毎日使用時にポリプロピレン哺乳瓶からマイクロプラスチック放出のサンプリング、同定および特性評価
Summary
この研究は、マイクロプラスチックの収集とプラスチック製品の日常的な使用からの検出のための信頼性と費用対効果の高いプロトコルを詳述しました。
Abstract
マイクロプラスチック(MP)は、人間の健康に対する潜在的なリスクのために世界的な懸念事項になりつつあります。プラスチック製品(すなわち、プラスチックの使い捨てカップおよびケトル)の事例調査は、毎日の使用中のMP放出が非常に高くなることができることを示している。MP リリース レベルを正確に決定することは、露出元を特定して定量化し、この危険に起因する対応するリスクを評価/制御するための重要なステップです。海洋または淡水のMPレベルを測定するためのプロトコルはよく開発されていますが、家庭用プラスチック製品が経験する条件は大きく異なる可能性があります。多くのプラスチック製品は、頻繁な高温(100°C)に曝露され、日常使用時に室温に戻されます。したがって、各製品の実際の日常使用シナリオを模倣したサンプリング プロトコルを開発することが重要です。本研究は、多くのプラスチック製品のMPリリース研究のための費用対効果の高いプロトコルを開発するために広く使用されているポリプロピレンベースの哺乳瓶に焦点を当てた。ここで開発されたプロトコルは可能:1)サンプリングおよび検出中の潜在的な汚染の防止。2)毎日使用シナリオの現実的な実装とWHOガイドラインに基づいて哺乳瓶から解放されたMPの正確なコレクション;3)哺乳瓶から放出されるMPの費用対効果の高い化学的決定および物理的地形マッピング。このプロトコルに基づいて、標準ポリスチレンMP(直径2μm)を使用した回収率は92.4-101.2%であり、検出されたサイズは設計されたサイズの約102.2%であった。ここで詳述するプロトコルは、MPサンプルの調製および検出のための信頼性と費用対効果の高い方法を提供し、プラスチック製品からのMPリリースの将来の研究に大きな利益をもたらす可能性があります。
Introduction
ほとんどの種類のプラスチックは非生分解性ですが、酸化や機械的摩擦などの化学的および物理的プロセスのために小片に分解することができます1,2.5mm未満のプラスチック片は、マイクロプラスチック(MP)に分類されます。MPはユビキタスであり、世界中のほぼすべてのコーナーで見られます。彼らは人間と野生動物に対する潜在的なリスクのために世界的な関心事となっています3,4.現在までに、魚、鳥、昆虫5、6だけでなく哺乳類(マウス、腸内、腎臓および肝臓7、8)にMPの有意な蓄積が発見されている。研究は、MPの暴露および蓄積がマウス7、8の脂質代謝に損傷を与えることができることを発見した。魚に焦点を当てたリスク評価は、サブミクロンMPが血液対脳関門に浸透し、脳の損傷を引き起こす可能性があることを発見しました 9.人間の健康に対する特定のリスクがまだ不明である一方で、すべてのMPリスク結果は、動物研究から得られていることは、現在までに留意すべきです.
過去2年間で、MPへのヒト暴露レベルの確認により、人間の健康に対するMPの脅威に対する懸念が大幅に増加しました。MPの蓄積は、ヒト結腸10、妊婦11および成人便12の胎盤に見られた。MPリリースレベルの正確な決定は、暴露源を特定し、健康リスクを評価し、潜在的な制御措置の効率を評価するために重要です。ここ数年、いくつかのケーススタディは、毎日使用プラスチック(すなわち、プラスチックケトル13と使い捨てカップ14)が非常に大量のMPを放出することができることを報告しました。例えば、使い捨て紙コップ(ポリエチレンPEまたはコポリマーフィルムで積層されたインテリア付き)は、85〜90°Cの温水14への暴露後の液体の各ミリリットルに約250ミクロンサイズのMPおよび1億2000万個のサブミクロンサイズの粒子を放出した。ポリプロピレン(PP)食品容器の研究では、1回の使用時に最大7.6mgのプラスチック粒子が容器から放出されるという報告がある。さらに高いレベルは、ポリエチレンテレフタレート(PET)およびナイロンから作られたティーバッグから記録され、約116億MPと31億ナノサイズのMPを飲料16の1カップ(10mL)に放出した。これらの毎日使用プラスチック製品が食品や飲料の準備のために設計されていることを考えると、大量のMPの放出が起こりそうであり、その消費は人間の健康に対する潜在的な脅威です。
家庭用プラスチック製品(例えば、プラスチックケトル13と使い捨てカップ14)からのMPリリースに関する研究は初期段階にあるが、この話題は研究者や一般の人々から注目を集めることが期待される。これらの研究で必要とされる方法は、確立されたプロトコルが既に存在する室温海洋または淡水研究で使用されるものとは大きく異なる。対照的に、家庭用プラスチック製品の日常的な使用を含む研究は、はるかに高い温度(100°Cまで)を含み、多くの場合、室温に戻ってサイクリングを繰り返します。以前の研究では、お湯と接触しているプラスチックは、何百万ものMP16、18を放出することができると指摘しました。さらに、プラスチック製品の日常的な使用は、時間の経過とともにプラスチック自体の特性を変更する可能性があります。したがって、最も一般的な日常使用シナリオを正確に模倣するサンプリング プロトコルを開発することが重要です。マイクロサイズの粒子の検出も大きな課題です。以前の研究では、プラスチック製品からのMP放出は20 μm16、19、20より小さいと指摘した。これらのタイプのMPの検出は、小さな細孔サイズの滑らかな膜フィルターの使用を必要とする。さらに、フィルタによって捕捉される可能性のある汚染物質とMPを区別する必要があります。高感度ラマン分光法は、化学組成分析に使用され、小粒子20を容易に破壊することが知られている高いレーザーパワーの必要性を回避できるという利点がある。したがって、このプロトコルは、汚染のない処理手順と最適な膜フィルタの使用と、高速かつ正確なMP識別を可能にする特性評価方法を組み合わせる必要があります。
ここで報告された研究は、日常生活の中で最も一般的に使用されるプラスチック製品の1つであるPPベースの哺乳瓶(BFB)に焦点を当てた。式の準備18の間に多数の MP がプラスチック BFB から放出されることがわかった。毎日のプラスチックからのMP放出のさらなる研究のために、BFBのサンプル調製および検出方法は、ここで詳述されている。試料調製中に、WHO21 が推奨する標準的な式調製プロセス(洗浄、殺菌および混合)を慎重に行った。WHOガイドラインに関するプロトコルを設計することで、BBBからのMPリリースが両親が使用するベビーフォーミュラ調製プロセスを模倣することを保証しました。フィルタプロセスは、BfbsからリリースされたMPを正確に収集するように設計されています。MPの化学同定のために、ラマン分光法の作業条件は、MPのクリーンで容易に同定されたスペクトルを得るために最適化され、同時に標的粒子を燃焼させる可能性を回避した。最後に、原子間力顕微鏡(AFM)を用いたMPの正確な3次元地形マッピングを可能にする最適な試験手順と適用力を開発した。ここで詳しく説明するプロトコル (図 1)は、MP サンプルの調製と検出に対して信頼性が高く、費用対効果の高い方法を提供し、プラスチック製品の将来の研究に大きな利益をもたらす可能性があります。
Protocol
Representative Results
Discussion
海洋および淡水のMPの研究は広く報告されており、関連する標準プロトコルは17に開発されていますが、日用品プラスチック製品の研究は重要な新興研究分野です。家庭用プラスチック製品が経験する環境条件の違いは、信頼性の高い結果を得るためには、特別な注意と努力が必要であることを意味します。研究プロトコルは、実際の日常使用シナリオと一致している必要が…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、エンタープライズアイルランド(助成金番号CF20180870)と科学財団アイルランド(助成金番号:20/FIP/PL/8733、12/RC/2278_P2、16/IA/4462)の財政支援を高く評価している。また、トリニティ・カレッジ・ダブリンの工学部奨学金と中国奨学金協議会(201506210089・201608300005)からの資金援助も認めます。さらに、トリニティ・シビル・構造環境部とAMBER研究センターのサラ・マク・コーマック教授と技術者チーム(デビッド・A・マコーレー、メアリー・オシェイ、パトリック・L・K・ビール、ロバート・フィッツパトリック、マーク・ギリガンなど)の専門的な支援に感謝しています。
Materials
| AFM cantilever | NANOSENSORS | PPP-NCSTAuD-10 | To obtain three-dimensional topography of PP MPs |
| Atomic force microscope | Nova | NT-MDT | To obtain three-dimensional topography of PP MPs |
| Detergent | Fairy Original | 1015054 | To clean the brand-new product |
| Gold-coated polycarbonate-PC membrane filter-0.8 um | APC, Germany | 0.8um25mmGold | To collect microplastics in water and benefit for Raman test |
| Gwyddion software | Gwyddion | Gwyddion2.54 | To determine MPs topography |
| ImageJ software | US National Institutes of Health | No, free for use | To determine MPs size |
| Microwave oven | De'longhi, Italy | 815/1195 | Hot water preparation |
| Optical microscope, x100 | Mitutoyo, Japan | 46-147 | To find and observe the small MPs |
| Raman spectroscopy | Renishaw | InVia confocal Raman system | To checmically determine the PP-MPs |
| Shaking bed-SSL2 | Stuart, UK | 51900-64 | To mimic the mixing process during sample preparaton |
| Standard polystyrene microplastic spheres | Polysciences, Europe | 64050-15 | To validate the robusty of current protocol |
| Tansfer pipette with glass tip | Macro, Brand | 26200 | To transfer water sample to glass filter |
| Ultrasonic cleaner | Witeg, Germany | DH.WUC.D06H | To clean the glassware |
| Vacuum pump | ILMVAC GmbH | 105697 | To filter the water sample |
Riferimenti
- Law, K. L., Thompson, R. C. Microplastics in the seas. Science. 345 (6193), 144-145 (2014).
- Thompson, R. C., et al. Lost at sea: where is all the plastic. Science. 304 (5672), 838 (2004).
- Coburn, C. Microplastics and gastrointestinal health: how big is the problem. The Lancet Gastroenterology & Hepatology. 4 (12), 907 (2019).
- The Lancet Planetary Health. Microplastics and human health-an urgent problem. The Lancet Planetary Health. 1 (7), 254 (2017).
- Foley, C. J., Feiner, Z. S., Malinich, T. D., Höök, T. O. A meta-analysis of the effects of exposure to microplastics on fish and aquatic invertebrates. Science of the Total Environment. 631, 550-559 (2018).
- Chae, Y., An, Y. -. J. Effects of micro-and nanoplastics on aquatic ecosystems: Current research trends and perspectives. Marine Pollution Bulletin. 124 (2), 624-632 (2017).
- Lu, L., Wan, Z., Luo, T., Fu, Z., Jin, Y. Polystyrene microplastics induce gut microbiota dysbiosis and hepatic lipid metabolism disorder in mice. Science of the total environment. 631, 449-458 (2018).
- Yang, Y. -. F., Chen, C. -. Y., Lu, T. -. H., Liao, C. -. M. Toxicity-based toxicokinetic/toxicodynamic assessment for bioaccumulation of polystyrene microplastics in mice. Journal of Hazardous Materials. 366, 703-713 (2019).
- Mattsson, K., et al. Brain damage and behavioural disorders in fish induced by plastic nanoparticles delivered through the food chain. Scientific Reports. 7 (1), 11452 (2017).
- Ibrahim, Y. S., et al. Detection of microplastics in human colectomy specimens. JGH Open. , (2021).
- Ragusa, A., et al. Plasticenta: First evidence of microplastics in human placenta. Environment International. 146, 106274 (2021).
- Schwabl, P., et al. Detection of various microplastics in human stool: a prospective case Series. Annals of Internal Medicine. 171 (7), 453-457 (2019).
- Sturm, M. T., Kluczka, S., Wilde, A., Schuhen, K. Determination of particles produced during boiling in differenz plastic and glass kettles via comparative dynamic image analysis using FlowCam. Analytik News. , (2019).
- Ranjan, V. P., Joseph, A., Goel, S. Microplastics and other harmful substances released from disposable paper cups into hot water. Journal of Hazardous Materials. 404, 124118 (2020).
- Fadare, O. O., Wan, B., Guo, L. -. H., Zhao, L. Microplastics from consumer plastic food containers: Are we consuming it. Chemosphere. 253, 126787 (2020).
- Hernandez, L. M., et al. Plastic teabags release billions of microparticles and nanoparticles into tea. Environmental Science & Technology. 53 (21), 12300-12310 (2019).
- Frias, J., et al. Standardised protocol for monitoring microplastics in sediments. Deliverable 4.2. , (2018).
- Li, D., et al. Microplastic release from the degradation of polypropylene feeding bottles during infant formula preparation. Nature Food. , (2020).
- Imhof, H. K., et al. Pigments and plastic in limnetic ecosystems: A qualitative and quantitative study on microparticles of different size classes. Water Research. 98, 64-74 (2016).
- Oßmann, B. E., et al. Small-sized microplastics and pigmented particles in bottled mineral water. Water Research. 141, 307-316 (2018).
- World Health Organization. How to prepare formula for bottle-feeding at home. World Health Organization. , (2007).
- Käppler, A., et al. Analysis of environmental microplastics by vibrational microspectroscopy: FTIR, Raman or both. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 408 (29), 8377-8391 (2016).
- Zhao, S., Danley, M., Ward, J. E., Li, D., Mincer, T. J. An approach for extraction, characterization and quantitation of microplastic in natural marine snow using Raman microscopy. Analytical Methods. 9 (9), 1470-1478 (2017).
- World Health Organization. Microplastics in drinking-water. World Health Organization. , (2019).
- Sunta, U., Prosenc, F., Trebše, P., Bulc, T. G., Kralj, M. B. Adsorption of acetamiprid, chlorantraniliprole and flubendiamide on different type of microplastics present in alluvial soil. Chemosphere. 261, 127762 (2020).
- Gong, W., et al. Comparative analysis on the sorption kinetics and isotherms of fipronil on nondegradable and biodegradable microplastics. Environmental Pollution. 254, 112927 (2019).
- Wong, M., Moyse, A., Lee, F., Sue, H. -. J. Study of surface damage of polypropylene under progressive loading. Journal of Materials Science. 39 (10), 3293-3308 (2004).
