Mikro ve nanoplastiklerin (sırasıyla MP’ler ve NP’ler) oluşumunu ve boyutsal karakterizasyonunu, kademeli bir mekanik frezeleme, taşlama ve görüntüleme analizi süreci kullanarak gösteriyoruz.
Tarımsal ekosistemlerde dağılmış mikroplastikler (MP’ler) ve nanoplastikler (NP’ler) toprakta ve yakındaki su yollarında biyota için ciddi bir tehdit oluşturabilir. Ek olarak, NP’ler tarafından adsorbe edilen pestisitler gibi kimyasallar toprak organizmalarına zarar verebilir ve potansiyel olarak besin zincirine girebilir. Bu bağlamda, plastik malç filmleri gibi tarımsal olarak kullanılan plastikler, tarımsal ekosistemlerdeki plastik kirliliğine önemli ölçüde katkıda bulunmaktadır. Bununla birlikte, kader ve ekotoksisite ile ilgili en temel çalışmalar, polistiren mikrosferleri gibi idealize edilmiş ve zayıf temsili MP malzemeleri kullanmaktadır.
Bu nedenle, burada açıklandığı gibi, bu tür çalışmalar için temsili milletvekilleri ve NP’leri mekanik olarak oluşturmak için laboratuvar ölçeğinde çok adımlı bir prosedür geliştirdik. Plastik malzeme, kriyojenik arıtma (CRYO) veya çevresel ayrışma (W) yoluyla kırılganlaştırılan polibütirat adipat-ko-tereftalatın (PBAT) ticari olarak temin edilebilen plastik malç filmlerinden ve işlenmemiş PBAT peletlerinden hazırlanmıştır. Plastik malzemeler daha sonra 46-840 μm boyutunda milletvekilleri oluşturmak için mekanik frezeleme ile işlendi ve plastik parçaların rüzgar ve mekanik makineler tarafından aşınmasını taklit etti. Milletvekilleri daha sonra daha fazla analiz sağlamak için birkaç boyut fraksiyonuna elendi. Son olarak, 106 μm elek fraksiyonu, karasal milletvekilleri için yavaş boyut küçültme işlemini taklit eden bir işlem olan 20-900 nm’lik NP’ler üretmek için ıslak taşlamaya tabi tutuldu. Milletvekilleri için boyutlar ve şekil, stereomikrografların görüntü analizi ile belirlendi ve NP’ler için parçacık boyutunu değerlendirmek için dinamik ışık saçılması (DLS) kullanıldı. Bu süreçle oluşturulan milletvekilleri ve NP’ler, tarım alanlarından kurtarılan milletvekillerinin geometrik özelliklerine uygun düzensiz şekillere sahipti. Genel olarak, bu boyut küçültme yöntemi, tarımsal özel mahsul üretimi için kullanılan malç malzemelerini temsil eden polibütilen adipat-ko-tereftalat (PBAT) gibi biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerden oluşan milletvekilleri ve NP’ler oluşturmak için etkili olduğunu kanıtladı.
Son yıllarda, hızla artan küresel plastik üretimi ve plastik atıkların uygun olmayan şekilde bertaraf edilmesi ve geri dönüşüm eksikliği, deniz ve karasal ekosistemleri etkileyen çevre kirliliğine yol açmıştır 1,2,3. Plastik malzemeler, çağdaş tarım için, özellikle sebzeleri, küçük meyveleri ve diğer özel mahsulleri yetiştirmek için gereklidir. Malç filmleri, yüksek ve alçak tünel kaplamaları, damlama bandı ve diğer uygulamalar olarak kullanımları, mahsul verimini ve kalitesini artırmayı, üretim maliyetlerini düşürmeyi ve sürdürülebilir tarım yöntemlerini teşvik etmeyi amaçlamaktadır 4,5. Bununla birlikte, “plastikültür” ün artan istihdamı, plastik parçaların tarımsal ortamlarda oluşumu, dağıtımı ve tutulması ile ilgili endişeleri artırmıştır. Hizmet ömrü boyunca çevresel bozulma yoluyla gevrekleşmenin neden olduğu sürekli bir parçalanma işleminden sonra, daha büyük plastik parçaları, toprakta devam eden veya su akışı ve rüzgar yoluyla bitişik su yollarına göç eden mikro ve nanoplastikler (MNP’ler) oluşturur 6,7,8. Güneş ışığı yoluyla ultraviyole (UV) radyasyonu, suyun mekanik kuvvetleri ve biyolojik faktörler gibi çevresel faktörler, çevresel olarak dağılmış plastiklerin plastik gevrekleşmesini tetikler ve bu da daha büyük plastik parçaların makro veya mezo-plastik parçacıklara parçalanmasına neden olur 9,10. Daha fazla birleştirme, ortalama büyüklükteki parçacıkları (nominal çap; dp) sırasıyla 1-5000 μm ve 1-1000 nm,11. Bununla birlikte, NP’ler için üst dp sınırı (yani, milletvekilleri için bir alt sınır) evrensel olarak kabul edilmemiştir ve birkaç makalede bu 100 nm12 olarak listelenmiştir.
Plastik atıklardan elde edilen MNP’ler, toprak sağlığı ve ekosistem hizmetleri için ortaya çıkan küresel bir tehdit oluşturmaktadır. Ağır metallerin tatlı sudan milletvekilleri tarafından adsorpsiyonu, çevredeki ortama kıyasla 800 kat daha yüksek ağır metal konsantrasyonuna yol açtı13. Ayrıca, sucul ekosistemlerdeki milletvekilleri, ışık penetrasyonunu değiştirerek, oksijen tükenmesine neden olarak ve sucul organizmalarda penetrasyon ve birikim de dahil olmak üzere çeşitli biyotalara yapışmaya neden olarak çoklu stres faktörleri ve kirleticiler oluşturur14.
Son zamanlarda yapılan çalışmalar, MNP’lerin mikrobiyal topluluklar ve bitkiler de dahil olmak üzere toprak jeokimyasını ve biyotasını etkileyebileceğini göstermektedir15,16,17. Dahası, NP’ler gıda ağını tehdit ediyor17,18,19,20. MNP’ler toprakta kolayca dikey ve yatay taşımaya maruz kaldıklarından, pestisitler, plastikleştiriciler ve mikroorganizmalar gibi emilen kirleticileri topraktan yeraltı sularına veya nehirler ve akarsular gibi sucul ekosistemlere taşıyabilirler21,22,23,24. Malç filmleri gibi geleneksel tarım plastikleri, kullanımdan sonra tarladan çıkarılması ve çöp sahalarında atılması gereken polietilenden yapılır. Bununla birlikte, eksik kaldırma, topraklarda önemli miktarda plastik döküntü birikimine yol açar 9,25,26. Alternatif olarak, toprak-biyobozunur plastik malçlar (BDM’ler), kullanımdan sonra toprağa sürülecek ve zamanla parçalanacakları şekilde tasarlanmıştır. Bununla birlikte, BDM’ler toprakta geçici olarak devam eder ve yavaş yavaş bozulur ve milletvekillerine ve NP’lereayrılır 9,27.
Mevcut birçok çevresel ekotoksikolojik ve kader çalışması, idealize edilmiş ve temsili olmayan milletvekilleri ve NP’ler model materyalleri kullanmaktadır. En yaygın kullanılan vekil MNP’ler,12,28 ortamında bulunan gerçek MNP’leri yansıtmayan monodispers polistiren mikro veya nanosferlerdir. Sonuç olarak, temsili olmayan milletvekillerinin ve NP’lerin seçimi yanlış ölçümlere ve sonuçlara neden olabilir. Karasal çevre çalışmaları için uygun model ΜNP’lerin eksikliğine dayanarak, yazarlar bu tür modelleri tarımsal plastiklerden hazırlamak için motive olmuşlardır. Daha önce BDM’lerden ve polietilen peletlerden MNP’lerin oluşumunu, plastik peletlerin ve film malzemelerinin mekanik frezelenmesi ve taşlanması yoluyla ve MNP’lerin boyutsal ve moleküler özelliklerini bildirmiştik29. Mevcut makale, malç filmleri veya peletlenmiş hammaddeleri gibi tüm tarımsal plastiklere daha geniş bir şekilde uygulanabilecek MNP’lerin hazırlanması için daha ayrıntılı bir protokol sunmaktadır (Şekil 1). Burada, örnek olması için, tarımsal plastikleri temsil etmek için biyolojik olarak parçalanabilen polimer polibütilen adipat tereftalatın (PBAT) bir malç filmi ve küresel peletlerini seçtik.
Bu yöntem, başlangıçta önceki bir yayın29’da tanımlanan, çevresel çalışmalar için pelet ve malç filmlerinden elde edilen MNP’leri hazırlamak için etkili bir süreci tanımlamaktadır. Boyut küçültme işlemi, model MNP’leri üretmek için kriyojenik soğutma (yalnızca film için), kuru frezeleme ve ıslak taşlama aşamalarını içeriyordu. Bu yöntemi, düşük yoğunluklu polietilen (LDPE), polibütirat adipat-ko-tereftalat (PBAT) ve polilaktik asit (PLA)29</…
The authors have nothing to disclose.
Bu araştırma Herbert Ziraat Koleji, Biyosistem Mühendisliği ve Toprak Bölümü ve Tennessee Üniversitesi, Knoxville’deki Bilim İttifakı tarafından finanse edildi. Ayrıca, yazarlar bu araştırma için USDA Hibe 2020-67019-31167 aracılığıyla sağlanan finansal desteği minnetle kabul etmektedir. PBAT bazlı biyobozunur malç filminin MNP’lerini hazırlamak için ilk hammaddeler BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, ABD) ve PBAT peletleri Mobius, LLC (Lenoir City, TN) tarafından sağlanmıştır.
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 |