أخذ العينات، والفرز، وتميز ميكروبلاستيكس في البيئات المائية مع أحمال الرواسب المعلقة عالية وكبيرة من الحطام العائم
Summary
معظم البحوث ميكروبلاستيك لتاريخ حدث في النظم البحرية حيث علقت الصلبة مستويات منخفضة نسبيا. الآن يتحول التركيز على نظم المياه العذبة، التي قد تتميز الأحمال العالية من الرواسب والحطام العائم. ويعالج هذا البروتوكول جمع وتحليل عينات ميكروبلاستيك من البيئات المائية التي تحتوي على ارتفاع الأحمال الصلبة المعلقة.
Abstract
الوجود في كل مكان من الأنقاض البلاستيكية في المحيط المعروف على نطاق واسع بالمجتمعات عامة، والعلمية، والوكالات الحكومية. ومع ذلك، إلا في الآونة الأخيرة التي ميكروبلاستيكس في نظم المياه العذبة، مثل الأنهار والبحيرات، وقد كمياً. عينات ميكروبلاستيك في السطح وعادة ما تتألف من نشر الشباك خلف أما قارب ثابتة أو متحركة، مما يحد من أخذ العينات للبيئات ذات المستويات المنخفضة من الرواسب المعلقة والأنقاض الطافية أو المغمورة. الدراسات السابقة التي تستخدم الشباك العائمة لجمع الحطام ميكروبلاستيك عادة ما تستخدم شبكات مع حجم فتحات ميكرون إيه ثري زيرو زيرو، تسمح الأنقاض البلاستيكية (الجسيمات والألياف) أدناه هذا الحجم بالمرور عبر الشبكة وتستعصي على القياس الكمي. البروتوكول بالتفصيل هنا تمكن: المجموعة 1) عينة في بيئات مع ارتفاع علقت الأحمال والطافية أو المغمورة الحطام و 2) الالتقاط والتحديد الكمي للجسيمات ميكروبلاستيك وألياف < جمعت عينات المياه 300 ميكرون. استخدام مضخة تمعجية في حاويات البولي إثيلين منخفض الكثافة (PE) ليتم تخزينها قبل التصفية وتحليلها في المعمل. كان يتم الترشيح مع جهاز ترشيح مصنوعة خصيصا ميكروبلاستيك التي تحتوي على انفصال المفاصل الاتحاد الذي يؤوي ثقب سيتا مش النايلون ومختلطة السليلوز إستر غشاء فلاتر. وبحثت مش ثقب سيتا ومرشحات الغشاء مع ستيريوميكروسكوبي للتحديد الكمي وفصل الجسيمات ميكروبلاستيك والألياف. ثم درست هذه المواد باستخدام انعكاس الكلي الجزئي يخفف فورييه تحويل مطياف الأشعة تحت الحمراء (مايكرو ATR-فتير) لتحديد نوع البوليمر ميكروبلاستيك. استرداد تم قياسه بواسطة النتوءات العينات باستخدام الأزرق PE الجسيمات وألياف النايلون الخضراء؛ نسبة الاسترداد عازمة على أن تكون 100% للجسيمات و 92% للألياف. هذا البروتوكول سوف دليل دراسات مماثلة في ميكروبلاستيكس في الأنهار عالية السرعة مع تركيزات عالية من الرواسب. مع تعديلات بسيطة لمضخة تمعجية وجهاز الترشيح، يمكن للمستخدمين جمع وتحليل مختلف أحجام العينة وأحجام الجسيمات.
Introduction
البلاستيك لوحظ أولاً في المحيط لها في أقرب وقت الثلاثينات من القرن الماضي1. مصادر التقديرات الأخيرة من النفايات البلاستيكية البحرية مجموعة من أكثر من 243,000 طن متري (طن متري) من البلاستيك على سطح المحيطات إلى 4.8-12.7 مليون طن متري من البلاستيك تدخل في المحيط من الأرضية سنوياً2،3. ركزت الدراسات المبكرة على الحطام البحري البلاستيك على ماكروبلاستيكس (> 5 مم) كما واضحة وقابلة للقياس بسهولة. ومع ذلك، فإنه اكتشف مؤخرا أن تمثل ماكروبلاستيكس < 10% الأنقاض البلاستيكية، بالعد، في المحيط، مما يشير إلى أن الغالبية العظمى من الأنقاض البلاستيكية ميكروبلاستيك (< قطرها 5 مم)2.
وتصنف ميكروبلاستيكس إلى مجموعتين: ميكروبلاستيكس الابتدائي والثانوي. ميكروبلاستيكس الأولية تتكون من المواد البلاستيكية التي يتم تصنيعها في قطر < 5 مم وتشمل نوردليس، ميكروبيدس اكسفوليانتس في منتجات العناية الشخصية (مثلاً، غسل الوجه، فرك الجسم، والكريات الخام التي تستخدم في تصنيع المنتجات الاستهلاكية معجون الأسنان)، والمواد الكاشطة أو مواد التشحيم في الصناعة. يتم إنشاء ميكروبلاستيكس الثانوي داخل البيئة كما تم تجزئة الحطام البلاستيك أكبر بالتحلل والتآكل والتحلل الميكروبي4،5. الألياف الاصطناعية أيضا ميكروبلاستيكس الثانوية وهي مصدر قلق متزايد. ويمكن الإفراج عن ثوب واحد > ألياف 1,900 الواحدة وتغسل في ماكينة الغسيل المنزلي6. هذه ميكروفيبيرس، فضلا عن ميكروبيدس من منتجات العناية الشخصية، ويتم غسلها أسفل المصارف وفي نظام الصرف الصحي قبل الدخول إلى محطات العلاج. ميرفي (2016) وجدت أن محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي تخدم سكان البالغة 000 650 تخفيض تركيز ميكروبلاستيك نسبة 98.4 في المائة من التدفقات إلى النفايات السائلة، حتى الآن 65 مليون ميكروبلاستيكس بقي في النفايات السائلة والرواسب كل يوم7. حتى مع ارتفاع نسب ميكروبلاستيكس يتم إزالتها أثناء عمليات المعالجة، الملايين، وربما البلايين، من ميكروبلاستيكس تمر عبر محطات معالجة المياه المستعملة يوميا وأدخل المياه السطحية في النفايات السائلة6،8 ،9،،من1011.
سبب الإفراج عنهم البيئية، تم العثور على ميكروبلاستيكس في أنسجة الجهاز الهضمي والجهاز التنفسي للكائنات الحية البحرية عبر جميع المستويات التغذوية12،،13،،من1415. الدراسات أثرها بعد الامتصاص متغير، مع بعض الضرر غير المراقبة، بينما آخرون إثبات العديد من الآثار مثل الأنسجة الجسدية والكيميائية الضرر4،6،،من1415. بسبب هذه الاكتشافات، زاد الاهتمام في هذا الميدان على مدى العقود الخمسة الماضية. ومع ذلك، إلا في الآونة الأخيرة بدأت الدراسات لتحديد كمية الأنقاض البلاستيكية، لا سيما ميكروبلاستيكس، في نظم المياه العذبة، مثل الأنهار والبحيرات، أو لتقييم تأثير على الكائنات الحية مسكن في هذه الموائل12،16، 17،18. الأنهار هي مصدر رئيسي للانقاض البلاستيكية الموجودة في المحيطات كما أنها تتلقى مياه الفضلات السائلة وجريان المياه السطحية التي تحتوي على ميكروبلاستيكس وماكروبلاستيكس.
يمكن استخدام البروتوكول بالتفصيل هنا لجمع عينات ميكروبلاستيك فيها الشباك ليست مجدية؛ على وجه التحديد، في البيئات المائية مع تركيزات عالية من الرواسب المعلقة والكبيرة العائمة الحطام مثل نهر المسيسيبي. مستجمعات المياه نهر المسيسيبي هي واحدة من الأكبر في العالم، ويبلغ عدد سكانها > 90 مليون شخص، يرجح أن يجعلها واحدة من أكبر مصادر الأنقاض البلاستيكية إلى19،المحيط20. كل سنة، تصريف نهر المسيسيبي 735 كم3 من المياه العذبة في متوسط إلى خليج المكسيك، جنبا إلى جنب مع تركيزات عالية من الرواسب المعلقة (~ 60 إلى > 800 مغ/لتر) والحطام الكبيرة13،21. وجمعت عينات المياه في أعماق اثنين (أي سطح وعمق 0.6) في مواقع مختلفة على طول نهر المسيسبي وروافده في استخدام مضخة تمعجية شفافة الحاويات منخفض الكثافة البولي إيثيلين (PE) ل 1. تم تصفية عينات في المختبر، واستخدام النايلون مش ثقب سيتا ومرشحات غشاء إستر السيليلوز مختلطة في نفس الوقت مع اسطوانة مصنوعة خصيصا 63.5 مم (2.5) كلوريد البوليفينيل (PVC) مع المفاصل الاتحاد لإدراج ثقب سيتا ومرشحات22. إدراج النقابات بوليفينيل الكلوريد في جهاز الترشيح يسمح للترشيح بعدد أو عدد قليل من فئات حجم الجسيمات كما هو مطلوب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدامه لالتقاط الحطام ميكروبلاستيك وصولاً إلى أحجام الفرعية ميكرون باستخدام مرشحات الغشاء عند دراسة الألياف الاصطناعية. بعد تصفيتها، كانت تجفف العينات واللدائن المشتبه فيهم تم تحديدها وفرزها من ثقب شبكة سيتا ومرشحات الغشاء تحت ستيريوميكروسكوبي. ثم درست البلاستيك يشتبه باستخدام الانعكاس المجموع الجزئي يخفف فورييه تحويل مطيافية الأشعة تحت الحمراء (مايكرو ATR-فتير) لإزالة المواد غير الاصطناعية أو تحديد نوع البوليمر. ونظرا لحجم الجسيمات ميكروبلاستيك والألياف، التلوث أمرا مألوفاً. وتشمل مصادر التلوث بالترسيب في الغلاف الجوي، والملابس والمعدات الميدانية ومختبر، فضلا عن منزوع (DI) مصادر المياه. خطوات متعددة مدرجة في جميع أنحاء البروتوكول لخفض التلوث من مصادر مختلفة أثناء قيامها بجميع مراحل الدراسة.
Protocol
Representative Results
Discussion
مجموعة ميكروبلاستيك باستخدام الشباك العائمة هو الأسلوب التقليدي في بيئات مثل المحيطات الرواسب وتركيزات البلاستيك فيها كميات منخفضة، وبالتالي تتطلب عينة كبيرة. ومع ذلك، الشباك ليست دائماً العملية أو آمنة في الأنهار مع أحمال الرواسب عالية والعائمة الكبيرة أو الحطام المغمورة. بالإضافة إل…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وكان تمويل المشروع الذي أنشئ هذا البروتوكول الوطنية لدراسة المحيطات و “الغلاف الجوي” (NOAA) برنامج الحطام البحري (# NA16NO29990029). ونشكر كم كوركوران في “البحوث الوطنية بانهار كبيرة” ومركز التعليم (نجريك) في التون، إلينوي، للمساعدة في عملية التحديد وقارب الموقع. اكتمل العمل الميداني ومختبر مع المساعدة من أكلي كاميل ومايكل أبيج، ورأى يوشيا وفاغنر ريبيكا.
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
- Fowler, C. W. Marine debris and northern fur seals: A case study. Marine Pollution Bulletin. 18, 326-335 (2015).
- 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).
- Jambeck, J. R., et al. Marine pollution. Plastic waste inputs from land into the ocean. Science. 347 (6223), 768-771 (2015).
- Andrady, A. L. Microplastics in the marine environment. Marine Pollution Bulletin. 62 (8), 1596-1605 (2011).
- 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).
- Browne, M. A., et al. Accumulation of microplastic on shorelines worldwide: Sources and sinks. Environmental Science & Technology. 45 (21), 9175-9179 (2011).
- 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).
- Zubris, K. A., Richards, B. K. Synthetic fibers as an indicator of land application of sludge. Environmental Pollution. 138 (2), 201-211 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Farrell, P., Nelson, K. Trophic level transfer of microplastic: Mytilus edulis (L.) to Carcinus maenas (L.). Environmental Pollution. 177, 1-3 (2013).
- Rochman, C. M., et al. Scientific evidence supports a ban on microbeads. Environmental Science & Technology. 49 (18), 10759-10761 (2015).
- Taylor, M. L., Gwinnett, C., Robinson, L. F., Woodall, L. C. Plastic microfibre ingestion by deep-sea organisms. Scientific Reports. 6, 33997 (2016).
- Mani, T., Hauk, A., Walter, U., Burkhardt-Holm, P. Microplastics profile along the Rhine River. Scientific Reports. 5, 17988 (2015).
- 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).
- . National Park Servies Available from: https://www.nps.gov/miss/riverfacts.htm (2017)
- . United States Census Bureau Available from: https://www.census.gov/geo/maps-data/data/tiger-data.html (2010)
- . United States Geological Survey (USGS) Available from: https://waterdata.usgs.gov/nwis/rt (2016)
- Grimes, C. B. Fishery Production and the Mississippi River. Fisheries. 28 (8), 17-26 (2001).
- 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).
- . . United States Environmental Protection Agency (USEPA) Method 160.2: Residue, Non-filtereable (Gravimetric, Dried at 103-105C). , (1971).
- Nor, N. H., Obbard, J. P. Microplastics in Singapore’s coastal mangrove ecosystems. Marine Pollution Bulletin. 79 (1-2), 278-283 (2014).
- 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).
- . . S. 1424 – 114th Congress: Microbead-Free Waters Act of 2015. , (2015).
