Probenahme, Identifizierung und Charakterisierung von Mikroplastik, das aus der Babyflasche aus Polypropylen während des täglichen Gebrauchs frei wird
Summary
Diese Studie beschreibt ein zuverlässiges und kostengünstiges Protokoll für die Sammlung und Erkennung von Mikroplastik aus dem täglichen Gebrauch von Kunststoffprodukten.
Abstract
Mikroplastik (MPs) wird aufgrund des potenziellen Risikos für die menschliche Gesundheit zu einem globalen Problem. Fallstudien von Kunststoffprodukten (z. B. Einwegbecher und Wasserkocher aus Kunststoff) deuten darauf hin, dass die MP-Freisetzung während des täglichen Gebrauchs extrem hoch sein kann. Die genaue Bestimmung des MP-Freisetzungsgrades ist ein entscheidender Schritt, um die Expositionsquelle zu identifizieren und zu quantifizieren und die entsprechenden Risiken, die sich aus dieser Exposition ergeben, zu bewerten / zu kontrollieren. Obwohl Protokolle zur Messung des MP-Gehalts in Meer- oder Süßwasser gut entwickelt wurden, können die Bedingungen für Haushaltskunststoffprodukte sehr unterschiedlich sein. Viele Kunststoffprodukte sind häufig hohen Temperaturen (bis zu 100 °C) ausgesetzt und werden im täglichen Gebrauch wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, ein Probenahmeprotokoll zu entwickeln, das das tatsächliche tägliche Anwendungsszenario für jedes einzelne Produkt nachahmt. Diese Studie konzentrierte sich auf weit verbreitete Babyflaschen auf Polypropylenbasis, um ein kostengünstiges Protokoll für MP-Freisetzungsstudien vieler Kunststoffprodukte zu entwickeln. Das hier entwickelte Protokoll ermöglicht: 1) Vermeidung der potenziellen Kontamination während der Probenahme und des Nachweises; 2) realistische Umsetzung von Alltagsszenarien und genaue Sammlung der aus Babyflaschen entlassenen Abgeordneten auf der Grundlage der WHO-Richtlinien; und 3) kostengünstige chemische Bestimmung und physikalische Topographiekartierung von Abgeordneten, die aus Babyflaschen entlassen wurden. Basierend auf diesem Protokoll betrug der Rückgewinnungsprozentsatz mit Standard-Polystyrol MP (Durchmesser von 2 μm) 92,4-101,2%, während die erkannte Größe etwa 102,2% der geplanten Größe betrug. Das hier beschriebene Protokoll bietet eine zuverlässige und kostengünstige Methode für die Vorbereitung und den Nachweis von MP-Proben, die zukünftigen Studien zur MP-Freisetzung aus Kunststoffprodukten erheblich zugute kommen kann.
Introduction
Die meisten Kunststoffarten sind nicht biologisch abbaubar, können aber aufgrund chemischer und physikalischer Prozesse wie Oxidation und mechanischer Reibung in kleine Stückezerfallen1,2. Kunststoffteile, die kleiner als 5 mm sind, werden als Mikroplastik (MPs) klassifiziert. Abgeordnete sind allgegenwärtig und in fast jeder Ecke der Welt zu finden. Sie sind aufgrund des potenziellen Risikos für Menschen und Wildtiere zu einem globalen Problem geworden3,4. Bis heute wurden signifikante Ansammlungen von Abgeordneten bei Fischen, Vögeln, Insekten5,6 sowie Säugetieren (Maus, Darm, Niere und Leber7,8) gefunden. Studien ergaben, dass die Exposition und Ansammlung von MPs den Fettstoffwechsel von Mäusen schädigen kann7,8. Eine Risikobewertung, die sich auf Fische konzentrierte, ergab, dass Submikrzähler-Abgeordnete die Blut-Hirn-Schranke durchdringen und Hirnschäden verursachen können9. Es sei darauf hingewiesen, dass bisher alle MP-Risikoergebnisse aus Tierversuchen gewonnen wurden, während das spezifische Risiko für die menschliche Gesundheit noch unbekannt ist.
In den letzten 2 Jahren nahmen die Bedenken über die Bedrohung der menschlichen Gesundheit durch die Abgeordneten mit der Bestätigung der Exposition des Menschen gegenüber Abgeordneten erheblich zu. Die Ansammlung von MPs wurde im menschlichen Dickdarm10, der Plazenta schwangerer Frauen11 und im Erwachsenenstuhl12gefunden. Eine genaue Bestimmung der MP-Freisetzungswerte ist entscheidend, um Expositionsquellen zu identifizieren, das Gesundheitsrisiko zu bewerten und die Wirksamkeit potenzieller Kontrollmaßnahmen zu bewerten. In den letzten Jahren berichteten einige Fallstudien, dass Kunststoffe des täglichen Gebrauchs (z. B. der Kunststoffkessel13 und die Einwegbecher14)extrem hohe Mengen an Abgeordneten freisetzen können. Zum Beispiel haben Einweg-Pappbecher (mit Innenausstattungen, die mit Polyethylen-PE- oder Copolymerfolien laminiert sind) nach Einwirkung von 85-90 °C heißem Wasser etwa 250 mikrometergroße MPs und 102 Millionen Partikel in submikromingroße Partikel in jeden Milliliter Flüssigkeit freigesetzt14. Eine Studie von Polypropylen (PP) Lebensmittelbehältern berichtete, dass bis zu 7,6 mg Kunststoffpartikel während eines einmaligen Gebrauchs aus dem Behälter freigesetzt werden15. Noch höhere Werte wurden von Teebeuteln aus Polyethylenterephthalat (PET) und Nylon verzeichnet, die etwa 11,6 Milliarden MPs und 3,1 Milliarden Nano-MPs in eine einzige Tasse (10 ml) des Getränks16freisenden. Angesichts der Tatsache, dass diese Kunststoffprodukte des täglichen Gebrauchs für die Zubereitung von Lebensmitteln und Getränken bestimmt sind, ist die Freisetzung hoher Mengen von Abgeordneten wahrscheinlich und ihr Verzehr ist eine potenzielle Bedrohung für die menschliche Gesundheit.
Studien zur MP-Freisetzung aus Haushaltskunststoffprodukten (z. B. dem Kunststoffkessel13 und Einwegbechern14)befinden sich in einem frühen Stadium, aber es wird erwartet, dass dieses Thema von Forschern und der Öffentlichkeit zunehmend beachtet wird. Die in diesen Studien erforderlichen Methoden unterscheiden sich signifikant von denen, die in Raumtemperatur-Meeres- oder Süßwasserstudien verwendet werden, wo bereits gut etablierte Protokolle existieren17. Im Gegensatz dazu beinhalten Studien zur täglichen Verwendung von Haushaltskunststoffprodukten eine viel höhere Temperatur (bis zu 100 ° C), wobei in vielen Fällen wiederholt auf Raumtemperatur zurückgeschlichen wird. Frühere Studien wiesen darauf hin, dass Kunststoffe, die mit heißem Wasser in Berührung berührung treten, Millionen von Abgeordneten freisetzen können16,18. Darüber hinaus kann der tägliche Gebrauch von Kunststoffprodukten im Laufe der Zeit die Eigenschaften des Kunststoffs selbst verändern. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, ein Probenahmeprotokoll zu entwickeln, das die häufigsten Szenarien des täglichen Gebrauchs genau nachahmt. Der Nachweis von Partikeln in Mikrogröße ist eine weitere große Herausforderung. Frühere Studien wiesen darauf hin, dass die Freisetzung von MPs aus Kunststoffprodukten kleiner als 20 μm16,19,20ist. Die Erkennung dieser Art von MPs erfordert die Verwendung von glatten Membranfiltern mit kleiner Porengröße. Darüber hinaus ist es notwendig, MPs von möglichen Verunreinigungen zu unterscheiden, die vom Filter aufgefangen werden. Die hochempfindliche Raman-Spektroskopie wird für die Analyse der chemischen Zusammensetzung verwendet, was den Vorteil hat, dass keine hohe Laserleistung erforderlich ist, von der bekannt ist, dass sie kleine Partikel leicht zerstört20. Daher muss das Protokoll kontaminationsfreie Handhabungsverfahren mit dem Einsatz optimaler Membranfilter und für eine Charakterisierungsmethode kombinieren, die eine schnelle und genaue MP-Identifizierung ermöglicht.
Die hier berichtete Studie konzentrierte sich auf die PP-basierte Babyflasche (BFB), eines der am häufigsten verwendeten Kunststoffprodukte im täglichen Leben. Es wurde festgestellt, dass eine hohe Anzahl von Abgeordneten während der Formelvorbereitung aus Kunststoff-BFB freigesetzt wird18. Für weitere Untersuchungen der MP-Freisetzung aus täglichen Kunststoffen wird die Probenvorbereitungs- und Nachweismethode für BFB hier detailliert beschrieben. Bei der Probenvorbereitung wurde der von der WHO21 empfohlene Standard-Rezepturvorbereitungsprozess (Reinigen, Sterilisieren und Mischen) sorgfältig befolgt. Durch die Gestaltung der Protokolle rund um die WHO-Richtlinien stellten wir sicher, dass die MP-Freisetzung von BFBs den von den Eltern verwendeten Prozess zur Zubereitung von Babynahrung nachahmte. Der Filterprozess wurde entwickelt, um die von BFBs freigesetzten Abgeordneten genau zu erfassen. Für die chemische Identifizierung von MPs wurden die Arbeitsbedingungen für die Raman-Spektroskopie optimiert, um saubere und leicht identifizierbare Spektren von MPs zu erhalten und gleichzeitig die Möglichkeit der Verbrennung der Zielpartikel zu vermeiden. Abschließend wurde das optimale Testverfahren und die angewandte Kraft entwickelt, um eine genaue 3-dimensionale Topographie-Kartierung von MPs mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) zu ermöglichen. Das hier beschriebene Protokoll (Abbildung 1) bietet eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Vorbereitung und Detektion von MP-Proben, die zukünftigen Studien von Kunststoffprodukten erheblich zugute kommen kann.
Protocol
Representative Results
Discussion
Obwohl über die Studie von Abgeordneten im Meeres- und Süßwasserbereich ausführlich berichtet wurde und das entsprechende Standardprotokoll entwickelt wurde17, ist die Untersuchung von Kunststoffprodukten des täglichen Bedarfs ein wichtiger aufstrebender Forschungsbereich. Die unterschiedlichen Umweltbedingungen von Haushaltskunststoffprodukten bedeuten, dass zusätzliche Sorgfalt und Anstrengungen erforderlich sind, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Das Studienprotokoll muss mit den r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren schätzen Enterprise Ireland (Förderkennzeichen CF20180870) und Science Foundation Ireland (Fördernummern: 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 und 16/IA/4462) für finanzielle Unterstützung. Wir erkennen auch die finanzielle Unterstützung des School of Engineering Scholarship am Trinity College Dublin und des China Scholarship Council (201506210089 und 201608300005) an. Darüber hinaus schätzen wir die professionelle Hilfe von Prof. Sarah Mc Cormack und Technikerteams (David A. McAulay, Mary O’Shea, Patrick L.K. Veale, Robert Fitzpatrick und Mark Gilligan usw.) der Trinity Civil, Structural and Environmental Department und des 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 |
References
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