Summary
Vi viser dannelsen og dimensjonskarakteriseringen av mikro- og nanoplast (henholdsvis MPS og NP) ved hjelp av en trinnvis prosess med mekanisk fresing, sliping og bildeanalyse.
Abstract
Mikroplast (MP) og nanoplast (NP) spredt i landbruksøkosystemer kan utgjøre en alvorlig trussel mot biota i jord og nærliggende vannveier. I tillegg kan kjemikalier som plantevernmidler adsorbert av NP skade jordorganismer og potensielt komme inn i næringskjeden. I denne sammenheng bidrar landbruksutnyttet plast som plast mulchfilmer betydelig til plastforurensning i landbruksøkosystemer. Imidlertid bruker de fleste grunnleggende studier av skjebne og økotoksisitet idealiserte og dårlig representative MP-materialer, for eksempel polystyrenmikrosfærer.
Derfor, som beskrevet her, utviklet vi en lab-skala flertrinnsprosedyre for å mekanisk danne representative parlamentsmedlemmer og NP-er for slike studier. Plastmaterialet ble fremstilt fra kommersielt tilgjengelige plastmulchfilmer av polybutyratadipat-co-tereftalat (PBAT) som ble utarmet gjennom enten kryogenisk behandling (CRYO) eller miljøforvitring (W), og fra ubehandlede PBAT-pellets. Plastmaterialene ble deretter behandlet ved mekanisk fresing for å danne parlamentsmedlemmer med en størrelse på 46-840 μm, som etterlignet slitasje av plastfragmenter av vind og mekanisk maskineri. Parlamentsmedlemmene ble deretter siktet inn i flere størrelsesfraksjoner for å muliggjøre videre analyse. Til slutt ble 106 μm silfraksjonen utsatt for våtsliping for å generere NP på 20-900 nm, en prosess som etterligner den langsomme reduksjonsprosessen for jordbaserte parlamentsmedlemmer. Dimensjonene og formen for parlamentsmedlemmer ble bestemt gjennom bildeanalyse av stereomikrografer, og dynamisk lysspredning (DLS) ble ansatt for å vurdere partikkelstørrelse for NP. Parlamentsmedlemmer og NP dannet gjennom denne prosessen hadde uregelmessige former, som er i tråd med de geometriske egenskapene til parlamentsmedlemmer gjenvunnet fra landbruksfelt. Samlet sett viste denne størrelsesreduksjonsmetoden seg effektiv for å danne parlamentsmedlemmer og NP sammensatt av biologisk nedbrytbar plast som polybutylenadipat-co-tereftalat (PBAT), som representerer mulchmaterialer som brukes til landbruksspesialitetsproduksjon.
Introduction
De siste tiårene har den raskt økende globale produksjonen av plast og feil avhending og mangel på resirkulering av plastavfall ført til miljøforurensning som har påvirket marine og terrestriske økosystemer 1,2,3. Plastmaterialer er avgjørende for moderne landbruk, spesielt for å dyrke grønnsaker, liten frukt og andre spesialavlinger. Deres bruk som mulchfilmer, høye og lave tunnelbelegg, dryppbånd og andre applikasjoner tar sikte på å forbedre avlingene og kvaliteten, redusere produksjonskostnadene og fremme bærekraftige oppdrettsmetoder 4,5. Imidlertid har den voksende bruken av "plasticulture" reist bekymringer om dannelse, distribusjon og oppbevaring av plastbiter i landbruksmiljøer. Etter en kontinuerlig fragmenteringsprosess forårsaket av sprøhet gjennom miljøforringelse i løpet av levetiden, danner større plastfragmenter mikro- og nanoplast (MNPs), som vedvarer i jord eller migrerer til tilstøtende vannveier via vannavrenning og vind 6,7,8. Miljøfaktorer som ultrafiolett (UV) stråling gjennom sollys, mekaniske vannkrefter og biologiske faktorer utløser plastisk sprøhet av miljødispergert plast, noe som resulterer i nedbrytning av større plastfragmenter i makro- eller mesoplastpartikler 9,10. Videre defragmentering danner mikroplast (MPs) og nanoplast (NP), som reflekterer partikler av gjennomsnittlig størrelse (nominell diameter; dp) på henholdsvis 1-5000 μm og 1-1000 nm,11. Imidlertid er den øvre dp-grensen for NP (dvs. en nedre grense for parlamentsmedlemmer) ikke universelt avtalt, og i flere papirer er dette oppført som 100 nm12.
MNPs fra plastavfall utgjør en fremvoksende global trussel mot jordhelse og økosystemtjenester. Adsorpsjon av tungmetaller fra ferskvann av parlamentsmedlemmer førte til en 800 ganger høyere konsentrasjon av tungmetaller sammenlignet med omgivelsene13. Videre utgjør parlamentsmedlemmer i akvatiske økosystemer flere stressorer og forurensninger ved å endre lyspenetrasjon, forårsake oksygenutarming og forårsake vedheft til forskjellige biota, inkludert penetrasjon og akkumulering i vannlevende organismer14.
Nylige studier tyder på at MNPs kan påvirke jordgeokjemi og biota, inkludert mikrobielle samfunn og planter15,16,17. Videre truer NP-er matnettet17,18,19,20. Siden MNPs lett gjennomgår vertikal og horisontal transport i jord, kan de bære absorberte forurensninger som plantevernmidler, myknere og mikroorganismer gjennom jorda til grunnvann eller akvatiske økosystemer som elver og bekker21,22,23,24. Konvensjonell landbruksplast som mulchfilmer er laget av polyetylen, som må fjernes fra feltet etter bruk og kastes i deponier. Ufullstendig fjerning fører imidlertid til betydelig opphopning av plastavfall i jord 9,25,26. Alternativt er jordbiologisk nedbrytbare plast mulches (BDM) designet for å bli dyrket inn i jorden etter bruk, hvor de vil nedbrytes over tid. BDM-er vedvarer imidlertid midlertidig i jord og nedbrytes og fragmenteres gradvis til parlamentsmedlemmer og NP-er 9,27.
Mange nåværende miljøøkotoksikologiske og skjebnestudier benytter idealiserte og ikke-representative parlamentsmedlemmer og NP-modeller. De mest brukte surrogat-MNP-ene er monodisperse polystyrenmikro- eller nanosfærer, som ikke gjenspeiler de faktiske MNP-ene som bor i miljøet 12,28. Følgelig kan valg av ikke-representative parlamentsmedlemmer og NP-er føre til unøyaktige målinger og resultater. Basert på mangelen på passende modell ΜNPs for terrestriske miljøstudier, var forfatterne motivert til å forberede slike modeller fra landbruksplast. Vi har tidligere rapportert om dannelsen av MNPs fra BDM og polyetylenpellets gjennom mekanisk fresing og sliping av plastpellets og filmmaterialer og dimensjonale og molekylære egenskaper til MNPs29. Det nåværende papiret gir en mer detaljert protokoll for fremstilling av MNPs som kan brukes bredere på all landbruksplast, for eksempel mulchfilmer eller deres pelletiserte råstoffer (figur 1). Her, for å tjene som et eksempel, valgte vi en mulchfilm og sfæriske pellets av den biologisk nedbrytbare polymeren polybutyladipattereftalat (PBAT) for å representere landbruksplast.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Behandling av parlamentsmedlemmer fra plastpellets gjennom kryogen forbehandling og fresing
MERK: Denne metodikken er basert på en prosedyre beskrevet andre steder, ved bruk av en PBAT-film sammensatt av det samme materialet som ble brukt til denne presenterte studien29.
- Vei polymerpelletsprøver på ~1 g og overfør til en 50 ml glassburk.
- Plasser det rektangulære leveringsrøret med en 20 mesh (840 μm) sil i sporet foran den roterende skjæremøllen og løft leveringsrøret til det treffer stopppinnen.
- Plasser glassplaten over fresekammerets ansikt og fest den med den justerbare klemmen. Plasser deretter en 50 ml glassburk under mølleutløpet (figur 2).
- Plasser den glidende sidearmsstøtten på møllen (plassert på høyre overside) midt på frontglasset og stram med den riflede bolten. Sørg for at glasset foran på møllen er forsvarlig plassert (figur 2a).
- Sett beholdertrakten på toppen av møllen inn i åpningen av det øvre fresekammeret.
- Koble en ledningsledning til en stikkontakt og trykkledningsbryteren for å starte mølledriften.
MERK: For å forhindre fastkjøring, mate bare materiale etter at møllen er slått på og roterende. Bruk også øye- og hørselsvern under hele freseprosedyren. - Før prøven sakte inn i beholderen (rundt 10 pellets/min) for å unngå å bremse eller fastkjøre. Etter at hørbar støy er redusert, legg til neste parti pellets (~ 10 stykker). Etter å ha behandlet pellets (1 g), trykk på ledningsbryteren for å stoppe mølledriften i ~ 20 minutter for å kjøle seg ned. Bruk et trestempel til å mate prøven og forhindre partikkelutstøting og agglomerering inne i fôringsbeholderen.
FORSIKTIG: Den optimale tilførselshastigheten varierer avhengig av type prosesseringsmateriale. Slå straks av møllen hvis prosesseringshastigheten reduseres på grunn av partikkelfriksjon i skjærekammeret, eller hvis dannelse av smeltet polymer observeres på glassplaten for å forhindre overoppheting og ytterligere smelting av polymerpartiklene. - Fjern 20 mesh (840 μm) leveringsrør og erstatt det med 60 mesh (250 μm) leveringsrør ved ferdigstillelse av første batch (figur 2b).
- Gjeninnfør det innsamlede materialet i møllebeholderen. Følg trinn 1.1 og 1.7 for fresefraksjonen på 250 μm.
- Gjenoppmat de oppsamlede 250 μm fraksjonene opptil tre ganger.
- Gjenopprett de resterende partiklene i kammeret og legg dem til den oppsamlede hovedfraksjonen.
2. Behandling av plastfilmer ved kryogen forbehandling og fresing
- Hent en filmprøve fra rullen og klipp prøven i strimler på ~ 120 mm (tverrretning) x 20 mm (maskinretning) med en papirkutter.
- Presoak fragmenter (~ 1 g) i 800 ml avionisert (DI) vann i 10 minutter i et 1000 ml glassbeger. Dette trinnet forbedrer sprøhet for den påfølgende kryogene kjøleprosedyren ved presoaking av polymeren.
FORSIKTIG: Håndter flytende nitrogen med sikkerhetsutstyr ved å bruke kryogene hansker og vernebriller. - Tilsett sakte 200 ml flytende nitrogen (N2) til en kryogen beholder.
- Overfør de presoaked filmpartiklene forsiktig inn i den kryogene beholderen med stålpinsett. Presoak i 3 minutter i væske N2.
- Overfør de frosne filmfragmentene til en 200 W, 14-trinns blender.
- Behandle det frosne materialet på hastighetsnivå 3 i 10 s for å bryte den frosne glassfilmstrukturen. For å fremme ytterligere størrelsesreduksjon, tilsett 400 ml DI-vann og bland film-vannoppslemmingen i 5 minutter.
- Overfør slammet til en Büchner-trakt med filter (1 μm nett) og påfør vakuum i minst 1 time.
- Vakuumtørkende faste partikler ved 30 °C i minst 48 timer i en aluminiumsfat.
- Fôr tørre partikler inn i møllen med pinsett. For fresing, følg trinn 1.1-1.11.
3. Behandling av plastfilmer forbehandlet gjennom miljøforvitring og fresing
- Legg ut plastfilmfragmenter gjenvunnet fra feltet på en jevn overflate (laboratoriebenk). Fjern forsiktig absorberte jordpartikler og planterester med den myke børsten.
- Klipp filmen med saks i ~ 4 cm2 prøver på ~ 1,0 g.
- Tilsett filmfragmenter i et 1000 ml beger fylt med 500 ml DI-vann. Rør med en hastighet på 300 min-1 med 20 mm rørestang i 1 time.
- Fjern oppløste jordpartikler ved å dekantere og gjeninnføre DI-vann under liten omrøring av begeret i en vask eller plastbøtte. Gjenta dette trinnet tre ganger. Kontinuerlig omrøring holder jordpartikler spredt i vann og kan lettere dekanteres.
- Overfør prøver fra begeret til en aluminiumsfat. Lufttørk plastprøvene i 12 timer, og overfør og tørk deretter i en vakuumovn i 24 timer ved 30 °C. For fresing, følg trinn 1.1-1.11.
4. Siktprosedyre gjennom kaskadesikter
- Stable siktene (3 tommer i diameter) som starter med pannen nederst, etterfulgt av den fineste silen (#325; 45 μm), og deretter med stadig grovere sikter (som #140; 106 μm og #60; 250 μm, der #20; 840 μm sikten er den groveste), og legg lokket på toppen.
- Monter alle fire siktene på shakeren ved å sette inn fire pinner i åpningene til silristeren.
- Overfør individuelle fraksjoner samlet i enten trinn 1, 2 eller 3 på toppen av de fire kaskadesiktene. Rist i 10 min ved 300 min-1.
- Gjenopprett den større (øverste) fraksjonen separat, som vil bli utsatt for ytterligere fresing.
MERK: Juster ristehastigheten på shakeren etter behov. Alternativt er det mulig å riste sikter for hånd. Bruk bare en sil om gangen, og start med masken #20 sil: hold bunnen og lokket fast mot silen for hånd, og rist aksialt og horisontalt i 5 minutter. - Gjeninnføre siktede partikler av dp > 106 μm til dreieskjæremøllen som beskrevet i trinn 1.6-1.10.
- Gjenopprett de nederste fraksjonene fra pannen og gjeninnfør partiklene til neste mindre silstørrelse. Gjenta prosedyren til 106 μm partikler representerer hovedfraksjonen.
- Flett de oppsamlede 106 μm fraksjonene og oppbevar partiklene i et tørt område (tørkemiddel eller luftforseglet plastpose).
MERK: 45 μm fraksjonen er en del av 106 μm fraksjonen; Den tidligere fraksjonen ble imidlertid ikke isolert og analysert separat siden utbyttet generelt er svært lavt. Utbytteutvinning og partikkelstørrelsesfraksjoner av individuelle fraksjoner kan bestemmes ved gravimetriske målinger i vekt% for hver siktfraksjon (mesh # 20 - mesh # 325) i forhold til den første fôringsfraksjonen ved hjelp av en høypresisjons mikrobalanse.
5. Fremstilling av en vandig NP-oppslemming for våtsliping
- Forbered en oppslemming av parlamentsmedlemmer spredt i DI-vann ved å tilsette 800 ml destillert vann i 1000 ml glassbegeret og sette inn en omrøringsstang (diameter = 8 mm, lengde = 50,8 mm).
- Introduser 8 g av 106 μm plastfraksjonen fra trinn 1, 2, 3 eller 4 i DI-vann, og produser en 1 vekt% oppslemming.
- Plasser glassbegeret på en omrøringsplate og rør magnetisk i 24 timer ved 400 min-1 for å suge partiklene i vann for å fremme partikkelmykning.
- Overfør partiklene til en 1000 ml plastbeholder.
- Fyll ytterligere to 1000 ml plastbeholdere med DI-vann, som vil bli brukt til å skylle av festepartikler på kvernens beholder under slipeprosessen.
6. Klargjøring av våtslipemaskinen for NP-produksjon
- Plasser steiner med en 46-korns størrelse (grus av en slipestein = 297-420 μm) i den våte friksjonskvernen og fest midtmutrene håndtett med en 17 mm skiftenøkkel.
- Legg beholderen på toppen og fest de tre mutterne og boltene med 17 mm skiftenøkkel.
- Plasser en 1 L plastoppsamlingskrukke under utløpet til kollideren. Plasser en annen tom 1 L bøtte ved siden av stikkontakten, som vil bli brukt til utveksling under behandling.
- Juster målerklaringen til + 1,0, tilsvarende et positivt skifte på 0,10 μm fra nullposisjonen.
- Slå på strømmen og vri justeringshjulet forsiktig med klokken til du hører slipesteinene berøre. Juster deretter den fleksible måleringen til null og vri hjulet mot klokken umiddelbart. Som standard justeres hastigheten til 1500 min-1.
MERK: Unngå "tørrsliping" av steinene, da dette skaper overdreven varme på slipesteinene. - Vri justeringshjulet med klokken til steinene berører og fyll forsiktig vann-NP-slammet i beholderen. Reduser gapet kontinuerlig til en klaringsmåler på -2,0, tilsvarende et negativt skifte på 0,20 μm fra nullposisjonen etter at slammet ble introdusert. Plastpartikkelvannsoppslemminger mellom de to steinskivene fremmer transformasjon fra parlamentsmedlemmer til NP-er og unngår direkte friksjon mellom slipesteinene.
- Samle oppslemmingen ved å bytte oppsamlingsbøttene når fyllingsnivået i bøtta overstiger 0,5 L.
- Samle og gjeninnføre partiklene i kvernen mellom 30-60 ganger; høyere passeringer (antall reintroduksjoner) resulterer i mindre partikkelstørrelser.
- Vask festende partikler adsorbert til beholderen med den tilberedte DI-vannflasken for å tillate passende blanding av slam under bearbeiding.
MERK: Innsamling av mellomprøver under prosessen er mulig ved å holde 20 ml glassflasker i utløpsstrømmen. De enkelte trinnene vil vurdere partikkelfragmenteringsmekanismene mens prosessens alvorlighetsgrad (antall passeringer) øker. Gjenopprett slammet og rør i 4 timer ved 400 min-1 ved 25 °C for god blanding; La slammet stå i 48 timer for å stabilisere seg.
7. Gjenvinning og tørking av NP fra oppslemmingen
- Isoler den nederste fraksjonen (eller fasen med den høyeste NP-konsentrasjonen) hvis flere lag i oppslemmingen observeres ved sakte å helle slammet i ytterligere 1000 ml glassbeger.
- Overfør fraksjonene til hetteglass med sentrifugering (50 ml) og sentrifuge i 10 minutter (relativ sentrifugalkraft [RCF] = 20 x 102 g). RCF (også kalt g-kraft) er den genererte radiale kraften som en funksjon av rotorradiusen og rotorhastigheten, noe som forårsaker separasjon av de tyngre partiklene og vannet i oppslemmingen.
- Fjern det gjennomsiktige topplaget ved å dekantere det i en separat aluminiumspanne.
- Overfør det gjenværende bunnlaget (som inneholder en NP-oppslemming) til en ekstra aluminiumsfat og sett den i en vakuumovn ved 30 °C i 48 timer.
- Gjenopprett tørket materiale med en slikkepott under en avtrekkshette eller hanskerom mens du har på deg en åndedrettsmaske. Overfør det tørkede innholdet i en 100 ml glassbeholder og tetning med lokk.
- Inneholder NP i et hetteglass og oppbevar dem på et lufttett, tørt og kjølig sted (f.eks. en desiccator).
MERK: MNP-er som slippes ut i miljøet under produksjonsprosessen (her, enten under våtslipingsprosessen eller som tørkede partikler) kan utgjøre en alvorlig trussel mot akvatiske og terrestriske økosystemer. Spesielt er regulatoriske tiltak utformet for å minimere risikoen for produksjon og bruk for konstruerte nanomaterialer30. Derfor krever dannelsen av MNP-er spesifikke forholdsregler som materialhåndtering i en avtrekkshette eller hanskerom. Videre vil vandige avfallsløsninger dannet under isolering av NP-er (trinn 6.7-6.9) bli gjenstand for en avhendingsprosedyre ved slutten av levetiden utført av miljøhelse- og sikkerhetsavdelingen.
8. MP-avbildning via stereomikroskopi
- Disperser ~20 mg partikler (samlet i trinn 4) på en overflate av areal ~4 cm2. Spre hvite eller gjennomsiktige parlamentsmedlemmer på en mørk overflate og spre svarte eller mørkfargede parlamentsmedlemmer på en hvit bakgrunn (papirark) for å maksimere bakgrunnskontrasten.
- Juster mikroskopet til laveste forstørrelse for å fange størst mulig område (midt i partikkelområdet). Deretter leder du den eksterne lampen til fokussenteret for å oppnå belysning på interesseområdene.
- Bruk en forstørrelse som gjør det mulig å oppdage >50 partikler midt i synsfeltet. Dette beløpet anbefales for å oppnå robuste statistiske evalueringsresultater.
- Fokuser på områder med ingen eller mindre partikkeloverlapping og god fargekontrast.
- Ta minst fem representative bilder ved å fokusere på de ytre partikkelformene. Den lokale datamaskinen som brukes til bildebehandling, lagrer bilder med høy oppløsning som punktgrafikk i programvaren.
- Lagre stereomikroskopopptakte bilder i et filformat som gjenkjennes av ImageJ (punktgrafikk, tiff eller jpeg) for følgende kvantitative dataanalyse.
MERK: Ta ett referansebilde med de nøyaktige forstørrelsesinnstillingene som hovedbildet ble tatt for ved hjelp av en linjal eller et annet referanseobjekt som er registrert i bildet. Denne prosedyren vil tillate enkel kalibrering av bildene når du forbereder og analyserer gjennom ImageJ-programvare.
9. Bildeanalyse gjennom ImageJ
- Åpne ImageJ-programvare31 og klargjør filimport ved å skrive inn (CTRL + L) for å åpne Kommandosøker. Deretter går du inn i Bio-Formater i høyre nedre hjørne. Denne funksjonen aktiverer menybanen File > Import > Bio-formater (> refererer til navigasjonstrinn i programvaren). Søk etter katalogen over lagrede bildefiler.
MERK: Hvis Bio-Formats-pakken ikke vises i Command finder, kan du søke på nettet under Bio-Formats ImageJ. Følg instruksjonene for nedlasting og installasjon av ImageJ. Bio-Formats-importøren gjør det enkelt å importere / eksportere bildefiler i ImageJ og søke etter kommandoer. - Åpne bildet (alternativt import av bioformater som beskrevet i trinn 9.1) ved å klikke Fil > Åpne > velge partikkelbilde på filplasseringen som ble samlet inn i trinn 4.7, og linjalreferansebildet som er beskrevet i trinn 1.6. Det anbefales å opprette et duplikatbilde ved å klikke Skift + Kommando + D for å sammenligne med originalbildet mens du justerer terskelinnstillingene for kopibildet.
Kommandoen File > Open åpner ulike formater som støttes av ImageJ, som beskrevet i trinn 8.7. Alternativt kan du velge bildeplasseringen på datamaskinen og dra og slippe filen på statuslinjen i hovedvinduet ImageJ. Bildefilen åpnes automatisk i et eget vindu. - Zoom inn og ut til bildet ved hjelp av henholdsvis CTRL + og CTRL -.
- Angi målene ved å klikke Analyser > angi mål, og velg deretter Område- og formbeskrivelser som standardverdier.
- Definer skalalinjen ved å tegne en linje rett over lengden på skalalinjen ved hjelp av referansebildet for linjalen som beskrevet i trinn 8. Trykk på Analyser > angi skala, og skriv inn den numeriske verdien av stolpelengden under Kjent avstand og enheten for den tilsvarende lengden.
- Visualiser skalalinjen på bildet ved å klikke Analyser > verktøy > skaleringslinje, og juster innstillinger, for eksempel visning av skarp kontrast på bildet. Velg en posisjon på bildet der skalalinjen skal plasseres for skaleringslinjeinnstillinger. Velg Bredde for å justere linjen i kalibrerte enheter, Høyden på linjen i piksler og Skriftstørrelse på etiketten for skalalinjen. Velg bakgrunn for å justere fyllfargen for tekstboksen for etiketten.
MERK: For mikrometer er oppføringen av μm tilstrekkelig; Programmet tilpasser μm automatisk i datautgangen. - Transformer bildet til et 8-biters bilde ved å velge Bilde > Type > 8-biters.
- Konverter det kopierte bildet til 8-biters ved å velge Bilde > Type > 8-biters.
- Juster ved å velge Bilde > Juster > Terskel > Angi (sammenlign størrelse med originalbildet).
- Bestem hvilke målinger som skal utføres, ved å velge Analyser > angi mål.
- Velg Analyser partikler > 0-uendelig, klikk Vis resultater og in situ vis.
- Lagre avkastningsresultatene (.zip) under Lagre målinger og Velg mappe.
- Lagre resultater (*.csv) under Fil > Lagre som > Velg mappe.
10. Partikkeldiameter (dp) og formfaktorberegning i regnearkprogramvare
MERK: Kunnskap om partikkeldiameter og formfaktorer er avgjørende for partikkeladferd (skjebne, transport) i miljøet og bestemmelse av overflateareal. Derfor er geometri viktig når parlamentsmedlemmer brukes til miljøstudier. For eksempel ble forskjellige interaksjonsmekanismer med jord observert avhengig av parlamentsmedlemmers størrelser og former, for eksempel MP-MP og MP-jord agglomerasjoner, som påvirker partikkelbevegelse i jord15,32. Derfor foreslås følgende trinn for å bestemme d-p-partikkelstørrelsesfordelingen og geometrisk parameter.
- Importer den tilsvarende * .csv filen som er oppnådd og lagret fra ImageJ-analyse (trinn 9.13) til regnearkprogramvaren.
MERK: De numeriske verdiene i hver kolonnelinje gjenspeiler individuelle beregninger for hver partikkel i henhold til ligning 1 og ligning 2. - Evaluer de gjennomsnittlige formparameterverdiene, for eksempel sirkularitet (CIR) og størrelsesforhold (AR), ved å skrive inn = gjennomsnitt (x,y) nederst i hver kolonne, der x representerer den første linjen og den siste linjen i kolonnen, og trykk deretter ENTER. CIR-verdiene beskriver forholdet mellom det projiserte området og den perfekte sirkelen med en individuell partikkels CIR = 1 (ligning 1). AR representerer partikkellengden / breddeforholdet beskrevet ved ligning 2.
- Bestem om gjennomsnittlig AR < 2,5, og beregn deretter dp-verdier i en ny kolonne ved hjelp av ligning 3. Hvis AR ≥ 2,5, beregner du dp-verdier som reflekterer ligning 4. Legg til en ny kolonne for å beregne dp basert på områdekolonnen som mottas fra ImageJ-utdataene.
MERK: Valg av AR-terskelverdiene ≥ 2,5 representerer flere rektangulære partikler, mens AR < 2,5 reflekterer flere rundformede partikler. Dette valget gjør det mulig å minimere d p-beregningsfeilen avledet fra området målt ved mikroskopi og bestemt gjennom ImageJ.
(1)
(2)
(3)
(4)
11. Statistisk analyse for parlamentsmedlemmer og NP-er
- Åpne *.csv datafilen med den statistiske programvaren etter fil > Åpne > Velg filplassering for den tilsvarende filen som opprettet i trinn 9.13.
MERK: Alternativt kan tabellen overføres direkte via kopier-lim-funksjonen til statistikkprogramvaren. Se materialfortegnelsen for merket og versjonen av den statistiske programvaren Edit > Paste med kolonnenavn. - Evaluer dp-dataene ved å velge Analyser > distribusjon.
- Velg dp, som gjenspeiler kolonnens data, dra og slipp inn i Y-kolonner, og trykk på OK-knappen. Denne funksjonen oppretter et histogram med statistiske utdata, inkludert sammendragsstatistikk, gjennomsnitt og std dev-verdier i et eget vindu.
- Evaluer om histogrammet følger en normalfordeling (eller best tilpasning for d p) med kurven for beste tilpasning ved å velge trekanten ved siden av dp > Kontinuerlig tilpasning, og velg deretter kurven som er mottatt som best tilpassing (for eksempel Tilpass normal). Dette trinnet legger histogrammet over en normalfordelt passform.
- Bestem og rapporter gjennomsnitts- og standardavviksverdiene fra sammendragsstatistikkutgangen for de gjennomsnittlige formparameterverdiene for sirkularitet (Cir), sideforhold (AR), rundhet (Rund) og soliditet (Sol).
MERK: Et statistisk signifikansnivå på α = 0,05 er anbefalt og ble brukt i alle evalueringer. Signifikansnivået er sannsynligheten for å avvise nullhypotesen når den er sann når man sammenligner numeriske resultater.
12. Best passform av dp størrelsesfordeling og partikkelformfaktorer
- Last datasettet inn i statistisk programvare og bruk det samme *.csv datasettet for fordelingen av dp som beregnet i trinn 10.
- Velg Analyser > pålitelighet og overlevelse > livsfordeling.
- Dra dp-kolonnen til feltet Y, Tid til hendelse, og velg OK. Denne funksjonen oppretter en utdata med et sannsynlighetsplott som en funksjon av dp.
- Bestem den optimale fordelingen under Sammenlign distribusjoner ved å kontrollere ikke-parametrisk, lognormal, Weibull, loglogistisk og normal.
- Evaluer kvaliteten på modellen som passer etter de laveste numeriske verdiene for Akaikes og Bayesianske informasjonskriterier (henholdsvis AIC og BIC) i statistikkmodellsammenligningstabellen under grafen med de laveste BIC-tallene . Best fit-modellen vises som standard i den første raden. Parametriske eller ikke-parametriske estimatutdatafelt for hver distribusjonsevaluering er plassert under Sammenlign distribusjoner-grafen .
- Lagre utdataskriptet i datatabellen ved å velge den røde rullegardintrekanten øverst til venstre ved hjelp av Lagre skript > til datatabell. Deretter lagrer du den opprinnelige datatabellen på ønsket filplassering ved å velge File > Save as > *.jmp.
13. Dimensjonal karakterisering av NP gjennom dynamisk lysspredning
- Start programvaren for dynamisk lysspredning (DLS) ved å dobbeltklikke på skrivebordsikonet. Velg Fil > Ny > SOP. Legg til prøvenavn og velg materialbrytningsindeks til 1,33 for destillert vann og 1,59 for polymerer33 i DLS-programvaren under Prøveoppsett. Velg Materiale i rullegardinmenyen, og klikk deretter OK.
MERK: Ved å klikke på rullegardinmenyen åpnes Material Manager, som tilbyr å legge til nye prøver eller endre eksisterende prøver ved å endre brytningsindeksen og absorpsjonen. Velg som dispergeringsvann. - Velg riktig celle under Cell > Cell Type og velg Rapporter for å bestemme hvilke utdata som skal presenteres etter hver måling.
- Start instrumentet ved å lukke instrumentlokket og slå på systemet ved å lukke lokket (hvis det er åpent) og trykke på PÅ-knappen . Vent etter det første pipet og vent rundt 30 minutter for å tillate stabilisering av strålen.
- Vent til initialiseringsrutinen er fullført, og vent på en ny pipelyd, som indikerer at den forhåndsinnstilte temperaturen (vanligvis 25 °C) er nådd.
- Forbered en prøveoppslemming av NP (som mottatt i trinn 7) og DI-vann i et 15 ml hetteglass ved ~ 0,1 vekt% konsentrasjon ved magnetisk omrøring i ~ 1 time for å tillate å blande godt.
- Rist slammet før du overfører ~1,0 ml til kvartskuvetten på 4,5 ml og åpner lokket. Sett deretter prøvecellen forsiktig inn i prøveholderen til DLS-instrumentet.
MERK: Klargjør tre prøver fra samme slambatch i samme konsentrasjon som beskrevet i trinn 13.5. - Utfør tre målinger (valg i DLS-programvaren) for hver prøve. Mellom målingene, fjern prøvecellen og rist prøvene forsiktig i 5 s for å tillate blanding av prøven.
- Pakk ut og eksporter data gjennom DLS-programvaren, overfør datasettet til regnearkprogramvaren og opprett histogrammer for parlamentsmedlemmer og NP-er som beskrevet i trinn 11.1-11.5 (figur 1). Kopier fra kategorien Arkivvisning , enten en tabell eller Graf , ved å velge Rediger-kopi, som kan limes inn i et annet program, for eksempel regnearkprogramvaren.
14. Kjemisk analyse av MNPs ved hjelp av Fourier transformasjon infrarød (FTIR) spektrometri-dempet total refleksjon (ATR)
MERK: Kjemiske analyser av MNPs ved Fouriertransformasjon infrarød (FTIR) og kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi er velegnede verktøy for å vurdere virkningen av våtsliping på kjemiske bindingsegenskaper, samt de relative mengdene av hovedkomponenter og polymerenes monomere bestanddeler, henholdsvis10. I tillegg kan termiske egenskaper og stabiliteten til MNPs polymere bestanddeler vurderes ved henholdsvis differensialskanningskalorimetri (DSC) og termogravimetrisk analyse (TGA)29.
- Rengjør deteksjonssystemet (ATR-krystalloverflaten) med etanol og en lofri klut.
- Start programvaren og trykk bakgrunnsknappen i kommandolinjen for å utføre en bakgrunnsskanning i luften ved å fjerne instrumentstrålebanen. Bakgrunnsspekteret vises kort tid etter innsamling.
- Skriv inn Eksempel-ID og Eksempelbeskrivelse på verktøylinjen for instrumentinnstillinger.
- Juster spektralbølgetallet mellom 4000 cm-1 og 600 cm-1 og velg en oppløsning på 2,0 cm-1 i absorbansmodus. Velg 32 skanninger per spektrum og start.
- Plasser en plastprøve (~ 20 mg eller ~ 1-3 mm3) av parlamentsmedlemmer (106 μm) og NP (~ 300 nm) inne i en stålskive med en indre diameter på ~ 10 mm, eller tilsvarende, på krystalloverflaten.
MERK: Skiven forhindrer dispersjon på krystall når prøveholderen komprimerer prøven, noe som resulterer i inhomogeniteter i materialet og dataskjevhet på grunn av inkonsekvente målinger. - Plasser vaskemaskinen i midten av ATR-krystallet og tilsett polymerprøven i midten av vaskemaskinåpningen med en slikkepott.
- Sving prøvespaken over i midten av prøven og vri knappen med klokken ved å overvåke Force Gauge-kraften mellom 50-90. Prøven viser de foreløpige spektrene. Trykk på Skann-knappen en gang til for å samle spekteret.
- Samle mellom 8-10 spektra ved å klikke på Skann-knappen og bland prøvene nøye etter hver måling med en slikkepott for å tillate innsamling av representative resultater.
- Klikk på mappen Eksempelvisning i Datautforsker for å vise alle innsamlede prøver lagt oppå visningsområdet. Fjern først betydelig avvikende spektra som representerer uteliggere. Velg deretter enten Absorbance - eller Transmittance-modus på verktøylinjen.
- Lagre spektra ved å velge mappen Eksempelvisning som inneholder spektrene og velge Lagre som fra filmenyen. Dialogvinduet aktiverer filnavn, destinasjonskatalog og standardplasseringsendring for alle spektra.
MERK: Alternativt kan spektrene lagres som en *.sp-fil ved å velge et spektrum og høyreklikke for å vise binæralternativet. Velg Lagre binær , og bla gjennom den endelige lagringsplasseringen. - Utfør baseline korreksjon og gjennomsnittlig normalisering ved å velge et enkelt spektrum i Data Explorer ved å velge Prosess > Normalisering i menyen enten gjennom programvaren eller i neste trinn.
MERK: Gjennomsnittlig normalisering kompenserer for spektralfeil på grunn av tykkelsen eller materialvariasjonen i prøven. - Rengjør krystallområdet med etanol og lofri klut når datainnsamlingen er fullført.
- Tolk forskjeller mellom parlamentsmedlemmer og NP-er i henhold til tildelte FTIR-vibrasjonsbånd, tildelt og evaluert i en tidligere publikasjon10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
For å validere den eksperimentelle prosedyremetoden og analysen ble parlamentsmedlemmer og NP dannet av pellets og filmmaterialer og sammenlignet etter størrelse og form ved hjelp av mikroskopiske bilder. Metoden beskrevet i figur 1 dannet effektivt parlamentsmedlemmer og NP-er fra biologisk nedbrytbare plastpellets og filmer; Dette ble oppnådd gjennom kryogen kjøling, fresing og våtsliping og karakterisering. Det tidligere trinnet var unødvendig for miljøforvitrede filmer fordi forvitring førte til sprøhet (Astner et al., upublisert). Pellets ble også direkte utsatt for fresing uten kryogen forbehandling. Etter fresing ble partikler fraksjonert gjennom sikting i fire størrelsesfraksjoner: 840 μm, 250 μm, 106 μm og 45 μm, som beskrevet i protokolltrinn 4. De tre sistnevnte fraksjonene besto utelukkende av parlamentsmedlemmer. Deretter ble partikkelkarakterisering for hver fraksjon vurdert ved å bestemme fordelingen av størrelse (dp) og formfaktorer (dvs. sirkularitet og sideforhold) av innsamlede stereomikroskopiske bilder ved hjelp av ImageJ-programvare som gitt i trinn 8.1-8.6. Eksempler på bilder tatt med stereomikroskop er vist for 106 μm siktfraksjon for PBAT-pellets (figur 3a,c) og 250 μm siktfraksjon, og for uforvitret PBAT-film behandlet med kryogen eksponering (figur 3b, d).
Statistisk analyse av partikkeldimensjoner indikerte en gjennomsnittlig dp som var 41 μm mindre enn den nominelle siktstørrelsen (106 μm) for PBAT-pelleten, og 137 μm mindre for PBAT-filmen (250 μm nominell størrelse), noe som tyder på at den mindre silfraksjonen representerer en mer homogen partikkelstørrelsesfordeling (tabell 1). Denne observasjonen ble også bekreftet av en større verdi i sirkularitet og lavere sideforhold (noe som tyder på flere rundformede partikler) for de bearbeidede pelletsene sammenlignet med filmmaterialet, som kan tilskrives utgangsmaterialets forskjellige egenskaper (tetthet). Normalfordeling var den beste modellen for å beskrive partikkelstørrelsesfordelingen for begge fraksjonene. For å bestemme sirkularitet og sideforhold var imidlertid Weibull- og Lognormal-modellene optimale (figur 4a-d; Tabell 1). For begge råstoffene dannet en våtslipeprosess påført de 106 μm MP silfraksjonene NP, og partikkelstørrelsesfordelingen ble målt via DLS. Numerisk analyse viste en bimodal partikkelstørrelsesfordeling for NP produsert fra begge råstoffene (figur 5). De viktigste partikkelpopulasjonene for NP fra PBAT-pellets var på ~ 80 nm og 531 nm, og tilsvarende nummerdensitetsfrekvens (NDF) -verdier var henholdsvis 25% og 5%. På den annen side hadde NP-er avledet fra PBAT-filmer størrelsesmaksimum ved ~ 50 nm og 106 nm, med tilsvarende NDF-verdier på henholdsvis 11% og 10%. Observasjonene tyder på at NP fra PBAT-pellets ga mer ensartede dp-verdier (~ 50-110 nm) enn PBAT-filmer; Imidlertid eksisterte en partikkelunderpopulasjon mellom 300 nm og 700 nm, med et maksimum ved 531 nm, også sammen (figur 5).
De kjemiske bindingsegenskapene til PBAT-filmen ble evaluert ved FITR-spektroskopi. Spectra viste bare mindre endringer på grunn av fresing for parlamentsmedlemmer og våtsliping for NP-er i regionene mellom 1300 og 700 cm-1. Imidlertid ble det observert en signifikant reduksjon i C-O-strekking av stivelse, som reflekterer absorbansen av stivelseskomponenten10, for mulchfilmen. Imidlertid ble det observert mindre endringer for båndene som representerte PBAT, som C-H og C-O-strekking, mellom 1800 cm-1 og 1230 cm-1, noe som tyder på ubetydelige endringer i strukturen for polyesteren som tilskrives våtslipeprosessen (figur 6).
Figur 1: Flytskjema for å danne og karakterisere mikro- og nanoplast. Representasjonen viser formasjonsprosessen og den påfølgende geometriske og kjemiske partikkelevalueringen. Geometriske egenskaper ble bestemt ved å kombinere stereomikroskopi og bildeanalyse (ImageJ), etterfulgt av en numerisk statistisk analyse. Kjemisk karakterisering som molekylær binding ble utført gjennom Fouriertransformasjon infrarød spektrometri ved bruk av dempet total refleksjon (FTIR-ATR). Den molekylære strukturen til polymerer kan vurderes ved kjernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi som en komplementær metode (ikke beskrevet i denne studien). For hvert trinn er viktige punkter uthevet i fremgangsmåten nedenfor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Roterende skjæremølleapparat. Bilder av (a) den roterende mølleenheten, inkludert fôringsbeholderen, glassplaten foran og silsporet; (b) individuelle leveringsrør med silstørrelser # 20 (840 μm) og # 60 (250 μm) er montert i møllesiktsporet som starter med grovere; og (c) dobbeltlags glassfrontplate er festet til forsiden av slipekammeret. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Stereomikrografer av mikroplast (MP), inkludert programvarebehandlede bilder. Bildene var av parlamentsmedlemmer avledet fra (a) PBAT-pellets (106 μm siktfraksjon) og (b) PBAT-film (250 μm siktfraksjon) fremstilt gjennom kryogen eksponering etterfulgt av mekanisk fresing. En svart bakgrunn ble valgt for avbildning av hvite PBAT-partikler (a), og en hvit bakgrunn ble valgt for en svart PBAT-film (b). Tilsvarende bilder ble behandlet av henholdsvis ImageJ-programvare31 (c) og (d). En best-fit modell av fordelingen av dp, avbildet i histogrammer av partikler avledet fra stereografer av (e) PBAT pellets og (f) PBAT film er representert ved en normalfordeling. Feilfelt gjenspeiler ett standardavvik. Et stereomikroskop samlet stereomikrografer med et integrert kamerahode. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Fordelinghistogrammer for partikkelformfaktor med overliggende kurvetilpasning. Bildet representerer parlamentsmedlemmer: (a) sirkularitet og (c) sideforhold for PBAT-pellets og (b) sirkularitet og (d) sideforhold for PBAT-film, basert på ImageJ-analyse31. Stereomikrografer er basert på to silfraksjonspartikler av PBAT-pellets (106 μm) og PBAT BDM MP-er (250 μm). Numerisk analyse ble utført i statistikkprogrammet V 15. Stereografer og histogrammer representerer de tilsvarende bildene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Histogrammer av partikkelstørrelse (dp) for NP. Figuren representerer partikkelfordelinger avledet fra PBAT-film og PBAT-pellets dannet fra våtslipingsbehandlingen av 106 μm MP silfraksjonen. Kurver representerer to-parameter Weibull-modellen passer til størrelsesfordeling, utført ved hjelp av den statistiske programvaren. Datamålinger ble utført ved hjelp av dynamisk lysspredning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Representative FTIR-spektra av MNP-sammenligning mellom ulike behandlingstrinn. Figuren viser sammenligningen mellom de opprinnelige forholdene til PBAT-filmen, PBAT-MP-er og PBAT-NP-er. PBAT-filmen ble kryogenisk behandlet før mekanisk fresing av parlamentsmedlemmer bestående av 106 μm siktfraksjon av tørrmalt plast; NP ble produsert via våtsliping av 106 μm siktfraksjon parlamentsmedlemmer etter tørr fresing og sikting. Spektraldata ble samlet inn ved hjelp av et spektrometer utstyrt med et diamantdempet total refleksjonsfeste (ATR). Spektraldataanalyse ble utført ved hjelp av FTIR-spektrumanalyseprogramvare. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| PBAT pellets | PBAT film | |
| Siktfraksjon, μm | 106 | 250 |
| Normal dp, μm | 65 | 113 |
| Std Dev, μm | 24 | 58 |
| Sirkularitet | 0.68 | 0.47 |
| Størrelsesforhold | 1.73 | 2.33 |
| Best passform, dp | Normal | Normal |
| Best passform, Sirkularitet | Weibull | Weibull |
| Beste passform, sideforhold | Lognormale | Lognormale |
| N | 83 | 125 |
Tabell 1: Representative partikkelstørrelser og formparametere. Resultatene ble hentet fra statistisk analyse for parlamentsmedlemmer behandlet fra PBAT-pellets og PBAT-film avbildet i figur 3 og figur 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne metoden beskriver en effektiv prosess som opprinnelig ble beskrevet i en tidligere publikasjon29, for å forberede MNPs hentet fra pellets og mulchfilmer for miljøstudier. Størrelsesreduksjonsprosessen involverte kryogen kjøling (kun for film), tørrfresing og våtslipingstrinn, for å produsere modell-MNP-er. Vi har brukt denne metoden til å fremstille MNP fra et bredt spekter av polymere råstoffer, inkludert lavdensitetspolyetylen (LDPE), polybutyratadipat-co-tereftalat (PBAT) og polymelkesyre (PLA)29 (Astner et al., manuskript under fremstilling). For LDPE kunne imidlertid bare pellets tjene som råstoff; Mulch-filmer kunne ikke behandles på grunn av et forsterkningsnett innlemmet i filmen under ekstruderingen, som beskrevet i en tidligere publikasjon29.
Kritiske trinn i protokollen involverer a) kryogenisk forbehandling, som gir sprøhet av den generelt fleksible filmen, b) fresing for å simulere den mekaniske påvirkningen gjennom landbrukspraksis (pløying, tilling) og c) våtsliping, som etterligner miljøskjærhendelsene mellom MP-jordkollisjoner. MNPs dannet gjennom denne metoden er mer sannsynlig å representere partikler som forekommer i landbruksjord enn polystyren mikro- og nanosfærer. Imidlertid brukes sistnevnte ofte som konstruerte modellmaterialer i miljøstudier som undersøker virkningen på jordmikrobielle samfunn 34,35,36, planter 37 og jordfauna 38.
Ulike metoder har generert surrogat-NP-er, inkludert kryogenisk fresing og sliping ved bruk av roterende og kulemøller 39,40,41,42. I tillegg ble fresing i kombinasjon med flytende nitrogen ofte brukt til å danne MNPs 40,41,42,43,44,45. I motsetning til dette ble en ultracentrifugalt tørr freseprosedyre (uten kryogen behandling) i kombinasjon med våtballfresing brukt til å generere henholdsvis MPS og NP39. I motsetning til dette bruker metoden beskrevet i dette papiret en billig kombinasjon av kryogenisk bløtlegging-blanding-fresing-sliping for å generere MNPs fra plastfilmer for å etterligne miljøpåvirkninger som forvitring og mekaniske skjærkrefter. Derfor sammenlignet en nylig studie de mekaniske og kjemiske egenskapsendringene mellom kryogenisk dannede miljøforvitrede landbruksplastfilmer. Resultatene viste statistisk signifikante forskjeller i geometriske egenskaper, fysisk-kjemiske egenskaper og biologisk nedbrytbarhet av de dannede MNPene (Astner et al., upublisert).
En begrensning av den mekanisk-kryogene fresemetoden er det relativt lave siktutbyttet etter det første fresepasset (~ 10 vekt%) av fraksjoner <840 μm, noe som krever to passeringer, noe som resulterer i en lengre behandlingstid sammenlignet med de større fraksjonene på >840 μm29. Siden 46 μm fraksjonsutbyttet er mellom 1 og 2 vekt%, ble 106 μm partikkelfraksjonen brukt til våtslipingsprosedyren for å danne NP. I tillegg kan friksjon under freseprosessen føre til overoppheting av prosesseringskammeret, noe som resulterer i agglomerering og termisk nedbrytning av partikler eller filmfragmenter under freseprosessen, som beskrevet i andre studier29,46. En ytterligere begrensning av den kryogene fresemetoden beskrevet i dette papiret er den begrensede applikasjonen for plast som LDPE-filmer eller PBS-pellets med dårlige termiske egenskaper (dvs. lave glassovergangstemperaturer). Den tidligere plasten var umulig å comminute på grunn av den fibrøse strukturen til LDPE-filmer. I tillegg tettet sistnevnte møllen, da mekanisk skjær økte temperaturen i fresekammeret. I motsetning til dette var LDPE-pellets enkle å behandle gjennom fresing uten bruk av kryogen kjøling. Sammenligningen av d p s for parlamentsmedlemmer viser et større avvik for 250 μm fraksjonen fra den nominelle siktstørrelsen enn 106 μm d p fraksjonen. Begge siktfraksjonene fulgte imidlertid en monodispers normalfordeling (figur 3e, f og tabell 1), noe som tyder på lignende nedbrytningsmekanismer for film- eller pelletsråstoffer. I motsetning til dette resulterte NP-størrelsesanalyse i en bimodal fordeling for PBAT-filmer, tilsvarende en tidligere publikasjon29, og PBAT-pellets med representative størrelsesfordelingstopper ved 50 nm og 107 nm. Pelletsfordelingsdataene viste imidlertid topper på rundt 80 nm og 531 nm, noe som tyder på at sammenbruddet skjer mindre jevnt enn i filmer. Betydningen av den tidligere etablerte metoden ligger i den effektive og rimelige kombinasjonen av behandlingstrinn som kryogen forbehandling, fresing og våtsliping. Partikkelstørrelsesfordelinger for NP fra PBAT-film i denne studien ligner en foreløpig studie utført på NP-dannelsen av biologisk nedbrytbar plast29, som er preget av en bimodal fordeling med partikkelunderpopulasjoner som topper seg ved ~ 50 nm og ~ 200 nm; Sistnevnte resulterte imidlertid i litt mindre partikler (106 nm), som vist i figur 5, basert på høyere antall passeringer (60) i denne studien, sammenlignet med 27 passeringer som tidligere utført av Astner, et al. 29. Denne studien antyder at NP-dannelse avledet fra PBAT-filmer følger de foreløpige studieresultatene.
Ytterligere bevis på robustheten til denne metoden er at den kjemiske sammensetningen ikke endret seg signifikant på grunn av kryogen behandling, fresing og våtsliping (figur 6). I tillegg var forskjellene mellom råstoffer som pellets vs. film (partikkelstørrelsesfordelinger), gjennomsnittlig dp eller formparametere ikke signifikant forskjellig (figur 3 og figur 4). Miljødispergerte MNPs og deres økotoksiske effekter på terrestriske organismer47,48 og marine biota 49,50 har blitt rapportert mye. Imidlertid, mens jord presenterer det mest fremtredende globale miljøreservoaret for MNP-translokasjon, nedbrytning og bioakkumulering, resulterer mangelen på robuste og ensartede analysemetoder for disse materialene i avgjørende risikovurderingskunnskapshull av parlamentsmedlemmer og NP i terrestriske økosystemer51. Følgelig kan fremtidige anvendelser av denne metoden innebære å forberede og karakterisere MNPs av nyutviklede plastmaterialer for landbrukspolymerfilmer (f.eks. PBAT kombinert med lignin) for å vurdere miljøskjebnen og økotoksisiteten til MNPs før markedsintroduksjon. Derfor kan denne protokollen tjene miljøstudier som en standardisert protokoll for generering av parlamentsmedlemmer gjennom kryogen fresing og NP gjennom våtsliping og for dimensjonal og kjemisk karakterisering av de resulterende MNP-ene. I tillegg kan avledede partikler brukes i miljøstudier som skjebne, økotoksisitet, transport og biologisk nedbrytning i terrestriske og marine miljøer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Denne forskningen ble finansiert av Herbert College of Agriculture, Biosystems Engineering and Soil Department, og Science Alliance ved University of Tennessee, Knoxville. Videre anerkjenner forfatterne takknemlig den økonomiske støtten som tilbys gjennom USDA Grant 2020-67019-31167 for denne forskningen. De opprinnelige råstoffene for tilberedning av MNP-er av PBAT-basert biologisk nedbrytbar mulchfilm ble levert av BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, USA) og PBAT-pellets av 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hayes, D. G., et al. Biodegradable plastic mulch films for sustainable specialty crop production. Polymers for Agri-Food Applications. , Springer. Cham. 183-213 (2019).
- Viaroli, S., Lancia, M., Re, V. Microplastics contamination of groundwater: Current evidence and future perspectives. A review. Science of The Total Environment. , 153851 (2022).
- Rillig, M. C., Lehmann, A. Microplastic in terrestrial ecosystems. Science. 368 (6498), 1430-1431 (2020).
- 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).
- 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).
- Hayes, D. G., et al. Effect of diverse weathering conditions on the physicochemical properties of biodegradable plastic mulches. Polymer Testing. 62, 454-467 (2017).
- 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).
- Gigault, J., et al. Current opinion: what is a nanoplastic. Environmental Pollution. 235, 1030-1034 (2018).
- 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).
- 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).
- de Souza Machado, A. A., et al. Impacts of microplastics on the soil biophysical environment. Environmental Science & Technology. 52 (17), 9656-9665 (2018).
- Jacques, O., Prosser, R. A probabilistic risk assessment of microplastics in soil ecosystems. Science of The Total Environment. 757, 143987 (2021).
- 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).
- Wahl, A., et al. Nanoplastic occurrence in a soil amended with plastic debris. Chemosphere. 262, 127784 (2021).
- 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).
- Pironti, C., et al. Microplastics in the environment: intake through the food web, human exposure and toxicological effects. Toxics. 9 (9), 224 (2021).
- Zurier, H. S., Goddard, J. M. Biodegradation of microplastics in food and agriculture. Current Opinion in Food Science. 37, 37-44 (2021).
- Horton, A. A., Dixon, S. J. Microplastics: An introduction to environmental transport processes. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water. 5 (2), 1268 (2018).
- Panno, S. V., et al. Microplastic contamination in karst groundwater systems. Groundwater. 57 (2), 189-196 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Rist, S., Hartmann, N. B. Aquatic ecotoxicity of microplastics and nanoplastics: lessons learned from engineered nanomaterials. Freshwater Microplastics. , Springer. Cham. 25-49 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lionetto, F., Esposito Corcione, C., Rizzo, A., Maffezzoli, A. Production and characterization of polyethylene terephthalate nanoparticles. Polymers. 13 (21), 3745 (2021).
- Dümichen, E., et al. Analysis of polyethylene microplastics in environmental samples, using a thermal decomposition method. Water Research. 85, 451-457 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Eitzen, L., et al. The challenge in preparing particle suspensions for aquatic microplastic research. Environmental research. 168, 490-495 (2019).
- Ekvall, M. T., et al. Nanoplastics formed during the mechanical breakdown of daily-use polystyrene products. Nanoscale advances. 1 (3), 1055-1061 (2019).
- Caldwell, J., et al. Fluorescent plastic nanoparticles to track their interaction and fate in physiological environments. Environmental Science: Nano. 8 (2), 502-513 (2021).
- Zeb, A., et al. Evaluating the knowledge structure of micro-and nanoplastics in terrestrial environment through scientometric assessment. Applied Soil Ecology. 177, 104507 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
