Formning av mikro- och nanoplaster från jordbruksplastfilmer för sysselsättning i grundforskningsstudier
Summary
Vi visar bildandet och dimensionell karakterisering av mikro- och nanoplaster (MP respektive NP) med hjälp av en stegvis process av mekanisk fräsning, slipning och bildanalys.
Abstract
Mikroplaster och nanoplaster som sprids i jordbruksekosystem kan utgöra ett allvarligt hot mot biota i mark och närliggande vattendrag. Dessutom kan kemikalier som bekämpningsmedel som adsorberas av NP skada markorganismer och potentiellt komma in i livsmedelskedjan. I detta sammanhang bidrar jordbruksanvänd plast som plastfilmer avsevärt till plastföroreningar i jordbruksekosystem. De flesta grundläggande studier av öde och ekotoxicitet använder dock idealiserade och dåligt representativa MP-material, såsom polystyrenmikrosfärer.
Därför, som beskrivs häri, utvecklade vi ett flerstegsförfarande i labbskala för att mekaniskt bilda representativa parlamentsledamöter och NP för sådana studier. Plastmaterialet framställdes av kommersiellt tillgängliga plastmassfilmer av polybutyratadipat-co-tereftalat (PBAT) som förspröds genom antingen kryogen behandling (CRYO) eller miljövittring (W) och från obehandlade PBAT-pellets. Plastmaterialen behandlades sedan genom mekanisk fräsning för att bilda MPs med en storlek på 46-840 μm, vilket efterliknade nötning av plastfragment av vind och mekaniska maskiner. Riksdagsledamöterna siktades sedan i flera storleksfraktioner för att möjliggöra vidare analys. Slutligen utsattes siktfraktionen på 106 μm för våtslipning för att generera NP på 20-900 nm, en process som efterliknar den långsamma storleksminskningsprocessen för markbundna parlamentsledamöter. Dimensionerna och formen för parlamentsledamöter bestämdes genom bildanalys av stereomikrografer, och dynamisk ljusspridning (DLS) användes för att bedöma partikelstorlek för NP. Parlamentsledamöter och NP som bildades genom denna process hade oregelbundna former, vilket är i linje med de geometriska egenskaperna hos parlamentsledamöter som återvunnits från jordbruksfält. Sammantaget visade sig denna storleksminskningsmetod vara effektiv för att bilda parlamentsledamöter och NP som består av biologiskt nedbrytbar plast såsom polybutylenadipat-co-tereftalat (PBAT), som representerar mulchmaterial som används för jordbruksproduktion av specialgrödor.
Introduction
Under de senaste decennierna har den snabbt ökande globala produktionen av plast och felaktigt bortskaffande och bristen på återvinning för plastavfall lett till miljöföroreningar som har påverkat marina och terrestra ekosystem 1,2,3. Plastmaterial är viktiga för dagens jordbruk, särskilt för att odla grönsaker, små frukter och andra specialgrödor. Deras användning som mulchfilmer, höga och låga tunnelbeläggningar, dropptejp och andra applikationer syftar till att förbättra avkastningen och kvaliteten, sänka produktionskostnaderna och främja hållbara jordbruksmetoder 4,5. Den växande sysselsättningen av “plastodling” har dock väckt oro över bildandet, distributionen och kvarhållandet av plastbitar i jordbruksmiljöer. Efter en kontinuerlig fragmenteringsprocess orsakad av försprödning genom miljöförstöring under livslängden bildar större plastfragment mikro- och nanoplaster (MNP), som kvarstår i marken eller migrerar till intilliggande vattenvägar via vattenavrinning och vind 6,7,8. Miljöfaktorer som ultraviolett (UV) strålning genom solljus, mekaniska vattenkrafter och biologiska faktorer utlöser plastförsprödning av miljödispergerad plast, vilket resulterar i nedbrytning av större plastfragment till makro- eller mesoplastpartiklar 9,10. Ytterligare defragmentering bildar mikroplaster och nanoplaster, vilket återspeglar partiklar av medelstorlek (nominell diameter; dp) på 1-5000 μm respektive 1-1000 nm. Den övre dp-gränsen för NPs (dvs. en nedre gräns för parlamentsledamöter) är dock inte allmänt överenskommen och i flera artiklar anges detta som 100 nm12.
Multinationella företag från plastavfall utgör ett växande globalt hot mot markhälsa och ekosystemtjänster. Adsorption av tungmetaller från sötvatten av parlamentsledamöter ledde till en 800 gånger högre koncentration av tungmetaller jämfört med den omgivande miljön13. Dessutom utgör parlamentsledamöter i akvatiska ekosystem flera stressfaktorer och föroreningar genom att förändra ljuspenetration, orsaka syreutarmning och orsaka vidhäftning till olika biota, inklusive penetration och ackumulering i vattenlevande organismer14.
Nya studier tyder på att MNP kan påverka markgeokemi och biota, inklusive mikrobiella samhällen och växter15,16,17. Dessutom hotar NPs födoväven17,18,19,20. Eftersom MNP lätt genomgår vertikal och horisontell transport i jord kan de transportera absorberade föroreningar som bekämpningsmedel, mjukgörare och mikroorganismer genom jorden till grundvatten eller akvatiska ekosystem som floder och strömmar21,22,23,24. Konventionell jordbruksplast som mulchfilmer är gjorda av polyeten, som måste tas bort från fältet efter användning och bortskaffas på deponier. Ofullständigt avlägsnande leder dock till betydande ansamling av plastskräp i marken 9,25,26. Alternativt är jordbiologiskt nedbrytbara plastmassor (BDM) utformade för att bearbetas i jorden efter användning, där de kommer att brytas ned med tiden. BDM kvarstår dock tillfälligt i jord och bryts gradvis ned och fragmenteras till parlamentsledamöter och NPs 9,27.
Många aktuella miljöekotoxikologiska och ödesstudier använder idealiserade och icke-representativa parlamentsledamöter och NPs modellmaterial. De vanligaste surrogat-MNP: erna är monodisperse polystyrenmikro- eller nanosfärer, som inte återspeglar de faktiska MNP: erna som bor i miljön12,28. Följaktligen kan valet av icke-representativa parlamentsledamöter och nationella parlament leda till felaktiga mätningar och resultat. Baserat på bristen på lämpliga ΜNPs för markbundna miljöstudier var författarna motiverade att förbereda sådana modeller från jordbruksplast. Vi har tidigare rapporterat om bildandet av MNP från BDM och polyetenpellets genom mekanisk fräsning och slipning av plastpellets och filmmaterial samt de dimensionella och molekylära egenskaperna hos MNPs29. Det aktuella dokumentet innehåller ett mer detaljerat protokoll för beredning av multinationella företag som kan tillämpas bredare på all jordbruksplast, såsom mulchfilmer eller deras pelleterade råvaror (figur 1). Här, för att tjäna som ett exempel, valde vi en mulchfilm och sfäriska pellets av den biologiskt nedbrytbara polymeren polybutylenadipateftalat (PBAT) för att representera jordbruksplast.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna metod beskriver en effektiv process som ursprungligen beskrevs i en tidigare publikation29, för att förbereda MNP som kommer från pellets och mulchfilmer för miljöstudier. Storleksminskningsprocessen involverade kryogen kylning (endast för film), torrfräsning och våtslipningssteg för att tillverka modell-MNP: er. Vi har tillämpat denna metod för att framställa MNP från ett brett spektrum av polymera råvaror, inklusive lågdensitetspolyeten (LDPE), polybutyratadipat-co-tereftala…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning finansierades av Herbert College of Agriculture, Biosystems Engineering and Soil Department och Science Alliance vid University of Tennessee, Knoxville. Dessutom erkänner författarna tacksamt det ekonomiska stödet som tillhandahålls genom USDA Grant 2020-67019-31167 för denna forskning. De ursprungliga råvarorna för beredning av MNP av PBAT-baserad biologiskt nedbrytbar mulchfilm tillhandahölls vänligen av BioBag Americas, Inc.
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 |
Referencias
- Jin, Z., Dan, L. Review on the occurrence, analysis methods, toxicity and health effects of micro-and nano-plastics in the environment. Environmental Chemistry. (1), 28-40 (2021).
- Kumar, M., et al. Current research trends on micro-and nano-plastics as an emerging threat to global environment: a review. Journal of Hazardous Materials. 409, 124967 (2021).
- Alimba, C. G., Faggio, C., Sivanesan, S., Ogunkanmi, A. L., Krishnamurthi, K. Micro (nano)-plastics in the environment and risk of carcinogenesis: Insight into possible mechanisms. Journal of Hazardous Materials. 416, 126143 (2021).
- Serrano-Ruiz, H., Martin-Closas, L., Pelacho, A. M. Biodegradable plastic mulches: Impact on the agricultural biotic environment. Science of The Total Environment. 750, 141228 (2021).
- Hayes, D. G., et al. Biodegradable plastic mulch films for sustainable specialty crop production. Polymers for Agri-Food Applications. , 183-213 (2019).
- Viaroli, S., Lancia, M., Re, V. Microplastics contamination of groundwater: Current evidence and future perspectives. A review. Science of The Total Environment. , 153851 (2022).
- Rillig, M. C., Lehmann, A. Microplastic in terrestrial ecosystems. Science. 368 (6498), 1430-1431 (2020).
- Anunciado, M. B., et al. Effect of environmental weathering on biodegradation of biodegradable plastic mulch films under ambient soil and composting conditions. Journal of Polymers and the Environment. 29 (9), 2916-2931 (2021).
- Yang, Y., et al. Kinetics of microplastic generation from different types of mulch films in agricultural soil. Science of The Total Environment. 814, 152572 (2022).
- Hayes, D. G., et al. Effect of diverse weathering conditions on the physicochemical properties of biodegradable plastic mulches. Polymer Testing. 62, 454-467 (2017).
- Schwaferts, C., Niessner, R., Elsner, M., Ivleva, N. P. Methods for the analysis of submicrometer-and nanoplastic particles in the environment. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 112, 52-65 (2019).
- Gigault, J., et al. Current opinion: what is a nanoplastic. Environmental Pollution. 235, 1030-1034 (2018).
- Naqash, N., Prakash, S., Kapoor, D., Singh, R. Interaction of freshwater microplastics with biota and heavy metals: a review. Environmental Chemistry Letters. 18 (6), 1813-1824 (2020).
- Manzoor, S., Naqash, N., Rashid, G., Singh, R. Plastic material degradation and formation of microplastic in the environment: A review. Materials Today: Proceedings. , 3254-3260 (2022).
- de Souza Machado, A. A., et al. Impacts of microplastics on the soil biophysical environment. Environmental Science & Technology. 52 (17), 9656-9665 (2018).
- Jacques, O., Prosser, R. A probabilistic risk assessment of microplastics in soil ecosystems. Science of The Total Environment. 757, 143987 (2021).
- Kwak, J. I., An, Y. -. J. Microplastic digestion generates fragmented nanoplastics in soils and damages earthworm spermatogenesis and coelomocyte viability. Journal of Hazardous Materials. 402, 124034 (2021).
- Wahl, A., et al. Nanoplastic occurrence in a soil amended with plastic debris. Chemosphere. 262, 127784 (2021).
- Vighi, M., et al. Micro and nano-plastics in the environment: research priorities for the near future. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology Volume 257. , 163-218 (2021).
- Pironti, C., et al. Microplastics in the environment: intake through the food web, human exposure and toxicological effects. Toxics. 9 (9), 224 (2021).
- Zurier, H. S., Goddard, J. M. Biodegradation of microplastics in food and agriculture. Current Opinion in Food Science. 37, 37-44 (2021).
- Horton, A. A., Dixon, S. J. Microplastics: An introduction to environmental transport processes. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water. 5 (2), 1268 (2018).
- Panno, S. V., et al. Microplastic contamination in karst groundwater systems. Groundwater. 57 (2), 189-196 (2019).
- Su, Y., et al. Delivery, uptake, fate, an transport of engineered nanoparticles in plants: a critical review and data analysis. Environmental Science: Nano. 6 (8), 2311-2331 (2019).
- Yu, Y., Griffin-LaHue, D. E., Miles, C. A., Hayes, D. G., Flury, M. Are micro-and nanoplastics from soil-biodegradable plastic mulches an environmental concern. Journal of Hazardous Materials Advances. 4, 100024 (2021).
- Hayes, D. G. Enhanced end-of-life performance for biodegradable plastic mulch films through improving standards and addressing research gaps. Current Opinion in Chemical Engineering. 33, 100695 (2021).
- Qin, M., et al. A review of biodegradable plastics to biodegradable microplastics: Another ecological threat to soil environments. Journal of Cleaner Production. 312, 127816 (2021).
- Phuong, N. N., et al. Is there any consistency between the microplastics found in the field and those used in laboratory experiments. Environmental Pollution. 211, 111-123 (2016).
- Astner, A., et al. Mechanical formation of micro-and nano-plastic materials for environmental studies in agricultural ecosystems. Science of The Total Environment. 685, 1097-1106 (2019).
- Rist, S., Hartmann, N. B. Aquatic ecotoxicity of microplastics and nanoplastics: lessons learned from engineered nanomaterials. Freshwater Microplastics. , 25-49 (2018).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Raju, S., et al. Improved methodology to determine the fate and transport of microplastics in a secondary wastewater treatment plant. Water Research. 173, 115549 (2020).
- Caputo, F., et al. Measuring particle size distribution and mass concentration of nanoplastics and microplastics: addressing some analytical challenges in the sub-micron size range. Journal of Colloid and Interface Science. 588, 401-417 (2021).
- Xu, M., et al. Polystyrene microplastics alleviate the effects of sulfamethazine on soil microbial communities at different CO2 concentrations. Journal of Hazardous Materials. 413, 125286 (2021).
- Ding, L., et al. Insight into interactions of polystyrene microplastics with different types and compositions of dissolved organic matter. Science of The Total Environment. 824, 153883 (2022).
- Abbasimaedeh, P., Ghanbari, A., O’Kelly, B. C., Tavanafar, M., Irdmoosa, K. G. Geomechanical behaviour of uncemented expanded polystyrene (EPS) beads-clayey soil mixtures as lightweight fill. Geotechnics. 1 (1), 38-58 (2021).
- Li, Z., Li, Q., Li, R., Zhou, J., Wang, G. The distribution and impact of polystyrene nanoplastics on cucumber plants. Environmental Science and Pollution Research. 28 (13), 16042-16053 (2021).
- Sobhani, Z., Panneerselvan, L., Fang, C., Naidu, R., Megharaj, M. Chronic and transgenerational effects of polystyrene microplastics at environmentally relevant concentrations in earthworms (Eisenia fetida). Environmental Toxicology and Chemistry. 40 (8), 2240-2246 (2021).
- Lionetto, F., Esposito Corcione, C., Rizzo, A., Maffezzoli, A. Production and characterization of polyethylene terephthalate nanoparticles. Polymers. 13 (21), 3745 (2021).
- Dümichen, E., et al. Analysis of polyethylene microplastics in environmental samples, using a thermal decomposition method. Water Research. 85, 451-457 (2015).
- Robotti, M., et al. Attrition and cryogenic milling production for low pressure cold gas spray and composite coatings characterization. Advanced Powder Technology. 27 (4), 1257-1264 (2016).
- Ducoli, S., et al. A different protein corona cloaks "true-to-life" nanoplastics with respect to synthetic polystyrene nanobeads. Environmental Science: Nano. 9 (4), 1414-1426 (2022).
- El Hadri, H., Gigault, J., Maxit, B., Grassl, B., Reynaud, S. Nanoplastic from mechanically degraded primary and secondary microplastics for environmental assessments. NanoImpact. 17, 100206 (2020).
- Eitzen, L., et al. The challenge in preparing particle suspensions for aquatic microplastic research. Environmental research. 168, 490-495 (2019).
- Ekvall, M. T., et al. Nanoplastics formed during the mechanical breakdown of daily-use polystyrene products. Nanoscale advances. 1 (3), 1055-1061 (2019).
- Caldwell, J., et al. Fluorescent plastic nanoparticles to track their interaction and fate in physiological environments. Environmental Science: Nano. 8 (2), 502-513 (2021).
- Zeb, A., et al. Evaluating the knowledge structure of micro-and nanoplastics in terrestrial environment through scientometric assessment. Applied Soil Ecology. 177, 104507 (2022).
- Ji, Z., et al. Effects of pristine microplastics and nanoplastics on soil invertebrates: A systematic review and meta-analysis of available data. Science of The Total Environment. 788, 147784 (2021).
- de Alkimin, G. D., Gonçalves, J. M., Nathan, J., Bebianno, M. J. Impact of micro and nanoplastics in the marine environment. Assessing the Effects of Emerging Plastics on the Environment and Public Health. , 172-225 (2022).
- Pires, A., Cuccaro, A., Sole, M., Freitas, R. Micro (nano) plastics and plastic additives effects in marine annelids: A literature review. Environmental Research. , 113642 (2022).
- Hurley, R. R., Nizzetto, L. Fate and occurrence of micro (nano) plastics in soils: Knowledge gaps and possible risks. Current Opinion in Environmental Science & Health. 1, 6-11 (2018).
