Échantillonnage, identification et caractérisation des rejets de microplastiques par le biberon d’alimentation en polypropylène pendant l’utilisation quotidienne
Summary
Cette étude a détaillé un protocole fiable et rentable pour la collecte et la détection des microplastiques de l’utilisation quotidienne de produits en plastique.
Abstract
Les microplastiques (MPs) deviennent une préoccupation mondiale en raison du risque potentiel pour la santé humaine. Les études de cas de produits en plastique (c.-à-d. gobelets et bouilloires à usage unique en plastique) indiquent que les rejets de MP pendant l’utilisation quotidienne peuvent être extrêmement élevés. La détermination précise du niveau de rejet de MP est une étape cruciale pour identifier et quantifier la source d’exposition et évaluer/contrôler les risques correspondants découlant de cette exposition. Bien que les protocoles de mesure des concentrations de MP dans les eaux marines ou d’eau douce aient été bien élaborés, les conditions rencontrées par les produits en plastique ménagers peuvent varier considérablement. De nombreux produits en plastique sont exposés à des températures élevées fréquentes (jusqu’à 100 °C) et sont refroidis à la température ambiante pendant l’utilisation quotidienne. Il est donc crucial d’élaborer un protocole d’échantillonnage qui imite le scénario d’utilisation quotidienne réel pour chaque produit particulier. Cette étude s’est concentrée sur les biberons à base de polypropylène largement utilisés afin d’élaborer un protocole rentable pour les études sur la libération de MP de nombreux produits en plastique. Le protocole élaboré ici permet : 1) la prévention de la contamination potentielle pendant l’échantillonnage et la détection; 2) la mise en œuvre réaliste de scénarios d’utilisation quotidienne et la collecte précise des parlementaires libérés des biberons sur la base des lignes directrices de l’OMS; et 3) la détermination chimique rentable et la cartographie de la topographie physique des députés libérés des biberons. Sur la base de ce protocole, le pourcentage de récupération utilisant le polystyrène standard MP (diamètre de 2 μm) était de 92,4 à 101,2%, tandis que la taille détectée était d’environ 102,2% de la taille prévue. Le protocole détaillé ici fournit une méthode fiable et rentable pour la préparation et la détection des échantillons de MP, ce qui peut considérablement bénéficier aux études futures sur la libération de MP à partir de produits en plastique.
Introduction
La plupart des types de plastiques sont non biodégradables mais peuvent se décomposer en petits morceaux en raison de processus chimiques et physiques tels que l’oxydation et le frottement mécanique1,2. Les pièces en plastique de moins de 5 mm sont classées comme des microplastiques (MPs). Les députés sont omniprésents et se retrouvent dans presque tous les coins du monde. Ils sont devenus une préoccupation mondiale en raison du risque potentiel pour les humains et la faune3,4. À ce jour, des accumulations importantes de députés ont été trouvées chez les poissons, les oiseaux, les insectes5,6 ainsi que chez les mammifères (souris, dans l’intestin, les reins et le foie7,8). Des études ont montré que l’exposition et l’accumulation de MPs peuvent endommager le métabolisme lipidique des souris7,8. Une évaluation des risques axée sur les poissons a révélé que les députés submicroniques peuvent pénétrer la barrière hémato-encéphalique et causer des lésions cérébrales9. Il convient de noter qu’à ce jour, tous les résultats sur le risque de MP ont été obtenus à partir d’études sur des animaux, alors que le risque spécifique pour la santé humaine est encore inconnu.
Au cours des 2 dernières années, les préoccupations au sujet de la menace que la MP fait pour la santé humaine ont considérablement augmenté avec la confirmation des niveaux d’exposition humaine aux députés. L’accumulation de MPs a été trouvée dans le côlon humain10, le placenta des femmes enceintes11 et des selles adultes12. Une détermination précise des niveaux de rejet de MP est essentielle pour identifier les sources d’exposition, évaluer le risque pour la santé et évaluer l’efficacité de toute mesure de contrôle potentielle. Au cours des dernières années, certaines études de cas ont indiqué que les plastiques utilisés quotidiennement (c.-à-d. la bouilloire en plastique13 et les gobelets à usage unique14)peuvent libérer des quantités extrêmement élevées de députés. Par exemple, les gobelets en papier jetables (avec des intérieurs stratifiés avec des films de polyéthylène-PE ou de copolymères), ont libéré environ 250 MPs de taille micron et 102 millions de particules de taille inférieure au micron dans chaque millilitre de liquide après une exposition à de l’eau chaude à 85-90 °C14. Une étude sur les contenants alimentaires en polypropylène (PP) a indiqué que jusqu’à 7,6 mg de particules de plastique sont libérés du contenant lors d’une utilisation unique15. Des niveaux encore plus élevés ont été enregistrés à partir de sachets de thé fabriqués à partir de polyéthylène téréphtalate (PET) et de nylon, qui ont libéré environ 11,6 milliards de députés et 3,1 milliards de députés de taille nanométrique dans une seule tasse (10 ml) de la boisson16. Étant donné que ces produits en plastique utilisés quotidiennement sont conçus pour la préparation d’aliments et de boissons, la libération de grandes quantités de députés est probable et leur consommation constitue une menace potentielle pour la santé humaine.
Les études sur la libération de MP à partir de produits en plastique ménagers (c.-à-d. la bouilloire en plastique13 et les gobelets à usage unique14)n’en sont qu’à leurs débuts, mais on s’attend à ce que ce sujet reçoive une attention croissante de la part des chercheurs et du grand public. Les méthodes requises dans ces études sont significativement différentes de celles utilisées dans les études marines ou d’eau douce à température ambiante où des protocoles bien établis existent déjà17. En revanche, les études portant sur l’utilisation quotidienne de produits en plastique ménagers impliquent une température beaucoup plus élevée (jusqu’à 100 °C), avec dans de nombreux cas des cycles répétés pour revenir à la température ambiante. Des études antérieures ont souligné que les plastiques en contact avec l’eau chaude peuvent libérer des millions de députés16,18. En outre, l’utilisation quotidienne de produits en plastique peut au fil du temps modifier les propriétés du plastique lui-même. Il est donc crucial de développer un protocole d’échantillonnage qui imite avec précision les scénarios d’utilisation quotidienne les plus courants. La détection de particules de taille micrométrique est un autre défi majeur. Des études antérieures ont souligné que les rejets des députés provenant des produits en plastique sont inférieurs à 20μm 16,19,20. La détection de ces types de MPs nécessite l’utilisation de filtres à membrane lisse avec une petite taille de pores. De plus, il est nécessaire de distinguer les députés des contaminants possibles capturés par le filtre. La spectroscopie Raman haute sensibilité est utilisée pour l’analyse de la composition chimique, ce qui a l’avantage d’éviter le besoin d’une puissance laser élevée connue pour détruire facilement les petites particules20. Par conséquent, le protocole doit combiner des procédures de manipulation sans contamination avec l’utilisation de filtres à membrane optimaux et pour une méthode de caractérisation qui permet une identification rapide et précise de la MP.
L’étude rapportée ici s’est concentrée sur le biberon à base de PP (BFB), l’un des produits en plastique les plus couramment utilisés dans la vie quotidienne. Il a été constaté qu’un grand nombre de députés sont libérés du plastique BFB lors de la préparation de la formule18. Pour une étude plus approfondie de la libération de MP par les plastiques quotidiens, la méthode de préparation et de détection des échantillons de BFB est détaillée ici. Lors de la préparation de l’échantillon, le processus standard de préparation de la formule (nettoyage, stérilisation et mélange) recommandé par l’OMS21 a été suivi attentivement. En concevant les protocoles autour des lignes directrices de l’OMS, nous nous sommes assurés que la libération de MP des BBF imitait le processus de préparation des préparations pour nourrissons utilisé par les parents. Le processus de filtrage a été conçu pour collecter avec précision les MPs libérés des BBF. Pour l’identification chimique des députés, les conditions de travail de la spectroscopie Raman ont été optimisées pour obtenir des spectres propres et facilement identifiables des députés, tout en évitant la possibilité de brûler les particules cibles. Enfin, la procédure d’essai optimale et la force appliquée pour permettre une cartographie topographique précise en 3 dimensions des MPs utilisant la microscopie à force atomique (AFM) ont été développées. Le protocole (Figure 1) détaillé ici fournit une méthode fiable et rentable pour la préparation et la détection des échantillons de MP, ce qui peut considérablement bénéficier aux études futures sur les produits en plastique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bien que l’étude des parlementaires dans les eaux marines et d’eau douce ait été largement rapportée et que le protocole standard pertinent ait été élaboré17, l’étude des produits en plastique utilisés quotidiennement est un domaine de recherche émergent important. Les différentes conditions environnementales vécues par les produits en plastique ménagers signifient que des soins et des efforts supplémentaires sont nécessaires pour obtenir des résultats fiables. Le protocole …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs apprécient le soutien financier d’Enterprise Ireland (numéro de subvention CF20180870) et de science Foundation Ireland (numéros de subvention : 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 et 16/IA/4462). Nous reconnaissons également le soutien financier de la School of Engineering Scholarship du Trinity College dublin et du China Scholarship Council (201506210089 et 201608300005). De plus, nous apprécions l’aide professionnelle de la professeure Sarah Mc Cormack et des équipes de techniciens (David A. McAulay, Mary O’Shea, Patrick L.K. Veale, Robert Fitzpatrick et Mark Gilligan, etc.) du trinity civil, structural and environmental department et du 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
- 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).
