Formación de micro y nanoplásticos a partir de películas plásticas agrícolas para el empleo en estudios de investigación fundamental
Summary
Mostramos la formación y caracterización dimensional de micro y nanoplásticos (MPs y NPs, respectivamente) utilizando un proceso paso a paso de fresado mecánico, rectificado y análisis de imágenes.
Abstract
Los microplásticos (MP) y los nanoplásticos (NP) dispersos en los ecosistemas agrícolas pueden representar una grave amenaza para la biota en el suelo y las vías fluviales cercanas. Además, los productos químicos como los pesticidas adsorbidos por las NP pueden dañar los organismos del suelo y potencialmente entrar en la cadena alimentaria. En este contexto, los plásticos utilizados en la agricultura, como las películas de mantillo de plástico, contribuyen significativamente a la contaminación plástica en los ecosistemas agrícolas. Sin embargo, la mayoría de los estudios fundamentales sobre el destino y la ecotoxicidad emplean materiales MP idealizados y poco representativos, como las microesferas de poliestireno.
Por lo tanto, como se describe en este documento, desarrollamos un procedimiento de múltiples pasos a escala de laboratorio para formar mecánicamente MP y NP representativos para dichos estudios. El material plástico se preparó a partir de películas de mantillo de plástico disponibles comercialmente de adipato-co-tereftalato de polibutirato (PBAT) que se rompieron mediante tratamiento criogénico (CRYO) o intemperie ambiental (W), y a partir de gránulos de PBAT no tratados. Los materiales plásticos fueron tratados por fresado mecánico para formar MPs con un tamaño de 46-840 μm, imitando la abrasión de fragmentos de plástico por el viento y la maquinaria mecánica. Luego, los parlamentarios se tamizaron en varias fracciones de tamaño para permitir un análisis adicional. Finalmente, la fracción de tamiz de 106 μm se sometió a molienda húmeda para generar NP de 20-900 nm, un proceso que imita el lento proceso de reducción de tamaño para los MP terrestres. Las dimensiones y la forma de los MP se determinaron mediante el análisis de imágenes de estereomicrografías, y se empleó la dispersión dinámica de la luz (DLS) para evaluar el tamaño de partícula para las NP. Los MP y NP formados a través de este proceso poseían formas irregulares, lo que está en línea con las propiedades geométricas de los MP recuperados de los campos agrícolas. En general, este método de reducción de tamaño demostró ser eficiente para formar MPs y NP compuestos de plásticos biodegradables como el adipato de polibutileno-co-tereftalato (PBAT), que representa materiales de mantillo utilizados para la producción de cultivos agrícolas especializados.
Introduction
En las últimas décadas, el rápido aumento de la producción mundial de plásticos y la eliminación inadecuada y la falta de reciclaje de residuos plásticos ha llevado a la contaminación ambiental que ha afectado a los ecosistemas marinos y terrestres 1,2,3. Los materiales plásticos son esenciales para la agricultura contemporánea, particularmente para cultivar verduras, frutas pequeñas y otros cultivos especiales. Su uso como películas de mantillo, cubiertas de túneles altos y bajos, cinta de goteo y otras aplicaciones tienen como objetivo mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos, reducir los costos de producción y promover métodos agrícolas sostenibles 4,5. Sin embargo, el creciente empleo de la “plasticultura” ha generado preocupaciones sobre la formación, distribución y retención de piezas de plástico en entornos agrícolas. Después de un proceso de fragmentación continua causado por la fragilidad a través de la degradación ambiental durante la vida útil, los fragmentos de plástico más grandes forman micro y nanoplásticos (MNP), que persisten en el suelo o migran a las vías fluviales adyacentes a través de la escorrentía de agua y el viento 6,7,8. Factores ambientales como la radiación ultravioleta (UV) a través de la luz solar, las fuerzas mecánicas del agua y los factores biológicos desencadenan la fragilización plástica de los plásticos dispersos ambientalmente, lo que resulta en la descomposición de fragmentos de plástico más grandes en partículas macro o mesoplásticas 9,10. La desfragmentación adicional forma microplásticos (MPs) y nanoplásticos (NPs), reflejando partículas de tamaño promedio (diámetro nominal; dp) de 1-5000 μm y 1-1000 nm, respectivamente11. Sin embargo, el límite superior dp para NP (es decir, un límite inferior para MPs) no está universalmente acordado y en varios documentos, esto se enumera como 100 nm12.
Los MNP de los desechos plásticos representan una amenaza global emergente para la salud del suelo y los servicios ecosistémicos. La adsorción de metales pesados del agua dulce por parte de los parlamentarios condujo a una concentración 800 veces mayor de metales pesados en comparación con el medio ambiente circundante13. Además, los MP en los ecosistemas acuáticos plantean múltiples factores estresantes y contaminantes al alterar la penetración de la luz, causar el agotamiento del oxígeno y causar la adhesión a diversas biotas, incluida la penetración y acumulación en organismos acuáticos14.
Estudios recientes sugieren que los MNP pueden afectar la geoquímica del suelo y la biota, incluidas las comunidades microbianas y las plantas15,16,17. Además, las NP amenazan la red alimentaria17,18,19,20. Dado que los MNP se someten fácilmente al transporte vertical y horizontal en el suelo, pueden transportar contaminantes absorbidos como pesticidas, plastificantes y microorganismos a través del suelo hacia aguas subterráneas o ecosistemas acuáticos como ríos y arroyos21,22,23,24. Los plásticos agrícolas convencionales, como las películas de mantillo, están hechos de polietileno, que debe retirarse del campo después de su uso y eliminarse en vertederos. Sin embargo, la eliminación incompleta conduce a una acumulación sustancial de desechos plásticos en los suelos 9,25,26. Alternativamente, los mantillos plásticos biodegradables (BDM) del suelo están diseñados para ser cultivados en el suelo después de su uso, donde se degradarán con el tiempo. Sin embargo, los BDM persisten temporalmente en el suelo y gradualmente se degradan y fragmentan en MP y NPs 9,27.
Muchos estudios ecotoxicológicos y de destino ambientales actuales emplean materiales modelo idealizados y no representativos de MP y NPs. Los MNP sustitutos más utilizados son las micro o nanoesferas de poliestireno monodisperso, que no reflejan los MNP reales que residen en el medio ambiente12,28. En consecuencia, la selección de MP y NP no representativos puede dar lugar a mediciones y resultados inexactos. Sobre la base de la falta de modelos apropiados de ΜNP para estudios ambientales terrestres, los autores se motivaron para preparar tales modelos a partir de plásticos agrícolas. Anteriormente informamos sobre la formación de MNPs a partir de BDMs y pellets de polietileno a través del fresado mecánico y molienda de pellets plásticos y materiales de película y las características dimensionales y moleculares de los MNPs29. El documento actual proporciona un protocolo más detallado para preparar MNP que se puede aplicar más ampliamente a todos los plásticos agrícolas, como películas de mantillo o sus materias primas peletizadas (Figura 1). Aquí, para servir como ejemplo, elegimos una película de mantillo y pellets esféricos del polímero biodegradable tereftalato de adipato de polibutileno (PBAT) para representar plásticos agrícolas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este método describe un proceso efectivo descrito inicialmente en una publicación anterior29, para preparar MNP obtenidos de pellets y películas de mantillo para estudios ambientales. El proceso de reducción de tamaño involucró enfriamiento criogénico (solo para película), molienda en seco y etapas de molienda húmeda, para fabricar modelos MNP. Hemos aplicado este método para preparar MNPs a partir de una amplia gama de materias primas poliméricas, incluyendo polietileno de baja densida…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada por el Herbert College of Agriculture, el Departamento de Ingeniería de Biosistemas y Suelos, y la Alianza de Ciencias de la Universidad de Tennessee, Knoxville. Además, los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado a través de la subvención del USDA 2020-67019-31167 para esta investigación. Las materias primas iniciales para preparar MNP de película de mantillo biodegradable a base de PBAT fueron amablemente proporcionadas por BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, EUA), y los pellets PBAT por Mobius, LLC (Lenoir City, TN).
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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