بروتوكول للجزيئات البلاستيك الصغيرة أخذ العينات على سطح البحر وتحليل عينة
Summary
يصف بروتوكول أدناه منهجية: جزيئات البلاستيك أخذ العينات على سطح البحر، والفصل بين تحديد microplastic والكيميائي للجزيئات. هذا البروتوكول هو تمشيا مع توصيات لرصد جزيئات البلاستيك الصغيرة التي نشرتها الفرعي التقني MSFD على القمامة البحرية.
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
جزيئات البلاستيك أخذ العينات على سطح البحر من قبل شبكة مانتا هي الطريقة المستخدمة على نطاق واسع لأخذ عينات من البلاستيك الصغيرة على سطح البحر، ولكن حتى الآن لم يكن هناك منهجية موحدة. يمكن تصفية كمية كبيرة من المياه من خلال الشبكة مانتا، وبالتالي فإن إمكانية محاصرة عدد هام من جزيئات البلاستيك مرتفع وينظر إلى نتائج يمكن الاعتماد عليها. وأكد مقارنة النتائج بين عينات مختلفة من التطبيع. في حالتنا، كانت هناك صلة بين تركيزات إلى منطقة العينة عن طريق ضرب المسافة الجر من العرض الأفقي للافتتاح صافي. وثمة خيار آخر هو استخدام تدفق متر، ثابتة في افتتاح صافي. استخدام تدفق متر ممكن منذ الشباك مانتا مع أجنحتها الجانبية غير مستقر للغاية على سطح البحر وبالتالي القفز على الأمواج هو الحد الأدنى. ألف متر تدفق يسجل حجم المياه التي تمت تصفيتها وبالتالي يمكن تطبيع النتائج في حجم المياه عينات 16.
<p class="jove_content"> الشباك مانتا الأكثر استخداما لها حوالي 300 حجم ميكرون شبكة وهي 3-4،5 م طويلة. تم تحسين هذه الأبعاد لتجنب انسداد الشبكة والسماح للأخذ عينات من حجم المياه كبيرة بقدر الإمكان. ينصح سرعة يصيد ما بين 2-3 عقدة، ولكنها تعتمد على ارتفاع الأمواج وسرعة الرياح والتيارات البحرية. من المهم جدا أن شبكة مانتا تحت إشراف طوال الوقت أثناء أخذ العينات وإذا كان يبدأ التنقل، يجب أن يتم تخفيض سرعة شباك الصيد. ويوصى الوقت يصيد أن يكون حوالي 30 دقيقة، ولكن يعتمد على تركيزات seston. وقد يحدث أن seston يسد أحيانا الشباك مانتا. في هذه الحالة استخدام شباك الجر لابد من وقفها فورا، وإلا فإن الجزيئات microplastic يمكن أن تضيع وشبكة يمكن أن يحصل تلف. شبكة مانتا هو في معظم الأحيان الثابتة من جانب السفينة. وهذا هو أيضا الخيار الأنسب، في حين أن شبكة مانتا هو بالتأكيد خارج منطقة اليقظة. في بعض الدراسات تم إصلاح شبكة مانتا من مؤخرة السفينة17، 18، ولكن في هذه الحالة لديك للتأكد من أن الشبكة خارج منطقة اليقظة. المسافة، والتي يتم تعيين الجر لأخذ العينات، وينبغي أن تحدد بشكل فردي، لأن منطقة الاضطرابات الناجمة عن السفينة تختلف من حجم السفينة ومن سرعة القارب 19 و 20.وغالبا ما يتم فصل جزيئات microplastic من العينات سطح البحر فقط عن طريق التعرف البصري 21. الجسيمات أكبر من 1 مم يمكن التعرف عليها بسهولة بالعين المجردة، في حين أن جزيئات أصغر من 1 مم تتطلب استخدام مجهر تشريحي. للحد من إمكانية الخلط بين الجزيئات غير البلاستيكية بأخرى بلاستيكية، وذلك باستخدام ضوء الاستقطاب على المجسمة ويوصى. احتمال عدم التعرف من الجسيمات البلاستيكية يحصل أعلى مع جسيمات أصغر. وهكذا الجسيمات> 0.5 مم يمكن التعرف فقط بصريا 21، عن طريق استخدام مجهر تشريحي. للجسيمات أصغر من 0.5 ململا بد من وضع، طريقة أكثر دقة إضافية سبيل المثال الجزئي الطيفي ATR-FTIR 21.
خلال عملية فصل جزيئات البلاستيك الصغيرة من العينة إمكانية تلوث العينة مع خيوط المحمولة جوا عالية جدا. لهذا السبب، والسيطرة على أطباق بتري ترك الباب مفتوحا على طاولة العمل ينصح بشدة لتحديد الجسيمات العالقة في الهواء الملوثات المحتملة. وهي جودة البيانات تعتمد بقوة على: 1) الدقة من شخص يعمل مع العينة، 2) نوعية والتكبير من مجهر تشريحي، و3) كمية من المواد العضوية في العينة 16. بعد التعرف البصري فمن المستحسن لتحليل الجزيئات فرزها مع واحدة من التقنيات المتاحة لتحديد الكيميائي للمادة 8.
وتوجد عدة طرق لتحديد البوليمر، من بينها التحليل الطيفي FTIR ورامان الطيفي هي معظم frequen بعضتستخدم TLY 22. FTIR ورامان الطيفي والتقنيات التكميلية ودقتها مشابهة. في بروتوكول لدينا، وقدم FTIR والتحليل الطيفي FTIR الصغير مع "الانعكاس الكلي الموهن" (ATR). فهي بسيطة لاستخدام وأنها تمكن نتائج سريعة ودقيقة. البوليمرات البلاستيكية تمتلك الأشعة تحت الحمراء (IR) أطياف محددة للغاية مع أنماط الفرقة متميزة، مما يجعل أطياف الأشعة تحت الحمراء وتقنية المثلى لتحديد جزيئات البلاستيك 21. الطاقة من الأشعة تحت الحمراء يثير الاهتزاز الجزيئي محددة عند التعامل مع عينة، والتي تمكن من قياس مميزة الأشعة تحت الحمراء أطياف 22. يمكن FTIR الطيفي أيضا تقدم معلومات إضافية عن الجسيمات، مثل شدة الأكسدة 23 ومستوى تدهور 24. في حين ATR-FTIR مناسبة لتحديد الكيميائي للجزيئات أكبر (> 0.5 ملم)، ويمكن الجزئي ATR-FTIR الطيفي تقديم معلومات عن التركيب الكيميائي للجزيئات & #60؛ 0.5 ملم، كما أنه يجمع بين وظيفة المجهر ومطياف الأشعة تحت الحمراء.
قبل استخدام FTIR والجزئي الطيفي FTIR، والجسيمات microplastic يجب أن تكون جافة في السابق، لأن المياه تمتص بقوة الأشعة تحت الحمراء 22، وتنقيته، في حال تم تغطيتها مع الأغشية الحيوية و / أو غيرها من أتباع العضوية وغير العضوية، والتي يمكن أن تؤثر على أطياف الأشعة تحت الحمراء. الطريقة الأكثر غير الغازية لتنقية العينات هي عن طريق اثارة والشطف بالماء العذب 25. إذا كان هذا لا يكفي، ثم ينصح استخدام 30٪ بيروكسيد الهيدروجين. ويمكن لجميع أساليب أخرى يكون لها آثار سلبية على جزيئات microplastic (مثل التنظيف بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تزيد من كسر جزيئات، المحاليل الحمضية أو القلوية القوية يمكن أن تلحق الضرر عدة البوليمرات البلاستيكية، وما إلى ذلك)، وبالتالي استخدامها غير مستحسن. اعدة أكثر هو استخدام الهضم الأنزيمي متسلسلة كخطوة تنقية دية البلاستيكية. تنقية باستخدام أنزيمات الفنية المختلفة (مثل الليباز، لmylase، بروتين، كيتيناز، السيلولوز، وقد تم تطبيق بروتين-K) بنجاح للحد من مصفوفة البيولوجية من العوالق وهكذا ثبت أن تقنية قيمة للتقليل من القطع الأثرية مصفوفة خلال قياسات التحليل الطيفي FTIR 22.
فصل جزيئات البلاستيك التي كتبها التعرف البصري وتحديد الكيميائي للجزيئات محددة على حد سواء العمليات للغاية تستغرق وقتا طويلا. هذا العمل الذي ينبغي القيام به من قبل شخص دقيق والمريض الذي لديه خبرة مع المجسمة، وليس فقط في التعرف على جزيئات البلاستيك، ولكن أيضا في التعرف على مسألة البيولوجية. حتى شخص ذي خبرة لا يمكن أن تميز كل الجسيمات microplastic المحتملة بشكل لا لبس فيه من الكيتين أو المشطورة شظايا 22. ولذلك، فإن نسبة الخطأ الفرز البصرية يتراوح من 20٪ 26-70٪ 21 ويزداد مع تناقص حجم الجسيمات.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تأسست في تطوير هذا البروتوكول من قبل برنامج التعاون IPA الأدرياتيكي عبر الحدود 2007-2013، ضمن مشروع DeFishGear (1 ° شارع / 00010).
References
- 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).
