매일 사용하는 동안 폴리 프로필렌 아기 먹이 병에서 방출 마이크로 플라스틱의 샘플링, 식별 및 특성화
Summary
이 연구는 플라스틱 제품의 일상적인 사용에서 미세 플라스틱 수집 및 탐지를위한 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 프로토콜을 자세히 설명했습니다.
Abstract
미세 플라스틱 (의원)은 인간의 건강에 잠재적 인 위험으로 인해 세계적인 관심사가되고 있습니다. 플라스틱 제품(예: 플라스틱 일회용 컵 및 주전자)에 대한 사례 연구에 따르면 매일 사용하는 동안 MP 릴리스가 매우 높을 수 있음을 나타냅니다. MP 방출 수준을 정확하게 결정하는 것은 노출 소스를 식별하고 정량화하고 이 노출에서 비롯된 해당 위험을 평가/제어하는 중요한 단계입니다. 해양 또는 담수에서 MP 수준을 측정하기위한 프로토콜이 잘 개발되었지만 가정용 플라스틱 제품에 의해 경험되는 조건은 매우 다양 할 수 있습니다. 많은 플라스틱 제품은 빈번한 고온 (최대 100 °C)에 노출되며 매일 사용하는 동안 실온으로 다시 냉각됩니다. 따라서 각 특정 제품에 대한 실제 일일 사용 시나리오를 모방한 샘플링 프로토콜을 개발하는 것이 중요합니다. 이 연구는 많은 플라스틱 제품의 MP 방출 연구를위한 비용 효율적인 프로토콜을 개발하기 위해 널리 사용되는 폴리 프로필렌 기반의 아기 먹이 병에 초점을 맞추었다. 여기서 개발된 프로토콜은 샘플링 및 검출 중 잠재적 오염을 예방할 수 있습니다. 2) WHO 지침에 따라 유아 용병에서 방출 된 일일 사용 시나리오및 정확한 수집의 현실적인 구현; 및 3) 아기 먹이 병에서 풀어 놓인 의원의 비용 효과적인 화학 적 결정 및 물리적 지형 매핑. 이 프로토콜에 따라 표준 폴리스티렌 MP(직경 2 μm)를 사용한 회수 비율은 92.4-101.2%였으며 검출된 크기는 설계 크기의 약 102.2%였다. 여기에 자세히 설명된 프로토콜은 MP 샘플 준비 및 검출을 위한 안정적이고 비용 효율적인 방법을 제공하며, 이는 플라스틱 제품에서 MP 릴리스의 향후 연구에 실질적으로 도움이 될 수 있습니다.
Introduction
대부분의 플라스틱 유형은 생분해성이 없지만 산화 및 기계적 마찰1,2와같은 화학적 및 물리적 공정으로 인해 작은 조각으로 분해될 수 있습니다. 5mm 미만의 플라스틱 조각은 미세 플라스틱(MP)으로 분류됩니다. 의원은 유비쿼터스이며 세계의 거의 모든 구석에서 발견됩니다. 그(것)들은 인간과 야생 동물에 잠재적인 리스크 때문에세계적인관심사가 되었습니다3,4. 현재까지, 의원의 상당한 축적은 물고기, 조류, 곤충5,6뿐만 아니라 포유동물 (마우스, 창자, 신장 및 간7,8)에서발견되었습니다. 연구 결과는 의원의 노출 그리고 축적이 마우스의 지질 대사를 손상시킬 수 있다는 것을것을을발견했습니다 7,8. 물고기에 초점을 맞춘 위험 평가는 하위 미크론 의원이 혈액 대 뇌 장벽을 관통하고 뇌 손상을 일으킬 수 있음을발견 9. 현재까지 모든 MP 위험 결과는 동물 연구에서 얻은 반면 인간의 건강에 대한 구체적인 위험은 아직 알려지지 않았습니다.
지난 2 년 동안, 인간의 건강에 대한 MP 위협에 대한 우려는 의원에 대한 인간의 노출 수준의 확인과 함께 실질적으로 증가했습니다. 국회의원의 축적은 인간 결장10,임산부(11)와 성인 대변(12)의 태반에서 발견되었다. MP 방출 수준의 정확한 결정은 노출 소스를 식별하고, 건강 위험을 평가하고, 잠재적인 제어 조치의 효율성을 평가하는 데 매우 중요합니다. 지난 몇 년 동안, 일부 사례 연구는 매일 사용하는 플라스틱 (즉, 플라스틱 주전자13 및 일회용 컵14)이매우 높은 양의 의원을 방출 할 수 있다고보고했습니다. 예를 들어, 일회용 종이 컵(폴리에틸렌-PE 또는 공중합체 필름으로 적층된 내부) 약 250개의 미크론 크기의 MP와 1억 2,000만 개의 서브 미크론 크기의 입자를 85-90°C의 뜨거운물에노출된 후 액체의 각 밀리리터에 방출하였다. 폴리 프로필렌 (PP) 식품 용기의 연구는 플라스틱 입자의 최대 7.6 mg이 단일 사용 동안 용기에서 방출되는 것으로 보고15. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 나일론으로 만든 티백에서 더 높은 수준이 기록되었으며, 약116억명의 의원과 31억 나노 크기의 의원을 음료 16잔(10mL)으로 방출했다. 이러한 일일 사용 플라스틱 제품이 식음료 준비를 위해 설계되었기 때문에 대량의 의원을 방출할 가능성이 높으며 소비는 인간의 건강에 잠재적인 위협이 될 수 있습니다.
가정용 플라스틱 제품(예: 플라스틱 주전자13개 및 일회용 컵14)의MP 방출에 대한 연구는 초기 단계에 있지만, 이 주제는 연구자와 일반 대중의 관심을 끌 것으로 예상됩니다. 이러한 연구에서 필요한 방법은 잘 확립 된 프로토콜이 이미17이존재하는 실온 해양 또는 담수 연구에 사용되는 것과 크게 다릅니다. 대조적으로, 가정용 플라스틱 제품의 일일 사용과 관련된 연구는 훨씬 더 높은 온도 (최대 100 °C)를 포함하며 많은 경우 실온으로 다시 사이클링을 반복합니다. 이전 연구는 뜨거운 물과 접촉 플라스틱 은 의원16,18의수백만을 해제 할 수 있음을 지적했다. 또한, 플라스틱 제품의 일일 사용은 시간이 지남에 따라 플라스틱 자체의 특성을 변경할 수 있습니다. 따라서 가장 일반적인 일일 사용 시나리오를 정확하게 모방하는 샘플링 프로토콜을 개발하는 것이 중요합니다. 미세 크기의 입자의 검출은 또 다른 주요 과제입니다. 이전 연구는 플라스틱 제품에서 방출하는 의원이 20μm16,19,20보다작다는 것을 지적했습니다. 이러한 유형의 의원을 감지하려면 작은 기공 크기의 부드러운 멤브레인 필터를 사용해야 합니다. 또한, 필터에 의해 캡처 가능한 오염 물질에서 의원을 구별 할 필요가있다. 고감도 라만 분광법은 화학 조성 분석에 사용되며, 이는 작은입자(20)를쉽게 파괴하는 것으로 알려진 높은 레이저 전력의 필요성을 피할 수 있는 장점이 있다. 따라서 이 프로토콜은 오염없는 처리 절차를 최적의 멤브레인 필터를 사용하고 빠르고 정확한 MP 식별을 허용하는 특성화 방법을 결합해야 합니다.
이 연구는 일상 생활에서 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱 제품 중 하나인 PP 기반 의 젖병(BFB)에 초점을 맞추고 있다고 보고했습니다. 수식 준비18동안 플라스틱 BFB에서 많은 수의 의원이 방출되는 것으로 나타났습니다. 매일 플라스틱에서 MP 방출에 대한 추가 연구를 위해 BFB에 대한 샘플 준비 및 검출 방법은 여기에 자세히 설명되어 있습니다. 시료 준비 중 WHO21에서 권장하는 표준 수식 준비 과정(세척, 살균 및 혼합)을 신중하게 따랐다. WHO 지침에 관한 프로토콜을 설계함으로써 BFBs의 MP 릴리스가 부모가 사용하는 유아용 분유 준비 프로세스를 모방하도록 했습니다. 필터 프로세스는 BfB에서 방출된 의원을 정확하게 수집하도록 설계되었습니다. 의원의 화학적 식별을 위해 라만 분광법의 작업 조건은 의원들의 깨끗하고 쉽게 식별되는 스펙트럼을 얻기 위해 최적화되었으며, 동시에 표적 입자를 연소할 가능성을 피했습니다. 마지막으로, 원자력 현미경검사(AFM)를 이용한 MP의 정확한 3차원 지형 매핑을 허용하는 최적의 시험 절차와 적용된 힘이 개발되었다. 여기에 상세히 설명된프로토콜(그림 1)은MP 샘플 준비 및 검출을 위한 안정적이고 비용 효율적인 방법을 제공하며, 이는 향후 플라스틱 제품에 대한 연구에 실질적으로 도움이 될 수 있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
해양 및 담수의 의원들에 대한 연구가 널리 보고되고 관련 표준 프로토콜이17개개발되었지만, 일일 플라스틱 제품에 대한 연구는 중요한 신흥 연구 분야입니다. 가정용 플라스틱 제품에 의해 경험되는 다른 환경 조건은 신뢰할 수있는 결과를 얻기 위해 여분의 주의와 노력이 필요하다는 것을 의미합니다. 스터디 프로토콜은 실제 일일 사용 시나리오와 일치해야 합니다. 예를 들?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 기업 아일랜드 (보조금 번호 CF20180870) 및 과학 재단 아일랜드 (보조금 번호 : 20 / FIP / PL / 8733, 12 / RC / 2278_P2 및 16 / IA / 4462)를 감사. 우리는 또한 트리니티 칼리지 더블린과 중국 장학금 위원회 (201506210089 및 201608300005)의 공학 장학금 학교의 재정 지원을 인정합니다. 또한, 우리는 교수 사라 맥 코맥과 기술자 팀 (데이비드 A. 맥아울레이, 메리 오시어, 패트릭 L.K. Veale, 로버트 피츠패트릭과 마크 길리건 등)의 전문적인 도움을 주셔서 감사합니다 트리니티 시민, 구조 및 환경 부서와 앰버 연구 센터.
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).
