Summary
Vi visar bildandet och dimensionell karakterisering av mikro- och nanoplaster (MP respektive NP) med hjälp av en stegvis process av mekanisk fräsning, slipning och bildanalys.
Abstract
Mikroplaster och nanoplaster som sprids i jordbruksekosystem kan utgöra ett allvarligt hot mot biota i mark och närliggande vattendrag. Dessutom kan kemikalier som bekämpningsmedel som adsorberas av NP skada markorganismer och potentiellt komma in i livsmedelskedjan. I detta sammanhang bidrar jordbruksanvänd plast som plastfilmer avsevärt till plastföroreningar i jordbruksekosystem. De flesta grundläggande studier av öde och ekotoxicitet använder dock idealiserade och dåligt representativa MP-material, såsom polystyrenmikrosfärer.
Därför, som beskrivs häri, utvecklade vi ett flerstegsförfarande i labbskala för att mekaniskt bilda representativa parlamentsledamöter och NP för sådana studier. Plastmaterialet framställdes av kommersiellt tillgängliga plastmassfilmer av polybutyratadipat-co-tereftalat (PBAT) som förspröds genom antingen kryogen behandling (CRYO) eller miljövittring (W) och från obehandlade PBAT-pellets. Plastmaterialen behandlades sedan genom mekanisk fräsning för att bilda MPs med en storlek på 46-840 μm, vilket efterliknade nötning av plastfragment av vind och mekaniska maskiner. Riksdagsledamöterna siktades sedan i flera storleksfraktioner för att möjliggöra vidare analys. Slutligen utsattes siktfraktionen på 106 μm för våtslipning för att generera NP på 20-900 nm, en process som efterliknar den långsamma storleksminskningsprocessen för markbundna parlamentsledamöter. Dimensionerna och formen för parlamentsledamöter bestämdes genom bildanalys av stereomikrografer, och dynamisk ljusspridning (DLS) användes för att bedöma partikelstorlek för NP. Parlamentsledamöter och NP som bildades genom denna process hade oregelbundna former, vilket är i linje med de geometriska egenskaperna hos parlamentsledamöter som återvunnits från jordbruksfält. Sammantaget visade sig denna storleksminskningsmetod vara effektiv för att bilda parlamentsledamöter och NP som består av biologiskt nedbrytbar plast såsom polybutylenadipat-co-tereftalat (PBAT), som representerar mulchmaterial som används för jordbruksproduktion av specialgrödor.
Introduction
Under de senaste decennierna har den snabbt ökande globala produktionen av plast och felaktigt bortskaffande och bristen på återvinning för plastavfall lett till miljöföroreningar som har påverkat marina och terrestra ekosystem 1,2,3. Plastmaterial är viktiga för dagens jordbruk, särskilt för att odla grönsaker, små frukter och andra specialgrödor. Deras användning som mulchfilmer, höga och låga tunnelbeläggningar, dropptejp och andra applikationer syftar till att förbättra avkastningen och kvaliteten, sänka produktionskostnaderna och främja hållbara jordbruksmetoder 4,5. Den växande sysselsättningen av "plastodling" har dock väckt oro över bildandet, distributionen och kvarhållandet av plastbitar i jordbruksmiljöer. Efter en kontinuerlig fragmenteringsprocess orsakad av försprödning genom miljöförstöring under livslängden bildar större plastfragment mikro- och nanoplaster (MNP), som kvarstår i marken eller migrerar till intilliggande vattenvägar via vattenavrinning och vind 6,7,8. Miljöfaktorer som ultraviolett (UV) strålning genom solljus, mekaniska vattenkrafter och biologiska faktorer utlöser plastförsprödning av miljödispergerad plast, vilket resulterar i nedbrytning av större plastfragment till makro- eller mesoplastpartiklar 9,10. Ytterligare defragmentering bildar mikroplaster och nanoplaster, vilket återspeglar partiklar av medelstorlek (nominell diameter; dp) på 1-5000 μm respektive 1-1000 nm. Den övre dp-gränsen för NPs (dvs. en nedre gräns för parlamentsledamöter) är dock inte allmänt överenskommen och i flera artiklar anges detta som 100 nm12.
Multinationella företag från plastavfall utgör ett växande globalt hot mot markhälsa och ekosystemtjänster. Adsorption av tungmetaller från sötvatten av parlamentsledamöter ledde till en 800 gånger högre koncentration av tungmetaller jämfört med den omgivande miljön13. Dessutom utgör parlamentsledamöter i akvatiska ekosystem flera stressfaktorer och föroreningar genom att förändra ljuspenetration, orsaka syreutarmning och orsaka vidhäftning till olika biota, inklusive penetration och ackumulering i vattenlevande organismer14.
Nya studier tyder på att MNP kan påverka markgeokemi och biota, inklusive mikrobiella samhällen och växter15,16,17. Dessutom hotar NPs födoväven17,18,19,20. Eftersom MNP lätt genomgår vertikal och horisontell transport i jord kan de transportera absorberade föroreningar som bekämpningsmedel, mjukgörare och mikroorganismer genom jorden till grundvatten eller akvatiska ekosystem som floder och strömmar21,22,23,24. Konventionell jordbruksplast som mulchfilmer är gjorda av polyeten, som måste tas bort från fältet efter användning och bortskaffas på deponier. Ofullständigt avlägsnande leder dock till betydande ansamling av plastskräp i marken 9,25,26. Alternativt är jordbiologiskt nedbrytbara plastmassor (BDM) utformade för att bearbetas i jorden efter användning, där de kommer att brytas ned med tiden. BDM kvarstår dock tillfälligt i jord och bryts gradvis ned och fragmenteras till parlamentsledamöter och NPs 9,27.
Många aktuella miljöekotoxikologiska och ödesstudier använder idealiserade och icke-representativa parlamentsledamöter och NPs modellmaterial. De vanligaste surrogat-MNP: erna är monodisperse polystyrenmikro- eller nanosfärer, som inte återspeglar de faktiska MNP: erna som bor i miljön12,28. Följaktligen kan valet av icke-representativa parlamentsledamöter och nationella parlament leda till felaktiga mätningar och resultat. Baserat på bristen på lämpliga ΜNPs för markbundna miljöstudier var författarna motiverade att förbereda sådana modeller från jordbruksplast. Vi har tidigare rapporterat om bildandet av MNP från BDM och polyetenpellets genom mekanisk fräsning och slipning av plastpellets och filmmaterial samt de dimensionella och molekylära egenskaperna hos MNPs29. Det aktuella dokumentet innehåller ett mer detaljerat protokoll för beredning av multinationella företag som kan tillämpas bredare på all jordbruksplast, såsom mulchfilmer eller deras pelleterade råvaror (figur 1). Här, för att tjäna som ett exempel, valde vi en mulchfilm och sfäriska pellets av den biologiskt nedbrytbara polymeren polybutylenadipateftalat (PBAT) för att representera jordbruksplast.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bearbetning av mps från plastpellets genom kryogen förbehandling och malning
OBS: Denna metod är baserad på ett förfarande som beskrivs någon annanstans, med användning av en PBAT-film bestående av samma material som användes för denna presenterade studie29.
- Väg polymerpelletsprover på ~ 1 g och överför till en 50 ml glasburk.
- Placera det "rektangulära leveransröret" med en sikt på 20 nät (840 μm) i spåret framför den roterande skärkvarnen och lyft upp leveransröret tills det träffar stoppstiftet.
- Placera glasplattan över fräskammarens yta och säkra den med den justerbara klämman. Placera sedan en 50 ml glasburk under kvarnutloppet (figur 2).
- Placera det glidande sidoarmstödet på kvarnen (placerad på höger ovansida) i mitten av det främre glaset och dra åt med den räfflade bulten. Se till att kvarnens främre glas är ordentligt placerat (figur 2a).
- Sätt in tratten ovanpå kvarnen i öppningen på den övre fräskammaren.
- Anslut en ledningssladd till ett eluttag och trycksladdsbrytaren för att starta kvarndriften.
OBS: För att förhindra störning, mata endast material efter att kvarnen är påslagen och roterande. Använd också ögon- och öronskydd under hela fräsproceduren. - Mata in provet långsamt i behållaren (cirka 10 pellets/min) för att förhindra att det saktar ner eller fastnar. När hörbart brus minskar, lägg till nästa sats pellets (~ 10 stycken). Efter bearbetning av pellets (1 g), tryck på sladdomkopplaren för att stoppa kvarndriften i ~ 20 minuter för att svalna. Använd en träkolv för att mata provet och förhindra att partiklar kastas ut och tätbebyggs inuti matarbehållaren.
VARNING: Den optimala matningshastigheten varierar beroende på typ av bearbetningsmaterial. Stäng omedelbart av kvarnen om bearbetningshastigheten minskar på grund av partikelfriktion i skärkammaren, eller om bildning av smält polymer observeras på glasplattan, för att förhindra överhettning och ytterligare smältning av polymerpartiklarna. - Ta bort leveransröret med 20 maskor (840 μm) och ersätt det med leveransröret på 60 maskor (250 μm) när den första satsen är klar (figur 2b).
- Återinför det insamlade materialet i kvarnbehållaren. Följ steg 1.1 och 1.7 för fräsfraktionen på 250 μm.
- Återmata de uppsamlade 250 μmfraktionerna upp till tre gånger.
- Återvinn de återstående partiklarna i kammaren och tillsätt dem till den uppsamlade huvudfraktionen.
2. Bearbetning av plastfilmer genom kryogen förbehandling och malning
- Hämta ett filmprov från rullen och skär provet i remsor på ~ 120 mm (tvärriktning) x 20 mm (maskinriktning) med en pappersskärare.
- Presoak fragment (~ 1 g) i 800 ml avjoniserat (DI) vatten i 10 min i en 1000 ml glasbägare. Detta steg förbättrar försprödningen för den efterföljande kryogena kylningsproceduren genom att fördyka polymeren.
VARNING: Hantera flytande kväve med säkerhetsutrustning genom att bära kryogena handskar och skyddsglasögon. - Tillsätt långsamt 200 ml flytande kväve (N2) till en kryogen behållare.
- Överför de fördränkta filmpartiklarna försiktigt till den kryogena behållaren med stålpincett. Presoak i 3 min i flytande N2.
- Överför de frysta filmfragmenten till en 200 W, 14-växlad mixer.
- Bearbeta det frusna materialet vid hastighetsnivå 3 i 10 s för att bryta den frusna glasfilmstrukturen. För att främja ytterligare storleksminskning, tillsätt 400 ml DI-vatten och blanda film-vattenuppslamningen i 5 minuter.
- Överför uppslamningen till en Büchnertratt med filter (1 μm nät) och applicera vakuum i minst 1 h.
- Vakuumtorka fasta partiklar vid 30 °C i minst 48 timmar i en aluminiumskål.
- Mata in torra partiklar i kvarnen med pincett. För fräsning, följ steg 1.1-1.11.
3. Bearbetning av plastfilmer förbehandlade genom miljövittring och fräsning
- Lägg ut plastfilmfragment som återvunnits från fältet på en slät yta (labbbänk). Ta försiktigt bort absorberade jordpartiklar och växtrester med den mjuka borsten.
- Skär filmen med sax i ~ 4 cm2 prover på ~ 1,0 g.
- Tillsätt filmfragment i en 1000 ml bägare fylld med 500 ml DI-vatten. Rör om med en hastighet av 300 min-1 med 20 mm omrörningsstång i 1 h.
- Ta bort upplösta jordpartiklar genom att dekantera och återinföra DI-vatten under lätt omrörning av bägaren i ett handfat eller en plasthink . Upprepa detta steg tre gånger. Kontinuerlig omrörning håller jordpartiklar dispergerade i vatten och kan lättare dekanteras.
- Överför prover från bägaren till en aluminiumskål. Lufttorka plastproverna i 12 timmar och överför och torka sedan i vakuumugn i 24 timmar vid 30 °C. För fräsning, följ steg 1.1-1.11.
4. Siktningsförfarande genom kaskadsiktar
- Stapla siktarna (3 tum i diameter) som börjar med pannan i botten, följt av den finaste sikten (#325; 45 μm) och sedan av allt grövre siktar (som #140; 106 μm och #60; 250 μm, där sikten #20; 840 μm är den grövsta) och placera locket ovanpå.
- Montera alla fyra siktarna på skakapparaten genom att sätta in fyra stift i siktskakarens öppningar.
- Överför enskilda fraktioner som samlats in i antingen steg 1, 2 eller 3 ovanpå de fyra kaskadsiktarna. Skaka i 10 min vid 300 min-1.
- Återvinn den större (översta) fraktionen separat, som kommer att utsättas för ytterligare fräsning.
OBS: Justera skakningshastigheten på skakaren efter behov. Alternativt är det möjligt att skaka siktar för hand. Använd endast en sil i taget, börja med sikten #20: håll botten och locket stadigt mot sikten för hand och skaka axiellt och horisontellt i 5 min. - Återinför siktade partiklar av dp > 106 μm till det roterande skärverket enligt beskrivningen i steg 1.6–1.10.
- Återvinn de nedre fraktionerna från pannan och återinför partiklarna till nästa mindre siktstorlek. Upprepa proceduren tills 106 μm partiklar representerar huvudfraktionen.
- Slå samman de uppsamlade 106 μm-fraktionerna och förvara partiklarna i ett torrt område (exsickator eller luftförseglad plastpåse).
OBS: 45 μm-fraktionen är en del av 106 μm-fraktionen; Den tidigare fraktionen isolerades emellertid inte och analyserades separat eftersom avkastningen i allmänhet är mycket låg. Avkastningsåtervinningar och partikelstorleksfraktioner av enskilda fraktioner kan bestämmas genom gravimetriska mätningar i viktprocent för varje siktfraktion (maska #20 - MeSH #325) i förhållande till den ursprungliga matningsfraktionen med användning av en mikrobalans med hög precision.
5. Beredning av vattenhaltig NP-uppslamning för våtslipning
- Bered en uppslamning av parlamentsledamöter dispergerade i DI-vatten genom att tillsätta 800 ml destillerat vatten i 1000 ml glasbägare och sätta in en omrörningsstång (diameter = 8 mm, längd = 50,8 mm).
- För in 8 g av 106 μm plastfraktionen från steg 1, 2, 3 eller 4 i DI-vatten, vilket ger en uppslamning på 1 vikt%.
- Lägg glasbägaren på en omrörningsplatta och rör om magnetiskt i 24 timmar vid 400 min-1 för att blötlägga partiklarna i vatten för att främja partikelmjukning.
- Överför partiklarna till en 1000 ml plastbehållare.
- Fyll ytterligare två 1000 ml plastbehållare med DI-vatten, som kommer att användas för att skölja bort vidhäftande partiklar på kvarnens behållare under slipprocessen.
6. Förberedelse av våtslipmaskinen för NP-produktion
- Placera stenar med en 46-kornig storlek (korn av en slipsten = 297-420 μm) i våtfriktionskvarnen och fäst mittmuttrarna handtätt med en 17 mm skiftnyckel.
- Lägg behållaren ovanpå och fäst de tre muttrarna och bultarna med 17 mm skiftnyckeln.
- Placera en 1 L plastuppsamlingsburk under kolliderarens utlopp. Placera en andra tom 1 L hink bredvid utloppet, som kommer att användas för utbyte under bearbetningen.
- Justera mätavståndet till + 1,0, vilket motsvarar en positiv förskjutning på 0,10 μm från nollläget.
- Slå på strömmen och vrid försiktigt justeringshjulet medurs tills du hör slipstenarna röra vid. Justera sedan den flexibla mätringen till noll och vrid hjulet moturs omedelbart. Som standard justeras hastigheten till 1500 min-1.
OBS: Undvik "torrslipning" av stenarna eftersom detta skapar överdriven värme på slipstenarna. - Vrid justeringshjulet medurs tills stenarna vidrörs och fyll försiktigt vatten-NP-uppslamningen i behållaren. Minska gapet kontinuerligt till en frigångsmätare på -2,0, vilket motsvarar en negativ förskjutning på 0,20 μm från nollläget efter att uppslamningen infördes. Plastpartikel-vattenuppslamningar mellan de två stenskivorna främjar omvandling från parlamentsledamöter till NP och undviker direkt friktion mellan slipstenarna.
- Samla upp flytgödseln genom att byta ut uppsamlingshinkarna när påfyllningsnivån i hinken överstiger 0,5 L.
- Samla och återinför partiklarna i kvarnen mellan 30-60 gånger; Högre pass (antal återintroduktioner) resulterar i mindre partikelstorlekar.
- Tvätta vidhäftande partiklar adsorberade till behållaren med den förberedda DI-vattenflaskan för att möjliggöra lämplig uppslamningsblandning under bearbetningen.
OBS: Insamling av mellanprover under processen är möjlig genom att hålla 20 ml glasflaskor i utloppsströmmen. De enskilda stegen kommer att bedöma partikelfragmenteringsmekanismerna medan processens svårighetsgrad (antal pass) ökar. Åter flytgödseln och rör om i 4 timmar vid 400 min-1 vid 25 °C för god blandning. Låt uppslamningen stå i 48 timmar för att stabiliseras.
7. Återvinning och torkning av NP från flytgödseln
- Isolera bottenfraktionen (eller fasen med den högsta NP-koncentrationen) om flera lager i uppslamningen observeras genom att långsamt hälla uppslamningen i ytterligare 1000 ml glasbägare.
- Överför fraktionerna till centrifugeringsflaskor (50 ml) och centrifugera i 10 minuter (relativ centrifugalkraft [RCF] = 20 x 102 g). RCF (även kallad g-kraft) är den genererade radiella kraften som en funktion av rotorradien och rotorhastigheten, vilket orsakar separation av de tyngre partiklarna och uppslamningens vatten.
- Ta bort det transparenta toppskiktet genom att dekantera det i en separat aluminiumpanna.
- Överför det återstående bottenskiktet (innehållande en NP-uppslamning) till en extra aluminiumskål och placera det i en vakuumugn vid 30 °C i 48 timmar.
- Återvinn torkat material med en spatel under en dragskåp eller handskfack medan du bär en andningsmask. Överför det torkade innehållet till en 100 ml glasbehållare och försegla med lock.
- Innehåller NP i en injektionsflaska och förvarar dem på en lufttät, torr och sval plats (t.ex. en exsickator).
OBS: MNP som släpps ut i miljön under tillverkningsprocessen (här, antingen under våtslipningsprocessen eller som torkade partiklar) kan utgöra ett allvarligt hot mot akvatiska och terrestra ekosystem. I synnerhet är regleringsåtgärder utformade för att minimera risken för deras produktion och användning för konstruerade nanomaterial30. Därför kräver bildandet av MNP: er specifika försiktighetssteg som materialhantering i en dragskåp eller handskfack. Dessutom kommer vattenhaltiga avfallslösningar som bildas under isoleringen av NP (steg 6.7-6.9) att bli föremål för ett förfarande för bortskaffande av uttjänta produkter som utförs av avdelningen för miljöhälsa och säkerhet.
8. MP-avbildning via stereomikroskopi
- Sprid ~ 20 mg partiklar (uppsamlade i steg 4) på en yta av ytan ~ 4 cm2. Sprid vita eller genomskinliga parlamentsledamöter på en mörk yta och sprid svarta eller mörkfärgade parlamentsledamöter på en vit bakgrund (pappersark) för att maximera bakgrundskontrasten.
- Justera mikroskopet till den lägsta förstoringen för att fånga största möjliga yta (mitten av partikelområdet). Rikta sedan den externa lampan till fokuscentret för att uppnå belysning på de intressanta regionerna.
- Applicera en förstoring som möjliggör detektering av > 50 partiklar i mitten av synfältet. Detta belopp rekommenderas för att få robusta statistiska utvärderingsresultat.
- Fokusera på områden med ingen eller mindre partikelöverlappning och bra färgkontrast.
- Ta minst fem representativa bilder genom att fokusera på de yttre partikelformerna. Den lokala datorn som används för avbildning sparar högupplösta bilder som en bitmapp i programvaran.
- Spara stereomikroskopet inspelade bilder i ett filformat som känns igen av ImageJ (bitmapp, tiff eller jpeg) för följande kvantitativa dataanalys.
OBS: Ta en referensbild med de exakta förstoringsinställningarna för vilka huvudbilden togs med hjälp av en linjal eller något annat referensobjekt som spelats in i bilden. Denna procedur möjliggör enkel kalibrering av bilderna när du förbereder och analyserar genom ImageJ-programvaran.
9. Bildanalys genom ImageJ
- Öppna ImageJ-programvara31 och förbered filimport genom att ange (CTRL + L) för att öppna Command finder. Ange sedan Bio-Formats i det nedre högra hörnet. Denna funktion aktiverar menysökvägen Fil > Importera > Bio-format (> hänvisar till navigeringssteg i programvaran). Sök efter katalogen över lagrade bildfiler.
Om Bio-Formats-paketet inte visas i kommandosökaren söker du online under Bio-Formats ImageJ. Följ instruktionerna för nedladdning och installation av ImageJ. Bio-Format-importören möjliggör enkel hantering av import/export av bildfiler i ImageJ och sökning efter kommandon. - Öppna bilden (alternativt importera bioformat enligt beskrivningen i steg 9.1) genom att klicka på Arkiv > Öppna > välj partikelbild på filplatsen som samlades in i steg 4.7 och linjalreferensbilden som beskrivs i steg 1.6. Vi rekommenderar att du skapar en dubblettbild genom att klicka på Skift + Kommando + D för att jämföra med originalbilden samtidigt som du justerar tröskelinställningarna för kopieringsbilden.
Kommandot File > Open öppnar olika format som stöds av ImageJ enligt beskrivningen i steg 8.7. Alternativt kan du välja bildplatsen på datorn och dra och släppa filen i huvudstatusfältet för ImageJ-fönstret. Bildfilen öppnas automatiskt i ett separat fönster. - Zooma in och ut till bilden med CTRL + respektive CTRL -.
- Ange måtten genom att klicka på Analysera > Ange mått och välj sedan Områdes - och formbeskrivningar som standardvärden.
- Definiera skalstrecket genom att rita en linje rakt över skalstreckets längd med hjälp av linjalreferensbilden enligt beskrivningen i steg 8. Tryck på Analysera > Ställ in skala och ange det numeriska värdet för stapellängden under Känt avstånd och enheten för motsvarande längd.
- Visualisera skalstrecket på bilden genom att klicka på Analysera > verktyg > skalstreck och justera inställningar som att visa skarp kontrast på bilden. Välj en position på bilden där skalstrecket ska placeras för inställningar för skalstreck. Välj Bredd om du vill justera stapeln i kalibrerade enheter, Höjden på stapeln i pixlar och Teckenstorlek på skalstrecksetiketten. Välj bakgrund för att justera fyllningsfärgen för etiketttextrutan.
OBS: För mikrometrar är inmatningen av μm tillräcklig; Programmet anpassar μm automatiskt i datautgången. - Omvandla bilden till en 8-bitarsbild genom att välja Bild > Skriv > 8-bitars.
- Konvertera den kopierade bilden till 8-bitars genom att välja Bild > Skriv > 8-bitars.
- Justera genom att välja Bild > Justera > tröskelvärde > Ange (jämför storlek med originalbilden).
- Bestäm vilka mätningar som ska göras genom att välja Analysera > Ange mått.
- Välj Analysera partiklar > 0 oändlighet, klicka på Visa resultat och visa på plats.
- Lagra ROI-resultaten (.zip) under Spara mått och Välj mapp.
- Spara resultat (*.csv) under Arkiv > Spara som > Välj mapp.
10. Partikeldiameter (dp) och formfaktorberäkning i kalkylprogram
OBS: Kunskap om partikeldiameter och formfaktorer är avgörande för partikelbeteende (öde, transport) i miljön och bestämning av ytarea. Därför är geometri viktigt när riksdagsledamöter används för miljöstudier. Till exempel observerades olika interaktionsmekanismer med jord beroende på parlamentsledamöternas storlek och former, såsom MP-MP och MP-jordtätorter, som påverkar partikelrörelsen i jord15,32. Därför föreslås följande steg för att bestämma d p-partikelstorleksfördelningen och geometriska parametern.
- Importera motsvarande *.csv fil som erhållits och sparats från ImageJ-analys (steg 9.13) till kalkylprogrammet.
OBS: De numeriska värdena i varje kolumnrad återspeglar individuella beräkningar för varje partikel enligt ekvation 1 och ekvation 2. - Utvärdera parametervärdena för medelform, till exempel circularity (CIR) och aspect ratio (AR) genom att ange = average (x,y) längst ned i varje kolumn, där x representerar den första raden och y sista raden i kolumnen, och tryck sedan på Retur. CIR-värdena beskriver förhållandet mellan det projicerade området och den perfekta cirkeln med en enskild partikels CIR = 1 (ekvation 1). AR representerar förhållandet mellan partikellängd och bredd som beskrivs i ekvation 2.
- Bestäm om medelvärdet AR < 2,5 och beräkna sedan dp-värden i en ny kolumn med ekvation 3. Om AR ≥ 2,5, beräkna sedan dp-värden som återspeglar ekvation 4. Lägg till en ny kolumn för att beräkna dp baserat på områdeskolumnen som tas emot från ImageJ-utdata.
OBS: Valet av AR-tröskelvärden ≥ 2,5 representerar mer rektangulära partiklar, medan AR < 2,5 återspeglar mer rundformade partiklar. Detta val gör det möjligt att minimera dp-beräkningsfelet som härrör från det område som mäts med mikroskopi och bestäms genom ImageJ.
(1)
(2)
(3)
(4)
11. Statistisk analys för parlamentsledamöter och nationella parlament
- Öppna datafilen *.csv med statistikprogramvaran efter Fil > Öppna > Välj filplats för motsvarande fil som skapades i steg 9.13.
OBS: Alternativt kan tabellen överföras direkt via copy-paste-funktionen till statistikprogramvaran. Se materialförteckningen för varumärket och versionen av statistikprogrammet Redigera > klistra in med kolumnnamn. - Utvärdera dp-data genom att välja Analysera > distribution.
- Välj dp, som återspeglar kolumnens data, dra och släpp i Y-kolumner och tryck på OK-knappen. Den här funktionen skapar ett histogram med statistiska utdata inklusive sammanfattningsstatistik, medelvärde och Std Dev-värden i ett separat fönster.
- Utvärdera om histogrammet följer en normalfördelning (eller den bästa passformen för d p) med den bästa passformskurvan genom att välja triangeln bredvid dp > Kontinuerlig anpassning och välj sedan den mottagna kurvan som den bästa passformen (till exempel Fit Normal). Detta steg överlagrar histogrammet med en normalt fördelad passform.
- Bestäm och rapportera medelvärdes- och standardavvikelsevärdena från den sammanfattande statistikutmatningen för parametervärdena för genomsnittlig form för cirkularitet (Cir), bildförhållande (AR), rundhet (rund) och soliditet (Sol).
OBS: En statistisk signifikansnivå på α = 0,05 rekommenderas och användes för alla utvärderingar. Signifikansnivån är sannolikheten för att avvisa nollhypotesen när den är sann när man jämför numeriska resultat.
12. Bästa passformen för dp-storleksfördelning och partikelformfaktorer
- Ladda datauppsättningen i statistisk programvara och använd samma *.csv datauppsättning för fördelningen av dp som beräknats i steg 10.
- Välj Analysera > tillförlitlighet och överlevnad > livsfördelning.
- Dra kolumnen dp till fältet Y, Tid till händelse och välj OK. Den här funktionen skapar utdata med ett sannolikhetsdiagram som en funktion av dp.
- Bestäm den optimala fördelningen under Jämför distributioner genom att markera Nonparametric, Lognormal, Weibull, Loglogistics och Normal.
- Utvärdera kvaliteten på modellen som passar av de lägsta numeriska värdena för Akaikes och Bayesianska informationskriterier (AIC respektive BIC) i jämförelsetabellen för statistikmodell under diagrammet med de lägsta BIC-numren . Den bäst passande modellen presenteras som standard i första raden. Parametriska eller icke-parametriska uppskattningsutdatafält för varje distributionsutvärdering finns under diagrammet Jämför fördelningar .
- Spara utdataskriptet i datatabellen genom att välja den röda listrutetriangeln i det övre vänstra hörnet genom att spara skript > datatabell. Spara sedan den ursprungliga datatabellen på önskad filplats genom att välja Arkiv > Spara som > *.jmp.
13. Dimensionell karakterisering av NP genom dynamisk ljusspridning
- Starta programvaran för dynamisk ljusspridning (DLS) genom att dubbelklicka på skrivbordsikonen. Välj Arkiv > Ny > SOP. Lägg till provnamn och välj materialbrytningsindex till 1,33 för destillerat vatten och 1,59 för polymerer33 i DLS-programvaran under Provinställning. Välj Material i rullgardinsmenyn och klicka sedan på OK.
OBS: Genom att klicka på rullgardinsmenyn öppnas Materialhanteraren, som erbjuder att lägga till nya prover eller ändra befintliga prover genom att ändra brytningsindex och absorption. Välj som dispergeringsmedel Vatten. - Markera rätt cell under Cell > celltyp och välj Rapporter för att avgöra vilka utdata som ska presenteras efter varje mätning.
- Starta instrumentet genom att stänga instrumentlocket och slå på systemet genom att stänga locket (om det är öppet) och trycka på ON-knappen . Vänta efter det första pipet och vänta cirka 30 minuter för att möjliggöra stabilisering av strålen.
- Vänta tills initialiseringsrutinen är klar och vänta på ett andra pipljud, vilket indikerar att den förinställda temperaturen (vanligtvis 25 °C) har uppnåtts.
- Bered ett provuppslamning av NPs (som mottagits i steg 7) och DI-vatten i en 15 ml injektionsflaska vid ~ 0,1 wt% koncentration genom magnetisk omrörning i ~ 1 h för att tillåta att blandas väl.
- Skaka uppslamningen innan du överför ~ 1,0 ml till 4,5 ml kvartskuvett och öppna locket. Sätt sedan försiktigt in provcellen i provhållaren på DLS-instrumentet.
Anmärkning: Bered tre prover från samma uppslamningsparti i samma koncentration som beskrivs i steg 13.5. - Utför tre mätningar (urval i DLS-programvaran) för varje prov. Mellan mätningarna, ta bort provcellen och skaka försiktigt proverna i 5 s för att möjliggöra blandning av provet.
- Extrahera och exportera data via DLS-programvaran, överför datauppsättningen till kalkylprogrammet och skapa histogram för parlamentsledamöter och NP enligt beskrivningen i steg 11.1–11.5 (bild 1). Kopiera antingen en tabell eller ett diagram från fliken Postvy genom att välja Redigera-kopiera, som kan klistras in i ett annat program, till exempel kalkylbladsprogrammet.
14. Kemisk analys av MNP med fouriertransformationsinfraröd (FTIR) spektrometri-dämpad totalreflektans (ATR)
OBS: Kemiska analyser av MNP med Fourier transformation infraröd (FTIR) och kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopier är väl lämpade verktyg för att bedöma effekten av våtslipning på kemiska bindningsegenskaper, liksom de relativa mängderna av huvudkomponenter respektive polymerernas monomera beståndsdelar10. Dessutom kan termiska egenskaper och stabiliteten hos MNP: s polymera beståndsdelar bedömas genom differentiell skanningskalorimetri (DSC) respektive termogravimetrisk analys (TGA)29.
- Rengör detekteringssystemet (ATR-kristallytan) med etanol och en luddfri trasa.
- Starta programvaran och tryck på Bakgrundsknapp i kommandofältet för att utföra en bakgrundsskanning i luften genom att rensa instrumentstrålevägen. Bakgrundsspektrumet visas strax efter insamlingen.
- Ange exempel-ID och provbeskrivning i verktygsfältet för instrumentinställningar.
- Justera spektralvågnumret mellan 4000 cm-1 och 600 cm-1 och välj en upplösning på 2,0 cm-1 i absorbansläge. Välj 32 skanningar per spektrum och starta.
- Placera ett plastprov (~ 20 mg eller ~ 1-3 mm3) av MPs (106 μm) och NPs (~ 300 nm) inuti en stålbricka med en innerdiameter på ~ 10 mm, eller motsvarande, på kristallytan.
OBS: Brickan förhindrar spridning på kristall när provhållaren komprimerar provet, vilket resulterar i materialinhomogeniteter och databias på grund av inkonsekventa mätningar. - Placera brickan i mitten av ATR-kristallen och tillsätt polymerprovet i mitten av brickans öppning med en spatel.
- Vrid provspaken ovanför in i mitten av provet och vrid vredet medurs genom att övervaka kraftmätarkraften mellan 50 och 90. Provet visar de preliminära spektra. Tryck på knappen Skanna en andra gång för att samla spektrumet.
- Samla mellan 8-10 spektra genom att klicka på knappen Skanna och blanda proverna noggrant efter varje mätning med en spatel för att möjliggöra insamling av representativa resultat.
- Klicka på mappen Exempelvy i Datautforskaren för att visa alla insamlade exempel överlagrade i visningsområdet. Ta först bort väsentligt avvikande spektra som representerar extremvärden. Välj sedan antingen Absorbans - eller Transmittansläge i verktygsfältet.
- Spara spektra genom att välja mappen Exempelvy som innehåller spektra och välja Spara som på arkivmenyn. Dialogfönstret aktiverar filnamnet, målkatalogen och standardplatsändringen för alla spektra.
OBS: Alternativt kan spektra sparas som en *.sp-fil genom att välja ett spektrum och högerklicka för att visa det binära alternativet. Välj Spara binär och bläddra i den slutliga Spara-platsen. - Utför baslinjekorrigering och genomsnittlig normalisering genom att välja ett enda spektrum i Datautforskaren genom att välja Bearbeta > normalisering på menyn antingen via programvaran eller i nästa steg.
OBS: Genomsnittlig normalisering kompenserar för spektralfel på grund av tjockleken eller materialvariationen i provet. - Rengör kristallområdet med etanol och luddfri trasa när datainsamlingen är klar.
- Tolka skillnader mellan parlamentsledamöter och NP enligt tilldelade FTIR-vibrationsband, tilldelade och utvärderade i en tidigare publikation10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För att validera den experimentella procedurmetoden och analysen bildades parlamentsledamöter och NP av pellets och filmmaterial och jämfördes efter storlek och form med hjälp av mikroskopiska bilder. Den metod som beskrivs i figur 1 bildade effektivt parlamentsledamöter och nonylfenoletoxilat av biologiskt nedbrytbara plastpellets och plastfilmer. Detta uppnåddes genom kryogen kylning, fräsning och våtslipning och karakterisering. Det förra steget var onödigt för miljövätta filmer eftersom vittring framkallade försprödning (Astner et al., opublicerad). Pellets utsattes också direkt för fräsning utan kryogen förbehandling. Efter fräsning fraktionerades partiklar genom siktning i fyra storleksfraktioner: 840 μm, 250 μm, 106 μm och 45 μm, enligt beskrivningen i protokollsteg 4. De tre sistnämnda fraktionerna bestod enbart av riksdagsledamöter. Därefter bedömdes partikelkarakterisering för varje fraktion genom att bestämma fördelningen av storlek (dp) och formfaktorer (dvs. cirkularitet och bildförhållande) för insamlade stereomikroskopiska bilder med hjälp av ImageJ-programvara enligt steg 8.1-8.6. Exempel på bilder som erhållits med ett stereomikroskop visas för siktfraktionen på 106 μm för PBAT-pellets (figur 3a,c) och 250 μm siktfraktion, och för oväderbiten PBAT-film behandlad med kryogen exponering (figur 3b,d).
Statistisk analys av partikeldimensioner indikerade ett medelvärde dp som var 41 μm mindre än den nominella siktstorleken (106 μm) för PBAT-pelleten och 137 μm mindre för PBAT-filmen (250 μm nominell storlek), vilket tyder på att den mindre siktfraktionen representerar en mer homogen partikelstorleksfördelning (tabell 1). Denna observation bekräftades också av ett större värde i cirkularitet och lägre bildförhållanden (vilket tyder på mer rundformade partiklar) för de bearbetade pelletsen jämfört med filmmaterialet, vilket kan hänföras till utgångsmaterialens olika egenskaper (densitet). En normalfördelning var den bästa modellen för att beskriva partikelstorleksfördelningen för båda fraktionerna. För att bestämma cirkularitet och bildförhållande var dock Weibull- och Lognormal-modellerna optimala (figur 4a-d; Tabell 1). För båda råvarorna bildades NPs en våtmalningsprocess på de 106 μm MP siktfraktionerna, och deras partikelstorleksfördelning mättes via DLS. Numerisk analys visade en bimodal partikelstorleksfördelning för NP som produceras från båda råvarorna (figur 5). Huvudpartikelpopulationerna för NP från PBAT-pellets var vid ~ 80 nm och 531 nm, och motsvarande värden för antalstäthetsfrekvens (NDF) var 25% respektive 5%. Å andra sidan hade NPs härledda från PBAT-filmer storleksmaxima vid ~ 50 nm och 106 nm, med motsvarande NDF-värden på 11% respektive 10%. Observationerna tyder på att NPs från PBAT-pellets gav mer enhetliga dp-värden (~ 50-110 nm) än PBAT-filmer; emellertid samexisterade också en partikeldelpopulation mellan 300 nm och 700 nm, med ett maximum vid 531 nm, (figur 5).
PBAT-filmens kemiska bindningsegenskaper utvärderades med FITR-spektroskopi. Spektra visade endast mindre förändringar på grund av fräsning för parlamentsledamöter och våtslipning för NP i regionerna mellan 1300 och 700 cm-1. Emellertid observerades en signifikant minskning av C-O-sträckningen av stärkelse, vilket återspeglar absorbansen hos stärkelsekomponenten10, för mulchfilmen. Mindre förändringar observerades dock för banden som representerar PBAT, såsom C-H och C-O-sträckning, mellan 1800 cm-1 och 1230 cm-1, vilket tyder på obetydliga förändringar i strukturen för polyestern som tillskrivs våtslipningsprocessen (figur 6).
Figur 1: Flödesschema för att bilda och karakterisera mikro- och nanoplaster. Representationen visar bildningsprocessen och den efterföljande geometriska och kemiska partikelutvärderingen. Geometriska egenskaper bestämdes genom att kombinera stereomikroskopi och bildanalys (ImageJ), följt av en numerisk statistisk analys. Kemisk karakterisering såsom molekylär bindning genomfördes genom Fouriertransformationsinfraröd spektrometri med hjälp av dämpad totalreflektans (FTIR-ATR). Polymerernas molekylära struktur kan bedömas genom kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi som en komplementär metod (beskrivs inte i denna studie). För varje steg markeras viktiga punkter i följande procedur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Roterande skärverksapparat. Bilder av a) den roterande kvarnenheten inklusive matningsbehållaren, den främre glasplattan och siktspåret; b) Individuella leveransrör med siktstorlekarna #20 (840 μm) och #60 (250 μm) skall monteras i kvarnens siktspår med början i det grövre. och (c) dubbelskikts glasplatta är fäst på slipkammarens framsida. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Stereomikrografer av mikroplaster, inklusive programvarubearbetade bilder. Bilderna var av parlamentsledamöter härledda från (a) PBAT-pellets (106 μm siktfraktion) och (b) PBAT-film (250 μm siktfraktion) framställda genom kryogen exponering följt av mekanisk malning. En svart bakgrund valdes för avbildning av vita PBAT-partiklar (a) och en vit bakgrund valdes för en svart PBAT-film (b). Motsvarande bilder bearbetades av ImageJ-programvara31 (c) respektive (d). En bäst lämpad modell för fördelningen av dp, avbildad i histogram av partiklar härledda från stereografer av (e) PBAT-pellets och (f) PBAT-film, representeras av en normalfördelning. Felstaplar återspeglar en standardavvikelse. Ett stereomikroskop samlade stereomikrografer med ett integrerat kamerahuvud. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Histogram för partikelformfaktorfördelning med överlagrad bästa kurvpassning. Bilden representerar parlamentsledamöter: (a) cirkularitet och (c) bildförhållande för PBAT-pellets och (b) cirkularitet och (d) bildförhållande för PBAT-film, baserat på ImageJ-analys31. Stereomikrografer är baserade på två siktfraktionspartiklar av PBAT-pellets (106 μm) och PBAT BDM MPs (250 μm). Numerisk analys utfördes i den statistiska programvaran, V 15. Stereografer och histogram representerar motsvarande bilder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Histogram över partikelstorlek (dp) för NP. Figuren representerar partikelfördelningar härledda från PBAT-film och PBAT-pellets bildade från våtslipningsbehandlingen av 106 μm MP-siktfraktionen. Kurvor representerar två-parameter Weibull-modell passar till storleksfördelning, utförd med hjälp av statistisk programvara. Datamätningar utfördes med dynamisk ljusspridning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Representativa FTIR-spektra för MNP-jämförelse mellan olika bearbetningssteg. Figuren visar jämförelsen mellan de ursprungliga förhållandena för PBAT-filmen, PBAT-MPs och PBAT-NPs. PBAT-filmen behandlades kryogent före mekanisk malning av mps bestående av 106 μm siktfraktion av torrmalen plast; NPs producerades genom våtslipning av 106 μm siktfraktion MPs efter torrmalning och siktning. Spektraldata samlades in med hjälp av en spektrometer försedd med en diamantdämpad totalreflektans (ATR) -fäste. Spektraldataanalys utfördes med hjälp av FTIR-spektrumanalysprogramvara. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| PBAT pellets | PBAT-film | |
| Siktfraktion, μm | 106 | 250 |
| Normal dp, μm | 65 | 113 |
| Std Dev, μm | 24 | 58 |
| Cirkularitet | 0.68 | 0.47 |
| Bildförhållande | 1.73 | 2.33 |
| Bästa passform, dp | Normal | Normal |
| Bästa passform, cirkularitet | Weibull | Weibull |
| Bästa passform, bildförhållande | Lognormala | Lognormala |
| N | 83 | 125 |
Tabell 1: Representativ partikelstorlek och formparametrar. Resultaten härleddes från statistisk analys för mps bearbetade från PBAT-pellets och PBAT-film som visas i figur 3 och figur 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna metod beskriver en effektiv process som ursprungligen beskrevs i en tidigare publikation29, för att förbereda MNP som kommer från pellets och mulchfilmer för miljöstudier. Storleksminskningsprocessen involverade kryogen kylning (endast för film), torrfräsning och våtslipningssteg för att tillverka modell-MNP: er. Vi har tillämpat denna metod för att framställa MNP från ett brett spektrum av polymera råvaror, inklusive lågdensitetspolyeten (LDPE), polybutyratadipat-co-tereftalat (PBAT) och polymjölksyra (PLA)29 (Astner et al., manuskript under beredning). För LDPE kan dock endast pellets fungera som råmaterial. mulchfilmer kunde inte bearbetas på grund av ett förstärkningsnät som införlivades i filmen under dess extrudering, som beskrivits i en tidigare publikation29.
Kritiska steg inom protokollet involverar a) kryogen förbehandling, vilket ger försprödning av den allmänt flexibla filmen, b) fräsning för att simulera den mekaniska påverkan genom jordbruksmetoder (plöjning, jordbearbetning) och c) våtslipning, efterliknar miljöskjuvningshändelserna mellan MP-jordkollisioner. MNP som bildas genom denna metod är mer benägna att representera partiklar som förekommer i jordbruksmark än polystyrenmikro- och nanosfärer. De senare används dock ofta som konstruerade modellmaterial i miljöstudier som undersöker påverkan på markmikrobiella samhällen 34,35,36, växter 37 och markfauna 38.
Olika metoder har genererat surrogat-NP, inklusive kryogen fräsning och slipning med roterande och kulkvarnar 39,40,41,42. Dessutom användes ofta fräsning i kombination med flytande kväve för att bilda MNP 40,41,42,43,44,45. Däremot användes ett ultracentrifugalt torrfräsningsförfarande (utan kryogen behandling) i kombination med våtkulfräsning för att generera MPs respektiveNPs 39. Däremot använder metoden som beskrivs i detta dokument en billig kombination av kryogen blötläggning-blandning-fräsning-slipning för att generera MNP från plastfilmer för att efterlikna miljöpåverkan som vittring och mekaniska skjuvkrafter. Därför jämförde en nyligen genomförd studie de mekaniska och kemiska egenskapsförändringarna mellan kryogent bildade miljövädrade jordbruksplastfilmer. Resultaten visade statistiskt signifikanta skillnader i geometriska egenskaper, fysikalisk-kemiska egenskaper och biologisk nedbrytbarhet hos de bildade MNP: erna (Astner et al., opublicerad).
En begränsning av den mekanisk-kryogena fräsningsmetoden är det relativt låga siktningsutbytet efter det första fräsningspasset (~ 10 wt%) av fraktioner <840 μm, vilket kräver ytterligare två pass, vilket resulterar i en längre bearbetningstid jämfört med de större fraktionerna på >840 μm29. Eftersom utbytet på 46 μm är mellan 1 och 2 viktprocent, användes partikelfraktionen på 106 μm för våtslipningsförfarandet för att bilda NP. Dessutom kan friktion under fräsningsprocessen leda till överhettning av bearbetningskammaren, vilket resulterar i agglomerering och termisk nedbrytning av partiklar eller filmfragment under fräsningsprocessen, vilket beskrivs i andra studier29,46. En ytterligare begränsning av den kryogena fräsningsmetoden som beskrivs i detta dokument är den begränsade tillämpningen för plast som LDPE-filmer eller PBS-pellets med dåliga termiska egenskaper (dvs. låga glasövergångstemperaturer). Den tidigare plasten var omöjlig att comminut på grund av den fibrösa strukturen hos LDPE-filmer. Dessutom täppte den senare till kvarnen, eftersom mekanisk skjuvning ökade temperaturen i fräskammaren. Däremot var LDPE-pellets lätta att bearbeta genom fräsning utan användning av kryogen kylning. Jämförelsen av d p s för parlamentsledamöter visar en större avvikelse för 250 μm-fraktionen från den nominella siktstorleken än 106 μm dp-fraktionen. Båda siktfraktionerna följde dock en normalfördelning med monodispers (figur 3e,f och tabell 1), vilket tyder på liknande nedbrytningsmekanismer för film- eller pelletsråvaror. Däremot resulterade NP-storleksanalys i en bimodal distribution för PBAT-filmer, på samma sätt som en tidigare publikation29, och PBAT-pellets med representativa storlekstoppar vid 50 nm och 107 nm. Pelletsfördelningsdata uppvisade dock toppar vid cirka 80 nm och 531 nm, vilket tyder på att nedbrytningen sker mindre enhetligt än i filmer. Betydelsen av den tidigare etablerade metoden ligger i den effektiva och billiga kombinationen av bearbetningssteg som kryogen förbehandling, fräsning och våtslipning. Partikelstorleksfördelningar för NP från PBAT-film i denna studie liknar en preliminär studie utförd på NP-bildningen av biologiskt nedbrytbar plast29, som kännetecknas av en bimodal fördelning med partikelunderpopulationer som toppar vid ~ 50 nm och ~ 200 nm; det senare resulterade dock i något mindre partiklar (106 nm), som visas i figur 5, baserat på det högre antalet pass (60) i denna studie, jämfört med 27 pass som tidigare utförts av Astner, et al. 29. Denna studie tyder på att NP-bildning som härrör från PBAT-filmer följer de preliminära studieresultaten.
Ytterligare bevis på robustheten hos denna metod är att den kemiska sammansättningen inte förändrades signifikant på grund av kryogen behandling, fräsning och våtslipning (figur 6). Dessutom skilde sig skillnaderna mellan råvaror som pellets kontra film (partikelstorleksfördelningar), genomsnittlig dp eller formparametrar inte signifikant (figur 3 och figur 4). Miljöspridda MNP och deras ekotoxiska effekter på landlevande organismer47,48 och marina biota 49,50 har rapporterats i stor utsträckning. Även om marken utgör den mest framträdande globala miljöreservoaren för multinationell translokation, nedbrytning och bioackumulering, resulterar bristen på robusta och enhetliga analysmetoder för dessa material i avgörande kunskapsluckor i riskbedömningen av parlamentsledamöter och nationella parlament i terrestra ekosystem51. Följaktligen kan framtida tillämpningar av denna metod innebära beredning och karakterisering av MNP av nyutvecklade plastmaterial för jordbrukspolymerfilmer (t.ex. PBAT i kombination med lignin) för att bedöma MNP: s miljöpåverkan och ekotoxicitet före marknadsintroduktion. Därför kan detta protokoll tjäna miljöstudier som ett standardiserat protokoll för att generera parlamentsledamöter genom kryogen fräsning och NP genom våtslipning och för dimensionell och kemisk karakterisering av de resulterande MNP: erna. Dessutom kan härledda partiklar användas i miljöstudier som öde, ekotoxicitet, transport och biologisk nedbrytning i land- och havsmiljöer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Denna forskning finansierades av Herbert College of Agriculture, Biosystems Engineering and Soil Department och Science Alliance vid University of Tennessee, Knoxville. Dessutom erkänner författarna tacksamt det ekonomiska stödet som tillhandahålls genom USDA Grant 2020-67019-31167 för denna forskning. De ursprungliga råvarorna för beredning av MNP av PBAT-baserad biologiskt nedbrytbar mulchfilm tillhandahölls vänligen av BioBag Americas, Inc.
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).
