Provtagning, sortering och karaktärisera mikroplast i akvatiska miljöer med högt svävande Sediment laster och stora flytande skräp
Summary
De flesta mikroplast forskning hittills har inträffat i Marina system där Suspenderade fasta nivåer är relativt låga. Nu skiftar fokus till sötvattensystem, som kan innehålla höga sediment laster och flytande skräp. Detta protokoll adresser insamling och analys av mikroplast prover från vattenmiljöer som innehåller hög hängande fast laster.
Abstract
Allestädes närvarande närvaro av plast skräp i havet är allmänt erkänd av offentliga, vetenskapliga samhällen och myndigheter. Emellertid först nyligen har mikroplast i sötvattensystem, såsom floder och sjöar, kvantifierats. Mikroplast provtagning vid ytan oftast består av distribuera drivgarn bakom antingen stationära eller rörliga båt, som begränsar provtagningen för miljöer med låga halter av suspenderat sediment och flytande eller nedsänkt skräp. Tidigare studier som anställd drivgarn att samla mikroplast skräp vanligtvis används nät med maskstorlek ≥300 µm, vilket gör att plast skräp (partiklar och fibrer) nedanför denna storlek att passera igenom nätet och gäcka kvantifiering. Protokollet beskrivs här möjliggör: 1) provtagning i miljöer med hög svävande laster och flytande eller nedsänkt skräp och 2) avskiljning och kvantifiering av mikroplast partiklar och fibrer < 300 µm. Vattenprover samlades in med hjälp av en Peristaltisk pump i polyeten (PE) behållare förvaras före filtrering och analys i labbet. Filtrering gjordes med en skräddarsydd mikroplast filtrering enhet som innehåller löstagbar unionens lederna som inrymt nylon mesh såll och mixed cellulosa membranfilter av ester. Mesh såll och membranfilter undersöktes med ett stereomikroskop att kvantifiera och separat mikroplast partiklar och fibrer. Dessa material granskades sedan använda en mikro-försvagade totala reflexionsfaktor Fourier transform infraröd spektrometer (micro ATR-FTIR) för att avgöra mikroplast polymer typ. Återhämtning mättes genom tillsatta exempel med blå PE partiklar och grön nylon fibrer; procent återhämtning var fast besluten att vara 100% för partiklar och 92% för fibrer. Detta protokoll guidar liknande studier på mikroplast i hög hastighet vattendrag med höga koncentrationer av sediment. Med enkla ändringar till Peristaltisk pump och filtrering enhet, kan användarna samla in och analysera olika provvolymer och partiklar storlekar.
Introduction
Plast observerades först i havet så tidigt som på 1930-talet1. Senaste beräkningarna av Marina plast skräp sortiment från över 243,000 ton (MT) plast på havsytan till 4,8-12,7 miljoner MT av plast in havet från terrestrial källor årligen2,3. Tidiga studier på Marina plast skräp fokuserade på macroplastics (> 5 mm diameter) som de är lätt synliga och mätbara. Men det upptäcktes nyligen att macroplastics representerar < 10% av plast skräp, greve, i havet, vilket indikerar att den överväldigande majoriteten av plast skräp är mikroplast (< 5 mm diameter)2.
Mikroplast kategoriseras in i två grupper: primär och sekundär mikroplast. Primära mikroplast består av plast som tillverkas vid en diameter < 5 mm och inkluderar nurdles, rå pellets används för att göra konsumentprodukter, mikrokulor som används som exfoliants i personliga hygienprodukter (t.ex. ansiktstvätt, bodyscrub, tandkräm), och slipmedel eller smörjmedel i branschen. Sekundär mikroplast skapas inom miljön som större plast skräp är splittrad genom fotolys, nötning och mikrobiell nedbrytning4,5. Syntetiska fibrer är också sekundär mikroplast och en växande oro. Ett enda plagg kan släppa > 1.900 fibrer per tvätt i en inhemsk tvättmaskin6. Dessa mikrofibrer, liksom mikrokulor från kroppsvårdsprodukter, tvättas ner avlopp och i avloppsnätet innan avloppsvatten behandlingar växter. Murphy (2016) fann att ett avloppsreningsverk som betjänar en befolkning på 650,000 reduceras mikroplast koncentrationen av 98,4% från inflödet till utflödet, ännu 65 miljoner mikroplast återstod i avloppsvatten och slam varje dag7. Även med höga procentsatser av mikroplast tas bort under behandlingsprocesser, miljoner, kanske miljarder, av mikroplast passerar genom reningsverken dagligen och ange ytvatten i utflödet6,8 ,9,10,11.
På grund av deras miljömässiga release, har mikroplast hittats i mag- och respiratoriska vävnader i marina organismer över alla trofinivåer12,13,14,15. Deras inverkan efter upptag är variabel, med några studier inte observera skada, medan andra visar många effekter såsom fysiska och kemiska vävnad skada4,6,14,15. På grund av dessa upptäckter ökat intresse inom detta område under de senaste fem decennierna. Men har bara nyligen studier börjat kvantifiera plast skräp, särskilt mikroplast, i sötvatten system, såsom floder och sjöar, eller bedöma effekten på organismer bostad i dessa livsmiljöer12,16, 17,18. Floderna är en stor källa till plast skräp hittade i havet som de får avloppsvatten avloppsvatten och ytvatten avrinning som innehåller mikroplast och macroplastics.
Protokollet beskrivs här kan användas för att samla mikroplast prover där drivgarn inte är möjligt. specifikt, flytande i akvatiska miljöer med höga koncentrationer av svävande sediment och stora skräp som floden Mississippi. Mississippifloden vattendelaren är en av världens största och har en befolkning på > 90 miljoner människor, troligen gör den till en av de största källorna till plast skräp till ocean19,20. Varje år Mississippifloden utsläpp genomsnitt 735 km3 av sötvatten i Mexikanska golfen, tillsammans med höga koncentrationer av svävande sediment (~ 60 till > 800 mg/L) och stora skräp13,21. Vattenprover samlades på två djup (dvs ytan och 0,6-djup) på olika platser längs Mississippi-floden och dess bifloder i genomskinlig 1 L polyeten (PE) containrar med en Peristaltisk pump. I labbet filtrerades prover med nylon mesh såll och mixed cellulosa membranfilter av ester samtidigt med skräddarsydda 63,5 mm (2,5 tum) polyvinylklorid (PVC) cylinder med unionens lederna för att infoga såll och filter22. Införandet av PVC fackföreningar i filtrering enheten möjliggör filtrering av så många eller så få partikel storleksklasser som önskas. Dessutom kan det användas för att fånga mikroplast skräp ner till sub micron storlekar med membranfilter när man studerar syntetiska fibrer. När filtrerad, proverna torkades och misstänkta plast identifierades och sorteras från mesh såll och membranfilter under ett stereomikroskop. Misstänkta plast undersöktes sedan använder mikro-försvagade totala reflektans Fourier transform infraröd spektroskopi (micro ATR-FTIR) att eliminera icke-syntetiska material eller bestämma polymer typ. Med tanke på storleken av mikroplast partiklar och fibrer är kontaminering vardagsmat. Källor till kontaminering är atmosfäriskt nedfall, kläder, fält och lab utrustning, samt avjoniserat vatten (DI) vatten källor. Flera steg ingår i hela protokollet att reducera kontaminering från olika källor under utförande av alla stadier av studien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mikroplast samlingen med hjälp av drivgarn är den konventionella metoden i miljöer som havet där både sediment och plast koncentrationerna är låga, således som kräver stora provmängder. Drivgarn är dock inte alltid praktiskt eller säkert i vattendrag med hög sediment laster och stora flytande eller nedsänkt skräp. Dessutom är det inte möjligt att använda en drivgarn när försöker grundligt fånga och kvantifiera mikroplast material, särskilt fibrer, som de flesta nät som används för plast undersö…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Projektet som detta protokoll fastställdes finansierades av National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Marina skräp Program (# NA16NO29990029). Vi tackar Miles Corcoran vid stora floder forsknings och utbildning Center (NGRREC) i Alton, Illinois, för hjälp med val och båt drift. Fält och lab arbetet slutfördes med hjälp av Camille Buckley, Michael Abegg, Josiah Wray och 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).
