Vi viser dannelsen og dimensionel karakterisering af mikro- og nanoplastik (henholdsvis parlamentsmedlemmer og NP’er) ved hjælp af en trinvis proces med mekanisk fræsning, slibning og billedanalyse.
Mikroplast (parlamentsmedlemmer) og nanoplast (NP’er) spredt i landbrugsøkosystemer kan udgøre en alvorlig trussel mod biota i jord og nærliggende vandveje. Derudover kan kemikalier som pesticider adsorberet af NP’er skade jordorganismer og potentielt komme ind i fødekæden. I denne sammenhæng bidrager landbrugsudnyttede plastmaterialer såsom plastmuldfilm væsentligt til plastforurening i landbrugets økosystemer. Imidlertid anvender de fleste grundlæggende undersøgelser af skæbne og økotoksicitet idealiserede og dårligt repræsentative MP-materialer, såsom polystyrenmikrosfærer.
Derfor, som beskrevet heri, udviklede vi en flertrinsprocedure i laboratorieskala til mekanisk at danne repræsentative parlamentsmedlemmer og NP’er til sådanne undersøgelser. Plastmaterialet blev fremstillet af kommercielt tilgængelige plastmuldfilm af polybutyratadipat-co-terephthalat (PBAT), der blev broderet gennem enten kryogen behandling (CRYO) eller miljøforvitring (W) og fra ubehandlede PBAT-pellets. Plastmaterialerne blev derefter behandlet ved mekanisk fræsning til dannelse af parlamentsmedlemmer med en størrelse på 46-840 μm, hvilket efterlignede slid af plastfragmenter ved vind og mekaniske maskiner. Parlamentsmedlemmerne blev derefter sigtet i flere størrelsesfraktioner for at muliggøre yderligere analyse. Endelig blev sigtefraktionen på 106 μm udsat for vådslibning for at generere NP’er på 20-900 nm, en proces, der efterligner den langsomme størrelsesreduktionsproces for jordbaserede parlamentsmedlemmer. Dimensionerne og formen for parlamentsmedlemmer blev bestemt gennem billedanalyse af stereomikrografer, og dynamisk lysspredning (DLS) blev anvendt til at vurdere partikelstørrelse for NP’er. Samlet set viste denne størrelsesreduktionsmetode sig effektiv til dannelse af parlamentsmedlemmer og NP’er sammensat af bionedbrydelig plast såsom polybutylenadipat-co-terephthalat (PBAT), der repræsenterer mulchmaterialer, der anvendes til produktion af landbrugsspecialafgrøder.
I de seneste årtier har den hurtigt stigende globale produktion af plast og forkert bortskaffelse og manglende genanvendelse af plastaffald ført til miljøforurening, der har påvirket marine og terrestriske økosystemer 1,2,3. Plastmaterialer er afgørende for moderne landbrug, især for at dyrke grøntsager, små frugter og andre specialafgrøder. Deres anvendelse som mulchfilm, høje og lave tunnelbelægninger, dryptape og andre applikationer sigter mod at forbedre afgrødeudbyttet og kvaliteten, sænke produktionsomkostningerne og fremme bæredygtige landbrugsmetoder 4,5. Den voksende anvendelse af “plasticulture” har imidlertid rejst bekymringer om dannelse, distribution og opbevaring af plaststykker i landbrugsmiljøer. Efter en kontinuerlig fragmenteringsproces forårsaget af brude gennem miljøforringelse i løbet af levetiden danner større plastfragmenter mikro- og nanoplastik (MNP’er), som fortsætter i jorden eller migrerer til tilstødende vandveje via vandafstrømning og vind 6,7,8. Miljøfaktorer såsom ultraviolet (UV) stråling gennem sollys, mekaniske kræfter af vand og biologiske faktorer udløser plastisk nedbrydning af miljømæssigt spredt plast, hvilket resulterer i nedbrydning af større plastfragmenter i makro- eller mesoplastpartikler 9,10. Yderligere defragmentering danner mikroplast (PARLAMENTSMEDLEMMER) og nanoplastik (NP’er), der afspejler partikler af gennemsnitlig størrelse (nominel diameter; dp) på henholdsvis 1-5000 μm og 1-1000 nm11. Den øvre dp-grænse for NP’er (dvs. en nedre grænse for parlamentsmedlemmer) er imidlertid ikke universelt aftalt, og i flere papirer er dette angivet som 100 nm12.
MNP’er fra plastaffald udgør en ny global trussel mod jordens sundhed og økosystemtjenester. Adsorption af tungmetaller fra ferskvand af parlamentsmedlemmer førte til en 800 gange højere koncentration af tungmetaller sammenlignet med det omgivende miljø13. Desuden udgør parlamentsmedlemmer i akvatiske økosystemer flere stressfaktorer og forurenende stoffer ved at ændre lysindtrængning, forårsage iltsvind og forårsage vedhæftning til forskellige biota, herunder penetration og ophobning i vandorganismer14.
Nylige undersøgelser tyder på, at MNP’er kan påvirke jordgeokemi og biota, herunder mikrobielle samfund og planter 15,16,17. Desuden truer NP’er fødenettet 17,18,19,20. Da MNP’er let gennemgår vertikal og vandret transport i jord, kan de transportere absorberede forurenende stoffer såsom pesticider, blødgørere og mikroorganismer gennem jorden til grundvand eller akvatiske økosystemer såsom floder og vandløb 21,22,23,24. Konventionel landbrugsplast såsom mulchfilm er lavet af polyethylen, som skal fjernes fra marken efter brug og bortskaffes på lossepladser. Ufuldstændig fjernelse fører imidlertid til betydelig ophobning af plastaffald i jord 9,25,26. Alternativt er jordbionedbrydelige plastmuld (BDM’er) designet til at blive dyrket i jorden efter brug, hvor de vil nedbrydes over tid. BDM’er forbliver dog midlertidigt i jorden og nedbrydes gradvist og fragmenteres til parlamentsmedlemmer og NP’er 9,27.
Mange nuværende miljøøkotoksikologiske og skæbneundersøgelser anvender idealiserede og ikke-repræsentative parlamentsmedlemmer og NP’er modelmaterialer. De mest almindeligt anvendte surrogat-MNP’er er monodisperse polystyrenmikro- eller nanosfærer, som ikke afspejler de faktiske MNP’er, der bor i miljøet12,28. Derfor kan udvælgelsen af ikke-repræsentative parlamentsmedlemmer og NP’er resultere i unøjagtige målinger og resultater. Baseret på manglen på passende model-ΜNP’er til terrestriske miljøundersøgelser var forfatterne motiverede til at forberede sådanne modeller fra landbrugsplast. Vi har tidligere rapporteret om dannelsen af MNP’er fra BBM’er og polyethylenpellets gennem mekanisk fræsning og slibning af plastpellets og filmmaterialer og MNP’ernes dimensionelle og molekylære egenskaber29. Det nuværende papir giver en mere detaljeret protokol til forberedelse af MNP’er, der kan anvendes mere bredt på al landbrugsplast, såsom mulchfilm eller deres pelleterede råmaterialer (figur 1). Her, for at tjene som et eksempel, valgte vi en mulchfilm og sfæriske pellets af den bionedbrydelige polymer polybutylenadipatterephthalat (PBAT) til at repræsentere landbrugsplast.
Denne metode beskriver en effektiv proces, der oprindeligt blev beskrevet i en tidligere publikation29, til at forberede MNP’er hentet fra pellets og mulchfilm til miljøundersøgelser. Størrelsesreduktionsprocessen involverede kryogen køling (kun til film), tørfræsning og vådslibningstrin til fremstilling af model-MNP’er. Vi har anvendt denne metode til at fremstille MNP’er fra en bred vifte af polymere råmaterialer, herunder polyethylen med lav densitet (LDPE), polybutyratadipat-co-terepht…
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev finansieret af Herbert College of Agriculture, Biosystems Engineering and Soil Department og Science Alliance ved University of Tennessee, Knoxville. Desuden anerkender forfatterne taknemmeligt den økonomiske støtte, der ydes gennem USDA Grant 2020-67019-31167 til denne forskning. De første råmaterialer til fremstilling af MNP’er af PBAT-baseret bionedbrydelig mulchfilm blev venligt leveret af BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, USA) og PBAT-pellets af Mobius, LLC (Lenoir City, TN).
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 |