Formare micro e nanoplastiche da film plastici agricoli per l'impiego negli studi di ricerca fondamentale
Özet
Mostriamo la formazione e la caratterizzazione dimensionale di micro e nanoplastiche (MP e NP, rispettivamente) utilizzando un processo graduale di fresatura meccanica, rettifica e analisi di imaging.
Abstract
Le microplastiche (MP) e le nanoplastiche (NP) disperse negli ecosistemi agricoli possono rappresentare una grave minaccia per il biota nel suolo e nei corsi d’acqua vicini. Inoltre, sostanze chimiche come i pesticidi adsorbiti dalle NP possono danneggiare gli organismi del suolo e potenzialmente entrare nella catena alimentare. In questo contesto, le materie plastiche utilizzate in agricoltura come le pellicole di pacciamatura di plastica contribuiscono in modo significativo all’inquinamento da plastica negli ecosistemi agricoli. Tuttavia, la maggior parte degli studi fondamentali sul destino e l’ecotossicità impiegano materiali MP idealizzati e scarsamente rappresentativi, come le microsfere di polistirolo.
Pertanto, come descritto nel presente documento, abbiamo sviluppato una procedura multifase su scala di laboratorio per formare meccanicamente MP e NP rappresentativi per tali studi. Il materiale plastico è stato preparato da film di pacciamatura plastica disponibili in commercio di polibutirrato adipato-co-tereftalato (PBAT) che sono stati infragiliti attraverso un trattamento criogenico (CRYO) o atmosferico ambientale (W) e da pellet PBAT non trattati. I materiali plastici sono stati poi trattati mediante fresatura meccanica per formare MP con una dimensione di 46-840 μm, imitando l’abrasione dei frammenti plastici da parte di macchinari eolici e meccanici. I parlamentari sono stati quindi setacciati in diverse frazioni di dimensioni per consentire ulteriori analisi. Infine, la frazione di setaccio da 106 μm è stata sottoposta a macinazione a umido per generare NP di 20-900 nm, un processo che imita il lento processo di riduzione delle dimensioni per i MP terrestri. Le dimensioni e la forma per i MP sono state determinate attraverso l’analisi delle immagini di stereomicrografie ed è stata impiegata la diffusione dinamica della luce (DLS) per valutare la dimensione delle particelle per le NP. MP e NP formati attraverso questo processo possedevano forme irregolari, che è in linea con le proprietà geometriche dei MP recuperati dai campi agricoli. Nel complesso, questo metodo di riduzione delle dimensioni si è dimostrato efficace per formare MP e NP composti da plastiche biodegradabili come il polibutilene adipato-co-tereftalato (PBAT), che rappresenta materiali di pacciamatura utilizzati per la produzione di colture agricole speciali.
Introduction
Negli ultimi decenni, il rapido aumento della produzione globale di plastica e lo smaltimento improprio e la mancanza di riciclaggio per i rifiuti di plastica hanno portato a un inquinamento ambientale che ha avuto un impatto sugli ecosistemi marini e terrestri 1,2,3. I materiali plastici sono essenziali per l’agricoltura contemporanea, in particolare per coltivare ortaggi, piccoli frutti e altre colture speciali. Il loro utilizzo come film per pacciamatura, coperture a tunnel alti e bassi, nastro antigoccia e altre applicazioni mirano a migliorare la resa e la qualità delle colture, ridurre i costi di produzione e promuovere metodi agricoli sostenibili 4,5. Tuttavia, l’espansione dell’impiego della “plasticoltura” ha sollevato preoccupazioni sulla formazione, la distribuzione e la ritenzione di pezzi di plastica negli ambienti agricoli. Dopo un processo di frammentazione continuo causato dall’infragilimento attraverso il degrado ambientale durante la vita di servizio, frammenti di plastica più grandi formano micro e nanoplastiche (MNP), che persistono nel suolo o migrano verso i corsi d’acqua adiacenti attraverso il deflusso dell’acqua e il vento 6,7,8. Fattori ambientali come la radiazione ultravioletta (UV) attraverso la luce solare, le forze meccaniche dell’acqua e i fattori biologici innescano l’infragilimento plastico di materie plastiche disperse nell’ambiente, con conseguente scomposizione di frammenti di plastica più grandi in particelle macro o meso-plastiche 9,10. Un’ulteriore deframmentazione forma microplastiche (MP) e nanoplastiche (NP), riflettendo particelle di dimensioni medie (diametro nominale; dp) di 1-5000 μm e 1-1000 nm, rispettivamente11. Tuttavia, il limite superiore dp per le NP (cioè un limite inferiore per i parlamentari) non è universalmente concordato e in diversi articoli, questo è elencato come 100 nm12.
Gli MNP provenienti dai rifiuti di plastica rappresentano una minaccia globale emergente per la salute del suolo e i servizi ecosistemici. L’adsorbimento di metalli pesanti dall’acqua dolce da parte dei parlamentari ha portato a una concentrazione di metalli pesanti 800 volte superiore rispetto all’ambiente circostante13. Inoltre, i parlamentari negli ecosistemi acquatici pongono molteplici fattori di stress e contaminanti alterando la penetrazione della luce, causando l’esaurimento dell’ossigeno e causando l’adesione a vari bioti, compresa la penetrazione e l’accumulo negli organismi acquatici14.
Studi recenti suggeriscono che i MNP possono avere un impatto sulla geochimica del suolo e sul biota, comprese le comunità microbiche e le piante15,16,17. Inoltre, le NP minacciano la rete alimentare17,18,19,20. Poiché gli MNP subiscono facilmente il trasporto verticale e orizzontale nel suolo, possono trasportare contaminanti assorbiti come pesticidi, plastificanti e microrganismi attraverso il suolo nelle acque sotterranee o negli ecosistemi acquatici come fiumi e torrenti21,22,23,24. Le materie plastiche agricole convenzionali come i film per pacciamatura sono realizzate in polietilene, che deve essere rimosso dal campo dopo l’uso e smaltito nelle discariche. Tuttavia, la rimozione incompleta porta ad un sostanziale accumulo di detriti plastici nei terreni 9,25,26. In alternativa, i pacciami di plastica biodegradabili del suolo (BDM) sono progettati per essere lavorati nel terreno dopo l’uso, dove si degraderanno nel tempo. Tuttavia, i BDM persistono temporaneamente nel suolo e gradualmente si degradano e si frammentano in MP e NP 9,27.
Molti attuali studi ecotossicologici ambientali e sul destino impiegano materiali modello di MP e NP idealizzati e non rappresentativi. I MNP surrogati più comunemente usati sono micro o nanosfere di polistirene monodisperse, che non riflettono gli MNP effettivi che risiedono nell’ambiente12,28. Di conseguenza, la selezione di parlamentari e NP non rappresentativi può comportare misurazioni e risultati imprecisi. Sulla base della mancanza di modelli ΜNP appropriati per gli studi ambientali terrestri, gli autori sono stati motivati a preparare tali modelli da materie plastiche agricole. Abbiamo precedentemente riferito sulla formazione di MNP da BDM e pellet di polietilene attraverso la fresatura meccanica e la macinazione di pellet plastici e materiali in film e le caratteristiche dimensionali e molecolari degli MNP29. Il presente documento fornisce un protocollo più dettagliato per la preparazione di MNP che può essere applicato in modo più ampio a tutte le materie plastiche agricole, come i film di pacciamatura o le loro materie prime pellettizzate (Figura 1). Qui, per servire da esempio, abbiamo scelto un film di pacciamatura e pellet sferici del polimero biodegradabile polibutilene adipato tereftalato (PBAT) per rappresentare le materie plastiche agricole.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo metodo descrive un processo efficace inizialmente descritto in una precedente pubblicazione29, per preparare MNP provenienti da pellet e pellicole di pacciamatura per studi ambientali. Il processo di riduzione delle dimensioni ha comportato il raffreddamento criogenico (solo per film), la fresatura a secco e le fasi di macinazione a umido, per produrre modelli MNP. Abbiamo applicato questo metodo per preparare MNP da una vasta gamma di materie prime polimeriche, tra cui polietilene a bassa …
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata finanziata dall’Herbert College of Agriculture, dal Dipartimento di ingegneria dei biosistemi e del suolo e dalla Science Alliance dell’Università del Tennessee, Knoxville. Inoltre, gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario fornito attraverso l’USDA Grant 2020-67019-31167 per questa ricerca. Le materie prime iniziali per la preparazione di MNP di film di pacciamatura biodegradabile a base di PBAT sono state gentilmente fornite da BioBag Americas, Inc. (Dunevin, FL, USA) e i pellet PBAT da 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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