Muestreo, clasificación y caracterización de Microplastics en ambientes acuáticos con cargas de sedimento en suspensión alta y basura flotante grande
Summary
Mayoría de microplastic la investigación hasta la fecha se ha producido en los sistemas marinos donde son relativamente bajos niveles sólidos suspendidos. Enfoque está ahora cambiando a sistemas de agua dulce, que pueden presentar sedimentos altas cargas y residuos flotantes. Este protocolo trata de recolectar y analizar muestras de microplastic de ambientes acuáticos que contienen altas cargas sólidas suspendidas.
Abstract
La presencia ubicua de los desechos plásticos en el océano es ampliamente reconocida por las comunidades científicas, públicas y agencias gubernamentales. Sin embargo, sólo recientemente microplastics en sistemas de agua dulce, como ríos y lagos, se han cuantificado. Microplastic toma de muestras en la superficie generalmente consiste en desplegar redes a la deriva detrás de ya sea una embarcación estacionaria o en movimiento, que limita la toma de muestras en ambientes con bajos niveles de sedimentos y desechos flotantes o sumergidos. Estudios previos que emplean redes de deriva para recoger desechos de microplastic típicamente utilizan redes con ≥300 μm tamaño de acoplamiento, permitiendo plástico residuos (partículas y fibras) por debajo de este tamaño para pasar a través de la red y escapan a la cuantificación. El protocolo aquí detallada permite: 1) de la muestra colección en ambientes con alta suspendido cargas y flotantes o sumergidos escombros y 2) la captación y cuantificación de fibras y partículas microplastic < 300 μm. muestras de agua fueron recogidos usando un bomba peristáltica en envases de polietileno de baja densidad (PE) para almacenarse antes de filtrado y análisis en el laboratorio. Filtración se realizó con un dispositivo de filtración de microplastic por encargo con las juntas de Unión desmontables que albergaba tamices de malla de nylon y mixto celulosa filtros de membrana de éster. Tamices de malla y filtros de membrana fueron examinados con un estereomicroscopio para cuantificar y separar las fibras y las partículas microplastic. Estos materiales fueron examinados luego con una reflectancia total atenuada micro espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier transforman (micro ATR-FTIR) para determinar el tipo de polímero de microplastic. Recuperación se midió por clavar las muestras utilizando azul PE partículas y fibras de nylon verde; recuperación por ciento fue determinada para ser 100% para las partículas y el 92% de las fibras. Este Protocolo será guía de estudios similares en microplastics en ríos de alta velocidad con altas concentraciones de sedimentos. Con modificaciones simples a la bomba peristáltica y dispositivo, los usuarios pueden recopilar y analizar varios volúmenes de muestra y los tamaños de partículas.
Introduction
Plástico se observó por primera vez en el océano desde la década de 19301. Estimaciones recientes de la gama de desechos plásticos marinos más de 243.000 toneladas métricas (MT) de plástico en la superficie del océano a 4.8-12,7 millones de toneladas de plástico en el océano de terrestre fuentes anualmente2,3. Los primeros estudios sobre desechos marinos de plástico centraron en macroplastics (> 5 mm de diámetro) ya que son fácilmente visibles y cuantificables. Sin embargo, recientemente se descubrió que macroplastics representar < 10% de los desechos plásticos, por cuenta, en el océano, lo que indica que la inmensa mayoría de los desechos plásticos es microplastic (< 5 mm de diámetro)2.
Microplastics se clasifican en dos grupos: primarias y secundarias microplastics. Microplastics primarias consisten de plásticos que se fabrican en diámetro < 5 mm e incluyen nurdles, pellets crudos utilizados para hacer los productos de consumo, microbeads utilizado como exfoliantes en productos de cuidado personal (p. ej., lavado facial, exfoliante corporal, pasta de dientes) y abrasivos o lubricantes en la industria. Secundarias microplastics se crean en el entorno como desechos de plástico más grande está fragmentada por fotólisis, abrasión y descomposición microbiana4,5. Fibras sintéticas también microplastics secundaria y son motivo de creciente preocupación. Una sola prenda puede liberar > 1.900 fibras por lavado en una lavadora doméstica6. Estas microfibras, como microesferas de productos de cuidado personal, se lavan en el sistema de alcantarillado y drenajes antes de entrar en las plantas de tratamientos de aguas residuales. Murphy (2016) encontró que una planta de tratamiento de aguas residuales que sirven una población de 650.000 redujo la concentración de microplastic en un 98.4% de afluente al efluente, microplastics 65 millones permanecieron en efluentes y lodos cada día7. Incluso con altos porcentajes de microplastics ser removidos durante los procesos de tratamiento, millones, posiblemente miles de millones, de microplastics pasan a través de plantas de tratamiento de aguas residuales diariamente y entrar en las aguas superficiales en efluentes6,8 ,9,10,11.
Debido a su liberación ambiental, microplastics se han encontrado en los tejidos digestivos y respiratorios de los organismos marinos a través de los niveles tróficos12,13,14,15. Su impacto después de la absorción es variable, con algunos estudios no observar daños, mientras que otros demuestran numerosos efectos como daños físicos y químicos del tejido4,6,14,15. Debido a estos descubrimientos, el interés en este campo ha aumentado en las últimas cinco décadas. Sin embargo, sólo recientemente han comenzado a cuantificar los desechos plásticos, particularmente microplastics, en sistemas de agua dulce, como ríos y lagos, o evaluar el efecto sobre los organismos en estos hábitats12,16, estudios 17,18. Los ríos son una fuente importante de desechos de plástico encontrado en el océano que reciben efluentes de aguas residuales y escorrentía de aguas superficiales que contienen microplastics y macroplastics.
El protocolo detallado aquí puede utilizarse para obtener muestras de microplastic donde las redes de deriva no son factibles; específicamente, en ambientes acuáticos con altas concentraciones de sedimentos y grandes flotantes desechos como el río de Mississippi. La cuenca del río Mississippi es uno de los más grandes del mundo y tiene una población de > 90 millones de personas, es probable que lo que es una de las mayores fuentes de desechos plásticos al océano19,20. Cada año, el río de Mississippi descarga un promedio de 735 km3 de agua dulce en el Golfo de México, junto con altas concentraciones de sedimentos (~ 60 a > 800 mg/L) y basura grande13,21. Se recolectaron muestras de agua a dos profundidades (es decir, superficie y profundidad de 0.6) en varios lugares a lo largo del río Mississippi y sus afluentes en translúcido envases de polietileno de baja densidad (PE) de 1 L usando una bomba peristáltica. En el laboratorio, las muestras se filtraron con tamices de malla de nylon y filtros de membrana de éster de celulosa mezclada simultáneamente con un cilindro de cloruro de polivinilo (PVC) por encargo de 63,5 mm (2,5 in) con las juntas de Unión para insertar los filtros y tamices de22. La inclusión de uniones de PVC en el dispositivo de filtración permite la filtración por clases de tamaño de partícula tantos o tan pocos como desee. Además, puede utilizarse para capturar escombros microplastic hasta tamaños sub-micron usando filtros de membrana en el estudio de las fibras sintéticas. Una vez filtradas, las muestras se secaron y plásticos sospechosos fueron identificados y ordenados de los tamices de malla y filtros de membrana bajo un estereomicroscopio. Plásticos sospechosos entonces fueron examinados usando reflectancia total atenuada micro espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier transforman (micro ATR-FTIR) para eliminar materiales no sintéticos o determinar el tipo de polímero. Teniendo en cuenta el tamaño de las partículas de microplastic y las fibras, la contaminación es común. Fuentes de contaminación incluyen la deposición atmosférica, ropa, equipo de campo y laboratorio, así como desionizada (DI) fuentes de agua. Varios pasos se incluyen en el protocolo para reducir la contaminación de diversas fuentes durante todas las etapas del estudio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Colección de Microplastic, utilizando redes de deriva es el método convencional en entornos como el océano donde sedimentos y las concentraciones de plástico son muestra baja, así que requieren grandes volúmenes. Sin embargo, redes de deriva no son siempre prácticas o seguro en ríos con sedimento alta cargas y flotantes grandes o restos sumergidos. Además, no es factible utilizar una red de deriva cuando intentar bien capturar y cuantificar microplastic materiales, particularmente las fibras, como redes más uti…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El proyecto para que este protocolo se estableció fue financiado por la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) programa de ruina Marina (# NA16NO29990029). Agradecemos Miles Corcoran en el gran Nacional de la investigación de ríos y centro de Educación (NGRREC) en Alton, Illinois, ayuda con la operación de selección y barco de sitio. Trabajo de campo y laboratorio se completó con la ayuda de Camille Buckley, Michael Abegg, Josiah Wray y Rebecca Wagner.
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).
