דגימה, מיון של אפיון Microplastics בסביבות מימיות עם המון משקעים מושעה גבוהה ופסולת צף גדול
Summary
רוב המחקרים microplastic לתאריך אירעה במערכות ימיות איפה מושעה מוצקים רמות נמוכות יחסית. המוקד עכשיו הסטה ל מערכות מים מתוקים, אשר ייתכן כוללים המון משקעים גבוהה ופסולת צף. פרוטוקול זה מטפל איסוף וניתוח microplastic דגימות סביבות הימית המכילים גבוהה המון מוצק על תנאי.
Abstract
נוכחות בכל מקום של פסולת פלסטיק באוקיינוס ידועה ומוכרת על ידי קהילות הציבור, מדעי, סוכנויות ממשלתיות. עם זאת, רק לאחרונה יש microplastics במערכות מים מתוקים, כגון נהרות ואגמים, הייתה לכמת. הדגימה Microplastic על פני השטח בדרך כלל מורכב פריסת רשתות להיסחף מאחורי גם סירה נייח או נע, אשר מגביל את שהדגימה סביבות עם רמות נמוכות של מהמשקעים ופסולת צף או מימיות. מחקרים קודמים שהפעיל להיסחף רשתות לאיסוף פסולת microplastic בדרך כלל להשתמש ברשתות עם ≥300 µm גודל רשת, המאפשר פסולת פלסטיק (חלקיקים וסיבים) מתחת גודל זה כדי לעבור דרך הרשת או לחמוק כמת. הפרוטוקול מפורט כאן מאפשר: 1) מדגם אוסף בסביבות בעלות גבוהה הושעה נטען, צף או שקוע פסולת 2) לכידת ואת כימות של חלקיקים microplastic וסיבים < 300 דגימות מים מיקרומטר. נאספו באמצעות משאבת סחרור במיכלים פוליאתילן בצפיפות נמוכה (PE) יאוחסנו לפני סינון וניתוח במעבדה. הסינון נעשה באמצעות מכשיר סינון microplastic בהזמנה אישית המכיל נתיק המפרקים האיחוד שוכנו הנפות רשת ניילון, מעורב תאית אסתר ממברנה מסננים. הנפות רשת ומסננים ממברנה נבחנו עם stereomicroscope לכמת ולהפריד חלקיקים microplastic וסיבים. חומרים אלה נבחנו ואז באמצעות השתקפות הכולל מיקרו-הקלוש של התמרת פורייה, אינפרא-אדום ספקטרומטר (ATR מיקרו-FTIR) כדי לקבוע את סוג הפולימר microplastic. שחזור נמדדה על ידי spiking דגימות באמצעות חלקיקים כחולים PE וסיבי ניילון ירוקה; שחזור אחוז היה נחוש בדעתו להיות 100% עבור חלקיקים ו- 92% עבור סיבי. פרוטוקול זה ידריך מחקרים דומים על microplastics בנהרות בדחיסות גבוהה עם ריכוזים גבוהים של משקעים. עם שינויים פשוטים משאבת סחרור, התקן סינון, משתמשים יכולים לאסוף ולנתח אחסון מדגם וגדלים חלקיקים שונים.
Introduction
פלסטיק נצפתה לראשונה ב האוקיינוס מוקדם ככל השלושים1. האומדנים העדכניים של טווח שנשטפו פלסטיק מעל טון מטרי 243,000 (MT) פלסטיק על פני השטח של האוקיינוס כדי 4.8-12.7 מיליון MT של פלסטיק הזנת האוקיינוס מן ארצי מקורות מדי שנה2,3. לימודי שנשטפו פלסטיק התמקדו macroplastics (> 5 מ מ קוטר) כפי שהם גלויים בקלות, הניתנת לכימות. עם זאת, לאחרונה התגלה כי macroplastics מייצגים < 10% של פסולת פלסטיק, לפי הספירה, האוקיינוס, המציינת כי רובם המכריע של פסולת פלסטיק microplastic (< בקוטר 5 מ מ)2.
Microplastics מסווגות לשתי קבוצות: microplastics ראשיים ומשניים. Microplastics הראשי מורכב פלסטיקים מיוצרים בקוטר < 5 מ מ כוללים nurdles, כדורי raw נהגה להכין מוצרי צריכה, גרגרי משמש exfoliants במוצרי טיפוח אישי (למשל, לשטוף פנים, פילינג גוף, משחת שיניים), ו המירוק או סיכה בענף. Microplastics משניים נוצרים בתוך הסביבה כמו פיצול קבצים גדולים יותר פסולת פלסטיק על ידי פוטוליזה, שחיקה, פירוק מיקרוביאלי4,5. סיבים סינתטיים נמצאים גם microplastics משני, דאגה גוברת. בגד אחד יכול לשחרר > סיבים 1,900 לרחוץ מכונת הכביסה במשקי בית6. הסיבים האלה, כמו גם גרגרי של מוצרי טיפוח אישי, נשטפים ומטה מתנקז לתוך מערכת הביוב לפני הכניסה טיפול בשפכים. מרפי (2016) מצא כי טיפול בשפכים הצמח משרת אוכלוסייה של 650,000 מופחת ריכוז microplastic 98.4% מ influent אל בשפכים, אך microplastics 65 מיליון נותרו למטעי sludge כל יום7. אפילו עם אחוזים גבוהים של microplastics הוסר במהלך תהליכי טיפול, מיליונים, ואולי מיליארדים, של microplastics עוברים טיפול בשפכים מדי יום והזן פני המים קולחים6,8 ,9,10,11.
עקב שחרור הסביבה שלהם, microplastics נמצאו ברקמות במערכת העיכול, מערכת הנשימה של אורגניזמים ימיים לאורך כל רמות הזנה12,13,14,15. ההשפעה שלהם לאחר ספיגת הוא משתנה, עם כמה מחקרים התבוננות לא נזק, בעוד אחרים להדגים תופעות רבות כגון הפיסיקליות והכימיות רקמת נזק4,6,14,15. בזכות תגליות אלה, עניין בתחום זה גדל חמשת העשורים האחרונים. עם זאת, יש רק לאחרונה החלו לכמת פסולת פלסטיק, במיוחד microplastics, במערכות מים מתוקים, כגון נהרות ואגמים, או להעריך את ההשפעה על אורגניזמים מגורים אלה בתי גידול12,16, מחקרים 17,18. הנהרות הם המקור העיקרי של פסולת פלסטיק שנמצאו באוקיינוס כפי שהם מקבלים השפכים למטעי, נגר מים עיליים המכילות microplastics ו- macroplastics.
פרוטוקול מפורט כאן יכול לשמש כדי לאסוף דגימות microplastic סחיפה רשתות בהם לא ריאלי; באופן ספציפי, בסביבות מימיות עם ריכוזים גבוהים של מהמשקעים וגדולים צף פסולת כמו נהר המיסיסיפי. פרשת המים נהר המיסיסיפי הוא אחד הגדולים בעולם, יש אוכלוסיה של > 90 מיליון איש, סביר להניח שזה אחד המקורות הגדולים ביותר של פסולת פלסטיק ל19,האוקיינוס20. בכל שנה, נהר המיסיסיפי פולט ממוצע של 735 ק3 של מים מתוקים לתוך מפרץ מקסיקו, יחד עם ריכוזים גבוהים של מהמשקעים (~ 60 כדי > 800 מ ג/ליטר) פסולת גדולה13,21. נאספו דגימות מים בעומק שני (קרי, פני השטח, עומק 0.6) במקומות שונים לאורך נהר המיסיסיפי ובשלוחותיו במיכלים שקופים 1 ליטר פוליאתילן בצפיפות נמוכה (PE) באמצעות משאבה סחרור. במעבדה, הדגימות היו מסונן באמצעות הנפות רשת ניילון ומסננים ממברנה אסתר תאית מעורב בו זמנית עם צילינדר פוליוויניל כלוריד (PVC) מ מ 63.5 בהזמנה אישית (2.5 ב) עם מפרקים האיחוד להוספת הנפות ומסננים22. ההכללה של האיגודים PVC במתקן סינון מאפשרת סינון על-ידי רבים או מעטים חלקיקים בגודל כיתות כרצונכם. בנוסף, זה יכול לשמש כדי ללכוד microplastic פסולת אל תת מיקרון גדלים באמצעות ממברנה מסננים כשלמדתי סיבים סינתטיים. לאחר סינון, הדגימות היו יבשים, פלסטיקה החשודים היו מזוהה וממוינות רשת הנפות, ממברנה מסננים תחת stereomicroscope. פלסטיקה חשד נבחנו ואז באמצעות מיקרו-הקלוש הכולל השתקפות ספקטרוסקופיית מעבר פורייה (ATR מיקרו-FTIR) כדי לסלק חומרים סינתטיים שאינם או לקבוע סוג הפולימר. בהתחשב גודל החלקיקים microplastic וסיבים, זיהום הוא דבר שבשגרה. מקורות זיהום לכלול בתצהיר אטמוספרי, ביגוד, ציוד שדה ו- lab, כמו גם יונים (DI) מים מקורות. מספר השלבים הינם כלולים בכל פרוטוקול כדי לצמצם זיהום ממקורות שונים בעת ביצוע כל שלבי המחקר.
Protocol
Representative Results
Discussion
אוסף Microplastic באמצעות רשתות הסחף הוא השיטה המקובלת בסביבות כמו האוקיינוס משקעים וריכוזי פלסטיק איפה אחסון נמוך, ולכן דרישת מדגם גדולים. עם זאת, הסחף רשתות אינם תמיד מעשי או בטוח נהרות עם המון משקעים גבוהה, צף גדול או פסולת מימיות. בנוסף, זה לא ריאלי לשימוש ברשת להיסחף כאשר מנסה ללכוד ולכמת בא?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
הפרויקט אשר הוקמה פרוטוקול זה מומן על ידי לאומי אושיאניק ואת האטמוספירה המינהל (NOAA) פסולת ימאות (# NA16NO29990029). אנו מודים Miles קורקוראן הלאומית למחקר נהרות מעולה, מרכז חינוך (NGRREC) ב- Alton, אילינוי, על עזרה עם בחירת אתר תפעול הסירה. שדה ו- lab שהעבודה הושלמה עם העזרה של קמיל באקלי, מייקל Abegg, יאשיהו ריי ו וגנר רבקה.
Materials
| 1L Cubitainer Containers, Low-Density Polyethylene | VWR | 89094-140 | Containers used to collect and store samples. |
| 2-1/2" Clear Schedule 40 Rigid PVC Pipe | United States Plastic Corporation | 34138 | The PVC pipe used to make the device comes as an 2.43 m pipe. The pipe was then cut to the desired lengths for each section seperated by union joints. Section lengths were decided by predicting smaller pore sizes would clogg the device quicker. Longer sections were placed above the smaller pore sizes to collect and hold water to prevent needing to disassemble the device to change a filter while a sample remained in the device. For one filtration device one 18 in, one 12 in, and two 6 in peices are needed. |
| 2-1/2" PVC SCH 40 Socket Union | Supply House | 457-025 | Union joints were glued to PVC pipe to house nylon sieves and mixed cellulose membranes. |
| Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque Off-White, 12" Width, 12" Length, 500 microns Mesh Size, 38% Open Area (Pack of 5) | Small Parts via Amazon | CMN-0500-C/5PK-05 | Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration. |
| Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque White, 12" Width, 12" Length, 100 microns Mesh Size, 44% Open Area (Pack of 5) | Small Parts via Amazon | B0043D1TB4 | Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration. |
| Nylon 6 Woven Mesh Sheet, Opaque White, 12" Width, 12" Length, 50 microns Mesh Size, 37% Open Area (Pack of 5) | Small Parts via Amazon | B0043D1SGA | Mesh sheets were cut into circles to match the diameter of the outer diameter of the PVC pipe. The edges were glued to esure no fraying would occur. The glue 's diamter should not extend into the inner diameter of the PVC so that it will not be affected during filtration. |
| Mixed Cellulose Ester Membrane, 0.45um, 142mm, 25/pk | VWR | 10034-914 | Mixed cellulose membrane filter with 0.45 um was used as the last filter. A large diameter was used to allow the filter to be folded into a cone to increase surface area of the filter to prevent clogging. |
| Metal Mesh Basket Tea Leaves Strainer Teapot Filter 76mm Dia 3pcs | Uxcell via Amazon | a15071600ux0260 | The mesh basket used to provide extra support for the membrane filter to prevent tearing when pressure was applied by a vacuum pump. |
| 1/2" PVC Barbed Insert Male Adapter | Supply House | 1436-005 | A vacuum adapter was added to allow vacuum filtration in the case of slow filtration due to high sediment concentration. |
| 1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 10 ft. PVC Clear Vinyl Tube | Home Depot | 702229 | Tubing used to connect the vacuum pump to the filtration device. |
| YSI Professional Plus Multiparameter Instrument with Quatro Cable | YSI | 6050000 | Handheld meter used to measure additional water quality parameters parameters (e.g., turbidity, temperature, conductivity, pH, and dissolved oxygen (DO)). |
| 2100P Portable Turbidimeter | Hach | 4650000 | Handheld meter used to measure turbidity. |
| FEP-lined PE tubing | Geotech | 87050529 | Tubing used with perestaltic pump to collect water samples from desired depths. |
| Geopump Peristaltic Pump Series II | Geotech | 91350123 | Pump used to collected water samples. |
| MeiJi Techno EMZ-8TR Microscope | Microscope.com | EMZ8TR-PLS2 | Microscope used analyze mesh sieves and membrane filters to quanitfy suspect microsplastics. |
| Nicolet iS10 FTIR Spectrometer | Thermo Electron North America | 912A0607 | FTIR used to analyze suspect microplastics. |
| Nicolet iN5 FTIR microscope | Thermo Electron North America | 912A0895 | FTIR microscope used to analyze suspect microplastics. |
| Germanium (Ge) ATR | Thermo Electron North America | 869-174400 | Geranium ATR accessory used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic. |
| Aluminum EZ-Spot Micro Mounts (Pkg of 5) | Thermo Electron North America | 0042-545 | Microscope slides used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic. |
| Aluminum Coated Glass Sample Slides | Thermo Electron North America | 0042-544 | Microscope slides used along with the Nicolet iN5 FTIR microscope to analyze suspect microplastic. |
References
- Fowler, C. W. Marine debris and northern fur seals: A case study. Marine Pollution Bulletin. 18, 326-335 (2015).
- Eriksen, M., et al. Plastic pollution in the world’s oceans: More than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea. PLoS One. 9 (12), e111913 (2014).
- Jambeck, J. R., et al. Marine pollution. Plastic waste inputs from land into the ocean. Science. 347 (6223), 768-771 (2015).
- Andrady, A. L. Microplastics in the marine environment. Marine Pollution Bulletin. 62 (8), 1596-1605 (2011).
- 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).
- Browne, M. A., et al. Accumulation of microplastic on shorelines worldwide: Sources and sinks. Environmental Science & Technology. 45 (21), 9175-9179 (2011).
- Murphy, F., Ewins, C., Carbonnier, F., Quinn, B. Wastewater treatment works (WwTW) as a source of microplastics in the aquatic environment. Environmental Science & Technology. 50 (11), 5800-5808 (2016).
- Zubris, K. A., Richards, B. K. Synthetic fibers as an indicator of land application of sludge. Environmental Pollution. 138 (2), 201-211 (2005).
- Fendall, L. S., Sewell, M. A. Contributing to marine pollution by washing your face: Microplastics in facial cleansers. Marine Pollution Bulletin. 58 (8), 1225-1228 (2009).
- Gregory, M. R. Plastic ‘scrubbers’ in hand cleansers: A further (and minor) source for marine pollution identified. Marine Pollution Bulletin. 32 (12), 867-871 (1996).
- Bayo, J., Olmos, S., López-Castellanos, J., Alcolea, A. Microplastics and microfibers in the sludge of a municipal wastewater treatment plant. International Journal of Sustainable Development and Planning. 11, 812-821 (2016).
- McCormick, A., Hoellein, T. J., Mason, S. A., Schluep, J., Kelly, J. J. Microplastic is an abundant and distinct microbial habitat in an urban river. Environmental Science & Technology. 48 (20), 11863-11871 (2014).
- Farrell, P., Nelson, K. Trophic level transfer of microplastic: Mytilus edulis (L.) to Carcinus maenas (L.). Environmental Pollution. 177, 1-3 (2013).
- Rochman, C. M., et al. Scientific evidence supports a ban on microbeads. Environmental Science & Technology. 49 (18), 10759-10761 (2015).
- Taylor, M. L., Gwinnett, C., Robinson, L. F., Woodall, L. C. Plastic microfibre ingestion by deep-sea organisms. Scientific Reports. 6, 33997 (2016).
- Mani, T., Hauk, A., Walter, U., Burkhardt-Holm, P. Microplastics profile along the Rhine River. Scientific Reports. 5, 17988 (2015).
- Morritt, D., Stefanoudis, P. V., Pearce, D., Crimmen, O. A., Clark, P. F. Plastic in the Thames: a river runs through it. Marine Pollution Bulletin. 78 (1-2), 196-200 (2014).
- . National Park Servies Available from: https://www.nps.gov/miss/riverfacts.htm (2017)
- . United States Census Bureau Available from: https://www.census.gov/geo/maps-data/data/tiger-data.html (2010)
- . United States Geological Survey (USGS) Available from: https://waterdata.usgs.gov/nwis/rt (2016)
- Grimes, C. B. Fishery Production and the Mississippi River. Fisheries. 28 (8), 17-26 (2001).
- Talvitie, J., et al. Do wastewater treatment plants act as a potential point source of microplastics? Preliminary study in the coastal Gulf of Finland, Baltic Sea. Water Science and Technology. 72 (9), 1495-1504 (2015).
- . . United States Environmental Protection Agency (USEPA) Method 160.2: Residue, Non-filtereable (Gravimetric, Dried at 103-105C). , (1971).
- Nor, N. H., Obbard, J. P. Microplastics in Singapore’s coastal mangrove ecosystems. Marine Pollution Bulletin. 79 (1-2), 278-283 (2014).
- Woodall, L. C., Gwinnett, C., Packer, M., Thompson, R. C., Robinson, L. F., Paterson, G. L. Using a forensic science approach to minimize environmental contamination and to identify microfibres in marine sediments. Marine Pollution Bulletin. 95 (1), 40-46 (2015).
- . . S. 1424 – 114th Congress: Microbead-Free Waters Act of 2015. , (2015).
