Vai trò của Môi Trường: Những hiểu biết mới về việc chiết xuất, chuẩn bị và định lượng vi nhựa trong một nghiên cứu mesocosm nước ngọt

Springer Science and Business Media LLC - Tập 3 Số 1
Jeanne Hankett1, Jennifer K. Holtz1, Imari Walker-Franklin2,3, Kathryn Shaffer4, Jerome S. Jourdan1, Derek C. Batiste1, J. García1, C.M. Kaczan1, Wendel Wohlleben5, Lee Ferguson2
1BASF Corp, Wyandotte, USA
2Duke University, Durham, USA
3RTI International, Research Triangle Park, USA
4University of California, Santa Barbara, MRL Building, Santa Barbara, USA
5BASF SE, Ludwigshafen am Rhein, Germany

Tóm tắt

Tóm tắtViệc chiết xuất và đặc trưng hóa các vi nhựa thứ cấp, được hình thành qua sự tác động của môi trường, cần được cải tiến liên tục về độ chính xác và tính khả thi nhằm tạo ra các đánh giá về tiếp xúc và rủi ro liên quan đến vi nhựa một cách vững chắc. Hiện tại, có một sự thiếu hụt về các phương pháp chiết xuất và định lượng đáng tin cậy đối với các hạt vi nhựa rắn trong trầm tích với tính chất hóa học đặc trưng. Trong bài viết này, chúng tôi trình bày những tiến bộ trong các phương pháp để chiết xuất và định lượng các hạt vi nhựa từ trầm tích, sử dụng mô hình mesocosm ngoài trời để mô phỏng một môi trường nước ngọt ven biển. Các vi nhựa thứ cấp mô hình từ polyurethane (PU) liên kết chéo đã được nghiên cứu so sánh với các vi nhựa polypropylene (PP) thứ cấp mô hình. Các kỹ thuật để đặc trưng hóa các hạt trong trầm tích bao gồm khí sắc ký khối phổ pyrolysis (py GC/MS), kính hiển vi soi nổi và kính hiển vi điện tử quét. Để bổ sung phân tích hạt, các phân tử có thể le từ nhựa được chiết xuất từ trầm tích và phân tích bằng phương pháp bán định lượng qua sắc ký lỏng hiệu năng cao với khối phổ phân giải cao (HPLC/HR-MS). Sau khi phát triển và tối ưu hóa các phương pháp chiết xuất và phân tích, chúng tôi đã định lượng các hạt vi nhựa PU theo số lượng và trọng lượng và phát hiện rằng các hạt PU mô hình đã rơi từ lớp nước xuống trầm tích trong suốt một năm, trong khi không tìm thấy hạt PP nào trong mẫu trầm tích. Thêm vào đó, các phân tử nhỏ mục tiêu liên quan đến PU liên kết chéo đã được xác định trong trầm tích qua HPLC/HR-MS nhưng không thể xác định được các phân tử có thể le liên quan đến polypropylene trong các mẫu trầm tích. Chúng tôi chia sẻ phương pháp py GC/MS mới để định lượng các PU liên kết chéo cao trong các ma trận môi trường phức tạp chứa cả các thành phần vô cơ và hữu cơ. Trong quá trình tạo ra các phương pháp chiết xuất đáng tin cậy cho vi nhựa trong trầm tích, chúng tôi đã khám phá những cân nhắc quan trọng cho việc định lượng vi nhựa bằng py GC/MS và những tác động của ma trận mẫu đến việc định lượng PU và PP cụ thể. Chúng tôi cung cấp hướng dẫn để chuẩn bị vi nhựa từ các ma trận môi trường phức tạp (ví dụ: trầm tích và đất) để phân tích bằng py GC/MS.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Koelmans A. Plastics in the marine environment. Eviron Toxicol Chem. 2014;33:5. https://doi.org/10.1002/etc.2426.

Sun T, Wang S, Ji C, Li F, Wu H. Microplastics aggravate the bioaccumulation and toxicity of coexisting contaminants in aquatic organisms: a synergistic health hazard. J Hazard Mater. 2022;424:127533. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127533.

Bucci K, Tulio M, Rochman CM. What is known and unknown about the effects of plastic pollution: a meta-analysis and systematic review. Ecol Appl. 2020;30(2):e02044. https://doi.org/10.1002/eap.2044.

Koelmans AA, Diepens NJ, Nor NHM. Chapter 6: weight of evidence for the microplastic vector effect in the context of chemical risk assessment. In: Microplastic in the environment: pattern and process. Cham: Springer Open Access; 2022. p. 155–197. ISBN 978-3-030-78626-7. https://library.oapen.org/handle/20.500.12657/50951.

Akdogan Z, Guven B. Microplastics in the environment: a critical review of current understanding and identification of future research needs. Environ Pollut. 2019;254(Part A):113011. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113011.

Campos da Rocha FO, Martinez ST, Campos VP, da Rocha GO, de Andrade JB. Microplastic pollution in Southern Atlantic marine waters: review of current trends, sources, and perspectives. Sci Total Environ. 2021;782:146541. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146541.

Jiang Y, Yang F, Shabi S, Kazmi UH, Zhao Y, Chen M, Wang J. A review of microplastic pollution in seawater, sediments and organisms of the Chinese coastal and marginal seas. Chemosphere. 2022;286(1):131677. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131677.

Presence of microplastics and nanoplastics in food, with particular focus on seafood. EFSA J. 2016;14(6):4501. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2016.4501. European Food Safety Authority.

Smith M, Love DC, Rochman CM, Neff RA. Microplastics in seafood and the implications for human health. Curr Envir Health Rep. 2018;5:375–86. https://doi.org/10.1007/s40572-018-0206-z.

Earn A, Bucci K, Rochman CM. A systematic review of the literature on plastic pollution in the Laurentian Great Lakes and its effects on freshwater biota. J Great Lakes Res. 2021;47(1):120–33. https://doi.org/10.1016/j.jglr.2020.11.001.ISSN0380-1330.

Botterell ZLR, Beaumont N, Dorrington T, Steinke M, Thompson RC, Lindeque PK. Bioavailability and effects of microplastics on marine zooplankton: a review. Environ Pollut. 2019;245:98–110. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.10.065.

Zhang A, Pu S, Lv X, Gao Y, Ge L. Global trends and prospects in microplastics research: a bibliometric analysis. J Hazard Mater. 2020;400:123110.

Gouin T. Toward an improved understanding of the ingestion and trophic transfer of microplastic particles: critical review and implications for future research. Eviron Toxicol Chem. 2020;39(6):1119–37. https://doi.org/10.1002/etc.4718.

Koelmans AA, Gouin T, Thompson R, Wallace N, Arthur C. An industry perspective on the key challenges and guidance. Eviron Toxicol Chem. 2014;33:5–6. https://doi.org/10.1002/etc.2426. ET&C Perspectives.

Zantis LJ, Carroll EL, Nelms SE, Bosker T. Marine mammals and microplastics: a systematic review and call for standardization. Environ Pollut. 2021;269:116142. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116142.

Adhikari PL, Wokil B, Campbell PL, Oberhaensli F, Metian M, Besson M, Jacob H, Swarzenski PW. Chapter 3: evaluating microplastic experimental design and exposure studies in aquatic organisms. In: Microplastic in the environment: microplastic in the environment: pattern and process. Cham: Springer Open Access; 2022. p. 69–85. https://library.oapen.org/handle/20.500.12657/50951.

Roman L, Gilardi K, Lowenstine L, Hardesty BD, Wilcox C. The need for attention to confirmation bias and confounding in the field of plastic pollution and wildlife impacts: comment on “clinical pathology of plastic ingestion in marine birds and relationships with blood chemistry.” Environ Sci Technol. 2021;55(1):801–4. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c02874.

Pfohl P, Roth C, Meyer L, Heinemeyer U, Gruendling T, Lang C, Nestle N, Hofmann T, Wohlleben W, Jessl S. Microplastic extraction protocols can impact the polymer structure. Micropl Nanopl. 2021;1:8. https://doi.org/10.1186/s43591-021-00009-9.

Ziajahromi S, Leusch FDL. Systematic assessment of data quality and quality assurance/quality control (QA/QC) of current research on microplastics in biosolids and agricultural soils. Environ Pollut. 2022;294:118629. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.118629.

Cashman MA, Ho KT, Boving TB, Russo S, Robinson S, Burgess RM. Comparison of microplastic isolation and extraction procedures from marine sediments. Mar Pollut Bull. 2020;159:111507. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2020.111507.

Shim WJ, Hong SE, Eo Eo S. Identification methods in microplastic analysis: a review. Anal Methods. 2017;9:1384–91. https://doi.org/10.1039/C6AY02558G.

Möller JN, Löder MGJ, Laforsch C. Finding microplastics in soils: a review of analytical methods. Environ Sci Technol. 2020;54(4):2078–90. https://doi.org/10.1021/acs.est.9b04618.

Li J, Song Y, Cai Y. Focus topics on microplastics in soil: analytical methods, occurrence, transport, and ecological risks. Environ Pollut. 2020;257:113570. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113570.

Silva AB, Bastos AS, Justino CIL, da Costa JP, Duarte AC, Rocha-Santos TAP. Microplastics in the environment: challenges in analytical chemistry - a review. Anal Chim Acta. 2018;1017:1–19. https://doi.org/10.1016/j.aca.2018.02.043.

Prata JC, da Costa JP, Duarte AC, Rocha-Santos T. Methods for sampling and detection of microplastics in water and sediment: a critical review. TrAC Trends Anal Chem. 2019;110:150–9. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.10.029.

Hanvey JS, Lewis PJ, Lavers JL, Crosbie ND, Pozode K, Clarke BO. A review of analytical techniques for quantifying microplastics in sediments. Anal Methods. 2017;9:1369–83. (RSC Publishing).

Prata JC, Reis V, da Costa JP, Mouneyrac C, Duarte AC, Rocha-Santos T. Contamination issues as a challenge in quality control and quality assurance in microplastics analytics. J Hazard Mater. 2021;403:123660. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123660.

Brander SM, Renick VC, Foley MM, Steele C, Woo M, Lusher A, Carr S, Helm P, Box C, Cherniak S, Andrews RC. Sampling and quality assurance and quality control: a guide for scientists investigating the occurrence of microplastics across matrices. Appl Spectrosc. 2020;74(9):1099–125. (sagepub.com).

de Ruijter VN, Redondo-Hasselerharm PE, Gouin T, Koelmans AA. Quality criteria for microplastic effect studies in the context of risk assessment: a critical review. Environ Sci Technol. 2020;54(19):11692–705. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c03057. (acs.org).

Koelmans AA, Redondo-Hasselerharm PE, Nor NHM, Kooi M. Solving the nonalignment of methods and approaches used in microplastic research to consistently characterize risk. Environ Sci Technol. 2020;54(19):12307–15. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c02982.

Gouin T, Becker RA, Collot A-G, Davis JW, Howard B, Inawaka K, Lampi M, Serrano Ramon B, Shi J, Hopp PW. Toward the development and application of an environmental risk assessment framework for microplastics. Eviron Toxicol Chem. 2021;38(10):2087–100. https://doi.org/10.1002/etc.4529.

Hermabessiere L, Rochman CM. Microwave-assisted extraction for quantification of microplastics using pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry. Environ Toxicol Chem. 2021;40:2733–41. https://doi.org/10.1002/etc.5179.

Dierkes G, Lauschke T, Becher S, Schumacher H, Foldi C, Ternes T. Quantification of microplastics in environmental samples via pressurized liquid extraction and pyrolysis-gas chromatography. Anal Bioanal Chem. 2019;411:6959–68. https://doi.org/10.1007/s00216-019-02066-9.

Fries E, Dekiffab JH, Willmeyera J, Nuelleab M-T, Ebertc M, Remyb D. Identification of polymer types and additives in marine microplastic particles using pyrolysis-GC/MS and scanning electron microscopy. Environ Sci Process Impacts. 2013;15:1949–56. https://doi.org/10.1039/C3EM00214D.

Krauskopf L-M, Hemmerich H, Dsikowitzky L, Schwarzbauer J. Critical aspects on off-line pyrolysis-based quantification of microplastic in environmental samples. J Anal Appl Pyrolysis. 2020;152:104830. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104830.

Funck M, Yildirim A, Nickel C, Schram J, Schmidt TC, Tuerk J. Identification of microplastics in wastewater after cascade filtration using Pyrolysis-GC–MS. MethodsX. 2020;7:100778. https://doi.org/10.1016/j.mex.2019.100778.

Hermabessiere L, Himber C, Boricaud B, Kazour M, Amara R, Cassone A-L, Laurentie M, Paul-Ponte I, Soudant P, Dehaut A, Duflos G. Optimization, performance, and application of a pyrolysis-GC/MS method for the identification of microplastics. Anal Bioanal Chem. 2018;410:6663–76. https://doi.org/10.1007/s00216-018-1279-0.

Matsueda M, Mattonai M, Iwai I, Watanabe A, Teramae N, Robberson W, Ohtani H, Kim Y-M, Watanabe C. Preparation and test of a reference mixture of eleven polymers with deactivated inorganic diluent for microplastics analysis by pyrolysis-GC–MS. J Anal Appl Pyrolysis. 2021;154:104993. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104993.

Fischer M, Scholz-Böttcher BM. Simultaneous trace identification and quantification of common types of microplastics in environmental samples by pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry. Environ Sci Technol. 2017;51(9):5052–60. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b06362.

Okoffo ED, Ribeiro F, O’Brien JW, O’Brien S, Tscharke BJ, Gallen M, Samanipour S, Mueller JF, Thomas KV. Identification and quantification of selected plastics in biosolids by pressurized liquid extraction combined with double-shot pyrolysis gas chromatography–mass spectrometry. Sci Total Environ. 2020;715:136924. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.136924.

Becker R, Altmann K, Sommerfeld T, Braun U. Quantification of microplastics in a freshwater suspended organic matter using different thermoanalytical methods – outcome of an interlaboratory comparison. J Anal Appl Pyrolysis. 2020;148:104829. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104829.

Braun U, Eisentraut P, Altmann K, Kittner M, Dümichen E, Thaxton K, Kleine-Benne E, Anumol T. Accelerated determination of microplastics in environmental samples using thermal extraction desorption-gas chromatography/mass spectrometry (TED-GC/MS). 2020. Agilent application note DE.6298726852.

Jeong J, Choi J. Adverse outcome pathways potentially related to hazard identification of microplastics based on toxicity mechanisms. Chemosphere. 2019;231:249–55. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.05.003.

Wright SL, Gouin T, Koelmans AA, Scheuermann L. Development of screening criteria for microplastic particles in air and atmospheric deposition: critical review and applicability towards assessing human exposure. Micropl Nanopl. 2021;1(1). https://doi.org/10.1186/s43591-021-00006-y.

Noventa S, Boyles MSP, Seifert A, et al. Paradigms to assess the human health risks of nano- and microplastics. Micropl Nanopl. 2021;1(9). https://doi.org/10.1186/s43591-021-00011-1.

Mitrano DM, Wohlleben W. Microplastic regulation should be more precise to incentivize both innovation and environmental safety. Nat Commun. 2020;11:5324. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19069-1.

Coralli I, Goßmann I, Fabbri D, Scholz-Böttcher BM. Determination of polyurethanes within microplastics in complex environmental samples by analytical pyrolysis. Anal Bioanal Chem. 2023. https://doi.org/10.1007/s00216-023-04580-3.

Santos LHMLM, Insa S, Arxé M, Buttiglieri G, Rodríguez-Mozaz S, Barceló D. Analysis of microplastics in the environment: Identification and quantification of trace levels of common types of plastic polymers using pyrolysis-GC/MS. MethodsX. 2023;10:102143. https://doi.org/10.1016/j.mex.2023.102143.

Geitner NK, Cooper JL, Avellan A, Castellon BT, Perrotta BG, Bossa N, Simonin M, Anderson SM, Inoue S, Hochella MF Jr, Richardson CJ. Size-based differential transport, uptake, and mass distribution of ceria (CeO2) nanoparticles in wetland mesocosms. Environ Sci Technol. 2018;52(17):9768–76.

Schierz A, Espinasse B, Wiesner MR, Bisesi JH, Sabo-Attwood T, Ferguson PL. Fate of single walled carbon nanotubes in wetland ecosystems. Environ Sci Nano. 2014;1(6):574–83.

JRC Technical Report. Current status of the quantification of microplastics in water: results of a JRC/BAM interlaboratory comparison study on PET in water. European Comission Joint Research Center in collaboration with the German Federal Instiute for Materials Research and Testing (BAM). Luxembourg: Luxembourg Publications Office of the European Union; 2021. PDF ISBN 978-92-76-40957-1.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Springer Science and Business Media LLC

Tập 3 Số 1

Thông tin tác giả