Formação de Micro e Nano-Plásticos de Filmes plásticos agrícolas para emprego em estudos de pesquisa fundamental

Summary

Mostramos a formação e caracterização dimensional de micro e nanoplásticos (MPs e NPs, respectivamente) utilizando um processo stepwise de moagem mecânica, moagem e análise de imagens.

Abstract

Microplásticos (PMs) e nanoplásticos (NPs) dispersos em ecossistemas agrícolas podem representar uma grave ameaça à biota no solo e nas vias navegáveis próximas. Além disso, produtos químicos como pesticidas adsorvidos por NPs podem prejudicar organismos do solo e potencialmente entrar na cadeia alimentar. Nesse contexto, plásticos utilizados agrícolamente, como filmes de mulch plástico, contribuem significativamente para a poluição plástica nos ecossistemas agrícolas. No entanto, a maioria dos estudos fundamentais sobre destino e ecotoxicidade empregam materiais mp idealizados e pouco representativos, como microesferas de poliestireno.

Portanto, como descrito aqui, desenvolvemos um procedimento em escala laboratoriar para formar mecanicamente MPs e NPs representativos para tais estudos. O material plástico foi preparado a partir de filmes de mulch plástico comercialmente disponíveis de adipato-co-tereftalato de polibutirato (PBAT) que foram embrittled através do tratamento criogênico (CRYO) ou do intemperismo ambiental (W), e de pelotas PBAT não tratadas. Os materiais plásticos foram então tratados por fresagem mecânica para formar PMs com um tamanho de 46-840 μm, imitando a abrasão de fragmentos plásticos pelo vento e máquinas mecânicas. Os PMs foram então peneirados em várias frações de tamanho para permitir uma análise mais aprofundada. Finalmente, a fração de peneira de 106 μm foi submetida à moagem úmida para gerar NPs de 20-900 nm, um processo que imita o processo de redução de tamanho lento para MPs terrestres. As dimensões e a forma dos PMs foram determinadas por meio da análise de imagem de estereomicrografos, e a dispersão dinâmica de luz (DLS) foi empregada para avaliar o tamanho das partículas para NPs. MPs e NPs formados através desse processo possuíam formas irregulares, que estão em consonância com as propriedades geométricas dos PMs recuperados dos campos agrícolas. No geral, este método de redução de tamanho mostrou-se eficiente para a formação de PMs e NPs compostos de plásticos biodegradáveis, como o polibutileno adipate-co-tereftalato (PBAT), representando materiais mulch utilizados para a produção agrícola de culturas especiais.

Introduction

Nas últimas décadas, o rápido aumento da produção global de plásticos e o descarte inadequado e a falta de reciclagem de resíduos plásticos levaram à poluição ambiental que impactou os ecossistemas marinhos e terrestres^{em 1,2,3}. Os materiais plásticos são essenciais para a agricultura contemporânea, particularmente para cultivar vegetais, frutas pequenas e outras culturas especiais. Seu uso como filmes de mulch, revestimentos de túneis altos e baixos, fita de gotejamento e outras aplicações visam aumentar o rendimento e a qualidade das culturas, reduzir os custos de produção ....

Protocol

1. Processamento de PMs a partir de pelotas plásticas através de pré-tratamento criogênico e fresagem

NOTA: Esta metodologia baseia-se em um procedimento descrito em outros lugares, empregando um filme PBAT composto pelo mesmo material utilizado para este estudo apresentado²⁹.

1. Pese amostras de pelotas de polímero de ~1 g e transfira para um frasco de vidro de 50 mL.
2. Coloque o tubo de "entrega retangular" com uma peneira de 20 malha (840 μm) na ranhura em frente à usina de corte rotativa e levante o tubo de entrega até atingir o pino de parada.
3. Posicione a placa de vidro ....

Results

Para validar o método e análise do procedimento experimental, os PMs e NPs foram formados a partir de pelotas e materiais de filme e comparados por tamanho e forma utilizando imagens microscópicas. O método descrito na Figura 1 formou eficientemente MPs e NPs a partir de pelotas e filmes plásticos biodegradáveis; isso foi conseguido através do resfriamento criogênico, moagem e moagem úmida e caracterização. O primeiro passo era desnecessário para filmes ambientalmente intemperados porque o i.......

Discussion

Este método descreve um processo eficaz inicialmente descrito em uma publicação anterior²⁹, para preparar MNPs originários de pelotas e filmes de mulch para estudos ambientais. O processo de redução de tamanho envolveu resfriamento criogênico (apenas para filme), fresagem seca e estágios de moagem úmida, para a fabricação de MNPs modelo. Aplicamos este método para preparar MNPs de uma ampla gama de matérias-primas poliméricas, incluindo polietileno de baixa densidade (LDPE), adipate-co-tereftalato.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Prato de alumínio, 150 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	08-732-103	Secagem de NPs coletados
Prato de alumínio, 500 mL	VWR International, Radnor, PA, USA	25433-018	Coleta de NPs após moagem úmida
Centrífuga	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	Recipiente Centrific 228	para centrifugação
Tubo de entrega, #20, 840 µ m	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EUA	3383M30	Peneiramento da primeira fração durante a moagem
Tubo de entrega, #60, 250 µ m	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383M45	Peneiramento da segunda fração (3x)  durante a moagem
Thermomixer,  5350 Mixer	Eppendorf North America, Enfield, CT, USA	05-400-200	Análise de experimentos de peneiramento
FT-IR Spectrum Two, espectrômetro com refletância total atenuada (ATR)	Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	L1050228	Medindo espectros FTIR
Copo de vidro, 1000 mL	DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA	02-555-113	Agitação de pasta de água MPs antes de moer
Placa frontal de vidro	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA	3383N55	Tampa frontal plaste para Wiley Mini Mill
Jarra de vidro, 50 mL	Uline, Pleasant Prairie, WI, EUA	S-15846P	Coletivo MPs após fresagem
Caixa de luvas, neoprene	Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, EUA	BEL-H500290000	22 polegadas, tamanho 10
Analisador de tamanho Zetasizer Nano ZS 90	Malvern Panalytical, Worcestershire, Reino Unido	Zetasizer Nano ZS	Medindo nanoplásticos dispersos em câmera de microscópio DI-water
	Nikon, Tóquio,  108-6290, Japão	Mira Digital Nikon 10	Combinado com microscópio Olympus para receber imagens digitais
Microscópio	Olympus, Shinjuku, Tóquio, Japão	Modelo SZ 61	Imagem de MPs
Frasco de nitrogênio, frascos de dewar de forma baixa	Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, EUA	UX-03771-23	Armazenamento de nitrogênio líquido durante resfriamento criogênico
Mistura precisa 200, liquidificador de 12 velocidades	Oster, Boca Raton, FL, EUA	6684	Iniciando a redução do tamanho do filme plástico tratado criogenicamente
Filme PBAT, - BioAgri™ (Mater-Bi®)	BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, EUA	0,7 mm de espessura	Matéria-prima para formar MPs e NPs, pellets de PBAT de filme de cobertura agrícola
	Mobius, LLC, Lenoir City, TN, EUA	Diâmetro 3 mm	Matéria-prima para formar microplásticos (MPs) e nanoplásticos (NPs) através de moagem e moagem
Tubos de centrífuga de plástico, 50 mL	Fisher Scientific, Waltham, MA, EUA	06-443-18	Centrifugação de pasta após moagem úmida
Frasco de plástico, 1000 mL, pré-limpo, lado reto	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	05-719-733	Coleção de NPs durante e após moagem úmida
Barras de agitação Polygon, diâmetroø=8 mm, comprimento=50.8 mm	Fisher Scientific, Waltham, MA, EUA	14-512-127	Agitação da pasta MPs antes da moagem úmida
Tesoura, ligada a titânio	Westcott, Shelton, CT, EUA	13901	Corte de matérias-primas iniciais de filme PBAT
Célula de vidro quadrada com abertura quadrada e tampa, 12 mm OD	Malvern Panalytical, Worcestershire, Reino Unido	PCS1115	Medição do tamanho de partícula NPs
Fundo de aço inoxidável, 3 polegadas, panela	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA	8401	Para peneiramento após a fresagem Wiley
Peneira de aço inoxidável, 3 polegadas, nº 140 (106 µ m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA	1308	Para peneirar após a peneira de aço inoxidável Wiley-milling
, 3 polegadas, nº 20 (850 e micro; m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA	1296	Peneiramento de MPs após fresagem Wiley-moagem
Peneira de aço inoxidável, 3 polegadas, nº 325 (45 µ m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA	1313	Peneiramento de MPs após Wiley-milling
Peneira de aço inoxidável, 3 polegadas, nº 60 (250 µ m)	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA	1303	Peneiramento de MPs após Wiley-milling
Tampa superior de aço inoxidável, 3 polegadas	Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, EUA	8406	Peneiramento de MPs após Wiley-milling
Pinças de aço inoxidável	Global Industrial, Port Washington, NY, EUA	T9FB2264892	Transferência de  partículas de filme congelado do frasco para o liquidificador
Forno a vácuo, modelo 281A	Fisher Scientific, Waltham, MA, USA	13-262-50	Forno a vácuo para secar NPs após moagem úmida
Máquina de moagem por fricção, Supermass Colloider	Masuko Sangyo, Tóquio, Japão	MKCA6-2J	Máquina de moagem para formar NPs a partir de MPs
Pedra de moagem úmida, tamanho do grão: 297 μ m -420 μ m	Masuko Sangyo, Tóquio, Japão	MKE6-46DD	Pedra de moagem para formar NPs de MPs
Wiley Mini Mill, moinho de corte rotativo	Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, EUA	NC1346618	Redução de tamanho de pellets e filmes em MPs e NPs
Software
FTIR-Spectroscopy	software Perkin Elmer, Waltham, MA, USA	Spectrum 10	Coleta de espectros do plástico inicial, MPs e NPs
Imagem J, programa de processamento de imagem	National Institutes of Health, Bethesda, MD, EUA	Versão 1.53n	Análise de imagens digitais recebidas de microscopia
Software de microscópio, software ds-fi1	Malvern Panalytical, Malvern, Reino Unido	Firmware DS-U1 Ver3.10	Gravação de imagens digitais
Microsoft, Windows,   Excel 365, software de planilha	Microsoft, Redmond, WA, EUA	Office 365	Calculando o tamanho médio das partículas e criando imagens de espectros FTIR
Software JMP, software estatístico	SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021	Versão 15	Análise estatística do tamanho das partículas e melhor ajuste do conjunto de dados
Software Unscrambler	Camo Analytics, Oslo, Noruega	Versão 9.2	Normalizando e convertendo espectros FTIR em .csv de