Bemonstering, sorteren en karakteriseren van Microplastics in aquatische milieus met hoge zwevende sedimenten ladingen en grote zwevend puin
Summary
Meeste microplastic onderzoek tot op heden heeft plaatsgevonden in mariene systemen waar gesuspendeerde vaste niveaus relatief laag zijn. Focus verschuift nu naar zoetwatersystemen, die over een hoge sediment ladingen en zwevend puin beschikken kunnen. Dit protocol adressen verzamelen en analyseren van microplastic monsters van aquatische milieus waarin hoge gesuspendeerde vaste lasten.
Abstract
De alomtegenwoordige aanwezigheid van kunststof puin in de Oceaan wordt algemeen erkend door de openbare, wetenschappelijke gemeenschappen, en overheidsinstellingen. Echter pas onlangs hebben microplastics in zoetwatersystemen, zoals rivieren, meren, gekwantificeerd. Microplastic bemonstering op het oppervlak meestal bestaat uit het implementeren van drijfnetten achter ofwel een stilstaand of langzaam bewegend boot, waardoor de bemonstering omgevingen met lage niveaus van sedimenten en zwevende of onder het zeeoppervlak puin wordt beperkt. Eerdere studies die in dienst van drijfnetten voor het verzamelen van puin microplastic meestal gebruikt netten met ≥300 µm maaswijdte, waardoor kunststof puin (deeltjes en vezels) onder deze grootte passeren van het net te ontsnappen kwantificering. Het protocol gedetailleerde hier maakt: 1) sample collectie in omgevingen met hoge ladingen en drijvende opgeschort of ondergedompeld puin en 2) de opname en kwantificering van microplastic deeltjes en vezels < 300 µm. watermonsters werden verzameld met behulp van een peristaltische pomp in lage dichtheid polyetheen (PE) containers worden opgeslagen voordat deze worden gefilterd of geanalyseerd in het lab. Filtratie werd gedaan met een op maat gemaakte microplastic filtratie apparaat met afneembare Unie gewrichten die gehuisvest nylon mesh zeven en gemengd cellulose ester membraanfilters. Mesh zeven en membraanfilters werden onderzocht met een stereomicroscoop te kwantificeren en te scheiden microplastic deeltjes en vezels. Deze materialen werden vervolgens onderzocht met behulp van een micro-verzwakt totale reflectantie Fourier transform infrared spectrometer (micro ATR-FTIR) om microplastic polymeer type te bepalen. Herstel werd gemeten door het stekelige monsters met behulp van blauwe PE deeltjes en groene nylon vezels; percentage herstel was vastbesloten om te worden 100% voor deeltjes en 92% voor vezels. Dit protocol zal begeleiden soortgelijke studies op microplastics in hoge snelheid rivieren met hoge concentraties van sediment. Met eenvoudige aanpassingen op de peristaltische pomp en filtratie apparaat, kunnen gebruikers verzamelen en analyseren van verschillende monster volumes en deeltjes maten.
Introduction
Kunststof werd het eerst waargenomen in de oceaan zo vroeg als de jaren 1930-1. Recente ramingen van kunststof zeeafval bereik meer dan 243,000 metrische ton (MT) van plastic op het oceaanoppervlak aan 4,8-12,7 miljoen MT plastic invoeren van de oceaan van terrestrische bronnen jaarlijks2,3. Vroege studies op kunststof zeeafval gericht op macroplastics (> 5 mm diameter) omdat ze gemakkelijk zichtbaar en meetbaar. Echter het werd onlangs ontdekt dat macroplastics vertegenwoordigen < 10% van plastic puin, door graaf, in de Oceaan, waarmee wordt aangegeven dat de overgrote meerderheid van kunststof puin microplastic (< 5 mm diameter)2.
Microplastics zijn gecategoriseerd in twee groepen: primaire en secundaire microplastics. Primaire microplastics bestaan uit kunststoffen die worden vervaardigd op een diameter < 5 mm en nurdles, rauwe pellets gebruikt voor het maken van consumentenproducten, microbeads gebruikt als exfoliërende in verzorgingsproducten (bijvoorbeeld gezicht wassen, body scrub, omvatten tandpasta), en schuurmiddelen of smeermiddelen in de industrie. Secundaire microplastics worden gemaakt binnen de omgeving op grotere plastic puin is versnipperd door fotolyse, schuren en microbiële afbraak4,5. Synthetische vezels zijn ook secundaire microplastics en een groeiende bezorgdheid. Een enkel kledingstuk kunt vrijgeven > 1.900 vezels per wasbeurt in een binnenlandse wasmachine-6. Deze microfibers, evenals microbeads van producten voor persoonlijke verzorging, worden naar beneden afvoeren en in het riool gewassen alvorens afvalwater behandelingen planten. Murphy (2016) vinden dat een waterzuiveringsstation serveren een bevolking van 650.000 de concentratie microplastic 98,4% uit influent om afvalwater, beperkt nog 65 miljoen microplastics bleef in afvalwater en slib elke dag7. Zelfs met hoge percentages van microplastics wordt verwijderd tijdens de behandelingsprocessen, miljoenen, mogelijk miljarden, van microplastics rioolwaterzuiveringsinstallaties dagelijks passeren en voer oppervlaktewateren in afvalwater6,8 ,9,10,11.
Door hun milieu vrijval, microplastics in de spijsvertering en luchtwegen weefsels van mariene organismen gevonden over alle trofische niveaus12,13,14,15. Hun effect na opname variabel, met een aantal is studies niet observeren schade, terwijl anderen vele effecten zoals de fysische en chemische weefsel schade4,6,14,15 tonen. Door deze ontdekkingen, belang op dit gebied toegenomen in de afgelopen vijf decennia. Echter pas onlangs zijn begonnen met het kwantificeren van plastic afval, met name microplastics, in zoetwatersystemen, zoals rivieren, meren, of beoordelen van het effect op de organismen woning in deze habitats12,16, studies 17,18. Rivieren zijn een belangrijke bron van kunststof puin gevonden in de Oceaan, als zij ontvangen afvalwater afvalwater en oppervlaktewater afvoer die microplastics en macroplastics bevatten.
Het protocol hier gedetailleerde inzetbaar monsters te verzamelen microplastic waar drijfnetten zijn niet haalbaar is; in het bijzonder zwevend in aquatische milieus met hoge concentraties van sedimenten en grote puin als de Mississippi rivier. De Mississippi River stroomgebied is een van’s werelds grootste en heeft een inwoneraantal van > 90 miljoen mensen, waarschijnlijk waardoor het een van de grootste bronnen van kunststof puin tot de oceaan19,20. Elk jaar, de Mississippi kwiklozingen gemiddeld met 735 km3 van zoet water in de Golf van Mexico, samen met hoge concentraties van sedimenten (~ 60 tot > 800 mg/L) en grote puin13,21. Watermonsters werden verzameld in twee diepten (dat wil zeggen, oppervlak en 0.6-diepte) op verschillende plaatsen langs de Mississippi rivier en haar zijrivieren in doorschijnende 1 L lage dichtheid polyetheen (PE) containers gebruik een peristaltische pomp. In het lab werden monsters gefilterd met behulp van nylon mesh zeven en gemengde cellulose ester membraanfilters gelijktijdig met een op maat gemaakte 63.5 mm (2.5 inch) PVC (polyvinylchloride) cilinder met Unie gewrichten te voegen van de zeven en filters22. De opname van PVC vakbonden in de filtratie apparaat kan voor filtratie door zo veel of zo weinig deeltje grootteklassen zoals gewenst. Bovendien kan het worden gebruikt om vast te leggen microplastic puin tot sub micron grootte met behulp van membraanfilters, bij de studie van synthetische vezels. Nadat gefilterd, monsters werden gedroogd en vermoedelijke kunststoffen werden geïdentificeerd en gesorteerd van de mesh zeven en membraanfilters onder een stereomicroscoop. Vermoedelijke kunststoffen werden vervolgens onderzocht met behulp van micro-verzwakt totale reflectantie Fourier transform infrarood spectroscopie (micro ATR-FTIR) te elimineren van de niet-synthetische materialen of polymeer type bepalen. Gezien de omvang van microplastic deeltjes en vezels is besmetting gemeengoed. Bronnen van besmetting zijn atmosferische depositie, kleding, veld en lab-apparatuur, evenals gedeïoniseerd (DI) water bronnen. Meerdere stappen zijn opgenomen in het gehele protocol ter beperking van verontreiniging uit diverse bronnen terwijl het uitvoeren van alle fasen van de studie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microplastic collectie met drijfnetten is de conventionele methode in omgevingen zoals de oceaan waar zowel sediment en kunststof concentraties laag, dus vereisen grote steekproef volumes zijn. Drijfnetten zijn echter niet altijd praktisch of veilig in rivieren met hoge sediment ladingen en grote drijvende of verzonken puin. Bovendien is het niet haalbaar om een drijfnetten gebruiken wanneer probeert te grondig vangen en kwantificeren microplastic materialen, met name vezels, zoals de meeste netten gebruikt voor kunststo…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het project waarvoor dit protocol werd opgericht werd gefinancierd door de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) mariene puin programma (# NA16NO29990029). Wij danken Miles Corcoran bij de nationale grote rivieren Research and Education Center (NGRREC) in Alton (Illinois), voor hulp bij selectie en boot werking van de site. Veld en lab werk werd voltooid met de hulp van Camille Buckley, Michael Abegg, Josiah Wray en 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).
