Özet

Formación de micro y nanoplásticos a partir de películas plásticas agrícolas para el empleo en estudios de investigación fundamental

Published: July 27, 2022
doi:

Özet

Mostramos la formación y caracterización dimensional de micro y nanoplásticos (MPs y NPs, respectivamente) utilizando un proceso paso a paso de fresado mecánico, rectificado y análisis de imágenes.

Abstract

Los microplásticos (MP) y los nanoplásticos (NP) dispersos en los ecosistemas agrícolas pueden representar una grave amenaza para la biota en el suelo y las vías fluviales cercanas. Además, los productos químicos como los pesticidas adsorbidos por las NP pueden dañar los organismos del suelo y potencialmente entrar en la cadena alimentaria. En este contexto, los plásticos utilizados en la agricultura, como las películas de mantillo de plástico, contribuyen significativamente a la contaminación plástica en los ecosistemas agrícolas. Sin embargo, la mayoría de los estudios fundamentales sobre el destino y la ecotoxicidad emplean materiales MP idealizados y poco representativos, como las microesferas de poliestireno.

Por lo tanto, como se describe en este documento, desarrollamos un procedimiento de múltiples pasos a escala de laboratorio para formar mecánicamente MP y NP representativos para dichos estudios. El material plástico se preparó a partir de películas de mantillo de plástico disponibles comercialmente de adipato-co-tereftalato de polibutirato (PBAT) que se rompieron mediante tratamiento criogénico (CRYO) o intemperie ambiental (W), y a partir de gránulos de PBAT no tratados. Los materiales plásticos fueron tratados por fresado mecánico para formar MPs con un tamaño de 46-840 μm, imitando la abrasión de fragmentos de plástico por el viento y la maquinaria mecánica. Luego, los parlamentarios se tamizaron en varias fracciones de tamaño para permitir un análisis adicional. Finalmente, la fracción de tamiz de 106 μm se sometió a molienda húmeda para generar NP de 20-900 nm, un proceso que imita el lento proceso de reducción de tamaño para los MP terrestres. Las dimensiones y la forma de los MP se determinaron mediante el análisis de imágenes de estereomicrografías, y se empleó la dispersión dinámica de la luz (DLS) para evaluar el tamaño de partícula para las NP. Los MP y NP formados a través de este proceso poseían formas irregulares, lo que está en línea con las propiedades geométricas de los MP recuperados de los campos agrícolas. En general, este método de reducción de tamaño demostró ser eficiente para formar MPs y NP compuestos de plásticos biodegradables como el adipato de polibutileno-co-tereftalato (PBAT), que representa materiales de mantillo utilizados para la producción de cultivos agrícolas especializados.

Introduction

En las últimas décadas, el rápido aumento de la producción mundial de plásticos y la eliminación inadecuada y la falta de reciclaje de residuos plásticos ha llevado a la contaminación ambiental que ha afectado a los ecosistemas marinos y terrestres 1,2,3. Los materiales plásticos son esenciales para la agricultura contemporánea, particularmente para cultivar verduras, frutas pequeñas y otros cultivos especiales. Su uso como películas de mantillo, cubiertas de túneles altos y bajos, cinta de goteo y otras aplicaciones tienen como objetivo mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos, reducir los costos de producción y promover métodos agrícolas sostenibles 4,5. Sin embargo, el creciente empleo de la “plasticultura” ha generado preocupaciones sobre la formación, distribución y retención de piezas de plástico en entornos agrícolas. Después de un proceso de fragmentación continua causado por la fragilidad a través de la degradación ambiental durante la vida útil, los fragmentos de plástico más grandes forman micro y nanoplásticos (MNP), que persisten en el suelo o migran a las vías fluviales adyacentes a través de la escorrentía de agua y el viento 6,7,8. Factores ambientales como la radiación ultravioleta (UV) a través de la luz solar, las fuerzas mecánicas del agua y los factores biológicos desencadenan la fragilización plástica de los plásticos dispersos ambientalmente, lo que resulta en la descomposición de fragmentos de plástico más grandes en partículas macro o mesoplásticas 9,10. La desfragmentación adicional forma microplásticos (MPs) y nanoplásticos (NPs), reflejando partículas de tamaño promedio (diámetro nominal; dp) de 1-5000 μm y 1-1000 nm, respectivamente11. Sin embargo, el límite superior dp para NP (es decir, un límite inferior para MPs) no está universalmente acordado y en varios documentos, esto se enumera como 100 nm12.

Los MNP de los desechos plásticos representan una amenaza global emergente para la salud del suelo y los servicios ecosistémicos. La adsorción de metales pesados del agua dulce por parte de los parlamentarios condujo a una concentración 800 veces mayor de metales pesados en comparación con el medio ambiente circundante13. Además, los MP en los ecosistemas acuáticos plantean múltiples factores estresantes y contaminantes al alterar la penetración de la luz, causar el agotamiento del oxígeno y causar la adhesión a diversas biotas, incluida la penetración y acumulación en organismos acuáticos14.

Estudios recientes sugieren que los MNP pueden afectar la geoquímica del suelo y la biota, incluidas las comunidades microbianas y las plantas15,16,17. Además, las NP amenazan la red alimentaria17,18,19,20. Dado que los MNP se someten fácilmente al transporte vertical y horizontal en el suelo, pueden transportar contaminantes absorbidos como pesticidas, plastificantes y microorganismos a través del suelo hacia aguas subterráneas o ecosistemas acuáticos como ríos y arroyos21,22,23,24. Los plásticos agrícolas convencionales, como las películas de mantillo, están hechos de polietileno, que debe retirarse del campo después de su uso y eliminarse en vertederos. Sin embargo, la eliminación incompleta conduce a una acumulación sustancial de desechos plásticos en los suelos 9,25,26. Alternativamente, los mantillos plásticos biodegradables (BDM) del suelo están diseñados para ser cultivados en el suelo después de su uso, donde se degradarán con el tiempo. Sin embargo, los BDM persisten temporalmente en el suelo y gradualmente se degradan y fragmentan en MP y NPs 9,27.

Muchos estudios ecotoxicológicos y de destino ambientales actuales emplean materiales modelo idealizados y no representativos de MP y NPs. Los MNP sustitutos más utilizados son las micro o nanoesferas de poliestireno monodisperso, que no reflejan los MNP reales que residen en el medio ambiente12,28. En consecuencia, la selección de MP y NP no representativos puede dar lugar a mediciones y resultados inexactos. Sobre la base de la falta de modelos apropiados de ΜNP para estudios ambientales terrestres, los autores se motivaron para preparar tales modelos a partir de plásticos agrícolas. Anteriormente informamos sobre la formación de MNPs a partir de BDMs y pellets de polietileno a través del fresado mecánico y molienda de pellets plásticos y materiales de película y las características dimensionales y moleculares de los MNPs29. El documento actual proporciona un protocolo más detallado para preparar MNP que se puede aplicar más ampliamente a todos los plásticos agrícolas, como películas de mantillo o sus materias primas peletizadas (Figura 1). Aquí, para servir como ejemplo, elegimos una película de mantillo y pellets esféricos del polímero biodegradable tereftalato de adipato de polibutileno (PBAT) para representar plásticos agrícolas.

Protocol

1. Procesamiento de MPs a partir de pellets de plástico mediante pretratamiento criogénico y molienda NOTA: Esta metodología se basa en un procedimiento descrito en otra parte, empleando una película PBAT compuesta del mismo material utilizado para este estudio presentado29. Pesar muestras de pellets de polímero de ~1 g y transferirlas a un frasco de vidrio de 50 ml. Coloque el tubo de “entrega rectangular” con un tamiz de malla…

Representative Results

Para validar el método y análisis del procedimiento experimental, se formaron MP y NP a partir de pellets y materiales de película y se compararon por tamaño y forma utilizando imágenes microscópicas. El método descrito en la Figura 1 formó eficientemente MP y NP a partir de gránulos y películas de plástico biodegradables; Esto se logró a través del enfriamiento criogénico, el molienda y la molienda húmeda y la caracterización. El primer paso era innecesario para las películ…

Discussion

Este método describe un proceso efectivo descrito inicialmente en una publicación anterior29, para preparar MNP obtenidos de pellets y películas de mantillo para estudios ambientales. El proceso de reducción de tamaño involucró enfriamiento criogénico (solo para película), molienda en seco y etapas de molienda húmeda, para fabricar modelos MNP. Hemos aplicado este método para preparar MNPs a partir de una amplia gama de materias primas poliméricas, incluyendo polietileno de baja densida…

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta investigación fue financiada por el Herbert College of Agriculture, el Departamento de Ingeniería de Biosistemas y Suelos, y la Alianza de Ciencias de la Universidad de Tennessee, Knoxville. Además, los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado a través de la subvención del USDA 2020-67019-31167 para esta investigación. Las materias primas iniciales para preparar MNP de película de mantillo biodegradable a base de PBAT fueron amablemente proporcionadas por BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, EUA), y los pellets PBAT por Mobius, LLC (Lenoir City, TN).

Materials

Aluminum dish, 150 mL  Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 08-732-103 Drying of collected NPs
Aluminum dish, 500 mL VWR International, Radnor, PA, USA 25433-018 Collecting NPs after wet-grinding
Centrifuge Fisher Scientific, Waltham, MA, USA Centrific 228 Container for centrifugation
Delivery tube, #20, 840 µm Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA 3383M30 Sieving of the first fraction during milling
Delivery tube, #60, 250 µm Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA 3383M45 Sieving of the second fraction (3x)  during milling
Thermomixer,  5350 Mixer Eppendorf North America, Enfield, CT, USA 05-400-200 Analysis of sieving experiments
FT-IR Spectrum Two, spectrometer with attenuated total reflectance (ATR) Perkin Elmer, Waltham, MA, USA L1050228  Measuring FTIR spectra
Glass beaker, 1000 mL DWK Life Sciences, Milville, NJ, USA 02-555-113 Stirring of MPs-water slurry before grinding
Glass front plate Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA 3383N55  Front cover plaste for Wiley Mini Mill
Glass jar, 50 mL Uline, Pleasant Prairie, WI, USA S-15846P Collective MPs after milling
Glove Box, neoprene Bel-Art-SP Scienceware, Wayne, NJ, USA BEL-H500290000 22-Inch, Size 10
Zetasizer Nano ZS 90 size analyzer Malvern Panalytical, Worcestershire, UK  Zetasizer Nano ZS Measuring nanoplastics dispersed in DI-water
Microscope camera Nikon, Tokyo, 108-6290, Japan Nikon Digital Sight 10 Combined with Olympus microscope to receive digital images
Microscope Olympus, Shinjuku, Tokyo, Japan Model SZ 61 Imaging of MPs
Nitrogen jar, low form dewar flasks Cole-Palmer, Vernon Hills, IL, USA UX-03771-23 Storage of liquid nitrogen during cryogenic cooling
Accurate Blend 200, 12-speed blender Oster, Boca Raton, FL, USA 6684 Initiating the size reduction of cryogenically treated plastic film
PBAT film, – BioAgri™ (Mater-Bi®) BioBag Americas, Inc, Dunedin, FL, USA 0.7 mm thick Feedstock to form MPs and NPs, agricultural mulch film
PBAT pellets Mobius, LLC, Lenoir City, TN, USA Diameter 3 mm Feedstock to form microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) trough milling and grinding
Plastic centrifuge tubes, 50 mL Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 06-443-18 Centrifugation of slurry after wet-grinding
Plastic jar, 1000 mL, pre-cleaned, straight sided Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 05-719-733 Collection of NPs during and after wet grinding
Polygon stir bars, diameterø=8 mm, length=50.8 mm   Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 14-512-127 Stirring of MPs slurry prior to wet-grinding
Scissors, titanium bonded Westcott, Shelton, CT, USA 13901 Cutting of initial PBAT film feedstocks
Square glass cell with square aperture and cap, 12 mm O.D. Malvern Panalytical, Worcestershire, UK  PCS1115 Measuring of NPs particle size
Stainless steel bottom, 3 inch, pan Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 8401 For sieving after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 140 (106 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1308 For sieving after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 20 (850 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1296 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 325 (45 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1313 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel sieve, 3 inch, No. 60 (250 µm) Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 1303 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel top cover, 3 inch Hogentogler & Co. Inc, Columbia, MD, USA 8406 Sieving of MPs after Wiley-milling
Stainless steel tweezers Global Industrial, Port Washington, NY, USA T9FB2264892 Transferring of  frozen film particles from jar into blender
Vacuum oven, model 281A Fisher Scientific, Waltham, MA, USA 13-262-50 Vacuum oven to dry NPs after wet-grinding
Friction grinding machine, Supermass Colloider Masuko Sangyo, Tokyo, Japan MKCA6-2J Grinding machine to form NPs from MPs
Wet-grinding stone, grit size: 297 μm -420 μm Masuko Sangyo, Tokyo, Japan MKE6-46DD Grinding stone to form NPs from MPs
Wiley Mini Mill, rotary cutting mill Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, USA NC1346618 Size reduction of pellets and film into MPs and NPs
Software
FTIR-Spectroscopy software Perkin Elmer, Waltham, MA, USA Spectrum 10  Collection of spectra from the initial plastic, MPs and NPs
Image J, image processing program National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA Version 1.53n Analysis of digital images received from microscopy 
Microscope software, ds-fi1 software Malvern Panalytical , Malvern, UK Firmware DS-U1 Ver3.10 Recording of digital images
Microsoft, Windows,  Excel 365, spreadsheet software Microsoft, Redmond, WA, USA Office 365 Calculating the average particle size and creating FTIR spectra images
JMP software, statistical software SAS Institute Inc., Cary, NC, 1989-2021 Version 15 Statistical analysis of particle size and perform best fit of data set
Unscrambler software Camo Analytics, Oslo, Norway Version 9.2 Normalizing and converting FTIR spectra into .csv fromat

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