मौलिक अनुसंधान अध्ययन में रोजगार के लिए कृषि प्लास्टिक फिल्मों से सूक्ष्म और नैनो-प्लास्टिक बनाना
Summary
हम यांत्रिक मिलिंग, पीसने और इमेजिंग विश्लेषण की चरणबद्ध प्रक्रिया का उपयोग करके सूक्ष्म और नैनोप्लास्टिक्स (क्रमशः सांसद और एनपी) के गठन और आयामी लक्षण वर्णन दिखाते हैं।
Abstract
कृषि पारिस्थितिकी प्रणालियों में फैले माइक्रोप्लास्टिक्स (सांसद) और नैनोप्लास्टिक्स (एनपी) मिट्टी और आसपास के जलमार्गों में बायोटा के लिए गंभीर खतरा पैदा कर सकते हैं। इसके अलावा, एनपी द्वारा अधिशोषित कीटनाशकों जैसे रसायन मिट्टी के जीवों को नुकसान पहुंचा सकते हैं और संभावित रूप से खाद्य श्रृंखला में प्रवेश कर सकते हैं। इस संदर्भ में, प्लास्टिक गीली घास फिल्मों जैसे कृषि रूप से उपयोग किए जाने वाले प्लास्टिक कृषि पारिस्थितिकी प्रणालियों में प्लास्टिक प्रदूषण में महत्वपूर्ण योगदान देते हैं। हालांकि, भाग्य और इकोटॉक्सिसिटी के अधिकांश मौलिक अध्ययन आदर्श और खराब प्रतिनिधि एमपी सामग्रियों को नियोजित करते हैं, जैसे कि पॉलीस्टाइनिन माइक्रोस्फीयर।
इसलिए, जैसा कि यहां वर्णित है, हमने इस तरह के अध्ययनों के लिए प्रतिनिधि सांसदों और एनपी को यांत्रिक रूप से बनाने के लिए एक प्रयोगशाला-पैमाने पर बहु-चरण प्रक्रिया विकसित की। प्लास्टिक सामग्री को पॉलीब्यूटाइरेट आदिपेट-को-टेरेफ्थेलेट (पीबीएटी) की व्यावसायिक रूप से उपलब्ध प्लास्टिक गीली घास फिल्मों से तैयार किया गया था, जिन्हें क्रायोजेनिक उपचार (सीआरवाईओ) या पर्यावरण अपक्षय (डब्ल्यू) और अनुपचारित पीबीएटी छर्रों से उत्सर्जित किया गया था। प्लास्टिक सामग्री को तब यांत्रिक मिलिंग द्वारा 46-840 μm के आकार के साथ सांसद बनाने के लिए इलाज किया गया था, हवा और यांत्रिक मशीनरी द्वारा प्लास्टिक के टुकड़ों के घर्षण की नकल करते हुए। सांसदों को तब आगे के विश्लेषण को सक्षम करने के लिए कई आकार के अंशों में छलनी किया गया था। अंत में, 106 μm छलनी अंश को 20-900 एनएम के एनपी उत्पन्न करने के लिए गीले पीसने के अधीन किया गया था, एक प्रक्रिया जो स्थलीय सांसदों के लिए धीमी आकार की कमी प्रक्रिया की नकल करती है। सांसदों के लिए आयाम और आकार स्टीरियोमाइक्रोग्राफ के छवि विश्लेषण के माध्यम से निर्धारित किए गए थे, और एनपी के लिए कण आकार का आकलन करने के लिए गतिशील प्रकाश बिखरने (डीएलएस) को नियोजित किया गया था। इस प्रक्रिया के माध्यम से गठित सांसदों और एनपी में अनियमित आकार थे, जो कृषि क्षेत्रों से बरामद सांसदों के ज्यामितीय गुणों के अनुरूप है। कुल मिलाकर, यह आकार में कमी विधि बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक जैसे पॉलीब्यूटिलीन एडिपेट-को-टेरेफ्थेलेट (पीबीएटी) से बने सांसदों और एनपी बनाने के लिए कुशल साबित हुई, जो कृषि विशेषता फसल उत्पादन के लिए उपयोग की जाने वाली गीली घास सामग्री का प्रतिनिधित्व करती है।
Introduction
हाल के दशकों में, प्लास्टिक के तेजी से बढ़ते वैश्विक उत्पादन और अनुचित निपटान और प्लास्टिक कचरे के लिए रीसाइक्लिंग की कमी ने पर्यावरण प्रदूषण को जन्म दिया है जिसने समुद्री और स्थलीय पारिस्थितिक तंत्र 1,2,3 को प्रभावित किया है। समकालीन कृषि के लिए प्लास्टिक सामग्री आवश्यक है, विशेष रूप से सब्जियों, छोटे फलों और अन्य विशेष फसलों की खेती के लिए। गीली घास फिल्मों, उच्च और निम्न सुरंग कवरिंग, ड्रिप टेप और अन्य अनुप्रयोगों के रूप में उनका उपयोग फसल उपज और गुणवत्ता, कम उत्पादन लागत को बढ़ाने और टिकाऊ खेती के तरीकों को बढ़ावा देनेका लक्ष्य रखता है 4,5. हालांकि, “प्लास्टिकल्चर” के विस्तारित रोजगार ने कृषि वातावरण में प्लास्टिक के टुकड़ों के गठन, वितरण और प्रतिधारण के बारे में चिंताओं को उठाया है। सेवा जीवन के दौरान पर्यावरणीय क्षरण के माध्यम से उत्सर्जन के कारण एक निरंतर विखंडन प्रक्रिया के बाद, बड़े प्लास्टिक के टुकड़े सूक्ष्म और नैनोप्लास्टिक (एमएनपी) बनाते हैं, जो मिट्टी में बने रहते हैं या पानी के अपवाह और हवा 6,7,8 के माध्यम से आसन्न जलमार्गों में पलायन करते हैं। पर्यावरणीय कारक जैसे कि सूर्य के प्रकाश के माध्यम से पराबैंगनी (यूवी) विकिरण, पानी की यांत्रिक शक्तियां, और जैविक कारक पर्यावरणीय रूप से बिखरे हुए प्लास्टिक के प्लास्टिक उत्सर्जन को ट्रिगर करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बड़े प्लास्टिक के टुकड़ों को मैक्रो- या मेसो-प्लास्टिक कणों 9,10 में तोड़ दिया जाता है। आगे डीफ्रैग्मेंटेशन माइक्रोप्लास्टिक्स (सांसदों) और नैनोप्लास्टिक्स (एनपी) बनाता है, जो औसत आकार (नाममात्र व्यास) के कणों को दर्शाता है; (द प) क्रमशः 1-5000 μm और 1-1000 एनएम की11. हालांकि, एनपी के लिए ऊपरी डीपी सीमा (यानी, सांसदों के लिए एक निचली सीमा) सार्वभौमिक रूप से सहमत नहीं है और कई पत्रों में, इसे 100 एनएम12 के रूप में सूचीबद्ध किया गया है।
प्लास्टिक कचरे से एमएनपी मिट्टी के स्वास्थ्य और पारिस्थितिकी तंत्र सेवाओं के लिए एक उभरता हुआ वैश्विक खतरा पैदा करते हैं। सांसदों द्वारा मीठे पानी से भारी धातुओं के सोखना ने आसपास के वातावरण की तुलना में भारी धातुओं की 800 गुना अधिक सांद्रता का नेतृत्वकिया 13. इसके अलावा, जलीय पारिस्थितिकी प्रणालियों में सांसद प्रकाश प्रवेश को बदलकर, ऑक्सीजन की कमी का कारण बनकर, और जलीय जीवों में प्रवेश और संचय सहित विभिन्न बायोटा के लिए आसंजन पैदा करके कई तनाव और दूषित पदार्थ पैदा करते हैं।
हाल के अध्ययनों से पता चलता है कि एमएनपी मिट्टी भूरसायन और बायोटा को प्रभावित कर सकते हैं, जिसमें माइक्रोबियल समुदाय और पौधे 15,16,17 शामिल हैं। इसके अलावा, एनपी खाद्य वेब 17,18,19,20 को धमकी देते हैं। चूंकि एमएनपी आसानी से मिट्टी में ऊर्ध्वाधर और क्षैतिज परिवहन से गुजरते हैं, इसलिए वे मिट्टी के माध्यम से कीटनाशकों, प्लास्टिसाइज़र और सूक्ष्मजीवों जैसे अवशोषित दूषित पदार्थों को भूजल या जलीय पारिस्थितिकी प्रणालियों जैसे नदियोंऔर धाराओं में ले जा सकते हैं। पारंपरिक कृषि प्लास्टिक जैसे गीली घास की फिल्में पॉलीथीन से बनाई जाती हैं, जिन्हें उपयोग के बाद खेत से हटा दिया जाना चाहिए और लैंडफिल में निपटाया जाना चाहिए। तथापि, अपूर्ण निष्कासन से मृदा 9,25,26 में पर्याप्त प्लास्टिक मलबा संचय हो जाता है। वैकल्पिक रूप से, मिट्टी-बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक गीली घास (बीडीएम) को उपयोग के बाद मिट्टी में जुताई करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जहां वे समय के साथ नीचा दिखाएंगे। हालांकि, बीडीएम अस्थायी रूप से मिट्टी में बने रहते हैं और धीरे-धीरे सांसदों और एनपी 9,27 में नीचा दिखाते हैं और खंडित होते हैं।
कई वर्तमान पर्यावरणीय पारिस्थितिकी और भाग्य अध्ययन आदर्श और गैर-प्रतिनिधि सांसदों और एनपी मॉडल सामग्रियों को नियोजित करते हैं। सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला सरोगेट एमएनपी मोनोडिस्पर्स पॉलीस्टाइनिन माइक्रो- या नैनोस्फीयर हैं, जो पर्यावरण12,28 में रहने वाले वास्तविक एमएनपी को प्रतिबिंबित नहीं करते हैं। नतीजतन, गैर-प्रतिनिधि सांसदों और एनपी के चयन के परिणामस्वरूप गलत माप और परिणाम हो सकते हैं। स्थलीय पर्यावरण अध्ययन के लिए उपयुक्त मॉडल ΜNPs की कमी के आधार पर, लेखकों को कृषि प्लास्टिक से ऐसे मॉडल तैयार करने के लिए प्रेरित किया गया था। हमने पहले प्लास्टिक छर्रों और फिल्म सामग्री के यांत्रिक मिलिंग और पीसने और एमएनपी29 की आयामी और आणविक विशेषताओं के माध्यम से बीडीएम और पॉलीथीन छर्रों से एमएनपी के गठन पर सूचना दी थी। वर्तमान पेपर एमएनपी तैयार करने के लिए एक अधिक विस्तृत प्रोटोकॉल प्रदान करता है जिसे सभी कृषि प्लास्टिक, जैसे गीली घास फिल्मों या उनके पेलेटाइज्ड फीडस्टॉक्स (चित्रा 1) पर अधिक व्यापक रूप से लागू किया जा सकता है। यहां, एक उदाहरण के रूप में सेवा करने के लिए, हमने कृषि प्लास्टिक का प्रतिनिधित्व करने के लिए बायोडिग्रेडेबल बहुलक पॉलीब्यूटिलीन एडिपेट टेरेफ्थेलेट (पीबीएटी) की एक गीली घास फिल्म और गोलाकार छर्रों को चुना।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह विधि पर्यावरण अध्ययन के लिए छर्रों और गीली घास फिल्मों से प्राप्त एमएनपी तैयार करने के लिए पिछले प्रकाशन29 में शुरू में वर्णित एक प्रभावी प्रक्रिया का वर्णन करती है। आकार में कमी की प्रक्रि…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को हर्बर्ट कॉलेज ऑफ एग्रीकल्चर, बायोसिस्टम्स इंजीनियरिंग और मृदा विभाग और टेनेसी विश्वविद्यालय, नॉक्सविले में विज्ञान गठबंधन द्वारा वित्त पोषित किया गया था। इसके अलावा, लेखक कृतज्ञतापूर्वक इस शोध के लिए यूएसडीए ग्रांट 2020-67019-31167 के माध्यम से प्रदान की गई वित्तीय सहायता को स्वीकार करते हैं। पीबीएटी-आधारित बायोडिग्रेडेबल गीली घास फिल्म के एमएनपी तैयार करने के लिए प्रारंभिक फीडस्टॉक्स कृपया बायोबैग अमेरिका, इंक (ड्यूनेविन, एफएल, यूएसए), और मोबियस, एलएलसी (लेनॉयर सिटी, टीएन) द्वारा पीबीएटी छर्रों द्वारा प्रदान किए गए थे।
Materials
| Aluminum dish, 150 mL | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 08-732-103 | Drying of collected NPs |
| Aluminum dish, 500 mL | VWR International, Radnor, PA, USA | 25433-018 | Collecting NPs after wet-grinding |
| Centrifuge | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | Centrific 228 | Container for centrifugation |
| Delivery tube, #20, 840 µm | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | 3383M30 | Sieving of the first fraction during milling |
| Delivery tube, #60, 250 µm | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | 3383M45 | Sieving of the second fraction (3x) during milling |
| Thermomixer, 5350 Mixer | Eppendorf North America, Enfield, CT, USA | 05-400-200 | Analysis of sieving experiments |
| FT-IR Spectrum Two, spectrometer with attenuated total reflectance (ATR) | Perkin Elmer, Waltham, MA, USA | L1050228 | Measuring FTIR spectra |
| Glass beaker, 1000 mL | DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA | 02-555-113 | Stirring of MPs-water slurry before grinding |
| Glass front plate | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | 3383N55 | Front cover plaste for Wiley Mini Mill |
| Glass jar, 50 mL | Uline, Pleasant Prairie, WI, USA | S-15846P | Collective MPs after milling |
| Glove Box, neoprene | Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA | BEL-H500290000 | 22-Inch, Size 10 |
| Zetasizer Nano ZS 90 size analyzer | Malvern Panalytical, Worcestershire, UK | Zetasizer Nano ZS | Measuring nanoplastics dispersed in DI-water |
| Microscope camera | Nikon, Tokyo, 108-6290, Japan | Nikon Digital Sight 10 | Combined with Olympus microscope to receive digital images |
| Microscope | Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japan | Model SZ 61 | Imaging of MPs |
| Nitrogen jar, low form dewar flasks | Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA | UX-03771-23 | Storage of liquid nitrogen during cryogenic cooling |
| Accurate Blend 200, 12-speed blender | Oster, Boca Raton, FL, USA | 6684 | Initiating the size reduction of cryogenically treated plastic film |
| PBAT film, – BioAgri™ (Mater-Bi®) | BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA | 0.7 mm thick | Feedstock to form MPs and NPs, agricultural mulch film |
| PBAT pellets | Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA | Diameter 3 mm | Feedstock to form microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) trough milling and grinding |
| Plastic centrifuge tubes, 50 mL | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 06-443-18 | Centrifugation of slurry after wet-grinding |
| Plastic jar, 1000 mL, pre-cleaned, straight sided | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 05-719-733 | Collection of NPs during and after wet grinding |
| Polygon stir bars, diameterø=8 mm, length=50.8 mm | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 14-512-127 | Stirring of MPs slurry prior to wet-grinding |
| Scissors, titanium bonded | Westcott, Shelton, CT, USA | 13901 | Cutting of initial PBAT film feedstocks |
| Square glass cell with square aperture and cap, 12 mm O.D. | Malvern Panalytical, Worcestershire, UK | PCS1115 | Measuring of NPs particle size |
| Stainless steel bottom, 3 inch, pan | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 8401 | For sieving after Wiley-milling |
| Stainless steel sieve, 3 inch, No. 140 (106 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1308 | For sieving after Wiley-milling |
| Stainless steel sieve, 3 inch, No. 20 (850 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1296 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
| Stainless steel sieve, 3 inch, No. 325 (45 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1313 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
| Stainless steel sieve, 3 inch, No. 60 (250 µm) | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 1303 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
| Stainless steel top cover, 3 inch | Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA | 8406 | Sieving of MPs after Wiley-milling |
| Stainless steel tweezers | Global Industrial, Port Washington, NY, USA | T9FB2264892 | Transferring of frozen film particles from jar into blender |
| Vacuum oven, model 281A | Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | 13-262-50 | Vacuum oven to dry NPs after wet-grinding |
| Friction grinding machine, Supermass Colloider | Masuko Sangyo, Tokyo, Japan | MKCA6-2J | Grinding machine to form NPs from MPs |
| Wet-grinding stone, grit size: 297 μm -420 μm | Masuko Sangyo, Tokyo, Japan | MKE6-46DD | Grinding stone to form NPs from MPs |
| Wiley Mini Mill, rotary cutting mill | Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA | NC1346618 | Size reduction of pellets and film into MPs and NPs |
| Software | |||
| FTIR-Spectroscopy software | Perkin Elmer, Waltham, MA, USA | Spectrum 10 | Collection of spectra from the initial plastic, MPs and NPs |
| Image J, image processing program | National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA | Version 1.53n | Analysis of digital images received from microscopy |
| Microscope software, ds-fi1 software | Malvern Panalytical , Malvern, UK | Firmware DS-U1 Ver3.10 | Recording of digital images |
| Microsoft, Windows, Excel 365, spreadsheet software | Microsoft, Redmond, WA, USA | Office 365 | Calculating the average particle size and creating FTIR spectra images |
| JMP software, statistical software | SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021 | Version 15 | Statistical analysis of particle size and perform best fit of data set |
| Unscrambler software | Camo Analytics, Oslo, Norway | Version 9.2 | Normalizing and converting FTIR spectra into .csv fromat |
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