דגימה, זיהוי ואפיון של מיקרופלסטיק שחרור מבקבוק האכלה לתינוק פוליפרופילן במהלך השימוש היומי
Summary
מחקר זה פירט פרוטוקול אמין וחסכוני לאיסוף וזיהוי מיקרופלסטיק מהשימוש היומיומי במוצרי פלסטיק.
Abstract
מיקרופלסטיק (MPs) הופך לדאגה עולמית בשל הסיכון הפוטנציאלי לבריאות האדם. מחקרי מקרה של מוצרי פלסטיק (כלומר, פלסטיק חד פעמי כוסות וקומקומים) עולה כי שחרור MP במהלך השימוש היומי יכול להיות גבוה מאוד. קביעת רמת שחרור MP במדויק היא צעד מכריע כדי לזהות ולכמת את מקור החשיפה ולהעריך / לשלוט בסיכונים המתאימים הנובעים מחשיפה זו. למרות פרוטוקולים למדידת רמות MP במים ימיים או מתוקים פותחה היטב, התנאים מנוסים על ידי מוצרי פלסטיק ביתיים יכולים להשתנות במידה רבה. מוצרי פלסטיק רבים חשופים לטמפרטורות גבוהות תכופות (עד 100 °C (60 °F) והם מקוררים בחזרה לטמפרטורת החדר במהלך השימוש היומי. לכן חיוני לפתח פרוטוקול דגימה המחקה את תרחיש השימוש היומיומי בפועל עבור כל מוצר מסוים. מחקר זה התמקד בשימוש נרחב פוליפרופילן מבוססי בקבוקי האכלה לתינוק לפתח פרוטוקול חסכוני עבור מחקרים שחרור MP של מוצרי פלסטיק רבים. הפרוטוקול שפותח כאן מאפשר: 1) מניעת זיהום פוטנציאלי במהלך דגימה וגילוי; 2) יישום מציאותי של תרחישי שימוש יומיומיים ואיסוף מדויק של חברי הפרלמנט ששוחררו מבקבוקי האכלת תינוקות על סמך הנחיות ארגון הבריאות, ו-3) קביעה כימית חסכונית ומיפוי טופוגרפיה פיזיקלית של חברי פרלמנט ששוחררו מבקבוקי האכלת תינוקות. בהתבסס על פרוטוקול זה, אחוז ההתאוששות באמצעות MP פוליסטירן סטנדרטי (קוטר של 2 מיקרומטר) היה 92.4-101.2% בעוד הגודל שזוהה היה סביב 102.2% מהגודל המתוכנן. הפרוטוקול המפורט כאן מספק שיטה אמינה וחסכונית להכנה וזיהוי מדגם MP, אשר יכול להפיק תועלת משמעותית מחקרים עתידיים של שחרור MP ממוצרי פלסטיק.
Introduction
רוב סוגי הפלסטיק אינם מתכלים אך יכולים להתפרק לחתיכות קטנות עקב תהליכים כימיים ופיזיים כגון חמצון וחיכוך מכני1,2. חתיכות פלסטיק קטנות מ-5 מ”מ מסווגות כמיקרופלסטיק (MPs). חברי פרלמנט נמצאים בכל מקום ונמצאים כמעט בכל פינה בעולם. הם הפכו לדאגה עולמית בשל הסיכון הפוטנציאלי לבני אדם וחיות בר3,4. עד כה, הצטברויות משמעותיות של חברי פרלמנט נמצאו דגים, ציפורים, חרקים5,6, כמו גם יונקים (עכבר, במעיים, בכליות ובכבד7,8). מחקרים מצאו כי חשיפה והצטברות של חברי פרלמנט יכול לפגוע בחילוף החומרים של השומנים של עכברים7,8. הערכת סיכונים המתמקדת בדגים מצאה כי חברי פרלמנט תת מיקרון יכולים לחדור את מחסום הדם למוח ולגרום נזק מוחי9. יש לציין כי עד כה כל תוצאות הסיכון של MP התקבלו ממחקרים שנעשו בבעלי חיים בעוד הסיכון הספציפי לבריאות האדם עדיין לא ידוע.
בשנתיים האחרונות, החששות לגבי האיום של חבר הפרלמנט על בריאות האדם גברו באופן משמעותי עם אישור רמות החשיפה האנושית לחברי פרלמנט. הצטברות של חברי פרלמנט נמצאה במעי הגס האנושי10, השליה של נשים בהריון11 שרפרף מבוגר12. קביעה מדויקת של רמות שחרור MP היא חיונית כדי לזהות מקורות חשיפה, להעריך את הסיכון הבריאותי ולהעריך את היעילות של כל אמצעי בקרה פוטנציאליים. בשנים האחרונות, כמה מקרי מבחן דיווחו כי פלסטיק לשימוש יומיומי (כלומר, קומקום פלסטיק13 ו כוסות חד פעמיות14) יכול לשחרר כמויות גבוהות מאוד של חברי פרלמנט. לדוגמה, כוסות נייר חד פעמיות (עם פנים למינציה עם פוליאתילן-PE או סרטי קופולימר), שוחרר כ 250 חברי פרלמנט בגודל מיקרון ו 102 מיליון חלקיקים בגודל תת מיקרון לתוך כל מיליליטר של נוזל בעקבות חשיפה 85-90 °C (70 °F) מים חמים14. מחקר של פוליפרופילן (PP) מיכלי מזון דיווח כי עד 7.6 מ”ג של חלקיקי פלסטיק משוחרר מהמכל במהלך שימוש יחיד15. רמות גבוהות עוד יותר נרשמו משקיות תה העשויות מפוליאתילן terephthalate (PET) וניילון, אשר שחררו כ 11.6 מיליארד חברי פרלמנט ו 3.1 מיליארד חברי פרלמנט בגודל ננו לתוך אחת (10 מל) של המשקה16. בהתחשב בכך שמוצרי פלסטיק אלה לשימוש יומיומי מיועדים להכנת מזון ומשקאות, שחרור כמויות גבוהות של חברי פרלמנט סביר וצריכתם היא איום פוטנציאלי על בריאות האדם.
מחקרים על שחרור MP ממוצרי פלסטיק ביתיים (כלומר, קומקום פלסטיק13 ו כוסות חד פעמיות14) נמצאים בשלב מוקדם, אך צפוי כי נושא זה יקבל תשומת לב גוברת מהחוקרים ומהציבור הרחב. השיטות הנדרשות במחקרים אלה שונות באופן משמעותי מאלה המשמשות במחקרים ימיים או מים מתוקים בטמפרטורת החדר, שבהם פרוטוקולים מבוססים כבר קיימים17. לעומת זאת, מחקרים העוסקים בשימוש יומיומי במוצרי פלסטיק ביתיים כרוכים בטמפרטורה גבוהה בהרבה (עד 100 מעלות צלזיוס), כאשר במקרים רבים רכיבה חוזרת על אופניים חזרה לטמפרטורת החדר. מחקרים קודמים הצביעו על כך שפלסטיק במגע עם מים חמים יכול לשחרר מיליוני חברי פרלמנט16,18. בנוסף, השימוש היומיומי במוצרי פלסטיק עשוי לאורך זמן לשנות את המאפיינים של הפלסטיק עצמו. לכן חיוני לפתח פרוטוקול דגימה המחקה במדויק את התרחישים הנפוצים ביותר לשימוש יומיומי. גילוי חלקיקים זעירים הוא אתגר גדול נוסף. מחקרים קודמים הצביעו על כך שחברי הפרלמנט משחררים ממוצרי פלסטיק קטנים מ-20 מיקרומטר16,19,20. זיהוי של סוגים אלה של חברי פרלמנט דורש שימוש במסנני ממברנה חלקים עם גודל נקבוביות קטן. בנוסף, יש צורך להבחין בין חברי פרלמנט מזהמים אפשריים שנתפסו על ידי המסנן. רגישות גבוהה ספקטרוסקופיה ראמאן משמש לניתוח הרכב כימי, אשר יש את היתרון של הימנעות הצורך כוח לייזר גבוה כי ידוע בקלות להרוס חלקיקים קטנים20. לפיכך, הפרוטוקול חייב לשלב נהלי טיפול ללא זיהום עם שימוש במסנני ממברנה אופטימליים ולשיטת אפיון המאפשרת זיהוי MP מהיר ומדויק.
המחקר דיווח כאן התמקד בקבוק האכלה לתינוק מבוסס PP (BFB), אחד ממוצרי הפלסטיק הנפוצים ביותר בחיי היומיום. נמצא כי מספר גבוה של חברי פרלמנט משוחררים מפלסטיק BFB במהלך הכנת נוסחה18. למחקר נוסף של שחרור MP מפלסטיק יומי, שיטת ההכנה והזיהוי לדוגמה עבור BFB מפורטת כאן. במהלך הכנת המדגם, תהליך הכנת הנוסחה הסטנדרטי (ניקוי, עיקור וערבוב) שהומלץ על ידי21 המלון היה במעקב קפדני. על ידי עיצוב הפרוטוקולים סביב הנחיות WHO, הבטחנו כי שחרור MP מ BFBs חיקה את תהליך הכנת נוסחת התינוק בשימוש על ידי ההורים. תהליך הסינון נועד לאסוף במדויק את חברי הפרלמנט ששוחררו מ-BFBs. עבור זיהוי כימי של חברי פרלמנט, תנאי העבודה של ספקטרוסקופיה ראמאן היו אופטימיזציה כדי להשיג ספקטרום נקי מזוהה בקלות של חברי פרלמנט, תוך הימנעות האפשרות של שריפת חלקיקי היעד. לבסוף, פותח הליך הבדיקה האופטימלי והכוח החל כדי לאפשר מיפוי טופוגרפיה תלת מימדי מדויק של חברי פרלמנט באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM). הפרוטוקול (איור 1) המפורט כאן מספק שיטה אמינה וחסכונית להכנת דגימת MP וזיהוי, אשר יכולה להועיל באופן משמעותי מחקרים עתידיים של מוצרי פלסטיק.
Protocol
Representative Results
Discussion
למרות המחקר של חברי פרלמנט במים ימיים וטריים דווח בהרחבה ואת הפרוטוקול הסטנדרטי הרלוונטי פותחה17, המחקר של מוצרי פלסטיק לשימוש יומיומי הוא אזור מחקר חשוב המתעוררים. התנאים הסביבתיים השונים שחווים מוצרי פלסטיק ביתיים פירושם שנדרשים טיפול נוסף ומאמצים כדי להשיג תוצאות אמינות….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מעריכים את אירלנד הארגונית (מספר מענק CF20180870) ואת קרן המדע אירלנד (מספרי מענקים: 20/FIP/PL/8733, 12/RC/2278_P2 ו- 16/IA/4462) לתמיכה כספית. אנו גם מכירים בתמיכה כספית מבית הספר להנדסה של מלגת טריניטי קולג ‘ דבלין ומועצת המלגות של סין (201506210089 201608300005). בנוסף, אנו מעריכים את העזרה המקצועית של פרופ’ שרה מק’קורמק וצוותי טכנאים (דיוויד א. מקולי, מרי אושיאה, פטריק ל.ק. ויל, רוברט פיצפטריק ומארק גיליגן וכו’) מהמחלקה האזרחית, המבנית והסביבתית של טריניטי ומרכז המחקר אמבר.
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 |
References
- 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).
