Vi viser dannelsen og dimensjonskarakteriseringen av mikro- og nanoplast (henholdsvis MPS og NP) ved hjelp av en trinnvis prosess med mekanisk fresing, sliping og bildeanalyse.
Mikroplast (MP) og nanoplast (NP) spredt i landbruksøkosystemer kan utgjøre en alvorlig trussel mot biota i jord og nærliggende vannveier. I tillegg kan kjemikalier som plantevernmidler adsorbert av NP skade jordorganismer og potensielt komme inn i næringskjeden. I denne sammenheng bidrar landbruksutnyttet plast som plast mulchfilmer betydelig til plastforurensning i landbruksøkosystemer. Imidlertid bruker de fleste grunnleggende studier av skjebne og økotoksisitet idealiserte og dårlig representative MP-materialer, for eksempel polystyrenmikrosfærer.
Derfor, som beskrevet her, utviklet vi en lab-skala flertrinnsprosedyre for å mekanisk danne representative parlamentsmedlemmer og NP-er for slike studier. Plastmaterialet ble fremstilt fra kommersielt tilgjengelige plastmulchfilmer av polybutyratadipat-co-tereftalat (PBAT) som ble utarmet gjennom enten kryogenisk behandling (CRYO) eller miljøforvitring (W), og fra ubehandlede PBAT-pellets. Plastmaterialene ble deretter behandlet ved mekanisk fresing for å danne parlamentsmedlemmer med en størrelse på 46-840 μm, som etterlignet slitasje av plastfragmenter av vind og mekanisk maskineri. Parlamentsmedlemmene ble deretter siktet inn i flere størrelsesfraksjoner for å muliggjøre videre analyse. Til slutt ble 106 μm silfraksjonen utsatt for våtsliping for å generere NP på 20-900 nm, en prosess som etterligner den langsomme reduksjonsprosessen for jordbaserte parlamentsmedlemmer. Dimensjonene og formen for parlamentsmedlemmer ble bestemt gjennom bildeanalyse av stereomikrografer, og dynamisk lysspredning (DLS) ble ansatt for å vurdere partikkelstørrelse for NP. Parlamentsmedlemmer og NP dannet gjennom denne prosessen hadde uregelmessige former, som er i tråd med de geometriske egenskapene til parlamentsmedlemmer gjenvunnet fra landbruksfelt. Samlet sett viste denne størrelsesreduksjonsmetoden seg effektiv for å danne parlamentsmedlemmer og NP sammensatt av biologisk nedbrytbar plast som polybutylenadipat-co-tereftalat (PBAT), som representerer mulchmaterialer som brukes til landbruksspesialitetsproduksjon.
De siste tiårene har den raskt økende globale produksjonen av plast og feil avhending og mangel på resirkulering av plastavfall ført til miljøforurensning som har påvirket marine og terrestriske økosystemer 1,2,3. Plastmaterialer er avgjørende for moderne landbruk, spesielt for å dyrke grønnsaker, liten frukt og andre spesialavlinger. Deres bruk som mulchfilmer, høye og lave tunnelbelegg, dryppbånd og andre applikasjoner tar sikte på å forbedre avlingene og kvaliteten, redusere produksjonskostnadene og fremme bærekraftige oppdrettsmetoder 4,5. Imidlertid har den voksende bruken av “plasticulture” reist bekymringer om dannelse, distribusjon og oppbevaring av plastbiter i landbruksmiljøer. Etter en kontinuerlig fragmenteringsprosess forårsaket av sprøhet gjennom miljøforringelse i løpet av levetiden, danner større plastfragmenter mikro- og nanoplast (MNPs), som vedvarer i jord eller migrerer til tilstøtende vannveier via vannavrenning og vind 6,7,8. Miljøfaktorer som ultrafiolett (UV) stråling gjennom sollys, mekaniske vannkrefter og biologiske faktorer utløser plastisk sprøhet av miljødispergert plast, noe som resulterer i nedbrytning av større plastfragmenter i makro- eller mesoplastpartikler 9,10. Videre defragmentering danner mikroplast (MPs) og nanoplast (NP), som reflekterer partikler av gjennomsnittlig størrelse (nominell diameter; dp) på henholdsvis 1-5000 μm og 1-1000 nm,11. Imidlertid er den øvre dp-grensen for NP (dvs. en nedre grense for parlamentsmedlemmer) ikke universelt avtalt, og i flere papirer er dette oppført som 100 nm12.
MNPs fra plastavfall utgjør en fremvoksende global trussel mot jordhelse og økosystemtjenester. Adsorpsjon av tungmetaller fra ferskvann av parlamentsmedlemmer førte til en 800 ganger høyere konsentrasjon av tungmetaller sammenlignet med omgivelsene13. Videre utgjør parlamentsmedlemmer i akvatiske økosystemer flere stressorer og forurensninger ved å endre lyspenetrasjon, forårsake oksygenutarming og forårsake vedheft til forskjellige biota, inkludert penetrasjon og akkumulering i vannlevende organismer14.
Nylige studier tyder på at MNPs kan påvirke jordgeokjemi og biota, inkludert mikrobielle samfunn og planter15,16,17. Videre truer NP-er matnettet17,18,19,20. Siden MNPs lett gjennomgår vertikal og horisontal transport i jord, kan de bære absorberte forurensninger som plantevernmidler, myknere og mikroorganismer gjennom jorda til grunnvann eller akvatiske økosystemer som elver og bekker21,22,23,24. Konvensjonell landbruksplast som mulchfilmer er laget av polyetylen, som må fjernes fra feltet etter bruk og kastes i deponier. Ufullstendig fjerning fører imidlertid til betydelig opphopning av plastavfall i jord 9,25,26. Alternativt er jordbiologisk nedbrytbare plast mulches (BDM) designet for å bli dyrket inn i jorden etter bruk, hvor de vil nedbrytes over tid. BDM-er vedvarer imidlertid midlertidig i jord og nedbrytes og fragmenteres gradvis til parlamentsmedlemmer og NP-er 9,27.
Mange nåværende miljøøkotoksikologiske og skjebnestudier benytter idealiserte og ikke-representative parlamentsmedlemmer og NP-modeller. De mest brukte surrogat-MNP-ene er monodisperse polystyrenmikro- eller nanosfærer, som ikke gjenspeiler de faktiske MNP-ene som bor i miljøet 12,28. Følgelig kan valg av ikke-representative parlamentsmedlemmer og NP-er føre til unøyaktige målinger og resultater. Basert på mangelen på passende modell ΜNPs for terrestriske miljøstudier, var forfatterne motivert til å forberede slike modeller fra landbruksplast. Vi har tidligere rapportert om dannelsen av MNPs fra BDM og polyetylenpellets gjennom mekanisk fresing og sliping av plastpellets og filmmaterialer og dimensjonale og molekylære egenskaper til MNPs29. Det nåværende papiret gir en mer detaljert protokoll for fremstilling av MNPs som kan brukes bredere på all landbruksplast, for eksempel mulchfilmer eller deres pelletiserte råstoffer (figur 1). Her, for å tjene som et eksempel, valgte vi en mulchfilm og sfæriske pellets av den biologisk nedbrytbare polymeren polybutyladipattereftalat (PBAT) for å representere landbruksplast.
Denne metoden beskriver en effektiv prosess som opprinnelig ble beskrevet i en tidligere publikasjon29, for å forberede MNPs hentet fra pellets og mulchfilmer for miljøstudier. Størrelsesreduksjonsprosessen involverte kryogen kjøling (kun for film), tørrfresing og våtslipingstrinn, for å produsere modell-MNP-er. Vi har brukt denne metoden til å fremstille MNP fra et bredt spekter av polymere råstoffer, inkludert lavdensitetspolyetylen (LDPE), polybutyratadipat-co-tereftalat (PBAT) og poly…
The authors have nothing to disclose.
Denne forskningen ble finansiert av Herbert College of Agriculture, Biosystems Engineering and Soil Department, og Science Alliance ved University of Tennessee, Knoxville. Videre anerkjenner forfatterne takknemlig den økonomiske støtten som tilbys gjennom USDA Grant 2020-67019-31167 for denne forskningen. De opprinnelige råstoffene for tilberedning av MNP-er av PBAT-basert biologisk nedbrytbar mulchfilm ble levert av BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, USA) og PBAT-pellets av Mobius, LLC (Lenoir City, TN).
Aluminum dish, 150 mL | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 08-732-103 | Drying of collected NPs |
Aluminum dish, 500 mL | VWR International, Radnor, PA, USA | 25433-018 | Collecting NPs after wet-grinding |
Centrifuge | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | Centrific 228 | Container for centrifugation |
Delivery tube, #20, 840 µm | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | 3383M30 | Sieving of the first fraction during milling |
Delivery tube, #60, 250 µm | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | 3383M45 | Sieving of the second fraction (3x) during milling |
Thermomixer, 5350 Mixer | Eppendorf North America, Enfield, CT, USA | 05-400-200 | Analysis of sieving experiments |
FT-IR Spectrum Two, spectrometer with attenuated total reflectance (ATR) | Perkin Elmer, Waltham, MA, USA | L1050228 | Measuring FTIR spectra |
Glass beaker, 1000 mL | DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA | 02-555-113 | Stirring of MPs-water slurry before grinding |
Glass front plate | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | 3383N55 | Front cover plaste for Wiley Mini Mill |
Glass jar, 50 mL | Uline, Pleasant Prairie, WI, USA | S-15846P | Collective MPs after milling |
Glove Box, neoprene | Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA | BEL-H500290000 | 22-Inch, Size 10 |
Zetasizer Nano ZS 90 size analyzer | Malvern Panalytical, Worcestershire, UK | Zetasizer Nano ZS | Measuring nanoplastics dispersed in DI-water |
Microscope camera | Nikon, Tokyo, 108-6290, Japan | Nikon Digital Sight 10 | Combined with Olympus microscope to receive digital images |
Microscope | Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japan | Model SZ 61 | Imaging of MPs |
Nitrogen jar, low form dewar flasks | Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA | UX-03771-23 | Storage of liquid nitrogen during cryogenic cooling |
Accurate Blend 200, 12-speed blender | Oster, Boca Raton, FL, USA | 6684 | Initiating the size reduction of cryogenically treated plastic film |
PBAT film, – BioAgri™ (Mater-Bi®) | BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA | 0.7 mm thick | Feedstock to form MPs and NPs, agricultural mulch film |
PBAT pellets | Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA | Diameter 3 mm | Feedstock to form microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) trough milling and grinding |
Plastic centrifuge tubes, 50 mL | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 06-443-18 | Centrifugation of slurry after wet-grinding |
Plastic jar, 1000 mL, pre-cleaned, straight sided | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 05-719-733 | Collection of NPs during and after wet grinding |
Polygon stir bars, diameterø=8 mm, length=50.8 mm | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 14-512-127 | Stirring of MPs slurry prior to wet-grinding |
Scissors, titanium bonded | Westcott, Shelton, CT, USA | 13901 | Cutting of initial PBAT film feedstocks |
Square glass cell with square aperture and cap, 12 mm O.D. | Malvern Panalytical, Worcestershire, UK | PCS1115 | Measuring of NPs particle size |
Stainless steel bottom, 3 inch, pan | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 8401 | For sieving after Wiley-milling |
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 140 (106 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1308 | For sieving after Wiley-milling |
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 20 (850 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1296 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 325 (45 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1313 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 60 (250 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1303 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
Stainless steel top cover, 3 inch | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 8406 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
Stainless steel tweezers | Global Industrial, Port Washington, NY, USA | T9FB2264892 | Transferring of frozen film particles from jar into blender |
Vacuum oven, model 281A | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 13-262-50 | Vacuum oven to dry NPs after wet-grinding |
Friction grinding machine, Supermass Colloider | Masuko Sangyo, Tokyo, Japan | MKCA6-2J | Grinding machine to form NPs from MPs |
Wet-grinding stone, grit size: 297 μm -420 μm | Masuko Sangyo, Tokyo, Japan | MKE6-46DD | Grinding stone to form NPs from MPs |
Wiley Mini Mill, rotary cutting mill | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | NC1346618 | Size reduction of pellets and film into MPs and NPs |
Software | |||
FTIR-Spectroscopy software | Perkin Elmer, Waltham, MA, USA | Spectrum 10 | Collection of spectra from the initial plastic, MPs and NPs |
Image J, image processing program | National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA | Version 1.53n | Analysis of digital images received from microscopy |
Microscope software, ds-fi1 software | Malvern Panalytical , Malvern, UK | Firmware DS-U1 Ver3.10 | Recording of digital images |
Microsoft, Windows, Excel 365, spreadsheet software | Microsoft, Redmond, WA, USA | Office 365 | Calculating the average particle size and creating FTIR spectra images |
JMP software, statistical software | SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021 | Version 15 | Statistical analysis of particle size and perform best fit of data set |
Unscrambler software | Camo Analytics, Oslo, Norway | Version 9.2 | Normalizing and converting FTIR spectra into .csv fromat |