Protokollet nedan beskriver metoden för: microplastics provtagning på havsytan, separation av mikroplast och kemisk identifiering av partiklar. Detta protokoll är i linje med rekommendationerna för microplastics övervakning offentliggjorts av MSFD tekniska gruppen på marint skräp.
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.
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.
Microplastics provtagning på havsytan av manta nätet är en allmänt använd metod för provtagning av microplastics på havsytan, men hittills har det inte funnits någon enhetlig metod. En stor volym vatten kan filtreras genom manta nätet, således möjlighet att fånga ett relevant antal microplastics är hög och resultaten uppfattas vara tillförlitliga. Jämförbara resultat mellan olika prover säkerställs genom normalisering. I vårt fall var halterna i samband med provområdet genom att multiplicera trål avstånd från den horisontella bredden av netto öppningen. Ett annat alternativ är att använda en flödesmätare, fixerad vid netto öppningen. Användningen av en flödesmätare är möjligt eftersom det manta nätet med sina sidovingar är mycket stabilt på havsytan och därför hoppande på vågorna är minimal. En flödesmätare registrerar volymen av filtrerat vatten och därmed gör det möjligt att normaliseringen av resultaten per volym samplade vatten 16.
<p class="jove_content"> De vanligaste manta nät har cirka 300 pm maskstorlek och är 3-4,5 m lång. Dessa dimensioner har optimerats för att undvika igensättning av nätet och för att medge provtagning ett volym vatten så stor som möjligt. Trålning hastigheten rekommenderas vara mellan 2-3 knop, men det är beroende av våghöjd, vindhastighet och havsströmmar. Det är mycket viktigt att den manta nätet är under övervakning hela tiden under provtagning och om det börjar hopping, måste trålhastigheten reduceras. Trål tid rekommenderas att vara omkring 30 minuter, men beror på seston koncentrationer. Det kan hända att seston träskor ibland manta nätet. I detta fall trål måste stoppas omedelbart, annars mikroplastpartiklar kan förloras och nätet kan skadas. Manta net är den mest ofta fastställs från sidan av kärlet. Detta är också det lämpligaste alternativet, medan den manta nätet är säkert ut ur vakna zon. I vissa undersökningar manta netto fastställdes från fartygets akter17, 18, men i så fall måste vara säker på att nätet är ur kölvattnet zonen. Avståndet, som trålen sätts för provtagning, bör bestämmas individuellt, eftersom det fria turbulens som orsakas av fartyg varierar från fartygets storlek och från hastigheten på båten 19, 20.Separation av mikroplastpartiklar från havsytan prover är oftast sker bara genom visuell identifiering 21. Partiklar större än 1 mm kan identifieras lätt med blotta ögat, medan partiklar som är mindre än 1 mm erfordrar användning av ett stereomikroskop. För att minska risken att blanda ihop de icke-plastpartiklar med plast sådana, med hjälp av polariserings ljus på stereomikroskop rekommenderas. Möjligheten till felaktig identifiering av plastpartiklar blir högre med mindre partiklar. Sålunda partiklar> 0,5 mm kan endast identifieras visuellt 21, genom användning av stereomikroskop. För partiklar som är mindre än 0,5 mmen ytterligare, mer exakt metod krävs t.ex. mikro ATR-FTIR spektroskopi 21.
Under processen för microplastics separation från provet möjligheten till provkontaminering med de luftburna filamenten är mycket hög. Av denna anledning, kontrollera petriskålar lämnats öppna på arbetsbordet rekommenderas starkt för identifiering av potentiella föroreningsluftburna partiklar. Nämligen, beror kvaliteten på de uppgifter starkt på: 1) precisionen hos den person som arbetar med provet, 2) kvalitet och förstoring av stereo, och 3) mängden organiskt material i provet 16. Efter visuell identifiering det rekommenderas att analysera de sorterade partiklar med en av de tillgängliga teknikerna för kemisk identifiering av materialet 8.
Det finns flera metoder för identifiering polymer, bland vilka FTIR-spektroskopi och Raman-spektroskopi är de mest frequently används 22. FTIR och Raman-spektroskopi är komplementära metoder och deras noggrannhet är liknande. I våra protokoll är FTIR och mikro FTIR spektroskopi med "dämpad totalreflektion" (ATR) presenteras. De är enkla att använda och de möjliggör snabba och korrekta resultat. Plastpolymer besitter mycket specifik infraröd (IR) spektra med distinkta bandmönster, vilket gör IR-spektroskopi en optimal teknik för identifiering av microplastics 21. Energin i IR-strålning exciterar en specifik molekylär vibration vid interaktion med ett prov, som möjliggör mätning av karaktäristiska IR-spektra 22. FTIR spektroskopi kan också ge ytterligare information om partiklar, såsom intensitet oxidation 23 och nivån på nedbrytning 24. Medan ATR-FTIR är lämplig för kemisk identifiering av större partiklar (> 0,5 mm), kan mikro ATR-FTIR spektroskopi ger information om den kemiska strukturen hos partiklar & #60; 0,5 mm, eftersom den kombinerar funktionen av ett mikroskop och en infraröd spektrometer.
Innan du använder FTIR och mikro FTIR spektroskopi, mikroplastpartiklar måste tidigare torkas, eftersom vatten absorberar starkt IR-strålning 22, och renas, om de är täckta med biofilmer och / eller andra organiska och oorganiska anhängare, som kan påverka IR-spektra. Det mest icke-invasiv metod för att rena prover är genom omröring och sköljning med färskvatten 25. Om detta inte är tillräckligt, då användningen av 30% väteperoxid rekommenderas. Alla andra metoder kan ha negativa effekter på mikroplastpartiklar (t.ex. ultraljudsrengöring kan ytterligare bryta partiklar, kan starkt sura eller alkaliska lösningar skada flera plastpolymerer, etc.) och därför rekommenderas inte användning. Mer lovande är användning av en sekventiell enzymatisk spjälkning som en plast vänlig reningssteg. Rening med användning av olika tekniska enzymer (t.ex. lipas, ettmylase, proteinas, kitinas, cellulas, proteinas-K) har framgångsrikt tillämpats att minska en biologisk matris av plankton och därmed visat sig vara en värdefull teknik för att minimera matris artefakter under FTIR spektroskopi mätningar 22.
Separation av microplastics genom visuell identifiering och kemisk identifiering av valda partiklar är både extremt tidskrävande processer. Detta arbete måste utföras av en noggrann och tålmodig person som har erfarenhet av stereo, inte bara att erkänna plastpartiklarna, men också i att känna igen biologiskt material. Även en erfaren person kan inte diskriminera alla potentiella mikroplastpartiklar entydigt från kitin eller kisel fragment 22. Därför varierar felgraden för visuell sortering från 20% 26 till 70% och 21 och ökar med minskande partikelstorlek.
The authors have nothing to disclose.
Utvecklingen av detta protokoll grundades av IPA Adriatiska Gränsöverskridande samarbetsprogram 2007-2013, inom DeFishGear projektet (1 ° str / 00010).