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Ingénierie

기초 연구 연구에 고용을위한 농업 플라스틱 필름에서 마이크로 및 나노 플라스틱 형성

Published: July 27, 2022
doi:
10.3791/64112
, , , , , ,
1Department of Biosystems Engineering and Soil Science,University of Tennessee, 2Neutron Scattering,Oak Ridge National Laboratory, 3Chemical Sciences Divisions,Oak Ridge National Laboratory, 4Center for Renewable Carbon,The University of Tennessee

Summary

우리는 기계적 밀링, 연삭 및 이미징 분석의 단계적 공정을 사용하여 마이크로 및 나노 플라스틱 (각각 MPs 및 NP)의 형성 및 치수 특성을 보여줍니다.

Abstract

농업 생태계에 분산된 미세플라스틱(MPs)과 나노플라스틱(NP)은 토양과 인근 수로에서 바이오타에 심각한 위협이 될 수 있습니다. 또한 NP에 의해 흡착 된 살충제와 같은 화학 물질은 토양 유기체에 해를 끼칠 수 있으며 잠재적으로 먹이 사슬에 들어갈 수 있습니다. 이러한 맥락에서 플라스틱 뿌리 덮개 필름과 같은 농업적으로 활용 된 플라스틱은 농업 생태계의 플라스틱 오염에 크게 기여합니다. 그러나 운명과 생태 독성에 대한 대부분의 근본적인 연구는 폴리스티렌 미소 구체와 같은 이상화되고 잘 대표되지 않는 MP 물질을 사용합니다.

따라서, 본원에 기재된 바와 같이, 우리는 이러한 연구를 위해 대표적인 MPs 및 NP를 기계적으로 형성하기 위한 실험실 규모의 다단계 절차를 개발하였다. 플라스틱 재료는 극저온 처리 (CRYO) 또는 환경 내후성 (W) 및 처리되지 않은 PBAT 펠릿을 통해 취화 된 폴리 부티레이트 아디페이트 – 코-테레프탈레이트 (PBAT)의 상업적으로 이용 가능한 플라스틱 멀치 필름으로부터 제조되었다. 그런 다음 플라스틱 재료를 기계적 밀링으로 처리하여 46-840 μm 크기의 MP를 형성하고 바람 및 기계 기계에 의한 플라스틱 조각의 마모를 모방했습니다. 그런 다음 MP를 여러 크기 분수로 체질하여 추가 분석을 가능하게했습니다. 마지막으로, 106 μm 체 분획을 습식 분쇄하여 20-900 nm의 NPs를 생성하였으며, 이는 육상 MPs에 대한 느린 크기 감소 공정을 모방하는 과정이다. MP의 치수와 모양은 입체 현미경 사진의 이미지 분석을 통해 결정되었으며, NP의 입자 크기를 평가하기 위해 동적 광산란 (DLS)이 사용되었습니다.이 과정을 통해 형성된 MP와 NP는 불규칙한 모양을 가지고 있었으며, 이는 농업 분야에서 회수 된 MP의 기하학적 특성과 일치합니다. 전반적으로,이 크기 감소 방법은 농업 특수 작물 생산에 사용되는 뿌리 덮개 재료를 대표하는 폴리 부틸렌 아디페이트 – 코 테레프탈레이트 (PBAT)와 같은 생분해 성 플라스틱으로 구성된 MPs 및 NP를 형성하는 데 효율적임을 입증했습니다.

Introduction

최근 수십 년 동안 전 세계적으로 플라스틱 생산이 급속히 증가하고 부적절한 폐기와 플라스틱 폐기물의 재활용 부족으로 인해 해양 및 육상 생태계 1,2,3에 영향을 미치는 환경 오염이 발생했습니다. 플라스틱 재료는 현대 농업, 특히 야채, 작은 과일 및 기타 특수 작물을 재배하는 데 필수적입니다. 뿌리 덮개 필름, 높고 낮은 터널 덮개, 물방울 테이프 및 기타 응용 프로그램으로서의 사용은 작물 수확량과 품질을 향상시키고 생산 비용을 낮추며 지속 가능한 농업 방법 4,5을 촉진하는 것을 목표로합니다. 그러나 “가소성”의 고용 확대는 농업 환경에서 플라스틱 조각의 형성, 유통 및 보존에 대한 우려를 불러 일으켰습니다. 사용 기간 동안 환경 파괴를 통한 취성으로 인한 지속적인 단편화 공정 후, 더 큰 플라스틱 파편은 미세 및 나노 플라스틱 (MNPs)을 형성하며, 이는 토양에서 지속되거나 물 유출 및 바람을 통해 인접한 수로로 이동합니다 6,7,8. 햇빛을 통한 자외선(UV) 방사선, 물의 기계적 힘 및 생물학적 요인과 같은 환경적 요인은 환경적으로 분산된 플라스틱의 플라스틱 취성을 유발하여 더 큰 플라스틱 파편을 거대 또는 메조 플라스틱 입자로 분해합니다9,10. 또한 단편 분해는 미세 플라스틱 (MPs) 및 나노 플라스틱 (NPs)을 형성하며, 평균 크기 (공칭 직경)의 입자를 반영합니다. dp) 각각 1-5000 μm 및 1-1000 nm의11. 그러나, NPs에 대한 상한 dp 한계(즉, MPs에 대한 하한)는 보편적으로 합의되지 않으며, 몇몇 논문들에서, 이것은 100 nm12로 열거된다.

플라스틱 폐기물의 MNP는 토양 건강 및 생태계 서비스에 대한 새로운 세계적 위협을 제기합니다. MPs에 의한 담수로부터 중금속의 흡착은 주변 환경에 비해 중금속의 농도가 800배 더 높았다(13). 또한, 수생 생태계의 MPs는 빛 침투를 변경하고, 산소 고갈을 일으키고, 수생 생물의 침투 및 축적을 포함한 다양한 생물체에 대한 부착을 유발함으로써 여러 스트레스 요인 및 오염 물질을 제기합니다14.

최근 연구에 따르면 MNP는 미생물 군집 및 식물15,16,17을 포함한 토양 지구 화학 및 생물에 영향을 줄 수 있습니다. 또한 NP는 푸드 웹을 위협합니다17,18,19,20. MNP는 토양에서 수직 및 수평 운송을 쉽게 거치기 때문에 토양을 통해 농약, 가소제 및 미생물과 같은 흡수 된 오염 물질을 지하수 또는 하천 및 하천과 같은 수생 생태계로 운반 할 수 있습니다21,22,23,24. 뿌리 덮개 필름과 같은 기존의 농업 플라스틱은 폴리에틸렌으로 만들어지며, 사용 후 현장에서 제거하고 매립지에서 폐기해야합니다. 그러나 불완전한 제거는 토양 9,25,26에 상당한 플라스틱 파편이 축적됩니다. 또는 토양 생분해 성 플라스틱 멀치 (BDM)는 사용 후 토양으로 경작되도록 설계되어 시간이 지남에 따라 분해됩니다. 그러나 BDM은 토양에서 일시적으로 지속되며 점차적으로 MPs 및 NP 9,27로 분해되고 조각화됩니다.

현재의 많은 환경 생태 독성 및 운명 연구는 이상화되고 대표적이지 않은 MPs 및 NP 모델 재료를 사용합니다. 가장 일반적으로 사용되는 대리 MNP는 단분산 폴리스티렌 마이크로 또는 나노 구이며, 이는 환경12,28에 거주하는 실제 MNP를 반영하지 않습니다. 결과적으로, 대표적이지 않은 MP와 NP를 선택하면 부정확한 측정 및 결과가 발생할 수 있습니다. 육상 환경 연구를위한 적절한 모델 ΜNP의 부족을 바탕으로, 저자는 농업 플라스틱에서 이러한 모델을 준비하도록 동기를 부여했다. 우리는 이전에 플라스틱 펠릿 및 필름 재료의 기계적 밀링 및 분쇄를 통해 BDM 및 폴리에틸렌 펠릿에서 MNP의 형성과 MNP29의 치수 및 분자 특성에 대해보고했습니다. 현재 논문은 멀치 필름 또는 펠릿화된 공급 원료와 같은 모든 농업 플라스틱에 보다 광범위하게 적용할 수 있는 MNP를 제조하기 위한 보다 상세한 프로토콜을 제공합니다(그림 1). 여기서, 일례로 작용하기 위해, 농업용 플라스틱을 대표하기 위해 생분해성 고분자인 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)의 뿌리덮개 필름과 구형 펠렛을 선택하였다.

Protocol

1. 극저온 전처리 및 밀링을 통한 플라스틱 펠릿에서 MPs 처리 참고: 이 방법론은 다른 곳에서 설명된 절차에 기초하며, 본 제시된 연구29에 사용된 동일한 재료로 구성된 PBAT 필름을 채용한다. ∼1 g의 중합체 펠릿 샘플을 계량하고 50 mL 유리 병에 옮긴다. 20메쉬(840μm) 체가 있는 “직사각형 전달” 튜브를 회전식 절단 밀 앞의 슬롯에 놓…

Representative Results

실험 절차 방법 및 분석을 검증하기 위해 MPs 및 NP를 펠렛 및 필름 재료로 형성하고 현미경 이미지를 사용하여 크기와 모양별로 비교했습니다. 도 1에 기재된 방법은 생분해성 플라스틱 펠릿 및 필름으로부터 MPs 및 NPs를 효율적으로 형성하고; 이것은 극저온 냉각, 밀링, 습식 연삭 및 특성화를 통해 달성되었습니다. 이전 단계는 풍화로 인해 취성이 유발되기 때문에 환경 풍화…

Discussion

이 방법은 환경 연구를 위해 펠릿 및 멀치 필름으로부터 공급되는 MNP를 제조하기 위해, 이전 간행물29에서 초기에 기술된 효과적인 공정을 기술한다. 크기 감소 공정에는 극저온 냉각(필름에만 해당), 건식 밀링 및 습식 분쇄 단계가 포함되어있어 모델 MNP를 제조했습니다. 우리는 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 폴리 부티레이트 아디페이트 – 코-테레프탈레이트 (PBAT) 및 폴리 락트산 (PLA…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 허버트 농업 대학, 생물 시스템 공학 및 토양 부서, 녹스빌 테네시 대학의 과학 얼라이언스가 자금을 지원했습니다. 또한, 저자는이 연구를 위해 USDA Grant 2020-67019-31167을 통해 제공되는 재정적 지원을 감사하게 인정합니다. PBAT 기반 생분해성 멀치 필름의 MNPs를 제조하기 위한 초기 공급원료는 BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, USA) 및 Mobius, LLC (Lenoir City, TN)에 의해 PBAT 펠릿에 의해 친절하게 제공되었다.

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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References

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Astner, A. F., Hayes, D. G., O’Neill, H. M., Evans, B. R., Pingali, S. V., Urban, V. S., Young, T. M. Forming Micro-and Nano-Plastics from Agricultural Plastic Films for Employment in Fundamental Research Studies. J. Vis. Exp. (185), e64112, doi:10.3791/64112 (2022).
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