Protocol voor microplastics bemonstering op het zeeoppervlak en Sample Analysis
Summary
De onderstaande protocol beschrijft de methode voor: microplastics bemonstering op het zeeoppervlak, scheiding van microplastic en chemische karakteristieken van de deeltjes. Dit protocol is in lijn met de aanbevelingen voor microplastics controle uitgegeven door de krm technische subgroep Marine Litter.
Abstract
Microplastic pollution in the marine environment is a scientific topic that has received increasing attention over the last decade. The majority of scientific publications address microplastic pollution of the sea surface. The protocol below describes the methodology for sampling, sample preparation, separation and chemical identification of microplastic particles. A manta net fixed on an »A frame« attached to the side of the vessel was used for sampling. Microplastic particles caught in the cod end of the net were separated from samples by visual identification and use of stereomicroscopes. Particles were analyzed for their size using an image analysis program and for their chemical structure using ATR-FTIR and micro FTIR spectroscopy. The described protocol is in line with recommendations for microplastics monitoring published by the Marine Strategy Framework Directive (MSFD) Technical Subgroup on Marine Litter. This written protocol with video guide will support the work of researchers that deal with microplastics monitoring all over the world.
Introduction
Microplastic pollution in the sea represents a growing concern to contemporary society, due to the constant increase in plastic production and its subsequent disposal and accumulation in the marine environment1. Even if plastic macro litter would no longer enter the seas, microplastic pollution would continue to grow due to fragmentation of already existing plastic litter in the sea2. The majority of microplastic pollution studies were carried out in marine and fresh water ecosystems and mainly addressed sea surface pollution3.
The term microplastic refers to plastic particles smaller than 5 mm in size4. This term describes a heterogeneous mixture of particles, which can differ in size (from a few microns to several millimeters), color and shape (from very different shapes of fragments to long fibers). Microplastic particles can be of a primary or secondary origin5. Microplastic of primary origin is manufactured as small particles used in the cosmetics industry (pilling crème etc.) or chemical industry as precursor for other plastic products (e.g. plastic pellets used in plastic industry). Microplastic of secondary origin arise via the degradation of larger plastic pieces in the environment due to physical and chemical processes, induced by light, heat, oxygen, water and organisms6. In 2015, four types of microplastic sources were defined: larger plastic litter, cleaning products, medicines and textiles6. The main source (80 %) of larger plastic litter is assumed to be land based7. Microplastic from cosmetic products, medicines and textile enters water ecosystems through sewage and storm waters6. Microplastic particles most frequently found in water ecosystems are fragments from larger plastic litter and textile fibers8.
Microplastics have several negative effects on the environment. Their small size allows them to enter the food web through ingestion by marine organisms9, 10. Ingested particles can cause physical damage or block the digestive system of animals11. Particles can also be carriers of persistent organic pollutants (POPs). Their hydrophobic surface and favorable ratio of large surface area to small volume, enables POPs to adsorb onto the microplastics12. In the environment or digestive systems of animals who ingest them, POPs and other plastic additives can be leached from microplastic particles13.
Previous studies reported the ubiquitous presence of microplastics in the marine environment3, from the water column to the bottom sediments. The threat of microplastic pollution was already identified by the Marine Strategy Framework Directive in the EU and, consequently, mandatory monitoring of microplastics was advised14. Accordingly, the EU Technical Subgroup on Marine Litter (TSG-ML) prepared recommendations for monitoring of microplastics in the European seas15. Thus, the video guidelines for microplastics sampling are of high importance, as they support comparative monitoring and a coherent management process all over the world.
This protocol was developed within the DeFishGear project for the first monitoring of microplastic pollution in the Adriatic Sea. Recommendations from the document “Guidance on Monitoring of Marine Litter in European Seas” by TSG-ML15 were taken into account. This protocol describes the methodology for microplastics sampling on the sea surface, separation of microplastics from the samples, and chemical analysis of microplastic particles to confirm that particles are from plastic material and to identify the type of plastic. Sampling was done by the use of a manta net, which is the most suitable equipment for sampling in calm waters16. Separation of microplastics from the samples was carried out by visual identification using a stereomicroscope. Isolated particles were later chemically identified using Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and micro FTIR spectroscopy.
Protocol
Representative Results
Discussion
Microplastics bemonstering op het zeeoppervlak door manta net is een veel gebruikte methode voor de bemonstering van microplastics op het zeeoppervlak, maar tot op heden is er geen uniforme methodiek geweest. Een grote hoeveelheid water kan worden gefilterd door de manta net, waardoor de kans op het vangen van een relevant aantal microplastics is hoog en de resultaten worden waargenomen betrouwbaar. Vergelijkbaarheid van de resultaten tussen verschillende monsters waargenomen door normalisatie. In ons geval werden de concentraties van het het monstergebied te vermenigvuldigen sleepnet afstand langs de horizontale breedte van het net opening. Een andere optie is om een stroommeter, de netopening vaste gebruiken. Het gebruik van een debietmeter is mogelijk aangezien de manta net met zijvleugels zeer stabiel op het zeeoppervlak en derhalve hoppen op de golven minimaal. Een debietmeter registreert de hoeveelheid gefilterd water en dus kan de normalisatie van de resultaten per volume van bemonsterde water 16.
<p class="jove_content"> De meest gebruikte manta netten hebben ongeveer 300 pm maaswijdte en zijn 3-4,5 m lang. Deze afmetingen zijn geoptimaliseerd om verstopping van het net wordt vermeden en dat het bemonsteren van een hoeveelheid water zo groot mogelijk. Trawlvisserij snelheid wordt aanbevolen om tussen de 2-3 knopen, maar het is afhankelijk van de golfhoogte, windsnelheid en zeestromingen. Het is zeer belangrijk dat de manta net is onder toezicht van de hele tijd tijdens de bemonstering en als het begint hoppen, moet de trawlsnelheid verlaagd. De trawlvisserij tijd wordt aanbevolen om ongeveer 30 minuten, maar is afhankelijk van seston concentraties. Het kan gebeuren dat seston klompen soms de manta net. In dit geval heeft de trawlvisserij onmiddellijk worden gestopt, anders kan de microplastics deeltjes kunnen verloren gaan en het net kan beschadigd raken. Manta net is het meestal bevestigd aan de zijkant van het vaartuig. Dit is ook de meest geschikte optie, terwijl de manta net is zeker buiten het kielzog zone. In sommige onderzoeken werd manta netto vaste van de achtersteven van het schip17, 18, maar in dat geval moet je er zeker van zijn dat het net buiten het kielzog zone. De afstand, waarop het netwerk wordt ingesteld voor bemonstering, moet individueel worden bepaald, aangezien de zone van turbulentie veroorzaakt door het vaartuig verschilt van de grootte van het vat en van de snelheid van de boot 19, 20.Scheiding van microplastic deeltjes uit het zeeoppervlak monsters wordt meestal alleen gedaan door visuele identificatie 21. Deeltjes groter dan 1 mm kan gemakkelijk worden geïdentificeerd door het blote oog, terwijl deeltjes kleiner dan 1 mm is het gebruik van een stereomicroscoop nodig. Om de kans op verwarring de niet-plastic deeltjes met kunststof exemplaren, met behulp van de polarisatie licht op stereomicroscopen te verminderen wordt aanbevolen. De mogelijkheid van een verkeerde identificatie van plastic deeltjes wordt hoger met kleinere deeltjes. Aldus deeltjes> 0,5 mm is uitsluitend visueel geïdentificeerd 21 door het gebruik van stereomicroscoop. Voor deeltjes kleiner dan 0,5 mmeen extra, meer nauwkeurige methode vereist is, bijvoorbeeld micro ATR-FTIR spectroscopie 21.
Tijdens het microplastics scheiding van het monster de mogelijkheid monsterverontreiniging de lucht filamenten is zeer hoog. Om deze reden, de controle petrischaaltjes opengelaten op de werktafel wordt ten zeerste aanbevolen voor de identificatie van potentiële verontreinigende deeltjes in de lucht. Namelijk de kwaliteit van de gegevens sterk afhankelijk van: 1) de nauwkeurigheid van de persoon die met het monster, 2) de kwaliteit en vergroting van de stereomicroscoop en 3) de hoeveelheid organisch materiaal in het monster 16. Na visuele identificatie het sterk aanbeveling de gesorteerde deeltjes analyseren één van de beschikbare technieken voor chemische identificatie van het materiaal 8.
Er bestaan verscheidene werkwijzen voor de polymere identificatie, waaronder de FTIR spectroscopie en Raman spectroscopie de frequenTLY gebruikt 22. FTIR en Raman-spectroscopie zijn complementaire technieken en de nauwkeurigheid is vergelijkbaar. In ons protocol, de FTIR en micro-FTIR spectroscopie met "verzwakte totale reflectie" (ATR) worden gepresenteerd. Ze zijn eenvoudig te gebruiken en ze maken een snelle en nauwkeurige resultaten. Kunststofpolymeren bezitten zeer specifieke infrarood (IR) spectra met verschillende bandenpatronen, waardoor IR spectroscopie optimale techniek voor de identificatie van microplastics 21. De energie van IR straling wekt een specifieke moleculaire trillingen tijdens interactie met een monster, waarbij de meting van de karakteristieke IR spectra 22 mogelijk maakt. FTIR spectroscopie kan ook aanvullende informatie over deeltjes, zoals de intensiteit van de oxidatie 23 en het niveau van degradatie 24. ATR-FTIR is geschikt voor chemische identificatie van grotere deeltjes (> 0,5 mm), kan micro ATR-FTIR spectroscopie informatie over de chemische structuur van deeltjes & # verschaffen60, 0,5 mm, omdat het combineert de functie van een microscoop en een infrarood spectrometer.
Alvorens FTIR en micro FTIR spectroscopie, microplastische deeltjes eerst moeten worden gedroogd, aangezien sterk water absorbeert infraroodstraling 22 en gezuiverd, indien zij zijn bedekt met biofilms en / of andere organische en anorganische aanhangers, waarbij de IR spectra beïnvloeden. De meeste niet-invasieve manier om monsters te zuiveren is door roeren en spoelen met vers water 25. Als dit niet genoeg is, dan is het gebruik van 30% waterstofperoxide aanbevolen. Alle andere methoden kunnen negatieve effecten op het microplastic deeltjes (bv ultrasoon reinigen kan verder breken deeltjes, kan sterk zure of alkalische oplossingen meerdere plastic polymeren, enz. Beschadigen) en daarom het gebruik ervan wordt niet aanbevolen hebben. Veelbelovender is het gebruik van een sequentiële enzymatische digestie als plastic vriendelijke zuiveringsstap. Zuivering door verschillende technische enzymen (bv lipase, eenmylase, protease, chitinase, cellulase, proteïnase-K) is met succes toegepast voor het reduceren van een biologische matrix van plankton en derhalve bleek een waardevolle techniek matrix artefacten tijdens FTIR spectroscopie metingen 22 minimaliseren.
Scheiding van microplastics door visuele identificatie en chemische karakteristieken van bepaalde deeltjes zijn beiden zeer tijdrovend proces. Dit werk moet worden gedaan door een nauwkeurige en patiënt persoon die ervaring hebben met stereomicroscopen, niet alleen in het herkennen van de plastic deeltjes, maar ook in het herkennen van biologisch materiaal heeft. Zelfs een ervaren persoon kan niet eenduidig discrimineren alle potentiële microplastic deeltjes uit chitine of diatomeeën fragmenten 22. Daarom is de foutenmarge van visuele sortering varieert van 20% 26 70% 21 en toeneemt met afnemende deeltjesgrootte.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De ontwikkeling van dit protocol werd opgericht door IPA Adriatische Grensoverschrijdend Samenwerkingsprogramma 2007-2013, binnen de DeFishGear project (1 ° str / 00010).
Referencias
- Law, K. L., et al. Plastic accumulation in the North Atlantic subtropical gyre. Science. 329 (5996), 1185-1188 (2010).
- Thompson, R. C. Microplastics in the marine environment: Sources, consequences and solutions. Marine anthropogenic litter. , 185-200 (2015).
- Lusher, A. Microplastics in the marine environment: distribution, interactions and effects. Marine anthropogenic litter. , 245-307 (2015).
- Arthur, C., Baker, J., Bamford, H. . Proceedings of the International Research Workshop on the Occurrence, Effects, and Fate of Microplastic Marine Debris, September 9-11. , (2008).
- Andrady, A. L. Microplastics in the marine environment. Marine pollution bulletin. 62 (8), 1596-1605 (2011).
- Browne, M. A. Sources and pathways of microplastics to habitats. Marine anthropogenic litter. , 229-244 (2015).
- . Marine litter: an analytical overview. UNEP’s REGIONAL SEAS PROGRAMME. , (2005).
- van der Wal, M., et al. . SFRA0025: Identification and Assessment of Riverine Input of (Marine) Litter, Final Report for the European Commission DG Environment under Framework Contract No ENV.D.2/FRA/2012/0025. , (2015).
- Setälä, O., Fleming-Lehtinen, V., Lehtiniemi, M. Ingestion and transfer of microplastics in the planktonic food web. Environmental pollution. 185, 77-83 (2014).
- Farrell, P., Nelson, K. Trophic level transfer of microplastic: Mytilus edulis. (L.) to Carcinus maenas (L). Environmental Pollution. 177, 1-3 (2013).
- Wright, S. L., Thompson, R. C., Galloway, T. S. The physical impacts of microplastics on marine organisms: a review. Environmental Pollution. 178, 483-492 (2013).
- Bakir, A., Rowland, S. J., Thompson, R. C. Transport of persistent organic pollutants by microplastics in estuarine conditions. Estuarine, Coastal and Shelf Science. 140, 14-21 (2014).
- 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).
- Zarfl, C., et al. Microplastics in oceans. Marine Pollution Bulletin. 62, 1589-1591 (2011).
- Hanke, G., et al. . MSFD GES technical subgroup on marine litter. Guidance on monitoring of marine litter in European Seas. , (2013).
- Löder, M. G. J., Gerdts, G. Methodology used for the detection and indentification of microplastics – A critical appraisal. Marine anthropogenic litter. , 201-227 (2015).
- Kang, J. H., Kwon, O. Y., Lee, K. W., Song, Y. K., Shim, W. J. Marine neustonic microplastics around the southeastern coast of Korea. Marine pollution bulletin. 96 (1), 304-312 (2015).
- Lusher, A. L., Tirelli, V., O’Connor, I., Officer, R. Microplastics in Arctic polar waters: the first reported values of particles in surface and sub-surface samples. Scientific reports. 5, (2015).
- Shu, J. -. J. Transient Marangoni waves due to impulsive motion of a submerged body. International Applied Mechanics. 40 (6), 709-714 (2004).
- Rabaud, M., Moisy, F. Ship wakes: Kelvin or Mach angle. Physical Review Letters. 110 (21), 214503 (2013).
- Hidalgo-Ruz, V., Gutow, L., Thompson, R. C., Thiel, M. Microplastics in the marine environment: a review of the methods used for identification and quantification. Environmental science & technology. 46 (6), 3060-3075 (2012).
- Löder, M. G. J., Kuczera, M., Mintenig, S., Lorenz, C., Gerdts, G. Focal plane array detector-based micro-Fourier-transform infrared imaging for the analysis of microplastics in environmental samples. Environmental Chemistry. 12 (5), 563-581 (2009).
- Ioakeimidis, C., et al. The degradation potential of PET bottles in the marine environment: An ATR-FTIR based approach. Scientific reports. 6, 23501 (2016).
- McDermid, K. J., McMullen, T. L. Quantitative analysis of small-plastic debris on beaches in the Hawaiian archipelago. Marine pollution bulletin. 48 (7), 790-794 (2004).
- Eriksen, M., et al. Microplastic pollution in the surface waters of the Laurentian Great Lakes. Marine pollution bulletin. 77 (1-2), 177-182 (2013).
