Отбор проб, идентификация и характеристика высвобождения микропластика из полипропиленовой бутылочки для кормления ребенка во время ежедневного использования
Summary
В этом исследовании подробно описан надежный и экономически эффективный протокол сбора и обнаружения микропластика при ежедневном использовании пластиковых изделий.
Abstract
Микропластики (депутаты) становятся глобальной проблемой из-за потенциального риска для здоровья человека. Тематические исследования пластиковых изделий (т.е. пластиковых одноразовых стаканчиков и чайников) показывают, что выброс МП при ежедневном использовании может быть чрезвычайно высоким. Точное определение уровня высвобождения МП является важнейшим шагом для выявления и количественной оценки источника воздействия и оценки/контроля соответствующих рисков, связанных с этим воздействием. Хотя протоколы измерения уровней МП в морской или пресной воде были хорошо разработаны, условия, с которыми сталкиваются бытовые пластиковые изделия, могут широко варьироваться. Многие пластиковые изделия подвергаются воздействию частых высоких температур (до 100 °C) и охлаждаются до комнатной температуры во время ежедневного использования. Поэтому крайне важно разработать протокол выборки, который имитирует фактический сценарий ежедневного использования для каждого конкретного продукта. Это исследование было сосредоточено на широко используемых бутылочках для кормления детей на основе полипропилена для разработки экономически эффективного протокола для исследований высвобождения MP многих пластиковых изделий. Разработанный здесь протокол позволяет: 1) предотвращать потенциальное загрязнение во время отбора проб и обнаружения; 2) реалистичная реализация сценариев ежедневного использования и точный сбор депутатов, освобожденных из бутылочек для кормления детей, на основе руководящих принципов ВОЗ; и 3) экономически эффективное химическое определение и физическое топографическое картирование депутатов, освобожденных из бутылочек для кормления детей. Основываясь на этом протоколе, процент извлечения с использованием стандартного полистирола MP (диаметр 2 мкм) составил 92,4-101,2%, в то время как обнаруженный размер составил около 102,2% от проектного размера. Протокол, подробно описанный здесь, обеспечивает надежный и экономически эффективный метод подготовки и обнаружения образцов МП, который может существенно повызть будущие исследования высвобождения МП из пластмассовых изделий.
Introduction
Большинство типов пластмасс не поддаются биоразлагаемости, но могут распадаться на мелкие кусочки из-за химических и физических процессов, таких как окисление и механическое трение1,2. Пластиковые куски размером менее 5 мм классифицируются как микропластик (MPs). Депутаты вездесущи и встречаются почти в каждом уголке мира. Они стали глобальной проблемой из-за потенциального риска для человека и дикой природы3,4. На сегодняшний день значительные скопления депутатов обнаружены у рыб, птиц, насекомых5,6, а также млекопитающих (мыши, в кишечнике, почках и печени7,8). Исследования показали, что воздействие и накопление МП может повредить липидный обмен мышей7,8. Оценка риска, сосредоточенная на рыбе, показала, что субмикронный депутат может проникать через гематоэнцефалический барьер и вызывать повреждение головногомозга9. Следует отметить, что на сегодняшний день все результаты по риску МП были получены из исследований на животных, в то время как конкретный риск для здоровья человека до сих пор неизвестен.
За последние 2 года опасения по поводу угрозы МП здоровью человека существенно возросли с подтверждением уровней воздействия на человека депутатов. Скопление депутатов было обнаружено в толстой кишке человека10,плаценте беременных женщин11 и взрослом стуле12. Точное определение уровней высвобождения МП имеет решающее значение для выявления источников воздействия, оценки риска для здоровья и оценки эффективности любых потенциальных мер контроля. В последние несколько лет некоторые тематические исследования показали, что пластик ежедневного использования (т.е. пластиковый чайник13 и одноразовые чашки14)может высвобождать чрезвычайно большое количество депутатов. Например, одноразовые бумажные стаканчики (с интерьерами, ламинированными полиэтилен-ПЭ или сополимерными пленками) выпускали примерно 250 микрон размером МП и 102 миллиона частиц субмикронным размером в каждый миллилитр жидкости после воздействия горячей воды 85-90 °C14. Исследование полипропиленовых (ПП) пищевых контейнеров показало, что до 7,6 мг пластиковых частиц высвобождается из контейнера во время однократного использования15. Еще более высокие уровни были зарегистрированы из чайных пакетиков, изготовленных из полиэтилентерефталата (ПЭТ) и нейлона, которые выпустили примерно 11,6 миллиарда депутатов и 3,1 миллиарда наноразмерных депутатов в одну чашку (10 мл) напитка16. Учитывая, что эти пластиковые изделия повседневного использования предназначены для приготовления продуктов питания и напитков, вероятно высвобождение большого количества депутатов, а их потребление является потенциальной угрозой для здоровья человека.
Исследования по выпуску MP из бытовых пластиковых изделий (т.е. пластикового чайника13 и одноразовых стаканчиков14)находятся на ранней стадии, но ожидается, что эта тема будет получать все большее внимание со стороны исследователей и широкой общественности. Методы, требуемые в этих исследованиях, значительно отличаются от методов, используемых в морских или пресноводных исследованиях комнатной температуры, где уже существуют устоявшиеся протоколы17. Напротив, исследования, связанные с ежедневным использованием бытовых пластиковых изделий, включают гораздо более высокую температуру (до 100 ° C), причем во многих случаях повторяется циклическое возвращение к комнатной температуре. Предыдущие исследования указывали на то, что пластмассы, контактии с горячей водой, могут освободить миллионы депутатов16,18. Кроме того, ежедневное использование пластиковых изделий может со временем изменить свойства самого пластика. Поэтому крайне важно разработать протокол выборки, который точно имитирует наиболее распространенные сценарии ежедневного использования. Обнаружение частиц микроразмера является еще одной серьезной проблемой. Предыдущие исследования указывали на то, что выпуск депутатов из пластиковых изделий меньше 20 мкм16,19,20. Обнаружение этих типов МП требует использования гладких мембранных фильтров с небольшим размером пор. Кроме того, необходимо отличать депутатов от возможных загрязняющих веществ, улавливаемых фильтром. Высокочувствительная рамановская спектроскопия используется для анализа химического состава, что имеет то преимущество, что позволяет избежать необходимости в высокой мощности лазера, который, как известно, легко разрушает мелкие частицы20. Следовательно, протокол должен сочетать процедуры обработки без загрязнения с использованием оптимальных мембранных фильтров и для метода характеризации, который позволяет быстро и точно идентифицировать MP.
Исследование, о котором сообщалось здесь, было сосредоточено на бутылочке для кормления ребенка на основе PP (BFB), одном из наиболее часто используемых пластиковых продуктов в повседневной жизни. Было установлено, что большое количество депутатов высвобождается из пластика BFB во время приготовления формулы18. Для дальнейшего изучения высвобождения МП из ежедневных пластмасс, метод подготовки и обнаружения образцов для BFB подробно описан здесь. Во время подготовки образцов тщательно соблюдался стандартный процесс приготовления формул (очистка, стерилизация и смешивание), рекомендованный ВОЗ21. Разработав протоколы вокруг руководящих принципов ВОЗ, мы обеспечили, чтобы выпуск MP из BFF имитировал процесс приготовления детской смеси, используемый родителями. Процесс фильтрации был разработан для точного сбора депутатов, освобожденных от BBF. Для химической идентификации депутатов условия работы рамановской спектроскопии были оптимизированы для получения чистых и легко идентифицируемых спектров депутатов, в то же время избегая возможности сжигания целевых частиц. Наконец, была разработана оптимальная процедура испытаний и приложенная сила, позволяющая точно 3-мерное топографическое картографирование МП с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ). Протокол(рисунок 1),подробно описанный здесь, обеспечивает надежный и экономически эффективный метод подготовки и обнаружения образцов MP, который может существенно принести пользу будущим исследованиям пластиковых изделий.
Protocol
Representative Results
Discussion
Хотя исследование депутатов в морской и пресной воде широко освещалось, и соответствующий стандартный протокол был разработан17,изучение пластиковых изделий повседневного использования является важной новой областью исследований. Различные условия окружающей среды, с к…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выжают признательность Enterprise Ireland (номер гранта CF20180870) и Science Foundation Ireland (номера грантов: 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 и 16/IA/4462) за финансовую поддержку. Мы также признаем финансовую поддержку со стороны Стипендии Школы инженерии при Тринити-колледже Дублина и Китайского стипендиального совета (201506210089 и 201608300005). Кроме того, мы ценим профессиональную помощь профессора Сары Мак Кормак и технических команд (Дэвид А. Маколей, Мэри О’Ши, Патрик Л.К. Вил, Роберт Фитцпатрик и Марк Гиллиган и т. Д.) Из Департамента гражданских, структурных и экологических исследований Тринити и Исследовательского центра AMBER.
Materials
| AFM cantilever | NANOSENSORS | PPP-NCSTAuD-10 | To obtain three-dimensional topography of PP MPs |
| Atomic force microscope | Nova | NT-MDT | To obtain three-dimensional topography of PP MPs |
| Detergent | Fairy Original | 1015054 | To clean the brand-new product |
| Gold-coated polycarbonate-PC membrane filter-0.8 um | APC, Germany | 0.8um25mmGold | To collect microplastics in water and benefit for Raman test |
| Gwyddion software | Gwyddion | Gwyddion2.54 | To determine MPs topography |
| ImageJ software | US National Institutes of Health | No, free for use | To determine MPs size |
| Microwave oven | De'longhi, Italy | 815/1195 | Hot water preparation |
| Optical microscope, x100 | Mitutoyo, Japan | 46-147 | To find and observe the small MPs |
| Raman spectroscopy | Renishaw | InVia confocal Raman system | To checmically determine the PP-MPs |
| Shaking bed-SSL2 | Stuart, UK | 51900-64 | To mimic the mixing process during sample preparaton |
| Standard polystyrene microplastic spheres | Polysciences, Europe | 64050-15 | To validate the robusty of current protocol |
| Tansfer pipette with glass tip | Macro, Brand | 26200 | To transfer water sample to glass filter |
| Ultrasonic cleaner | Witeg, Germany | DH.WUC.D06H | To clean the glassware |
| Vacuum pump | ILMVAC GmbH | 105697 | To filter the water sample |
References
- Law, K. L., Thompson, R. C. Microplastics in the seas. Science. 345 (6193), 144-145 (2014).
- Thompson, R. C., et al. Lost at sea: where is all the plastic. Science. 304 (5672), 838 (2004).
- Coburn, C. Microplastics and gastrointestinal health: how big is the problem. The Lancet Gastroenterology & Hepatology. 4 (12), 907 (2019).
- The Lancet Planetary Health. Microplastics and human health-an urgent problem. The Lancet Planetary Health. 1 (7), 254 (2017).
- Foley, C. J., Feiner, Z. S., Malinich, T. D., Höök, T. O. A meta-analysis of the effects of exposure to microplastics on fish and aquatic invertebrates. Science of the Total Environment. 631, 550-559 (2018).
- Chae, Y., An, Y. -. J. Effects of micro-and nanoplastics on aquatic ecosystems: Current research trends and perspectives. Marine Pollution Bulletin. 124 (2), 624-632 (2017).
- Lu, L., Wan, Z., Luo, T., Fu, Z., Jin, Y. Polystyrene microplastics induce gut microbiota dysbiosis and hepatic lipid metabolism disorder in mice. Science of the total environment. 631, 449-458 (2018).
- Yang, Y. -. F., Chen, C. -. Y., Lu, T. -. H., Liao, C. -. M. Toxicity-based toxicokinetic/toxicodynamic assessment for bioaccumulation of polystyrene microplastics in mice. Journal of Hazardous Materials. 366, 703-713 (2019).
- Mattsson, K., et al. Brain damage and behavioural disorders in fish induced by plastic nanoparticles delivered through the food chain. Scientific Reports. 7 (1), 11452 (2017).
- Ibrahim, Y. S., et al. Detection of microplastics in human colectomy specimens. JGH Open. , (2021).
- Ragusa, A., et al. Plasticenta: First evidence of microplastics in human placenta. Environment International. 146, 106274 (2021).
- Schwabl, P., et al. Detection of various microplastics in human stool: a prospective case Series. Annals of Internal Medicine. 171 (7), 453-457 (2019).
- Sturm, M. T., Kluczka, S., Wilde, A., Schuhen, K. Determination of particles produced during boiling in differenz plastic and glass kettles via comparative dynamic image analysis using FlowCam. Analytik News. , (2019).
- Ranjan, V. P., Joseph, A., Goel, S. Microplastics and other harmful substances released from disposable paper cups into hot water. Journal of Hazardous Materials. 404, 124118 (2020).
- Fadare, O. O., Wan, B., Guo, L. -. H., Zhao, L. Microplastics from consumer plastic food containers: Are we consuming it. Chemosphere. 253, 126787 (2020).
- Hernandez, L. M., et al. Plastic teabags release billions of microparticles and nanoparticles into tea. Environmental Science & Technology. 53 (21), 12300-12310 (2019).
- Frias, J., et al. Standardised protocol for monitoring microplastics in sediments. Deliverable 4.2. , (2018).
- Li, D., et al. Microplastic release from the degradation of polypropylene feeding bottles during infant formula preparation. Nature Food. , (2020).
- Imhof, H. K., et al. Pigments and plastic in limnetic ecosystems: A qualitative and quantitative study on microparticles of different size classes. Water Research. 98, 64-74 (2016).
- Oßmann, B. E., et al. Small-sized microplastics and pigmented particles in bottled mineral water. Water Research. 141, 307-316 (2018).
- World Health Organization. How to prepare formula for bottle-feeding at home. World Health Organization. , (2007).
- Käppler, A., et al. Analysis of environmental microplastics by vibrational microspectroscopy: FTIR, Raman or both. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 408 (29), 8377-8391 (2016).
- Zhao, S., Danley, M., Ward, J. E., Li, D., Mincer, T. J. An approach for extraction, characterization and quantitation of microplastic in natural marine snow using Raman microscopy. Analytical Methods. 9 (9), 1470-1478 (2017).
- World Health Organization. Microplastics in drinking-water. World Health Organization. , (2019).
- Sunta, U., Prosenc, F., Trebše, P., Bulc, T. G., Kralj, M. B. Adsorption of acetamiprid, chlorantraniliprole and flubendiamide on different type of microplastics present in alluvial soil. Chemosphere. 261, 127762 (2020).
- Gong, W., et al. Comparative analysis on the sorption kinetics and isotherms of fipronil on nondegradable and biodegradable microplastics. Environmental Pollution. 254, 112927 (2019).
- Wong, M., Moyse, A., Lee, F., Sue, H. -. J. Study of surface damage of polypropylene under progressive loading. Journal of Materials Science. 39 (10), 3293-3308 (2004).
