Summary

Prøvetaking, sortering og karakteriserer Microplastics i akvatiske miljøer med høy suspendert Sediment laster og stort flytende avfall

Published: July 28, 2018
doi:

Summary

Mest microplastic forskning til dato har oppstått i marine systemer der suspendert solid nivåer er relativt lav. Fokus nå flytter til ferskvann systemer, som kanskje har høy sediment laster og flytende avfall. Denne protokollen adresser innsamling og analyse av microplastic prøver fra akvatiske miljøer som inneholder store suspendert solid belastninger.

Abstract

Allestedsnærværende tilstedeværelsen av plast rusk i havet er anerkjent av offentlige, vitenskapelige samfunn og myndigheter. Men nylig har microplastics i ferskvann systemer, som elver og innsjøer, er kvantifisert. Microplastic utvalg på overflaten vanligvis består av distribusjon Faststående garn bak enten en stasjonær eller flytte båten som begrenser prøvetaking for miljøer med lave nivåer av suspendert sedimenter og flytende eller neddykket rusk. Tidligere studier som ansatt Faststående garn å samle microplastic rusk vanligvis brukt garn med ≥300 µm mesh størrelsen, slik at plast rusk (partikler og fiber) under denne størrelsen å passere gjennom nettet og unnvike kvantifisering. Protokollen finnesher gjør: 1) prøvetaking i miljøer med høy suspendert laster og flytende eller neddykket rusk og 2) fangst og kvantifisering av microplastic partikler og fiber < 300 µm. vannprøver samlet inn ved hjelp av en peristaltiske pumpe i lav tetthet polyetylen (PE) beholdere lagres før filtrering og analyse i laboratoriet. Filtrering ble gjort med en skreddersydd microplastic filtrering enhet som inneholder avtakbar union leddene som ligger nylon maske sikter og blandet cellulose ester membran filtre. Mesh sikter og membran filtre ble undersøkt med en stereomicroscope å kvantifisere og skille microplastic partikler og fiber. Disse materialene ble deretter undersøkt ved hjelp av en mikro-dempes totale refleksjon Fourier transformere infrarød spectrometer (mikro ATR-FTIR) til å fastslå microplastic polymer-typen. Gjenoppretting ble målt ved skyter prøver ved blå PE partikler og grønne nylon fiber; prosent utvinning ble bestemt å være 100% for partikler og 92% for fiber. Denne protokollen guide lignende studier på microplastics i høy hastighet elver med høye konsentrasjoner av sediment. Med enkle modifikasjoner til peristaltiske pumpen og filtrering enhet, kan brukerne samle og analysere ulike eksempel volumer og partikler størrelser.

Introduction

Plast ble først observert i havet så tidlig som på 1930-tallet1. Nylige beregninger av marine plast rusk fra over 243,000 tonn (MT) av plast på havets overflate til 4,8-12.7 millioner tonn plast inn havet fra bakkenett kilder årlig2,3. Studier på marine plast rusk fokusert på macroplastics (> 5 mm i diameter) som de er lett synlige og målbare. Men det ble nylig oppdaget at macroplastics representerer < 10% av plast avfall av greven, i havet, som angir at det overveldende flertallet av plast avfall er microplastic (< 5 mm i diameter)2.

Microplastics er inndelt i to grupper: primære og sekundære microplastics. Primære microplastics består av plast som er produsert ved diameter < 5 mm og inkluderer nurdles, rå pellets brukes til å lage forbrukerprodukter, microbeads brukt som exfoliants i personlig pleieprodukter (f.eks ansikts vask, kroppsskrubb, tannkrem), og slipemidler eller smøremidler i bransjen. Sekundære microplastics opprettes i miljøet som større plast avfall er fragmentert av photolysis, slitasje og mikrobiell nedbryting4,5. Syntetiske fibre er også sekundære microplastics og økende bekymring. Et og samme strikkeplagg kan frigi > 1900 fiber per vask i en nasjonal vaskemaskin6. Disse mikrofiber, samt microbeads fra personlig pleieprodukter, er vasket ned avløp og inn i kloakksystemet før avløpsvann behandlinger planter. Murphy (2016) fant at et avløpsrenseanlegg serverer en befolkning på 650 000 redusert microplastic konsentrasjonen av 98.4% fra influent til avløpsvann, men 65 millioner microplastics forble i avløpsvann og sludge hver dag7. Selv med høy andel av microplastics fjernes under behandling prosesser, millioner, muligens milliarder, av microplastics passerer gjennom renseanlegg daglig og angi overflatevannet i avløpsvann6,8 ,9,10,11.

På grunn av deres miljømessige utgivelse, har microplastics blitt funnet i fordøyelsessystemet og respiratoriske vev hos marine organismer over alle nivåer i næringskjeden12,13,14,15. Deres innflytelse etter opptak er variabel, med noen studier ikke observere skade, mens andre viser mange effekter som fysiske og kjemiske vev skade4,6,14,15. På grunn av disse funnene har interesse i dette feltet økt de siste fem tiårene. Men nylig har studier begynt å kvantifisere plast rusk, spesielt microplastics, i ferskvann systemer, som elver og innsjøer, eller vurdere effekten på organismer bolig i disse habitater12,16, 17,18. Elvene er en viktig kilde til plast rusk funnet i havet som de mottar avløpsvann avløp og vann avrenning som inneholder microplastics og macroplastics.

Protokollen finnesher kan brukes til å samle inn microplastic eksempler der Faststående garn er ikke gjennomførbart; spesielt flytende i akvatiske miljøer med høye konsentrasjoner av suspendert sedimenter og store rusk som Mississippi-elven. Mississippi-elven vannskille er en av verdens største og har en befolkning på > 90 millioner mennesker, sannsynligvis gjør det en av de største kildene av plast avfall til havet19,20. Hvert år, Mississippielven utslipp gjennomsnittlig 735 km3 av ferskvann i Mexicogolfen, med høye konsentrasjoner av suspendert sedimenter (~ 60 til > 800 mg/L) og store rusk13,21. Vannprøver ble samlet på to dybder (dvs. overflaten og 0.6-dybde) på ulike steder langs Mississippi-elven og dens bielver i gjennomskinnelig 1 L lav tetthet polyetylen (PE) beholdere med en peristaltiske pumpe. I laboratoriet, ble prøver filtrert bruke nylon maske sikter og blandet cellulose ester membran filtre samtidig med en skreddersydd 63,5 mm (2.5 in) polyvinylklorid (PVC) sylinder med union ledd sette de sikter og filtre22. Inkludering av PVC fagforeninger filtrering enheten tillater filtrering av så mange eller så få partikkel størrelse klasser som ønsket. I tillegg kan det brukes til å fange microplastic rusk ned sub-mikron størrelser med membran filtre når studere Syntetiske fibre. Når filtrert, prøver ble tørket og mistenkt plast ble identifisert og sortert fra mesh sikter og membran filtre under en stereomicroscope. Mistenkt plast ble deretter undersøkt ved hjelp av mikro-dempes totale refleksjon Fourier transformere infrarød spektroskopi (mikro ATR-FTIR) til å eliminere ikke-syntetisk materiale eller polymer-typen. Størrelsen på microplastic partikler og fiber er forurensning vanlig. Beskyttet mot kontaminering inkluderer atmosfæriske deponering, klær, feltet og lab utstyr, samt deionisert (DI) vann kilder. Flere trinn er inkludert i protokollen for å redusere forurensning fra ulike kilder mens drive alle faser av studien.

Protocol

1. vann prøvetaking Samle vannprøver og vann kvalitetsdata rundt med båt der elva er godt blandet, ideelt på steder der elven scenen eller utslipp er kjent (f.eks USA Geological Survey (USGS) gauging stasjon). 20 for å sikre at vannet er godt blandet, guide båten med en håndholdt meter i elva til hvor ledningsevne forblir relativt konstant. Målestasjoner, posten stedskoordinater og dybde. For å finne 0.6-dybden, multipliserer du totalt dybden med 0,6. Måle va…

Representative Results

For å validere utvinningen av denne protokollen, mai tre vareprøver (V1-V3) fra Oso Bay, ble Corpus Christi, Texas (ved Texas A & M University-Corpus Christi Campus), tilsatt 10 blå PE partikler (alt fra 50-100 µm i diameter) og 50 grønne nylon fibre ulik lengde (Figur 3). Eksempel TSS var beregnet (del 2) og deretter prøvene var filtrert ved hjelp av metodene beskrevet i avsnitt 3-5. Den blå PE partikler og grønne nylon fiber va…

Discussion

Microplastic samling med Faststående garn er det tradisjonelle metoden i miljøer som havet der både sedimenter og plast konsentrasjoner er lav, dermed krever stort utvalg volumer. Faststående garn er imidlertid ikke alltid praktisk eller trygt i elver med høy sediment laster og store flytende eller neddykket rusk. I tillegg er det ikke mulig å bruke en drift netto når forsøker å grundig fange og kvantifisere microplastic materialer, spesielt fiber, som de fleste garn brukes for plast undersøkelser har mesh stø…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Prosjektet som denne protokollen ble etablert ble finansiert av National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Marine rusk Program (# NA16NO29990029). Vi takker Miles Corcoran nasjonal store elver forskning og utdanning Center (NGRREC) i Alton, Illinois, hjelp med nettstedet utvalg og båt drift. Feltet og lab arbeidet ble avsluttet med hjelp av Camille Buckley, Michael Abegg, Josiah Wray og Rebecca Wagner.

Materials

1L Cubitainer Containers, Low-Density Polyethylene VWR 89094-140 Containers used to collect and store samples.
2-1/2" Clear Schedule 40 Rigid PVC Pipe United States Plastic Corporation 34138 The PVC pipe used to make the device comes as an 2.43 m pipe. The pipe was then cut to the desired lengths for each section seperated by union joints. Section lengths were decided by predicting smaller pore sizes would clogg the device quicker. Longer sections were placed above the smaller pore sizes to collect and hold water to prevent needing to disassemble the device to change a filter while a sample remained in the device. For one filtration device one 18 in, one 12 in, and two 6 in peices are needed.
2-1/2" PVC SCH 40 Socket Union  Supply House 457-025 Union joints were glued to PVC pipe to house nylon sieves and mixed cellulose membranes.
Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque Off-White, 12" Width, 12" Length, 500 microns Mesh Size, 38% Open Area (Pack of 5) Small Parts via Amazon CMN-0500-C/5PK-05 Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration. 
Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque White, 12" Width, 12" Length, 100 microns Mesh Size, 44% Open Area (Pack of 5) Small Parts via Amazon B0043D1TB4 Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration. 
Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque White, 12" Width, 12" Length, 50 microns Mesh Size, 37% Open Area (Pack of 5) Small Parts via Amazon B0043D1SGA Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration. 
Mixed Cellulose Ester Membrane, 0.45um, 142mm, 25/pk VWR 10034-914 Mixed cellulose membrane filter with 0.45 um was used as the last filter. A large diameter was used to allow the filter to be folded into a cone to increase surface area of the filter to prevent clogging. 
Metal Mesh Basket Tea Leaves Strainer Teapot Filter 76mm Dia 3pcs Uxcell via Amazon a15071600ux0260 The mesh basket used to provide extra support for the membrane filter to prevent tearing when pressure was applied by a vacuum pump.
1/2" PVC Barbed Insert Male Adapter Supply House 1436-005 A vacuum adapter was added to allow vacuum filtration in the case of slow filtration due to high sediment concentration.
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 10 ft. PVC Clear Vinyl Tube Home Depot 702229 Tubing used to connect the vacuum pump to the filtration device.
YSI Professional Plus Multiparameter Instrument with Quatro Cable YSI 6050000 Handheld meter used to measure additional water quality parameters parameters (e.g., turbidity, temperature, conductivity, pH, and dissolved oxygen (DO)).
2100P Portable Turbidimeter Hach 4650000 Handheld meter used to measure turbidity.
FEP-lined PE tubing Geotech 87050529 Tubing used with perestaltic pump to collect water samples from desired depths.
Geopump Peristaltic Pump Series II Geotech 91350123 Pump used to collected water samples.
MeiJi Techno EMZ-8TR Microscope Microscope.com EMZ8TR-PLS2 Microscope used analyze mesh sieves and membrane filters to quanitfy suspect microsplastics.
Nicolet iS10 FTIR Spectrometer Thermo Electron North America 912A0607 FTIR used to analyze suspect microplastics.
Nicolet iN5 FTIR microscope Thermo Electron North America 912A0895 FTIR microscope used to analyze suspect microplastics.
Germanium (Ge) ATR Thermo Electron North America 869-174400 Geranium ATR accessory used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic.
Aluminum EZ-Spot Micro Mounts (Pkg of 5) Thermo Electron North America 0042-545 Microscope slides used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic.
Aluminum Coated Glass Sample Slides Thermo Electron North America 0042-544 Microscope slides used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic.

Referenzen

  1. Fowler, C. W. Marine debris and northern fur seals: A case study. Marine Pollution Bulletin. 18, 326-335 (2015).
  2. Eriksen, M., et al. Plastic pollution in the world’s oceans: More than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea. PLoS One. 9 (12), e111913 (2014).
  3. Jambeck, J. R., et al. Marine pollution. Plastic waste inputs from land into the ocean. Science. 347 (6223), 768-771 (2015).
  4. Andrady, A. L. Microplastics in the marine environment. Marine Pollution Bulletin. 62 (8), 1596-1605 (2011).
  5. Cole, M., Lindeque, P., Halsband, C., Galloway, T. S. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review. Marine Pollution Bulletin. 62 (12), 2588-2597 (2011).
  6. Browne, M. A., et al. Accumulation of microplastic on shorelines worldwide: Sources and sinks. Environmental Science & Technology. 45 (21), 9175-9179 (2011).
  7. Murphy, F., Ewins, C., Carbonnier, F., Quinn, B. Wastewater treatment works (WwTW) as a source of microplastics in the aquatic environment. Environmental Science & Technology. 50 (11), 5800-5808 (2016).
  8. Zubris, K. A., Richards, B. K. Synthetic fibers as an indicator of land application of sludge. Environmental Pollution. 138 (2), 201-211 (2005).
  9. Fendall, L. S., Sewell, M. A. Contributing to marine pollution by washing your face: Microplastics in facial cleansers. Marine Pollution Bulletin. 58 (8), 1225-1228 (2009).
  10. Gregory, M. R. Plastic ‘scrubbers’ in hand cleansers: A further (and minor) source for marine pollution identified. Marine Pollution Bulletin. 32 (12), 867-871 (1996).
  11. Bayo, J., Olmos, S., López-Castellanos, J., Alcolea, A. Microplastics and microfibers in the sludge of a municipal wastewater treatment plant. International Journal of Sustainable Development and Planning. 11, 812-821 (2016).
  12. McCormick, A., Hoellein, T. J., Mason, S. A., Schluep, J., Kelly, J. J. Microplastic is an abundant and distinct microbial habitat in an urban river. Environmental Science & Technology. 48 (20), 11863-11871 (2014).
  13. Farrell, P., Nelson, K. Trophic level transfer of microplastic: Mytilus edulis (L.) to Carcinus maenas (L.). Environmental Pollution. 177, 1-3 (2013).
  14. Rochman, C. M., et al. Scientific evidence supports a ban on microbeads. Environmental Science & Technology. 49 (18), 10759-10761 (2015).
  15. Taylor, M. L., Gwinnett, C., Robinson, L. F., Woodall, L. C. Plastic microfibre ingestion by deep-sea organisms. Scientific Reports. 6, 33997 (2016).
  16. Mani, T., Hauk, A., Walter, U., Burkhardt-Holm, P. Microplastics profile along the Rhine River. Scientific Reports. 5, 17988 (2015).
  17. Morritt, D., Stefanoudis, P. V., Pearce, D., Crimmen, O. A., Clark, P. F. Plastic in the Thames: a river runs through it. Marine Pollution Bulletin. 78 (1-2), 196-200 (2014).
  18. . National Park Servies Available from: https://www.nps.gov/miss/riverfacts.htm (2017)
  19. . United States Census Bureau Available from: https://www.census.gov/geo/maps-data/data/tiger-data.html (2010)
  20. . United States Geological Survey (USGS) Available from: https://waterdata.usgs.gov/nwis/rt (2016)
  21. Grimes, C. B. Fishery Production and the Mississippi River. Fisheries. 28 (8), 17-26 (2001).
  22. Talvitie, J., et al. Do wastewater treatment plants act as a potential point source of microplastics? Preliminary study in the coastal Gulf of Finland, Baltic Sea. Water Science and Technology. 72 (9), 1495-1504 (2015).
  23. . . United States Environmental Protection Agency (USEPA) Method 160.2: Residue, Non-filtereable (Gravimetric, Dried at 103-105C). , (1971).
  24. Nor, N. H., Obbard, J. P. Microplastics in Singapore’s coastal mangrove ecosystems. Marine Pollution Bulletin. 79 (1-2), 278-283 (2014).
  25. Woodall, L. C., Gwinnett, C., Packer, M., Thompson, R. C., Robinson, L. F., Paterson, G. L. Using a forensic science approach to minimize environmental contamination and to identify microfibres in marine sediments. Marine Pollution Bulletin. 95 (1), 40-46 (2015).
  26. . . S. 1424 – 114th Congress: Microbead-Free Waters Act of 2015. , (2015).
check_url/de/57969?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Martin, K. M., Hasenmueller, E. A., White, J. R., Chambers, L. G., Conkle, J. L. Sampling, Sorting, and Characterizing Microplastics in Aquatic Environments with High Suspended Sediment Loads and Large Floating Debris. J. Vis. Exp. (137), e57969, doi:10.3791/57969 (2018).

View Video