vil blive udsat for yderligere fræsning.
    BEMÆRK: Juster rystehastigheden på rysteren efter behov. Alternativt er det muligt at ryste sigter i hånden. Brug kun en sigte ad gangen, begyndende med maskesigten #20: Hold bunden og låget fast mod sigten i hånden, og ryst aksialt og vandret i 5 min.
  5. Sigtede partikler på dp > 106 μm genindføres på det roterende skæreværk som beskrevet i trin 1.6-1.10.
  6. Gendan bundfraktionerne fra gryden og genindfør partiklerne til den næste mindre sigtestørrelse. Gentag proceduren, indtil 106 μm partikler repræsenterer hovedfraktionen.
  7. Flet de opsamlede 106 μm fraktioner og opbevar partiklerne i et tørt område (ekssikkator eller luftforseglet plastpose).
    BEMÆRK: Fraktionen på 45 μm er en del af fraktionen på 106 μm; Den tidligere fraktion blev dog ikke isoleret og analyseret separat, da udbyttet generelt er meget lavt. Udbyttegenvindinger og partikelstørrelsesfraktioner af individuelle fraktioner kan bestemmes ved gravimetriske målinger i vægt% for hver sigtningsfraktion (maske #20 - mesh #325) i forhold til den indledende fødefraktion ved hjælp af en mikrobalance med høj præcision.

5. Fremstilling af en vandig NP-opslæmning til vådslibning

  1. Forbered en opslæmning af parlamentsmedlemmer spredt i DI-vand ved at tilsætte 800 ml destilleret vand i 1000 ml glasbægerglas og indsætte en omrøringsstang (diameter = 8 mm, længde = 50,8 mm).
  2. Indfør 8 g af plastfraktionen på 106 μm fra trin 1, 2, 3 eller 4 i DI-vand, hvilket giver en opslæmning på 1 vægt%.
  3. Glasbægerglasset anbringes på en omrøringsplade, og der omrøres magnetisk i 24 timer ved 400 min-1 for at suge partiklerne i vand for at fremme blødgøring af partikler.
  4. Overfør partiklerne til en 1000 ml plastbeholder.
  5. Fyld yderligere to 1000 ml plastbeholdere med DI-vand, som vil blive brugt til at skylle klæbende partikler af på kværnens tragt under slibeprocessen.

6. Forberedelse af vådslibemaskinen til NP-produktion

  1. Placer sten med en størrelse på 46 korn (grus af en slibesten = 297-420 μm) i den våde friktionssliber, og fastgør midtermøtrikkerne håndtæt med en 17 mm skruenøgle.
  2. Tilsæt tragten ovenpå, og fastgør de tre møtrikker og bolte med 17 mm skruenøglen.
  3. Anbring en 1 L plastopsamlingskrukke under colliderens udløb. Placer en anden tom 1 L spand ved siden af stikkontakten, som vil blive brugt til udveksling under forarbejdning.
  4. Måleafstanden justeres til + 1,0, svarende til et positivt skift på 0,10 μm fra nulpositionen.
  5. Tænd for strømmen, og drej forsigtigt justeringshjulet med uret, indtil du hører slibestenene røre ved. Juster derefter den fleksible målring til nul, og drej hjulet mod uret med det samme. Som standard justeres hastigheden til 1500 min-1.
    BEMÆRK: Undgå "tørslibning" af stenene, da dette skaber for meget varme på slibestenene.
  6. Drej justeringshjulet med uret, indtil stenene rører, og fyld forsigtigt vand-NP-opslæmningen i tragten. Afstanden reduceres kontinuerligt til en fritrumsmåler på -2,0, svarende til et negativt skift på 0,20 μm fra nulpositionen, efter at gyllen blev indført. Plastpartikelvandsopslæmninger mellem de to stenskiver fremmer omdannelsen fra parlamentsmedlemmer til NP'er og undgår direkte friktion mellem slibestenene.
  7. Saml gyllen ved at udskifte opsamlingsspandene, når påfyldningsniveauet i spanden overstiger 0,5 L.
  8. Saml og genindfør partiklerne i kværnen mellem 30-60 gange; højere passager (antal genindførelser) resulterer i mindre partikelstørrelser.
  9. Klæbende partikler, der adsorberes til tragten, vaskes med den tilberedte DI-vandflaske for at muliggøre passende blanding af gylle under forarbejdningen.
    BEMÆRK: Indsamling af mellemliggende prøver under processen er mulig ved at holde 20 ml hætteglas i udløbsstrømmen. De enkelte trin vil vurdere partikelfragmenteringsmekanismerne, mens processens sværhedsgrad (antal passager) øges. Opslæmningen genvindes, og der omrøres i 4 timer ved 400 min-1 ved 25 °C for god blanding. lad gyllen stå i 48 timer for at stabilisere sig.

7. Genopretning og tørring af NP'er fra gyllen

  1. Den nederste fraktion (eller fase med den højeste NP-koncentration) isoleres, hvis der observeres flere lag i gyllen ved langsomt at hælde gyllen i yderligere 1000 ml glasbægerglas.
  2. Fraktionerne overføres til centrifugeringshætteglas (50 ml) og centrifugeres i 10 minutter (relativ centrifugalkraft [RCF] = 20 x 102 g). RCF (også kaldet g-kraft) er den genererede radiale kraft som funktion af rotorradius og rotorhastighed, hvilket forårsager adskillelse af de tungere partikler og gyllens vand.
  3. Fjern det gennemsigtige øverste lag ved at dekantere det i en separat aluminiumspande.
  4. Det resterende bundlag (indeholdende en NP-opslæmning) overføres til et ekstra aluminiumsfad, og det anbringes i en vakuumovn ved 30 °C i 48 timer.
  5. Gendan tørret materiale med en spatel under en stinkhætte eller handskeboks, mens du bærer en åndedrætsmaske. Overfør det tørrede indhold i en 100 ml glasbeholder og forsegl med låg.
  6. Hold NP'er i et hætteglas, og opbevar dem på et lufttæt, tørt og køligt sted (f.eks. En eks. En eksikator).
    BEMÆRK: MNP'er, der frigives i miljøet under fremstillingsprocessen (her enten under vådslibningsprocessen eller som tørrede partikler), kan udgøre en alvorlig trussel mod akvatiske og terrestriske økosystemer. Navnlig er lovgivningsmæssige foranstaltninger udformet med henblik på at minimere risikoen for deres produktion og anvendelse af industrielt fremstillede nanomaterialer30. Derfor kræver dannelsen af MNP'er specifikke forsigtighedstrin såsom materialehåndtering i en stinkhætte eller handskerum. Desuden vil vandige affaldsopløsninger, der dannes under isolering af NP'er (trin 6.7-6.9), blive underlagt en bortskaffelsesprocedure, der udføres af miljøsundheds- og sikkerhedsafdelingen.

8. MP-billeddannelse via stereomikroskopi

  1. Disperger ~ 20 mg partikler (opsamlet i trin 4) på en overflade af areal ~ 4 cm2. Spred hvide eller gennemsigtige parlamentsmedlemmer på en mørk overflade og spred sorte eller mørkfarvede parlamentsmedlemmer på en hvid baggrund (papirark) for at maksimere baggrundskontrasten.
  2. Juster mikroskopet til den laveste forstørrelse for at fange det størst mulige område (midten af partikelområdet). Ret derefter den eksterne lampe til fokuscentret for at opnå belysning på de områder, der er af interesse.
  3. Anvend en forstørrelse, der gør det muligt at detektere >50 partikler midt i synsfeltet. Dette beløb anbefales for at opnå solide statistiske evalueringsresultater.
  4. Fokuser på områder med ingen eller mindre partikeloverlapning og god farvekontrast.
  5. Tag mindst fem repræsentative billeder ved at fokusere på de ydre partikelformer. Den lokale computer, der bruges til billedbehandling, gemmer billeder i høj opløsning som en bitmap i softwaren.
  6. Gem de stereomikroskopindspillede billeder i et filformat, der genkendes af ImageJ (bitmap, tiff eller jpeg) til følgende kvantitative dataanalyse.
    BEMÆRK: Tag et referencebillede ved de nøjagtige forstørrelsesindstillinger, som hovedbilledet blev taget for ved hjælp af en lineal eller et andet referenceobjekt, der er optaget i billedet. Denne procedure muliggør nem kalibrering af billederne, når de forberedes og analyseres via ImageJ-software.

9. Billedanalyse gennem ImageJ

  1. Åbn ImageJ software31 og forbered filimport ved at indtaste (CTRL + L) for at åbne Command finder. Indtast derefter Bio-Formater i nederste højre hjørne. Denne funktion aktiverer menustien File > Import > Bio-formater (> henviser til navigationstrin i softwaren). Søg efter mappen med gemte billedfiler.
    BEMÆRK: Hvis bioformatpakken ikke vises i kommandofinderen, skal du søge online under Bio-Formats ImageJ. Følg instruktionerne for download og installation af ImageJ. Bio-Formats-importøren giver mulighed for enkel håndtering af import/ eksport af billedfiler i ImageJ og søgning efter kommandoer.
  2. Åbn billedet (alternativt import af bioformater som beskrevet i trin 9.1) ved at klikke på Filer > Åbn > vælg partikelbillede på den filplacering, der er indsamlet i trin 4.7, og det linealreferencebillede, der er beskrevet i trin 1.6. Oprettelse af et duplikatbillede anbefales ved at klikke på Skift + Kommando + D for at sammenligne med det originale billede, mens du justerer tærskelindstillingerne for kopibilledet.
    BEMÆRK: File > Open-kommandoen åbner forskellige formater, der understøttes af ImageJ som beskrevet i trin 8.7. Alternativt kan du vælge billedplaceringen på computeren og trække og slippe filen på hovedstatuslinjen i ImageJ-vinduet. Billedfilen åbnes automatisk i et separat vindue.
  3. Zoom ind og ud på billedet ved hjælp af henholdsvis CTRL + og CTRL ..
  4. Angiv målene ved at klikke på Analysér > Angiv mål, og vælg derefter Område- og figurbeskrivelser som standardværdier.
  5. Definer skaleringslinjen ved at tegne en streg lige over skalalinjens længde ved hjælp af linealreferencebilledet som beskrevet i trin 8. Tryk på Analysér > Indstil skala, og indtast den numeriske værdi af bjælkelængden under Kendt afstand og enheden for den tilsvarende længde.
  6. Visualiser skaleringslinjen på billedet ved at klikke på Analysér > værktøjer > skaleringslinje, og juster indstillinger, f.eks. visning af skarp kontrast på billedet. Vælg en placering på billedet, hvor skaleringslinjen skal placeres for skaleringslinjeindstillinger. Vælg Bredde for at justere linjen i kalibrerede enheder, Søjlehøjde i pixel og Skriftstørrelse på skaleringslinjens etiket. Vælg baggrund for at justere fyldfarven på etikettekstfeltet.
    BEMÆRK: For mikrometer er indtastningen af μm tilstrækkelig; programmet tilpasser μm automatisk i dataoutputtet.
  7. Omdan billedet til et 8-bit billede ved at vælge Billede > Type > 8-bit.
  8. Konverter det kopierede billede til 8-bit ved at vælge Billede > Type > 8-bit.
  9. Juster ved at vælge Billede > Juster > tærskel > Indstil (sammenlign størrelse med det originale billede).
  10. Bestem, hvilke målinger der skal foretages, ved at vælge Analysér > Angiv målinger.
  11. Vælg Analysér partikler > 0-uendelig, klik på Vis resultater og in situ-show.
  12. Gem roi-resultaterne (.zip) under Gem målinger og Vælg mappe.
  13. Gem resultater (*.csv) under Fil > Gem som > Vælg mappe.

10. Partikeldiameter (dp) og beregning af formfaktor i regnearkssoftware

BEMÆRK: Viden om partikeldiameter og formfaktorer er afgørende for partikeladfærd (skæbne, transport) i miljøet og bestemmelse af overfladeareal. Derfor er geometri afgørende, når folketingsmedlemmer bruges til miljøundersøgelser. For eksempel blev forskellige interaktionsmekanismer med jord observeret afhængigt af parlamentsmedlemmers størrelser og former, såsom MP-MP og MP-jord agglomerationer, som påvirker partikelbevægelser i jord15,32. Derfor foreslås følgende trin for at bestemme d p-partikelstørrelsesfordelingen og geometrisk parameter.

  1. Importer den tilsvarende *.csv fil, der er hentet og gemt fra ImageJ-analyse (trin 9.13), til regnearkssoftwaren.
    BEMÆRK: De numeriske værdier i hver kolonnelinje afspejler individuelle beregninger for hver partikel i henhold til ligning 1 og ligning 2.
  2. Evaluer gennemsnitsfigurparameterværdierne, f.eks. cirkularitet (CIR) og billedformat (AR), ved at indtaste = gennemsnit (x,y) nederst i hver kolonne, hvor x repræsenterer den første linje og y sidste linje i kolonnen, og tryk derefter på Enter. CIR-værdierne beskriver forholdet mellem det projicerede område og den perfekte cirkel med en individuel partikels CIR = 1 (ligning 1). AR repræsenterer forholdet mellem partikellængde og bredde beskrevet ved ligning 2.
  3. Bestem, om den gennemsnitlige AR < 2,5, og beregn derefter dp-værdier i en ny kolonne ved hjælp af ligning 3. Hvis AR ≥ 2,5, beregnes dp-værdier , der afspejler ligning 4. Tilføj en ny kolonne for at beregne dp baseret på den områdekolonne, der er modtaget fra ImageJ-outputtet.
    BEMÆRK: Valg af AR-tærskelværdier ≥ 2,5 repræsenterer mere rektangulære partikler, mens AR-< 2,5 afspejler mere rundformede partikler. Dette valg gør det muligt at minimere d p-beregningsfejlen afledt af området målt ved mikroskopi og bestemt gennem ImageJ.
    (1) Equation 1
    (2) Equation 2
    (3) Equation 3
    (4) Equation 4

11. Statistisk analyse for parlamentsmedlemmer og NP'er

  1. Åbn datafilen *.csv med den statistiske software af File > Open > Vælg filplacering for den tilsvarende fil som oprettet i trin 9.13.
    BEMÆRK: Alternativt kan tabellen overføres direkte via copy-paste-funktionen til den statistiske software. Se materialetabellen for mærket og versionen af den statistiske software Rediger > Indsæt med kolonnenavne.
  2. Evaluer dp-dataene ved at vælge Analyser > distribution.
  3. Vælg dp, som afspejler kolonnens data, træk og slip i Y-kolonner, og tryk på knappen OK . Denne funktion opretter et histogram med et statistisk output, herunder værdier for oversigtsstatistik, middelværdi og std dev i et separat vindue.
  4. Vurder, om histogrammet følger en normalfordeling (eller den, der passer bedst til dp) med den bedst egnede kurve ved at vælge trekanten ud for dp > Kontinuerlig tilpasning, og vælg derefter den kurve, der er modtaget som den bedste pasform (f.eks. Fit Normal). Dette trin overlejrer histogrammet med en normalt fordelt pasform.
  5. Bestem og rapporter middel- og standardafvigelsesværdierne fra det sammenfattende statistiske output af gennemsnitsformsparameterværdierne for cirkularitet (Cir), billedformat (AR), rundhed (rund) og soliditet (Sol).
    BEMÆRK: Et statistisk signifikansniveau på α = 0,05 anbefales og blev anvendt til alle evalueringer. Signifikansniveauet er sandsynligheden for at afvise nulhypotesen, når den er sand, når man sammenligner numeriske resultater.

12. Bedste pasform af dp størrelsesfordeling og partikelformfaktorer

  1. Indlæs datasættet i statistisk software, og brug det samme *.csv datasæt til fordeling af dp som beregnet i trin 10.
  2. Vælg Analysér > pålidelighed og overlevelse > livsfordeling.
  3. Træk kolonnen dp til feltet Y, Tid til begivenhed, og vælg OK. Denne funktion opretter et output med et sandsynlighedsdiagram som en funktion af dp.
  4. Bestem den optimale fordeling under Sammenlign distributioner ved at kontrollere Ikke-parametrisk, Lognormal, Weibull, Loglogistic og Normal.
  5. Evaluer kvaliteten af modellen passer efter de laveste numeriske værdier for Akaikes og Bayesian informationskriterier (henholdsvis AIC og BIC) i statistikmodelsammenligningstabellen under grafen med de laveste BIC-tal . Den bedst egnede model præsenteres som standard i første række. Parametriske eller ikke-parametriske estimatoutputfelter for hver distributionsevaluering er placeret under grafen Sammenlign fordelinger .
  6. Gem outputscriptet i datatabellen ved at vælge den røde pull-down trekant i øverste venstre hjørne ved at gemme script > til datatabel. Gem derefter den oprindelige datatabel på den ønskede filplacering ved at vælge Filer > Gem som > *.jmp.

13. Dimensionel karakterisering af NP'er gennem dynamisk lysspredning

  1. Start DLS-softwaren (Dynamic Light Scattering) ved at dobbeltklikke på skrivebordsikonet. Vælg Fil > Ny > SOP. Tilføj prøvenavn, og vælg materialebrydningsindeks til 1,33 for destilleret vand og 1,59 for polymerer33 i DLS-softwaren under Prøveopsætning. Vælg Materiale i rullemenuen, og klik derefter på OK.
    BEMÆRK: Ved at klikke på rullemenuen åbnes Materialestyring, som tilbyder at tilføje nye prøver eller ændre eksisterende prøver ved at ændre brydningsindekset og Absorption. Vælg som dispergeringsmiddel Vand.
  2. Vælg den korrekte celle under Celle > Celletype, og vælg Rapporter for at bestemme, hvilket output der skal præsenteres efter hver måling.
  3. Start instrumentet ved at lukke instrumentlåget og tænde for systemet ved at lukke låget (hvis det er åbent) og trykke på ON-knappen . Vent efter det første bip, og vent ca. 30 minutter for at tillade stabilisering af strålen.
  4. Vent, indtil initialiseringsrutinen er afsluttet, og vent på en anden biplyd, der angiver, at den forudindstillede temperatur (generelt 25 °C) er nået.
  5. Forbered en prøveopslæmning af NP'er (som modtaget i trin 7) og DI-vand i et 15 ml hætteglas med ~ 0,1 vægt% koncentration ved magnetisk omrøring i ~ 1 time for at tillade at blande godt.
  6. Ryst gyllen, inden der overføres ~1,0 ml til 4,5 ml kvartskuvetten, og åbn låget. Indsæt derefter forsigtigt prøvecellen i prøveholderen på DLS-instrumentet.
    BEMÆRK: Der fremstilles tre prøver fra samme gyllebatch i samme koncentration som beskrevet i trin 13.5.
  7. Udfør tre målinger (valg i DLS-softwaren) for hver prøve. Mellem målingerne fjernes prøvecellen, og prøverne rystes forsigtigt i 5 s for at tillade blanding af prøven.
  8. Udtræk og eksportér data via DLS-softwaren, overfør datasættet til regnearkssoftwaren, og opret histogrammer til parlamentsmedlemmer og NP'er som beskrevet i trin 11.1-11.5 (figur 1). Kopiér fra fanen Postvisning enten en tabel eller graf ved at vælge Rediger kopi, som kan indsættes i et andet program, f.eks. regnearkssoftwaren.

14. Kemisk analyse af MNP'er ved hjælp af Fourier transformation infrarød (FTIR) spektrometri-svækket total reflektion (ATR)

BEMÆRK: Kemiske analyser af MNP'er af Fourier transformation infrarøde (FTIR) og nukleare magnetiske resonans (NMR) spektroskopier er velegnede værktøjer til at vurdere virkningen af vådslibning på kemiske bindingsegenskaber samt de relative mængder af hovedkomponenter og polymerernes monomere bestanddelehenholdsvis 10. Derudover kan termiske egenskaber og stabiliteten af MNP'ers polymere bestanddele vurderes gennem henholdsvis differentiel scanningskalorimetri (DSC) og termogravimetrisk analyse (TGA)29.

  1. Rengør detektionssystemet (ATR-krystaloverfladen) med ethanol og en fnugfri klud.
  2. Start softwaren, og tryk på Baggrundsknappen på kommandolinjen for at udføre en baggrundsscanning i luften ved at rydde instrumentets strålebane. Baggrundsspektret vises kort efter indsamling.
  3. Angiv Eksempel-id og Eksempelbeskrivelse på værktøjslinjen med instrumentindstillinger.
  4. Spektralbølgetallet justeres mellem 4000 cm-1 og 600 cm-1 , og vælg en opløsning på 2,0 cm-1 i absorbanstilstand. Vælg 32 scanninger pr. Spektrum , og start.
  5. Anbring en plastprøve (~ 20 mg eller ~ 1-3 mm3) af parlamentsmedlemmer (106 μm) og NP'er (~ 300 nm) inde i en stålskive med en indvendig diameter på ~ 10 mm eller tilsvarende på krystaloverfladen.
    BEMÆRK: Skiven forhindrer spredning på krystal, når prøveholderen komprimerer prøven, hvilket resulterer i materialeinhomogeniteter og dataforspænding på grund af inkonsekvente målinger.
  6. Anbring skiven i midten af ATR-krystallen, og tilsæt polymerprøven i midten af skiveåbningen med en spatel.
  7. Sving prøvehåndtaget ovenfor ind i midten af prøven, og drej knappen med uret ved at overvåge kraftmålerkraften mellem 50-90. Prøven viser de foreløbige spektre. Tryk på scanknappen en anden gang for at samle spektret.
  8. Saml mellem 8-10 spektre ved at klikke på knappen Scan , og bland prøverne omhyggeligt efter hver måling med en spatel for at muliggøre indsamling af repræsentative resultater.
  9. Klik på mappen Sample View i Data Explorer for at få vist alle indsamlede prøver, der er overlejret i visningsområdet. Fjern først væsentligt afvigende spektre, der repræsenterer outliers. Vælg derefter enten absorbans - eller transmittanstilstand på værktøjslinjen.
  10. Gem spektre ved at vælge mappen Eksempelvisning, der indeholder spektrene, og vælge Gem som i filmenuen. Dialogvinduet aktiverer filnavnet, destinationsmappen og standardplaceringsændringen for alle spektre.
    BEMÆRK: Alternativt kan spektrene gemmes som en *.sp-fil ved at vælge et spektrum og højreklikke for at få vist den binære indstilling. Vælg Gem binær, og gennemse den endelige gem-placering.
  11. Udfør korrektion af grundlinje og gennemsnitlig normalisering ved at vælge et enkelt spektrum i Data Explorer ved at vælge Process > Normalisering i menuen enten via softwaren eller i næste trin.
    BEMÆRK: Gennemsnitlig normalisering kompenserer for spektralfejl på grund af tykkelsen eller materialevariationen i prøven.
  12. Rengør krystalområdet med ethanol og fnugfri klud, når dataindsamlingen er afsluttet.
  13. Fortolke forskelle mellem parlamentsmedlemmer og NP'er i henhold til tildelte FTIR-vibrationsbånd, tildelt og evalueret i en tidligere publikation10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For at validere den eksperimentelle proceduremetode og analyse blev parlamentsmedlemmer og NP'er dannet af pellets og filmmaterialer og sammenlignet efter størrelse og form ved hjælp af mikroskopiske billeder. Metoden beskrevet i figur 1 dannede effektivt parlamentsmedlemmer og NP'er fra bionedbrydelige plastpellets og film; dette blev opnået gennem kryogen køling, fræsning og vådslibning og karakterisering. Det førstnævnte trin var unødvendigt for miljømæssigt forvitrede film, fordi forvitring inducerede embrittlement (Astner et al., ikke offentliggjort). Pellets blev også direkte udsat for fræsning uden kryogen forbehandling. Efter formaling blev partikler fraktioneret gennem sigtning i fire størrelsesfraktioner: 840 μm, 250 μm, 106 μm og 45 μm, som beskrevet i protokoltrin 4. De tre sidstnævnte fraktioner bestod udelukkende af parlamentsmedlemmer. Efterfølgende blev partikelkarakterisering for hver fraktion vurderet ved at bestemme fordelingen af størrelse (dp) og formfaktorer (dvs. cirkularitet og billedformat) af indsamlede stereomikroskopiske billeder ved hjælp af ImageJ-software som angivet i trin 8.1-8.6. Eksempler på billeder opnået ved hjælp af et stereomikroskop er vist for 106 μm sigtningsfraktionen for PBAT-pellets (figur 3a,c) og 250 μm sigtefraktionen og for Uvejset PBAT-folie behandlet med kryogen eksponering (figur 3b,d).

Statistisk analyse af partikeldimensioner indikerede et gennemsnit dp, der var 41 μm mindre end den nominelle sigtestørrelse (106 μm) for PBAT-pelleten og 137 μm mindre for PBAT-filmen (250 μm nominel størrelse), hvilket tyder på, at den mindre sigtefraktion repræsenterer en mere homogen partikelstørrelsesfordeling (tabel 1). Denne observation blev også bekræftet af en større værdi i cirkularitet og lavere billedformater (hvilket tyder på flere runde partikler) for de forarbejdede pellets sammenlignet med filmmaterialet, hvilket kan tilskrives udgangsmaterialernes forskellige egenskaber (densitet). En normalfordeling var den bedste model til at beskrive partikelstørrelsesfordelingen for begge fraktioner. Til bestemmelse af cirkularitet og billedformat var Weibull- og Lognormal-modellerne imidlertid optimale (figur 4a-d; Tabel 1). For begge råmaterialer dannede en vådslibningsproces anvendt på 106 μm MP-sigtefraktioner NP'er, og deres partikelstørrelsesfordeling blev målt via DLS. Numerisk analyse afslørede en bimodal partikelstørrelsesfordeling for NP'er produceret fra begge råmaterialer (figur 5). De vigtigste partikelpopulationer for NP'er fra PBAT-pellets var ved ~ 80 nm og 531 nm, og tilsvarende taldensitetsfrekvensværdier (NDF) var på henholdsvis 25% og 5%. På den anden side havde NP'er afledt af PBAT-film størrelsesmaksimum ved ~ 50 nm og 106 nm med tilsvarende NDF-værdier på henholdsvis 11% og 10%. Observationerne tyder på, at NP'er fra PBAT-pellets gav mere ensartede dp-værdier (~ 50-110 nm) end PBAT-film; imidlertid eksisterede en partikelunderpopulation mellem 300 nm og 700 nm med et maksimum på 531 nm også (figur 5).

PBAT-filmens kemiske bindingsegenskaber blev evalueret ved FITR-spektroskopi. Spectra viste kun mindre ændringer på grund af fræsning for parlamentsmedlemmer og vådslibning for NP'er i regionerne mellem 1300 og 700 cm-1. Imidlertid blev der observeret et signifikant fald i C-O-strækningen af stivelse, der afspejler absorbansen af stivelseskomponenten10, for mulchfilmen. Der blev imidlertid observeret mindre ændringer for båndene, der repræsenterer PBAT, såsom C-H og C-O strækning, mellem 1800 cm-1 og 1230 cm-1, hvilket tyder på ubetydelige ændringer i strukturen for polyesteren, der tilskrives vådslibningsprocessen (figur 6).

Figure 1
Figur 1: Flowdiagram til dannelse og karakterisering af mikro- og nanoplastik. Repræsentationen viser dannelsesprocessen og den efterfølgende geometriske og kemiske partikelevaluering. Geometriske egenskaber blev bestemt ved at kombinere stereomikroskopi og billedanalyse (ImageJ) efterfulgt af en numerisk statistisk analyse. Kemisk karakterisering såsom molekylær binding blev udført gennem Fourier transformation infrarød spektrometri ved anvendelse af svækket total reflektion (FTIR-ATR). Den molekylære struktur af polymerer kan vurderes ved kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi som en komplementær metode (ikke beskrevet i denne undersøgelse). For hvert trin fremhæves nøglepunkter i følgende procedure. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Roterende skæremølleapparat. Billeder af a) rotationsmølleenheden, herunder fødebeholderen, glaspladen foran og sigteåbningen b) der monteres individuelle føderør med sigtestørrelserne #20 (840 μm) og #60 (250 μm) i møllens sigtespalte begyndende med den grovere og c) dobbeltlags glasfrontpladen er fastgjort til forsiden af slibekammeret. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Stereomikrografer af mikroplast (MP'er), herunder softwarebehandlede billeder. Billederne var af parlamentsmedlemmer afledt af (a) PBAT-pellets (106 μm sigtefraktion) og (b) PBAT-film (250 μm sigtefraktion) fremstillet ved kryogen eksponering efterfulgt af mekanisk fræsning. En sort baggrund blev valgt til billeddannelse af hvide PBAT-partikler (a), og en hvid baggrund blev valgt til en sort PBAT-film (b). Tilsvarende billeder blev behandlet af ImageJ software31 (c) og (d), henholdsvis. En bedst egnet model af fordelingen af dp, afbildet i histogrammer af partikler afledt af stereografer af (e) PBAT pellets og (f) PBAT film er repræsenteret ved en normalfordeling. Fejllinjer afspejler en standardafvigelse. Et stereomikroskop indsamlede stereomikrografer med et integreret kamerahoved. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Partikelformfaktorfordelingshistogrammer med overlejret bedste kurvetilpasning. Billedet repræsenterer parlamentsmedlemmer: (a) cirkularitet og (c) billedformat for PBAT-pellets og (b) cirkularitet og (d) billedformat for PBAT-film, baseret på ImageJ-analyse31. Stereomikrografer er baseret på to sigtefraktioner partikler af PBAT pellets (106 μm) og PBAT BDM MP'er (250 μm). Numerisk analyse blev udført i den statistiske software, V 15. Stereografer og histogrammer repræsenterer de tilsvarende billeder. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Histogrammer af partikelstørrelse (dp) for NP'er. Figuren repræsenterer partikelfordelinger afledt af PBAT-film og PBAT-pellets dannet ved vådslibningsbehandling af 106 μm MP-sigtefraktionen. Kurver repræsenterer to-parameter Weibull-model passer til størrelsesfordeling, udført ved hjælp af den statistiske software. Datamålinger blev udført ved hjælp af dynamisk lysspredning. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6. Repræsentative FTIR-spektre af MNP-sammenligning mellem forskellige behandlingstrin. Figuren viser sammenligningen mellem de oprindelige betingelser for PBAT-filmen, PBAT-parlamentsmedlemmer og PBAT-NP'er. PBAT-folien blev kryogent behandlet før mekanisk fræsning af parlamentsmedlemmer bestående af 106 μm sigtefraktion af tørmalet plast; NP'er blev produceret via vådslibning af de 106 μm sigtefraktionsmedlemmer efter tørfræsning og sigtning. Spektraldata blev indsamlet ved hjælp af et spektrometer udstyret med en diamantdæmpet total reflektans (ATR) vedhæftet fil. Spektral dataanalyse blev udført ved hjælp af FTIR spektrum analyse software. Klik her for at se en større version af denne figur.

PBAT pellets PBAT-film
Sigte fraktion, μm 106 250
Normal dp, μm 65 113
Std Dev, μm 24 58
Cirkularitet 0.68 0.47
Størrelsesforhold 1.73 2.33
Bedste pasform, dp Normal Normal
Bedst pasform, cirkularitet Weibull Weibull
Bedste pasform, billedformat Lognormal Lognormal
N 83 125

Tabel 1: Repræsentative partikelstørrelses- og formparametre. Resultaterne blev afledt af statistisk analyse for parlamentsmedlemmer behandlet fra PBAT-pellets og PBAT-film afbildet i figur 3 og figur 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne metode beskriver en effektiv proces, der oprindeligt blev beskrevet i en tidligere publikation29, til at forberede MNP'er hentet fra pellets og mulchfilm til miljøundersøgelser. Størrelsesreduktionsprocessen involverede kryogen køling (kun til film), tørfræsning og vådslibningstrin til fremstilling af model-MNP'er. Vi har anvendt denne metode til at fremstille MNP'er fra en bred vifte af polymere råmaterialer, herunder polyethylen med lav densitet (LDPE), polybutyratadipat-co-terephthalat (PBAT) og polymælkesyre (PLA)29 (Astner et al., manuskript under fremstilling). For LDPE kunne kun pellets imidlertid tjene som råmaterialer; Mulchfilm kunne ikke behandles på grund af et forstærkningsgitter, der blev inkorporeret i filmen under dens ekstrudering, som beskrevet i en tidligere publikation29.

Kritiske trin i protokollen involverer a) kryogen forbehandling, der giver skarphed af den generelt fleksible film, b) fræsning for at simulere den mekaniske påvirkning gennem landbrugspraksis (pløjning, jordbearbejdning) og c) vådslibning, der efterligner miljøforskydningshændelserne mellem MP-jordkollisioner. MNP'er dannet ved denne metode er mere tilbøjelige til at repræsentere partikler, der forekommer i landbrugsjord end polystyrenmikro- og nanosfærer. Sidstnævnte anvendes dog ofte som konstruerede modelmaterialer i miljøundersøgelser, der undersøger indvirkningen på jordmikrobielle samfund 34,35,36, planter37 og jordfauna 38.

Forskellige metoder har genereret surrogat NP'er, herunder kryogen fræsning og slibning ved hjælp af roterende og kuglemøller 39,40,41,42. Derudover blev fræsning i kombination med flydende nitrogen ofte anvendt til at danne MNPs 40,41,42,43,44,45. I modsætning hertil blev en ultracentrifugalt tørfræsningsprocedure (uden kryogen behandling) i kombination med våd kuglefræsning brugt til at generere henholdsvis parlamentsmedlemmer og NP'er39. I modsætning hertil bruger metoden beskrevet i dette papir en billig kombination af kryogen blødgøring-blanding-fræsning-slibning til at generere MNP'er fra plastfilm for at efterligne miljøpåvirkninger såsom forvitring og mekaniske forskydningskræfter. Derfor sammenlignede en nylig undersøgelse de mekaniske og kemiske egenskabsændringer mellem kryogent dannede miljømæssigt forvitrede landbrugsplastfilm. Resultaterne viste statistisk signifikante forskelle i geometriske træk, fysisk-kemiske egenskaber og bionedbrydelighed af de dannede MNP'er (Astner et al., ikke offentliggjort).

En begrænsning af den mekanisk-kryogene fræsningsmetode er det relativt lave sigtningsudbytte efter den første fræsning (~ 10 vægt%) af fraktioner <840 μm, hvilket kræver yderligere to passager, hvilket resulterer i en længere behandlingstid sammenlignet med de større fraktioner af >840 μm29. Da fraktionsudbyttet på 46 μm er mellem 1 og 2 vægt%, blev partikelfraktionen på 106 μm anvendt til vådslibningsproceduren til dannelse af NP'er. Derudover kan friktion under fræsningsprocessen føre til overophedning af forarbejdningskammeret, hvilket resulterer i agglomerering og termisk nedbrydning af partikler eller filmfragmenter under fræsningsprocessen som beskrevet i andre undersøgelser29,46. En yderligere begrænsning af den kryogene fræsningsmetode, der er beskrevet i dette papir, er den begrænsede anvendelse for plast såsom LDPE-film eller PBS-pellets med dårlige termiske egenskaber (dvs. lave glasovergangstemperaturer). Den tidligere plast var umulig at forbrænde på grund af den fibrøse struktur af LDPE-film. Derudover tilstoppede sidstnævnte møllen, da mekanisk forskydning øgede temperaturen i fræsekammeret. I modsætning hertil var LDPE-pellets lette at behandle gennem fræsning uden anvendelse af kryogen køling. Sammenligningen af dps for parlamentsmedlemmer viser en større afvigelse for 250 μm fraktionen fra den nominelle sigtestørrelse end 106 μm dp-fraktionen. Begge sigtningsfraktioner fulgte imidlertid en monodispers normalfordeling (figur 3e,f og tabel 1), hvilket tyder på lignende nedbrydningsmekanismer for film- eller pelletråmaterialer. I modsætning hertil resulterede NP-størrelsesanalyse i en bimodal fordeling for PBAT-film, svarende til en tidligere publikation29, og PBAT-pellets med repræsentativ størrelsesfordelingstoppe ved 50 nm og 107 nm. Pelletfordelingsdataene udviste imidlertid toppe på omkring 80 nm og 531 nm, hvilket tyder på, at nedbrydningen forekommer mindre ensartet end i film. Betydningen af den tidligere etablerede metode ligger i den effektive og billige kombination af behandlingstrin såsom kryogen forbehandling, fræsning og vådslibning. Partikelstørrelsesfordelinger for NP'er fra PBAT-film i denne undersøgelse svarer til en foreløbig undersøgelse udført på NP-dannelsen af bionedbrydelig plast29, som er kendetegnet ved en bimodal fordeling med partikelunderpopulationer, der topper ved ~ 50 nm og ~ 200 nm; sidstnævnte resulterede imidlertid i lidt mindre partikler (106 nm), som afbildet i figur 5, baseret på det højere antal passager (60) i denne undersøgelse sammenlignet med 27 passager som tidligere udført af Astner, et al. 29. Denne undersøgelse tyder på, at NP-dannelse afledt af PBAT-film følger de foreløbige undersøgelsesresultater.

Yderligere bevis for robustheden af denne metode er, at den kemiske sammensætning ikke ændrede sig væsentligt på grund af kryogen behandling, fræsning og vådslibning (figur 6). Derudover var forskelle mellem råmaterialer såsom pellets vs. film (partikelstørrelsesfordelinger), gennemsnitlige dp eller formparametre ikke signifikant forskellige (figur 3 og figur 4). Miljømæssigt spredte MNP'er og deres økotoksiske virkninger på terrestriske organismer 47,48 og marine biota 49,50 er blevet rapporteret bredt. Selv om jordbunden udgør det mest fremtrædende globale miljøreservoir for MNP-translokation, -nedbrydning og -bioakkumulering, resulterer manglen på robuste og ensartede analysemetoder for disse materialer imidlertid i afgørende videnshuller i risikovurdering hos parlamentsmedlemmer og NP'er i terrestriske økosystemer51. Derfor kan fremtidige anvendelser af denne metode omfatte forberedelse og karakterisering af MNP'er af nyudviklede plastmaterialer til landbrugspolymerfilm (f.eks. PBAT kombineret med lignin) for at vurdere MNP'ers skæbne og økotoksicitet inden markedsintroduktion. Derfor kan denne protokol tjene miljøundersøgelser som en standardiseret protokol til generering af parlamentsmedlemmer gennem kryogen fræsning og NP'er gennem vådslibning og til dimensionel og kemisk karakterisering af de resulterende MNP'er. Derudover kan afledte partikler anvendes i miljøundersøgelser såsom skæbne, økotoksicitet, transport og bionedbrydning i terrestriske og marine miljøer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Denne forskning blev finansieret af Herbert College of Agriculture, Biosystems Engineering and Soil Department og Science Alliance ved University of Tennessee, Knoxville. Desuden anerkender forfatterne taknemmeligt den økonomiske støtte, der ydes gennem USDA Grant 2020-67019-31167 til denne forskning. De første råmaterialer til fremstilling af MNP'er af PBAT-baseret bionedbrydelig mulchfilm blev venligt leveret af BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, USA) og PBAT-pellets af Mobius, LLC (Lenoir City, TN).

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

Ingeniørvidenskab udgave 185 Jordbaseret mekanisk dannelse miljøundersøgelser mikroplast nanopartikler
Dannelse af mikro- og nanoplast fra landbrugsplastfilm til beskæftigelse i grundlæggende forskningsundersøgelser
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