Prøveudtagning, sortering og kendetegner Microplastics i akvatiske miljøer med høj suspenderet Sediment belastninger og store flydende vragrester
Summary
De fleste microplastic forskning til dato er opstået i marine systemer hvor suspenderet solid er relativt lavt. Fokus er nu ved at flytte til ferskvands systemer, der kan funktionen høj sediment belastninger og flydende vragrester. Denne protokol adresser indsamle og analysere microplastic prøver fra akvatiske miljøer, der indeholder højt hængende fast last.
Abstract
Den allestedsnærværende tilstedeværelsen af plast vragrester i havet er bredt anerkendt af offentlige, videnskabelige Fællesskaber og regeringsorganer. Dog først for nylig har microplastics i ferskvandssystemer, floder og søer, blevet kvantificeret. Microplastic stikprøver på overfladen som regel består af implementering af drivgarn bag enten stationære eller bevægelige båden, som begrænser prøveudtagning til miljøer med lavt indhold af suspenderet sediment og flydende eller undersøiske debris. Tidligere undersøgelser, der anvendes drivgarn til at indsamle microplastic snavs typisk anvendes redskaber med maskestørrelse ≥300 µm, så plast vragrester (partikler og fibre) under denne størrelse til at passere gennem nettet og unddrager sig kvantificering. Protokollen detaljeret her giver: 1) stikprøven samling i miljøer med høj suspenderet belastninger og flydende eller neddykket debris og 2) opsamling og kvantificering af microplastic partikler og fibre < 300 µm. vandprøver blev indsamlet ved hjælp af en peristaltisk pumpe i belagt polyethylen (PE) beholdere skal opbevares inden filtrering og analyse i laboratoriet. Filtrering blev gjort med en specialfremstillet microplastic filtrering enhed indeholdende aftagelig union leddene, der husede nylon mesh sier og blandet cellulose ester membranfiltre. Mesh sier og membranfiltre blev undersøgt med et stereomikroskop at kvantificere og separat microplastic partikler og fibre. Disse materialer blev derefter undersøgt ved hjælp af en mikro-svækkede samlede Reflektionsgraden Fourier transform infrarøde spektrometer (mikro ATR-FTIR) til at bestemme microplastic polymer type. Recovery blev målt ved spiking prøver ved hjælp af blå PE partikler og grøn nylon fibre; procent opsving var fast besluttet på at være 100% af partikler og 92% for fibre. Denne protokol vil guide lignende undersøgelser på microplastics i høj hastighed floder med høje koncentrationer af sediment. Med simple ændringer til peristaltisk pumpe og filtrering enhed, kan brugerne indsamle og analysere forskellige prøve diskenheder og partikler størrelser.
Introduction
Plast blev først observeret i havet så tidligt som 1930s1. De seneste skøn over marine plast vragrester vifte fra over 243,000 metriske tons (MT) plast på havets overflade til 4,8-12,7 millioner MT plast ind havet fra jordbaserede kilder årligt2,3. Tidlige studier på marine plast vragrester fokuseret på macroplastics (> 5 mm i diameter) som de er let synlige og målbare. Men det blev for nylig opdaget, at macroplastics repræsenterer < 10% plast vragrester, efter optælling i havet, der angiver, at det overvældende flertal af plast vragrester er microplastic (< 5 mm diameter)2.
Microplastics kategoriseres i to grupper: primære og sekundære microplastics. Primære microplastics består af plast, der er fremstillet ved en diameter < 5 mm og omfatter nurdles, rå pellets anvendes til at gøre forbrugerprodukter, microbeads bruges som exfoliants i produkter til personlig pleje (fx ansigtsvask, bodyscrub, tandpasta), og slibemidler eller smøremidler i industrien. Sekundære microplastics er lavet i miljøet som større plast vragrester er fragmenteret ved fotolyse, slid og mikrobiel nedbrydning4,5. Syntetiske fibre er også sekundære microplastics og er en voksende bekymring. En enkelt beklædningsgenstand kan frigive > 1.900 fibre pr. vask i en indenlandsk vaskemaskine6. Disse mikrofibre, samt microbeads fra produkter til personlig pleje, er vasket ned afløb og ind i kloaksystemet før indtastning af spildevand behandlinger planter. Murphy (2016) fandt, at et renseanlæg, der tjener en befolkning på 650.000 reduceret microplastic koncentration af 98,4% fra tilløb til spildevand, men 65 millioner microplastics forblev i spildevand og slam hver dag7. Selv med høje procenter af microplastics bliver fjernet under behandlingsprocesser, millioner, eventuelt milliarder, af microplastics passerer gennem renseanlæg dagligt og Indtast overfladevand i spildevand6,8 ,9,10,11.
På grund af deres miljømæssige udgivelse, er microplastics blevet fundet i mave og respiratorisk væv af marine organismer på tværs af alle trofiske niveauer12,13,14,15. Deres virkning efter optagelsen er variabel, med nogle undersøgelser ikke observere skade, mens andre viser mange effekter såsom fysisk og kemisk væv skader4,6,14,15. På grund af disse opdagelser, er interesse på dette område steget i de seneste fem årtier. Dog først for nylig har undersøgelser begyndt at kvantificere plast vragrester, navnlig microplastics, i ferskvandssystemer, floder og søer, eller vurdere, hvilken virkning på organismer bolig i disse habitater12,16, 17,18. Floder er en væsentlig kilde til plast vragdele fundet i havet, som de modtager spildevand spildevand og overfladevand afstrømning, der indeholder microplastics og macroplastics.
Protokollen detaljeret her kan bruges til at indsamle microplastic prøver hvor drivgarn er ikke mulig; specifikt, flydende i akvatiske miljøer med høje koncentrationer af suspenderet sediment og store vragrester som Mississippi-floden. Mississippi-floden vandskel er en af verdens største og har en befolkning på > 90 millioner mennesker, sandsynligvis gør det en af de største kilder til plast snavs til ocean19,20. Hvert år, Mississippi-floden udledninger 735 km3 af ferskvand i gennemsnit i den Mexicanske Havbugt, sammen med høje koncentrationer af suspenderet sediment (~ 60 til > 800 mg/L) og store snavs13,21. Vandprøver blev indsamlet på to dybder (dvs., overflade og 0,6-dybde) på forskellige steder langs Mississippi-floden og dens bifloder i translucent 1 L belagt polyethylen (PE) containere ved hjælp af en peristaltisk pumpe. I laboratoriet, blev prøver filtreret med nylon mesh sier og blandet cellulose ester membranfiltre samtidig med en specialfremstillet 63,5 mm (2,5 tommer) polyvinylchlorid (PVC) cylinder med Unionens leddene indsætte sier og filtre22. Optagelse af PVC fagforeninger i filtrering enhed giver mulighed for filtrering af så mange eller så få partikel størrelsesklasser som ønsket. Derudover kan det bruges til at fange microplastic vragrester ned til sub micron størrelser ved hjælp af membranfiltre, når man studerer syntetiske fibre. Når filtreret, prøver blev tørret og formodede plast blev identificeret og sorteret fra den trådnet sier og membranfiltre under et stereomikroskop. Mistanke om plast blev derefter undersøgt ved hjælp af mikro-svækkede samlede Reflektionsgraden Fourier transform infrarød spektroskopi (mikro ATR-FTIR) til at fjerne ikke-syntetiske materialer eller fastslå polymer type. I betragtning af størrelsen af microplastic partikler og fibre er forurening hverdagskost. Kilder til forurening omfatter Atmosfærisk deposition, tøj, felt og lab udstyr, samt deioniseret vand (DI) vand kilder. Flere trin er inkluderet i hele protokollen til reduktion af kontaminering fra forskellige kilder samtidig med at gennemføre alle faser af undersøgelsen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microplastic samling ved hjælp af drivgarn er den konventionelle metode i miljøer som havet hvor både sediment og plast koncentrationerne er lave, således som kræver stor stikprøve diskenheder. Drivgarn er imidlertid ikke altid praktiske eller sikker i floder med høj sediment belastninger og store flydende eller undersøiske debris. Desuden er det ikke muligt at benytte en drivgarn, når du forsøger at grundigt fange og kvantificere microplastic materialer, især fibre, som de fleste moskitonet anvendes til plast…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Det projekt, hvortil denne protokol blev etableret blev finansieret af National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Marine vragrester Program (# NA16NO29990029). Vi takker Miles Corcoran på nationale store floder forskning og uddannelse Center (NGRREC) i Alton, Illinois, for at få hjælp med site udvælgelse og båd drift. Felt og lab arbejde blev afsluttet ved hjælp af 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
- 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).
