We tonen de vorming en dimensionale karakterisering van micro- en nanoplastics (respectievelijk parlementsleden en NP’s) met behulp van een stapsgewijs proces van mechanisch frezen, slijpen en beeldvormingsanalyse.
Microplastics (MPs) en nanoplastics (NP’s) verspreid in agrarische ecosystemen kunnen een ernstige bedreiging vormen voor de biota in de bodem en nabijgelegen waterwegen. Bovendien kunnen chemicaliën zoals pesticiden die door NP’s worden geadsorbeerd, bodemorganismen schaden en mogelijk in de voedselketen terechtkomen. In deze context dragen in de landbouw gebruikte kunststoffen zoals plastic mulchfolies aanzienlijk bij aan plasticvervuiling in agrarische ecosystemen. De meeste fundamentele studies van het lot en ecotoxiciteit maken echter gebruik van geïdealiseerde en slecht representatieve MP-materialen, zoals polystyreenmicrosferen.
Daarom hebben we, zoals hierin beschreven, een meerstappenprocedure op laboratoriumschaal ontwikkeld om mechanisch representatieve kamerleden en np’s voor dergelijke studies te vormen. Het kunststofmateriaal werd bereid uit in de handel verkrijgbare plastic mulchfilms van polybutyraatadipaat-co-tereftalaat (PBAT) die werden verbroed door cryogene behandeling (CRYO) of omgevingsverwering (W), en uit onbehandelde PBAT-pellets. De plastic materialen werden vervolgens behandeld door mechanisch frezen om parlementsleden te vormen met een grootte van 46-840 μm, waarbij de slijtage van plastic fragmenten door wind en mechanische machines werd nagebootst. De Kamerleden werden vervolgens in verschillende groottefracties gezeefd om verdere analyse mogelijk te maken. Ten slotte werd de zeeffractie van 106 μm onderworpen aan nat malen om NP’s van 20-900 nm te genereren, een proces dat het langzame verkleiningsproces voor terrestrische parlementsleden nabootst. De afmetingen en de vorm voor kamerleden werden bepaald door middel van beeldanalyse van stereomicrografen, en dynamische lichtverstrooiing (DLS) werd gebruikt om de deeltjesgrootte voor NP’s te beoordelen. Parlementsleden en NP’s die door dit proces werden gevormd, bezaten onregelmatige vormen, wat in overeenstemming is met de geometrische eigenschappen van parlementsleden die uit landbouwvelden zijn hersteld. Over het algemeen bleek deze methode voor verkleining efficiënt voor het vormen van parlementsleden en NP’s die zijn samengesteld uit biologisch afbreekbare kunststoffen zoals polybutyleenadipaat-co-tereftalaat (PBAT), die mulchmaterialen vertegenwoordigen die worden gebruikt voor de productie van landbouwspeciale gewassen.
In de afgelopen decennia heeft de snel toenemende wereldwijde productie van kunststoffen en onjuiste verwijdering en het gebrek aan recycling voor plastic afval geleid tot milieuvervuiling die van invloed is geweest op mariene en terrestrische ecosystemen 1,2,3. Plastic materialen zijn essentieel voor de hedendaagse landbouw, met name om groenten, klein fruit en andere speciale gewassen te verbouwen. Het gebruik ervan als mulchfolie, hoge en lage tunnelbekleding, druppeltape en andere toepassingen is gericht op het verbeteren van de gewasopbrengst en -kwaliteit, het verlagen van de productiekosten en het bevorderen van duurzame landbouwmethoden 4,5. De groeiende werkgelegenheid van “plasticulture” heeft echter bezorgdheid gewekt over de vorming, distributie en retentie van plastic stukken in agrarische omgevingen. Na een continu fragmentatieproces veroorzaakt door verbrossing door aantasting van het milieu tijdens de levensduur, vormen grotere plastic fragmenten micro- en nanoplastics (MNP’s), die in de bodem blijven bestaan of migreren naar aangrenzende waterwegen via waterafvoer en wind 6,7,8. Omgevingsfactoren zoals ultraviolette (UV) straling door zonlicht, mechanische krachten van water en biologische factoren veroorzaken plastic verbrossing van milieuverdeelde kunststoffen, wat resulteert in de afbraak van grotere plastic fragmenten in macro- of meso-plastic deeltjes 9,10. Verdere defragmentatie vormt microplastics (MP’s) en nanoplastics (NP’s), die deeltjes van gemiddelde grootte (nominale diameter; dp) van 1-5000 μm en 1-1000 nm, respectievelijk11. De bovenste dp-grens voor NP’s (d.w.z. een ondergrens voor Kamerleden) is echter niet universeel overeengekomen en in verschillende papers wordt dit vermeld als 100 nm12.
MNP’s van plastic afval vormen een opkomende wereldwijde bedreiging voor de gezondheid van de bodem en ecosysteemdiensten. Adsorptie van zware metalen uit zoet water door Kamerleden leidde tot een 800-voudig hogere concentratie zware metalen in vergelijking met de omgeving13. Bovendien vormen parlementsleden in aquatische ecosystemen meerdere stressoren en verontreinigingen door de lichtpenetratie te veranderen, zuurstofuitputting te veroorzaken en hechting aan verschillende biota te veroorzaken, waaronder penetratie en accumulatie in waterorganismen14.
Recente studies suggereren dat MNPs de geochemie en biota van de bodem kunnen beïnvloeden, inclusief microbiële gemeenschappen en planten 15,16,17. Bovendien bedreigen NP’s het voedselweb 17,18,19,20. Omdat MNP’s gemakkelijk verticaal en horizontaal transport in de bodem ondergaan, kunnen ze geabsorbeerde verontreinigingen zoals pesticiden, weekmakers en micro-organismen door de bodem naar grondwater of aquatische ecosystemen zoals rivieren en bekenvervoeren 21,22,23,24. Conventionele landbouwplastics zoals mulchfilms zijn gemaakt van polyethyleen, dat na gebruik van het veld moet worden verwijderd en op stortplaatsen moet worden verwijderd. Onvolledige verwijdering leidt echter tot aanzienlijke ophoping van plastic afval in de bodem 9,25,26. Als alternatief zijn bodem-biologisch afbreekbare plastic mulches (BDM’s) ontworpen om na gebruik in de grond te worden bewerkt, waar ze na verloop van tijd zullen afbreken. BDM’s blijven echter tijdelijk in de bodem en degraderen en fragmenteren geleidelijk in Kamerleden en NP’s 9,27.
Veel huidige milieu-ecotoxicologische en lotgevallenstudies maken gebruik van geïdealiseerde en niet-representatieve parlementsleden en NP’s-modelmaterialen. De meest gebruikte surrogaat-MNPs zijn monodisperse polystyreen micro- of nanosferen, die niet de werkelijke MNP’s weerspiegelen die in de omgeving wonen12,28. Bijgevolg kan de selectie van niet-representatieve parlementsleden en np’s leiden tot onnauwkeurige metingen en resultaten. Op basis van het ontbreken van geschikte modelμnp’s voor terrestrische milieustudies, waren de auteurs gemotiveerd om dergelijke modellen te bereiden op basis van landbouwplastics. We rapporteerden eerder over de vorming van MNP’s uit BDM’s en polyethyleenpellets door mechanisch frezen en malen van plastic pellets en filmmaterialen en de dimensionale en moleculaire kenmerken van MNP’s29. Het huidige artikel biedt een meer gedetailleerd protocol voor het voorbereiden van MNP’s dat breder kan worden toegepast op alle landbouwplastics, zoals mulchfolies of hun gepelletiseerde grondstoffen (figuur 1). Hier, om als voorbeeld te dienen, kozen we een mulchfilm en bolvormige pellets van het biologisch afbreekbare polymeer polybutyleenadipaattereftalaat (PBAT) om landbouwplastics te vertegenwoordigen.
Deze methode beschrijft een effectief proces dat oorspronkelijk werd beschreven in een eerdere publicatie29, om MNPs afkomstig van pellets en mulchfilms voor te bereiden op milieustudies. Het verkleiningsproces omvatte cryogene koeling (alleen voor film), droog frezen en natte slijpfasen om model-MNPs te produceren. We hebben deze methode toegepast om MNP’s te bereiden uit een breed scala aan polymere grondstoffen, waaronder polyethyleen met lage dichtheid (LDPE), polybutyraatadipaat-co-tereftalaa…
The authors have nothing to disclose.
Dit onderzoek werd gefinancierd door het Herbert College of Agriculture, de Biosystems Engineering and Soil Department en de Science Alliance aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville. Bovendien erkennen de auteurs dankbaar de financiële steun die via de USDA Grant 2020-67019-31167 voor dit onderzoek is verstrekt. De eerste grondstoffen voor het voorbereiden van MNPs van PBAT-gebaseerde biologisch afbreekbare mulchfolie werden vriendelijk geleverd door BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, VS) en PBAT-pellets door Mobius, LLC (Lenoir City, TN).
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 |