Prøveudtagning, identifikation og karakterisering af mikroplast Frigivelse fra polypropylen babyfodringsflaske under daglig brug
Summary
Denne undersøgelse detaljeret en pålidelig og omkostningseffektiv protokol for mikroplast indsamling og påvisning fra den daglige brug af plastprodukter.
Abstract
Mikroplast (parlamentsmedlemmer) er ved at blive et globalt problem på grund af den potentielle risiko for menneskers sundhed. Casestudier af plastprodukter (dvs. engangskopper og kedler af plast) viser, at MP-udslip under daglig brug kan være ekstremt høj. Præcis bestemmelse af MP-frigivelsesniveauet er et afgørende skridt til at identificere og kvantificere eksponeringskilden og vurdere/kontrollere de tilsvarende risici, der er forbundet med denne eksponering. Selvom protokoller til måling af MP-niveauer i havvand eller ferskvand er veludviklet, kan de betingelser, som husholdningsplastprodukter oplever, variere meget. Mange plastprodukter udsættes for hyppige høje temperaturer (op til 100 °C) og afkøles tilbage til stuetemperatur under daglig brug. Det er derfor afgørende at udvikle en prøvetagningsprotokol, der efterligner det faktiske daglige brugsscenarie for hvert enkelt produkt. Denne undersøgelse fokuserede på udbredte polypropylenbaserede sutteflasker til at udvikle en omkostningseffektiv protokol til MP-frigivelsesundersøgelser af mange plastprodukter. Den her udviklede protokol gør det muligt: 1) forebyggelse af potentiel kontaminering under prøveudtagning og påvisning; 2) realistisk gennemførelse af scenarier for daglig brug og nøjagtig indsamling af de parlamentsmedlemmer, der frigives fra sutteflasker på grundlag af WHO’s retningslinjer og 3) omkostningseffektiv kemisk bestemmelse og fysisk topografikortlægning af parlamentsmedlemmer, der frigives fra sutteflasker. Baseret på denne protokol var genvindingsprocenten ved hjælp af standard polystyren MP (diameter på 2 μm) 92,4-101,2%, mens den påviste størrelse var omkring 102,2% af den designede størrelse. Protokollen detaljeret her giver en pålidelig og omkostningseffektiv metode til MP prøve forberedelse og påvisning, som i væsentlig grad kan drage fordel af fremtidige undersøgelser af MP frigivelse fra plastprodukter.
Introduction
De fleste typer plast er ikke-biologisk nedbrydelige, men kan nedbrydes til små stykker på grund af kemiske og fysiske processer som oxidation og mekanisk friktion1,2. Plaststykker, der er mindre end 5 mm, klassificeres som mikroplast (parlamentsmedlemmer). Parlamentsmedlemmer er allestedsnærværende og findes i næsten alle hjørner i verden. De er blevet et globalt problem på grund af den potentielle risiko for mennesker og dyreliv3,4. Til dato er der fundet betydelige ophobninger af parlamentsmedlemmer i fisk, fugle, insekter5,6 samt pattedyr (mus, i tarmen, nyren og leveren7,8). Undersøgelser viste, at eksponering og akkumulering af parlamentsmedlemmer kan skade lipidmetabolismen hos mus7,8. En risikovurdering med fokus på fisk viste, at submikrobikron-parlamentsmedlemmer kan trænge ind i blod-til-hjerne-barrieren og forårsage hjerneskade9. Det skal bemærkes, at alle MP-risikoresultater til dato er opnået fra dyreforsøg, mens den specifikke risiko for menneskers sundhed stadig er ukendt.
I de sidste 2 år er bekymringerne over MP’s trussel mod menneskers sundhed steget betydeligt med bekræftelsen af niveauet for menneskers eksponering for parlamentsmedlemmer. Akkumulering af parlamentsmedlemmer er blevet fundet i den menneskelige kolon10, moderkagen af gravide kvinder11 og voksen afføring12. En præcis bestemmelse af mp-frigivelsesniveauer er afgørende for at identificere eksponeringskilder, vurdere sundhedsrisikoen og evaluere effektiviteten af eventuelle kontrolforanstaltninger. I de seneste år har nogle casestudier vist, at plast til daglig brug (dvs. plastkedel13 og engangskopper14) kan frigive ekstremt store mængder parlamentsmedlemmer. F.eks. frigav engangspapirkopper (med interiører lamineret med polyethylen-PE- eller copolymerfilm) ca. 250 mikron mellemstore parlamentsmedlemmer og 102 millioner submikrobielt partikler i hver milliliter væske efter udsættelse for 85-90 °C varmt vand14. En undersøgelse af polypropylen (PP) fødevarebeholdere rapporterede, at der frigives op til 7,6 mg plastpartikler fra beholderen under en engangsbrug15. Endnu højere niveauer blev registreret fra teposer fremstillet af polyethylen terephthalat (PET) og nylon, som frigav ca. 11,6 milliarder parlamentsmedlemmer og 3,1 milliarder nanostore parlamentsmedlemmer i en enkelt kop (10 mL) af drikkevaren16. Da disse plastprodukter til daglig brug er beregnet til tilberedning af føde- og drikkevarer, er det sandsynligt, at der frigives store mængder parlamentsmedlemmer, og at forbruget heraf er en potentiel trussel mod menneskers sundhed.
Undersøgelser af MP-frigivelse fra husholdningsplastprodukter (dvs. plastkedel13 og engangskopper14)er på et tidligt stadium, men det forventes, at dette emne vil få stigende opmærksomhed fra forskere og offentligheden. De metoder , der kræves i disse undersøgelser , er væsentligt forskellige fra dem , der anvendes i hav – eller ferskvandsundersøgelser ved stuetemperatur , hvor der allerede findes veletablerede protokoller17. I modsætning hertil indebærer undersøgelser, der involverer daglig brug af husholdningsplastprodukter, meget højere temperatur (op til 100 °C), hvor der i mange tilfælde gentages cykling tilbage til stuetemperatur. Tidligere undersøgelser påpegede, at plast i kontakt med varmt vand kan frigive millioner af parlamentsmedlemmer16,18. Derudover kan den daglige brug af plastprodukter med tiden ændre selve plastens egenskaber. Det er derfor afgørende at udvikle en prøvetagningsprotokol, der nøjagtigt efterligner de mest almindelige scenarier for daglig brug. Påvisning af partikler i mikrostørrelse er en anden stor udfordring. Tidligere undersøgelser påpegede , at parlamentsmedlemmer frigivelse fra plastprodukter er mindre end 20 μm16,19,20. Påvisning af disse typer parlamentsmedlemmer kræver brug af glatte membranfiltre med lille porestørrelse. Derudover er det nødvendigt at skelne parlamentsmedlemmer fra mulige forurenende stoffer fanget af filteret. Høj følsomhed Raman spektroskopi bruges til kemisk sammensætningsanalyse, som har den fordel at undgå behovet for høj laserkraft, der er kendt for nemt at ødelægge små partikler20. Derfor skal protokollen kombinere forureningsfri håndteringsprocedurer med brug af optimale membranfiltre og til en karakteriseringsmetode, der giver mulighed for hurtig og præcis MP-identifikation.
Undersøgelsen rapporterede her fokuseret på PP-baserede baby fodring flaske (BFB), en af de mest almindeligt anvendte plastprodukter i dagligdagen. Det blev konstateret, at et stort antal parlamentsmedlemmer frigives fra plast BFB under formelforberedelse18. Til yderligere undersøgelse af MP-frigivelse fra daglig plast er prøveforberedelses- og detektionsmetoden for BFB beskrevet her. Under prøveforberedelsen blev den standardforberedelsesproces (rengøring, sterilisering og blanding), der anbefales af WHO21, nøje fulgt. Ved at designe protokollerne omkring WHO’s retningslinjer sikrede vi, at MP-frigivelsen fra BBFB’er efterlignede babyformelforberedelsesprocessen, der blev brugt af forældre. Filterprocessen var designet til præcist at indsamle de parlamentsmedlemmer, der blev frigivet fra BBFB’er. Til kemisk identifikation af parlamentsmedlemmer blev arbejdsforholdene for Raman-spektroskopi optimeret for at opnå rene og let identificerede spektre af parlamentsmedlemmer, samtidig med at man undgik muligheden for at brænde målpartiklerne. Endelig blev den optimale testprocedure og anvendte kraft til at muliggøre nøjagtig 3-dimensionel topografikortlægning af parlamentsmedlemmer ved hjælp af atomkraftmikroskopi (AFM) udviklet. Den her beskrevne protokol (figur 1) giver en pålidelig og omkostningseffektiv metode til mp-prøveforberedelse og -detektion, hvilket i væsentlig grad kan gavne fremtidige undersøgelser af plastprodukter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Selv om undersøgelsen af parlamentsmedlemmer i marine og ferskvand er blevet bredt rapporteret, og den relevante standardprotokol er blevet udviklet17, undersøgelsen af daglig brug plastprodukter er et vigtigt spirende forskningsområde. De forskellige miljøforhold, som husholdningsplastprodukter oplever, betyder, at der er behov for ekstra omhu og indsats for at opnå pålidelige resultater. Undersøgelsesprotokollen skal være i overensstemmelse med de reelle scenarier for daglig brug. For ek…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne sætter pris på Enterprise Ireland (grant number CF20180870) og Science Foundation Ireland (tilskudsnumre: 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 og 16/IA/4462) for finansiel støtte. Vi anerkender også økonomisk støtte fra School of Engineering Scholarship på Trinity College Dublin og China Scholarship Council (201506210089 og 201608300005). Derudover sætter vi pris på den professionelle hjælp fra professor Sarah Mc Cormack og teknikerhold (David A. McAulay, Mary O’Shea, Patrick L.K. Veale, Robert Fitzpatrick og Mark Gilligan osv.) fra Trinity Civil, Structural and Environmental Department og AMBER Research Centre.
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 |
Referências
- 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).
