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Vorschlag für eine erste Screening-Methode zur Identifizierung von Mikroplastik in Meeressedimenten

Nov 13, 2023Nov 13, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 11, Artikelnummer: 20651 (2021) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Meeresmüll, der oft als Mikroplastik bezeichnet wird, ist in der Meeresumwelt, insbesondere in Sedimenten, weit verbreitet und gilt als Umweltgefahr, da er Schadstoffe konzentriert, Biofilme bildet und in Meeressedimenten versinkt. In Sedimenten kann es vom Benthos aufgenommen werden und sich negativ auf höhere Ebenen der Nahrungskette auswirken. In dieser Studie wurde ein neues Protokoll zur Identifizierung von Mikroplastik in verschiedenen Sedimentfraktionen entwickelt. Dieses Protokoll kombinierte Sieben und Färben auf der Grundlage gewöhnlicher geotechnischer/geologischer Prüfmethoden. Der Siebprozess wurde vom herkömmlichen Partikelgrößenverteilungstest abgeleitet und beim Färbeprozess wurden ungiftige Farbstoffe eingesetzt. Das Protokoll ist sicher und einfach durchzuführen, da lediglich die Verwendung herkömmlicher geologischer/geotechnischer Prüfgeräte erforderlich ist. Das neue Protokoll wurde erfolgreich eingesetzt, um verschiedene Arten und Größen von Mikroplastikpartikeln aus kontaminierten Sedimenten zu färben und zu kategorisieren. Dieses sichere, benutzerfreundliche und effiziente Protokoll kann als Grundlage für einen neuen alternativen Ansatz zur Untersuchung von Mikroplastik in Sedimenten dienen, der unter Verwendung grundlegender Materialien durchgeführt werden kann, die Geotechnik-/Geologieingenieuren vertraut sind.

Die 17 Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs), die in der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen aufgeführt sind, haben die wissenschaftliche Gemeinschaft aufgefordert, ein besseres Verständnis dieser Themen zu fördern. SDG Nr. 14 umfasst Ziele, die das Meeresökosystem, einschließlich Meeresmüll, berücksichtigen. Eine Art von Meeresmüll, der als Mikroplastik klassifiziert wird, schwimmt auf der Meeresoberfläche, lagert sich im Tiefseeboden ab oder strandet an der Küste und stellt ein Umweltrisiko für die Meeresbiota dar1,2. Dieses Mikroplastik kann giftige Chemikalien wie organische Verbindungen, persistente organische Schadstoffe3,4 und Spurenelemente5,6 konzentrieren und die ökotoxikologischen Risiken von Sedimenten weiter erhöhen. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass sich Mikroplastik weit verbreitet in flachen bis tiefen Meeresböden ablagert. Woodal et al. berichteten, dass Tiefseebodensedimente Mikroplastik mit einer Länge von 2–3 mm und einem Durchmesser von < 0,1 mm enthalten7. Alomar et al. berichteten, dass flache Sedimente Mikroplastik mit einem Durchmesser von 0,063 mm bis > 2 mm enthalten8. Aufgrund ihrer geringen Größe werden Mikroplastiken vom Zooplankton aufgenommen und auf höhere Ebenen der Nahrungskette übertragen, wodurch sie schädlich für die Meeresökosysteme werden3,9. SDG Nr. 14.2 konzentriert sich auf die Schaffung gesunder und produktiver Ozeane, einschließlich der Bewertung der Umweltauswirkungen, die durch Mikroplastikmüll in Meeressedimenten verursacht werden.

Mikroplastik wird auf der Grundlage seiner Quelle in fünf Kategorien eingeteilt: (1) Direktherstellung wie Gesichtsreiniger10, (2) unterteilte oder fragmentierte große Kunststoffabfälle, die nach dem Kontakt mit der Meeresumwelt abgebaut wurden11, (3) Mikrofasern und Textilien aus der Wäscherei von Kleidungsstücken12 ,13, (4) synthetische Gummipartikel, die von Autoreifen freigesetzt werden14 und (5) Einweg-Kunststoffprodukte wie Lebensmittelbehälter und eine erhöhte Produktion und Verwendung von chirurgischen Gesichtsmasken aufgrund der COVID-19-Pandemie15. Mikroplastik kann Sedimente in Küstengebieten mit hoher Bevölkerungsdichte verunreinigen9. Mikroplastik wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und Polyamid (PA) kommen häufig in Flusssedimenten vor16, und PP, PE und Polyvinylchlorid (PVC) sind in Meeressedimenten reichlich vorhanden11. PE, PP und PS sind Industrieprodukte, die sich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften wie geringer Dichte leicht über die Meeresoberfläche verteilen können. Darüber hinaus können sie in Verbindung mit natürlichen Partikeln wie Ton Biofilme bilden. Die Ansammlung von Mikroorganismen auf Mikroplastik in Biofilmen kann deren Dichte erhöhen, ihren vertikalen Transport beschleunigen und dazu führen, dass sie in benthische Sedimente absinken17.

Um die Umweltauswirkungen verschiedener Arten von Mikroplastik in aquatischen Lebensräumen zu ermitteln, sollten diese isoliert und identifiziert werden. In Sedimenten vorhandenes Mikroplastik oder Mikrofasern werden in der Regel durch spezifische Gewichtstrennungen und anschließende mikroskopische Beobachtungen identifiziert18. Obwohl die Isolierung von Mikroplastik mittels spezifischer Gewichtstrennung auf Kunststoffarten über 1,20 g/cm3 angewendet werden kann, kann die Identifizierung kleiner Partikel und Fasern mithilfe von Mikroskopen schwierig und ineffizient sein19,20. Zur Untersuchung der Polymertypen von Mikroplastik oder Mikrofasern werden häufig Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) oder Raman-Spektroskopie in Kombination mit Mikroskopie eingesetzt, und zur Identifizierung der Kunststofftypen wird thermogravimetrische/differentielle Thermoanalyse (TGA/DTA) eingesetzt21. Der Betrieb dieser Systeme erfordert jedoch geschultes technisches Personal mit Fachkenntnissen in der chemischen Analyse. Um dieses Problem anzugehen, wird die Verwendung lipophiler Farbstoffe empfohlen, die die Visualisierung von Mikroplastik oder Fasern mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen22,23. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass keine teuren Analysegeräte wie FTIR- und Raman-Spektroskope erforderlich sind. Allerdings sollte zur Visualisierung von Mikroplastik ein Fluoreszenzmikroskop verwendet werden, das jedoch nur für die Untersuchung von schwimmendem Mikroplastik und solchem, das mit organischen Materialien vermischt ist, anwendbar ist. Bei tonbeschichtetem oder sedimentkontaminiertem Mikroplastik ist die Effizienz gering. Einige Forscher haben jedoch Protokolle zur Extraktion von Mikroplastik aus Meeressedimenten entwickelt24,25,26,27.

Coppock et al. schlugen eine überarbeitete Methode zur Trennung von Mikroplastik und anderen Partikeln mittels Dichteflotation vor, die zur Rückgewinnung von Mikroplastik hoher Dichte aus Sedimenten eingesetzt werden kann28. Dieses System erfordert jedoch Zinkchlorid, das als giftige Chemikalie eingestuft wurde29. In der vorliegenden Studie haben wir ein sichereres und einfacheres Protokoll zur Identifizierung von Sedimentmikroplastik mithilfe herkömmlicher geologischer und geotechnischer Testgeräte mit einem optischen Mikroskop entwickelt, das auch standardisierten Siebverfahren mehrerer Industriestandards entspricht (Japanese Geotechnical Society [JGS]30,31). , Internationale Organisation für Normung [ISO]32,33, Europäische Norm [EN]34 und American Society for Testing and Materials [ASTM]35,36). Der Rahmen dieser neu vorgeschlagenen Methode ist in Abb. 1 dargestellt.

Schematische Darstellung der vorgeschlagenen Methode.

Die vorgeschlagene Methode verwendet eine Grundausrüstung, die üblicherweise für Bodenklassifizierungstests (Partikelverteilungs- und Feuchtigkeitsgehaltstests) verwendet wird, kombiniert mit einem standardmäßigen optischen Mikroskop, das in geotechnischen oder geologischen Bereichen verwendet wird. Darüber hinaus erfordert diese Methode keine Verwendung giftiger Chemikalien zum Färben der Kunststoffe und erfordert keine umfassende Schulung. In Kombination mit dem Siebprozess konnte das Mikroplastik in jeder Sedimentfraktion abgetrennt und eindeutig identifiziert werden.

Die vorgeschlagene Methode ist hocheffizient für die Erkennung von Mikroplastikpartikeln aus Tonaggregaten, die mit Biofilmen bedeckt sind. Sie kann die vertikale Verteilung von Mikroplastik aus Kernproben erkennen und die Beziehung zwischen Partikelgröße und Adsorptions- oder Einfangfähigkeit bewerten. Darüber hinaus kann es mit herkömmlichen (Standard-)Laborgeräten, die bei Bodenuntersuchungsunternehmen oder Bildungseinrichtungen erhältlich sind, innerhalb von 90 Minuten durchgeführt werden. Diese Methode kann auch die Kontrolle von Umweltrisiken durch bodenkundliche oder ingenieurtechnische Aktivitäten fördern und die Bildung jüngerer Generationen fördern, wodurch das Erreichen der SDG 14-Ziele erleichtert wird. In diesem Artikel erläutern wir die vorgeschlagene Methode und demonstrieren die Ergebnisse ihrer Anwendung auf tatsächliche Meeressedimente, die im Hafen Shin-minato in Toyama, Japan, gesammelt wurden, um häufige Arten von Mikroplastik zu identifizieren.

PP-Partikel wurden 20 Minuten lang bei 105 °C mit vier Basis-Färbelösungsmitteln gefärbt (Abb. 2a). Bei dem Verfahren wurde unverdünntes Färbelösungsmittel verwendet. Die vier mit verschiedenfarbigen Flecken gefärbten Proben wurden mit einer Saugfiltrationsmaschine auf quantitativem Filterpapier (zurückgehaltene Partikelgröße 4 µm) gesammelt und die Färbewirksamkeit durch visuelle Beobachtung bewertet (Abb. 2b). Alle PP-Proben wurden mit vier unverdünnten Färbelösungsmitteln unterschiedlicher Farbe gefärbt und waren mit bloßem Auge leicht zu identifizieren. Wenn jedoch PP-Partikel mit Sedimenten vermischt wurden, verfärbten sich die meisten Sedimentpartikel dunkel, was möglicherweise die Partikelidentifizierung erschweren kann. Die Identifizierung von gefärbtem Mikroplastik gemischt mit natürlichem Meeressand ist in Abb. 2c dargestellt. Das mit Strandsand vermischte rot gefärbte Mikroplastik war im Vergleich zu gelb, grün und blau gefärbtem Mikroplastik visuell leicht zu identifizieren.

Ergebnisse der Färbung mit (a) unverdünntem Färbelösungsmittel für Polypropylen (PP), (b) 1:10 verdünntem Färbelösungsmittel für Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und Polystyrol (PS), (c) gefärbtem PP gemischt mit Strand Sand.

Im zweiten Experiment untersuchten wir die Möglichkeit, die Kunststoffarten anhand der Färbetemperatur grob zu klassifizieren. Die Beziehung zwischen den Kunststoffarten und der Färbetemperatur unter atmosphärischen Druckbedingungen ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse der vorgeschlagenen Methode zum Färben der Proben bei Temperaturen von 60 °C, 80 °C und 105 °C für 20 Minuten werden gezeigt in Abb. 3. Alle Arten von Kunststoffen konnten gefärbt werden, und die Zunahme der Färbeintensität hing von der Färbetemperatur ab. PE und PS wurden bei 80 °C nahezu vollständig verfärbt. Allerdings wurde PP nur bei > 100 °C nahezu vollständig verfärbt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Färbetemperatur die Färbeintensität beeinflussen und zur groben Klassifizierung der Kunststoffarten herangezogen werden kann. Einer der Vorteile der vorgeschlagenen Methode ist die Möglichkeit, Kunststoffarten nur anhand ihrer Färbetemperatur (60 °C, 80 °C und > 100 °C) grob zu klassifizieren, ohne dass ein chemisches Analysegerät erforderlich ist.

Ergebnisse der vorgeschlagenen Methode zur Färbung bei 60 °C, 80 °C und 105 °C für 20 Minuten.

Im dritten Experiment wurde der Einfluss des Färbeprozesses (chemischer oder thermischer Effekt) für typisches Mikroplastik (PP) mithilfe der abgeschwächten Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) (FT/IR-6600, Jasco, Japan) untersucht ). Die ATR-FTIR-Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Die ATR-Spektren jeder Probe waren ziemlich ähnlich und die vorgeschlagene Färbemethode wurde durch die ATR-FTIR-Analyse nicht beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Färbemethode den ursprünglichen Zustand des Kunststoffs beibehalten kann, ohne seine chemischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, und die Ergebnisse zusätzlicher Analysen wie ATR-FTIR nicht beeinflusst.

ATR-Spektren von ungefärbtem und gefärbtem PP.

Im letzten Experiment wurde festgestellt, dass die Färbeergebnisse in allen drei Replikaten für alle Fraktionen konsistent waren, wobei PP, PE und PS mit 1:10 und 1:20 verdünnten Färbelösungsmitteln gefärbt wurden. Die Ergebnisse der Färbung mit dem 1:10 verdünnten Färbelösungsmittel sind in Abb. 5 dargestellt. Im letzten Experiment war die 1:20 verdünnte Färbelösungsprobe nicht hell und es war schwierig, die mit Sandpartikeln kontaminierte Probe zu identifizieren. Darüber hinaus waren die resultierenden Farben im Vergleich zu denen des ersten Experiments hell (Abb. 2a). Allerdings kann die rote Farbe verwendet werden, um mit dem bloßen Auge und mikroskopischen Beobachtungen Mikroplastik zu identifizieren, das mit natürlichem Strandsand verunreinigt ist. Andere Polymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE) wurden jedoch unter den gleichen Bedingungen nicht mit den verdünnten Färbelösungsmitteln angefärbt. PTFE erfordert zum Färben hohe Temperaturen und hohe Drücke.

Ergebnisse der Färbung mit 1:10 verdünntem Färbelösungsmittel für Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und Polystyrol (PS).

Die Partikelgröße der ausgebaggerten Sedimente lag in unserer Studie im Bereich von 0,106 mm bis > 2 mm (Mittelwert [D50] = 1,16 mm). Abbildung 6A zeigt die Partikelverteilungskurve aus ausgebaggerten Sedimenten und Toyoura-Sand (japanischer Standardsand). Die Partikel in den ausgebaggerten Sedimenten sind größer als die im Toyoura-Sand (im Bereich von 0,1 bis < 1 mm), möglicherweise weil die Sedimente im Hafen Shin-Minato aus Austernschalen und anderen vom Menschen verursachten Abfällen stammen und wahrscheinlich eine größere Bandbreite an Partikeln enthalten Mikroplastik/Fasern. Das rotfärbende Lösungsmittel färbte die großen Mikroplastikpartikel (> 5,0 mm) in der gesiebten Sedimentprobe (Abb. 6B). Viele große Partikel werden mit zerkleinerten Schalen vermischt, die mit kleinen Substanzen wie Ton oder Biofilmen bedeckt sind. Die Ergebnisse der Färbung luftgetrockneter Sedimente (Fraktionen 1–6) mit unserer vorgeschlagenen Methode sind in Abb. 7 dargestellt. Der Färbeprozess erzeugte kleine Partikel aus Substanzen, die die Probenoberfläche bedeckten, was im Allgemeinen zu einer Trübung der Proben und zur Identifizierung der Proben führte Mikroplastik schwierig. Trotz dieser Trübung können mit der vorgeschlagenen Methode jedoch problemlos Kunststoffe mit einer Größe > 5 mm identifiziert werden, die mit glänzenden Materialien wie Schalen vermischt sind (Abb. 6B).

Ergebnisse der Färbung mit (A) unverdünntem Färbelösungsmittel für Polypropylen (PP), (B) 1:10 verdünntem Färbelösungsmittel für Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) und Polystyrol (PS).

Mikroplastik (MP) aus den Sedimentproben wurde angefärbt und visuell beobachtet (Fraktionen 1–6), ohne Hilfsmittel und unter Verwendung eines Mikroskops (Fraktionen 2–6). (A) Fraktion 1, Partikel > 2 mm, fotografiert mit einer Sony-Kamera anα5100, (B) Fraktion 2, Partikelgröße 0,85–2 mm, (C) Fraktion 3, Partikelgröße 0,42–0,85 mm, (D) Fraktion 4, Partikelgröße 0,25–0,42 mm, (E) Fraktion 5, Partikelgröße 0,106–0,25 mm und (F) Fraktion 6, Partikelgröße < 0,106 mm.

Die gefärbten und ungefärbten Proben wurden mittels ATR-FTIR analysiert, um das Mikroplastik zu klassifizieren. Die Ergebnisse der ATR-FTIR-Analysen zeigten, dass es sich bei den rotgefärbten Proben um PP handelte. Die weiß gefärbten Proben konnten nicht identifiziert werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit der vorgeschlagenen Methode leicht zwischen Kunststoffabfällen und anorganischen Substanzen unterschieden werden kann.

Die Ergebnisse der Mikroplastikklassifizierung mit unserer vorgeschlagenen Methode sind in Abb. 7A dargestellt. Die Partikel der Fraktion 1 (> 2,0 mm) konnten visuell identifiziert und mit einer normalen Kamera (α5100 Sony, Japan) fotografiert werden. Mikroplastik in dieser Fraktion stammt aus fragmentierten Trümmern des täglichen Bedarfs, wie z. B. medizinischer Presse, Verpackungsfolien und Styrolschaum. Zur Beobachtung der Partikel der Fraktionen 2–6 (Abb. 7B–F) wurde ein Mikroskop (BHM-Serie, Olympus Japan) mit einer ladungsgekoppelten Kamera (EL310, Wraymer) verwendet. Diese Fraktionen enthielten größtenteils kleine Partikel wie Faserstaub und zerkleinerte Materialien aus dem täglichen Abfall und waren nach der Anfärbung nachweisbar (Abb. 7B–E). Die Partikel der Fraktion 6 (< 0,106) waren würfelförmig und rot gefärbt (Abb. 7F). Die Quelle dieser kleinen Partikel wurde als Kontamination durch selbstausgefällte Kristalle aus der Färbelösungslösung identifiziert und war getrennt von den ursprünglichen Mikroplastiken oder Mikrofasern aus dem Sediment.

Um die Genauigkeit der vorgeschlagenen Methode zu bewerten, wurde eine ATR-FTIR-Analyse durchgeführt, um die in den Fraktionen 1 und 2 gefärbten Kunststoffarten zu identifizieren. Die Ergebnisse der ATR-FTIR-Analyse sind in Abb. 8 dargestellt.

ATR-Spektren der Fraktionen 1 und 2.

Die Proben der Fraktion 1(a) und (b) werden als Langzeitdünger eingestuft. Das Langzeitdüngermaterial basiert auf dem Verbund aus Polyurethan und anorganischen Stoffen wie Talk. Die Probe der Fraktion 1(c) wurde als PVC-ähnlich eingestuft und umfasste Materialien, die in unserem täglichen Leben verwendet werden. Die Probe der Fraktion 2, die Kunststofffasern enthielt, wurde als PET klassifiziert, das in Bekleidungsstoffen verwendet wird.

Alle mit der vorgeschlagenen Methode gefärbten Proben wurden einer bestimmten Kunststoffart zugeordnet, was die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode bestätigt.

Die Anzahl der Mikroplastikpartikel, die im ausgebaggerten Sediment mit Siebung für jede Fraktion nachgewiesen wurden, ist in Tabelle 2 aufgeführt. Unabhängig von der Fraktion wurde nahezu die gleiche Anzahl an Kunststoffen nachgewiesen. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass Kunststoffe mit einem breiten Spektrum an Partikelgrößen homogen in flachen Meeressedimenten abgelagert werden.

Die Visualisierung von Mikroplastik aus ausgebaggerten Sedimenten ist für die Untersuchung ihrer Auswirkungen auf das Meeresökosystem von entscheidender Bedeutung. Derzeit stehen kostengünstige und einfache Nachweismethoden zur Untersuchung der Anreicherung von Mikroplastik in der Umwelt zur Verfügung37. Es wurde über eine Rückverfolgungsmethode berichtet, mit der fluoreszierendes Mikroplastik mithilfe einer herkömmlichen industriellen UV-Taschenlampe sichtbar gemacht werden kann38. Es kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Mikroplastikarten erkennen und nicht zur Identifizierung von nichtfluoreszierendem Mikroplastik in der Umwelt verwendet werden. Darüber hinaus verwenden herkömmliche Methoden, die auf der Trennung nach spezifischem Gewicht basieren, Salzwasser, was die Trennung von Biofilmbeschichtungen oder Tonaggregat-Mikroplastik von tatsächlich ausgebaggerten Meeressedimenten behindert.

Daher ist es notwendig, Trenn- und Identifizierungsmethoden zu entwickeln, die ungiftig und einfach durchzuführen sind und viele Arten von Mikroplastik unter natürlichen Bedingungen effizient nachweisen können, die ohne den Einsatz spezieller Geräte auf kontaminiertes Mikroplastik angewendet werden können.

In dieser Studie haben wir eine Technik entwickelt, um Mikroplastik aus Sedimentproben, die aus der Umwelt stammen, zu isolieren, zu färben und nachzuweisen (und grob zu klassifizieren). Diese kombinierte Methode, die Färbe- und Siebprozesse umfasst, kann zur Trennung von Mikroplastikpartikeln nach ihrer Größe und Art verwendet werden und entspricht den geotechnischen Industriemethoden und -standards (JGS30,31, ISO32,33, EN34 und ASTM35,36).

Das Ziel der vorgeschlagenen Methode sind mit Mikroplastik kontaminierte Sedimente, die Kunststoffe für den täglichen und landwirtschaftlichen Gebrauch wie chemische Düngemittel, mit Textilabfällen vermischte Wäscheabwässer usw. enthalten. Diese vorgeschlagene Methode hat mehrere Vorteile. Erstens werden grundlegende geotechnische oder geologische Geräte mit ungiftigen Reagenzien eingesetzt, die in den meisten Bereichen der Geologie verfügbar sind. Es kann auch mit der Mikroskopie kombiniert werden und ermöglicht so die Erkennung von kleinteiligem Mikroplastik. Zweitens kann es bei der Umsetzung in Industrieprojekten auf Boden- und Bodenverunreinigungen sowie andere Bau- und Umweltindustrien angewendet werden. Drittens kann die vorgeschlagene Methode in etwa einer Stunde abgeschlossen werden.

Es ist wichtig, ein geeignetes Färbelösungsmittel aus handelsüblichen Anthrachinon- und Azofarbstoffen zum Färben von Sediment- und Partikelmischungen auszuwählen. Azofarbstoffe können sowohl natürliche als auch synthetische Textilprodukte färben und ihr Färbeverfahren ist einfach39. In dieser Studie untersuchten wir die Effizienz des Färbefarblösungsmittels bei unterschiedlichen Verdünnungen und zeigten, dass eine Verdünnung des Lösungsmittels zu einem schwächeren Färbeergebnis führt. Darüber hinaus war rot gefärbtes Mikroplastik, das mit Sedimenten vermischt war, besser sichtbar als Mikroplastik, das mit anderen Farben gefärbt war; Deshalb haben wir in unseren Experimenten den roten Farbstoff verwendet. Die Löslichkeit des Farbstoffs ist ein wichtiger Parameter beim Färben40, und unsere Ergebnisse zeigen, dass es wichtig ist, die Konzentration des Färbelösungsmittels für verschiedene Kunststofftypen vor den Experimenten und der Feldanwendung anzupassen.

Das Testverfahren der vorgeschlagenen Methode ist wie folgt: (1) Nasssiebverfahren werden auf ausgebaggerte Sedimente unter Verwendung von Standardmethoden (JGS, ISO, ASTM, EN usw.) angewendet, (2) rot gefärbtes Färbelösungsmittel wird zehnfach verdünnt destilliertes Wasser und filtriert durch eine 0,25-mm-Membran, (3) die gesiebten Sedimente werden mit verdünnten Färbelösungsmitteln gemischt und 20 Minuten lang auf 105 °C erhitzt, und (4) nach dem Abkühlen wird die Probe ohne Hilfsmittel und auch mit einem visuell beobachtet Optisches Mikroskop.

Das Färbelösungsmittel auf Azofarbstoffbasis kann zur groben Klassifizierung verschiedener Kunststoffarten anhand der Färbetemperatur verwendet werden. Der Zusammenhang zwischen der Art des Kunststoffs und der Färbetemperatur unter atmosphärischen Druckbedingungen ist in Tabelle 1 dargestellt.

Die Möglichkeit, Kunststoffarten nur anhand ihrer Färbetemperatur (60 °C, 80 °C und > 100 °C) grob zu klassifizieren, ohne dass ein chemisches Analysegerät erforderlich ist, ist einer der Vorteile unserer vorgeschlagenen Methode.

Unsere Methode konnte jedoch Fluoridpolymer-Mikroplastik nicht anfärben, was darauf hindeutet, dass unser Protokoll möglicherweise nicht alle Arten von Mikroplastik unter atmosphärischem Druck erfolgreich erkennt. Wir konnten PTFE unter hohen Drücken und Temperaturen färben, die den Sterilisationsbedingungen im Autoklaven ähneln (121 °C und 0,07 MPa), aber das Ergebnis war aufgrund des unregelmäßigen Färbemusters nicht zuverlässig.

Die Identifizierung kleiner Partikel ist bei der Untersuchung mariner Ökosysteme wichtig, da diese für benthische Mikroorganismen verfügbar sind und durch die Aufnahme auf höhere Ebenen der Nahrungskette übertragen werden können3. Mit der vorgeschlagenen Methode lässt sich Mikroplastik etwa mit Biofilmbeschichtungen oder Aggregaten mit anderen Stoffen aus ausgebaggerten Sedimenten leichter erkennen als mit anderen verfügbaren Techniken. Durch die ATR-FTIR-Analyse konnte das rot gefärbte Mikroplastik (PP) identifiziert werden, die weiß gefärbten Partikel konnten jedoch nicht nachgewiesen werden. Dieses positive Ergebnis impliziert, dass die vorgeschlagene Methode im Gegensatz zu den anderen verfügbaren Methoden zur Beobachtung von Mikroplastik zur visuellen Klassifizierung der Mikroplastikarten verwendet werden kann41. Darüber hinaus wurden die kleineren Partikel in den Fraktionen 2–5 erfolgreich und effizienter gefärbt als mit anderen Markierungsmethoden wie Nilrot- und Fluoreszenzfärbung37,42.

Die vorgeschlagene Methode in Kombination mit Sieben und Färben kann verwendet werden, um mit wenigen einfachen Schritten selektiv verschiedene Arten von Kunststoffen aus Meeresbodensedimenten zu identifizieren.

In dieser Studie wurden mit Mikroplastik kontaminierte Sedimente in der Nähe von Flussmündungen oder Flussmündungen mithilfe einer Kombination aus einem neuen Färbeverfahren und konventioneller geotechnischer Ausrüstung untersucht. Bei dieser vorgeschlagenen Methode wird ein ungiftiger Azofarbstoff verwendet, der sicher und einfach anzuwenden ist und von Geotechnik-/Umweltingenieurunternehmen verwendet werden kann. Es kann auch Schülern an Grund- und Mittelschulen beigebracht werden. Labortests mit künstlichem Kunststoff gemischt mit Toyama-Sand zeigen, dass Rot die beste Färbelösungsmittelfarbe ist. Als tatsächlich ausgebaggerte Sedimente getestet wurden, ermöglichte die vorgeschlagene Methode die visuelle Erkennung großer Nano-/Mikroplastikpartikel ohne Hilfsmittel und die Erkennung kleinerer Partikel mithilfe eines optischen Mikroskops. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Nasssiebung in Kombination mit einer Färbung Mikroplastik in Sedimenten leicht unterscheiden kann. Darüber hinaus können Partikel, die größer als 2,0 mm sind, mit bloßem Auge beobachtet werden, selbst wenn die Probe trüb ist, und Partikel im Bereich von 0,1 bis < 2,0 mm können mit einem Mikroskop beobachtet werden. Die Methode kann auch Partikeltypen unterscheiden. Diese Studie ist von Bedeutung, da eine Methode entwickelt wurde, die erschwinglich und einfach ist und Mikroplastik in Sedimenten effizient analysieren kann. Allerdings sind zusätzliche Experimente bei verschiedenen Temperaturen und mit unterschiedlichen Heizdauern erforderlich, um diese Methode zu evaluieren und optimale Färbebedingungen zu bestimmen. Darüber hinaus werden wir Sedimente verwenden, die an verschiedenen geografischen Standorten und aus unterschiedlichen Tiefen gesammelt wurden, um die Effizienz unserer Methode weiter zu testen. Schließlich werden wir Screening-Methoden der künstlichen Intelligenz mit der vorgeschlagenen Methode zum Färben von Fotos kombinieren, um das Mikroplastik anhand von Form- und Farbinformationen zu identifizieren. Das Endziel dieser Forschung besteht darin, einfache Screening-Methoden ohne den Einsatz spezifischer Instrumente wie TGA-DTA und ATR-FTIR zu etablieren und die Umwelterziehung im Primar- oder Sekundarbereich zu fördern.

Im Experiment wurde ein Färbelösungsmittel mit ungiftigem Anthrachinon und Dispersionsfarbstoffen auf Azobasis verwendet (Murakami Corp, Kyoto, Japan). Dieses Lösungsmittel enthielt die vier Farben (Gelb, Rot, Blau und Grün, Abb. 2a). Zunächst wurde die Hauptquelle für Mikroplastik, PE, mit den vier Grundfarben gefärbt, die anhand der Färbeintensität ohne Verschmutzungen überprüft wurden. Die vier farbigen PP-Proben wurden mit natürlichem Strandsand aus Toyama Bay, Japan, gemischt und ihre Sichtbarkeit bewertet. Im zweiten Experiment wurden drei Arten von Kunststoffen in den Färbeprozess mit unverdünntem roten Färbelösungsmittel bei drei Temperaturen einbezogen und der Einfluss der Färbetemperatur bewertet, der zur groben Klassifizierung der Kunststoffarten verwendet werden kann. Die optimale Färbetemperatur der drei Kunststoffarten ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Klassifizierung der Mikroplastikarten beim Färbeverfahren hängt von der Färbetemperatur ab: 60 °C bis 80 °C für PE und 80 °C bis > 100 °C für PP und PS. Im zweiten Experiment wurde eine Wärmeblockmaschine (Trockenbad) (HDB-2N, As One, Japan) verwendet, die auf drei Temperaturbedingungen eingestellt war, um die Proben 20 Minuten lang zu erhitzen.

Die Wirkung der vorgeschlagenen Färbemethode wurde mithilfe von ATR-FTIR, einer herkömmlichen Methode zum Nachweis von Mikroplastik, bewertet. Zwei Proben, nämlich die Originalprobe und die bei 105 °C gefärbte PP-Probe, wurden mittels ATR-FTIR (FT/IR-6600, Jasco, Japan) bewertet.

Schließlich ist die ausgewählte Farbe des Färbelösungsmittels Rot, das die empfohlenen Verdünnungen von 1:10 bzw. 1:20 für diese Experimente anwendet, um PP (spezifisches Gewicht = 0,91), PE (spezifisches Gewicht = 0,92) und PS (spezifisches Gewicht) zu färben = 1,05) Pellets (Sanplatec Corp., Japan). Das ausgewählte Färbelösungsmittel kann verschiedene Mikroplastiken, einschließlich PP, PE und PS, bei verschiedenen Färbetemperaturen selektiv anfärben. Um die Wirksamkeit des Färbeprozesses zu bestimmen, wurden drei Arten von Mikroplastik ausgewählt. Im letzten Experiment wurde eine Wärmeblockmaschine (Trockenbad) (HDB-2 N, As One, Japan) verwendet, die auf eine maximale Temperatur von 105 °C eingestellt war, um die Proben 20 Minuten lang zu erhitzen, und die Färbeeffizienz wurde mit bestimmt das bloße Auge, das die angemessene Verdünnungsrate der vorgeschlagenen Methode definiert, z. B. Nichtverdünnung, 1:10 oder 1:20.

Eine Sedimentprobe wurde mit einem Eckman-Binnenbodenprobenehmer (Rigo, Japan) vom Hafen Shin-Minato in Toyama, Japan, gesammelt (GPS-Koordinaten: N36°46′15,8″, E137°05′46,8″; Tiefe von der Meeresoberfläche: 2,8). M).

Die Sedimentprobe wurde in sechs Fraktionen gesiebt: (1) > 2,0 mm, (2) 0,85–2,0 mm, (3) 0,42–0,85 mm, (4) 0,25–0,42 mm, (5) 0,106–0,25 mm und ( 6) < 0,106 mm. Von jeder Fraktion wurden drei Replikate analysiert. Fraktion 1 (> 2,0 mm) wurde mit Leitungswasser gespült und in ein 50-ml-Becherglas gegeben. Das Becherglas wurde mit Färbelösungsmittel gefüllt, um die Oberseite der Probe zu bedecken, und 20 Minuten lang bei 105 °C gehalten. Die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Methode wurde durch die Analyse gefärbter Proben aus den Fraktionen 1 und 2 mittels ATR-FTIR-Analyse (Nicolet Summit, ThermoFisher) validiert und die Kunststoffarten bestätigt. Bei ATR-FTIR wird eine Infrarotspektrendatenbank verwendet, um die Art des Kunststoffs genau zu bestimmen43.

Die verbleibenden Fraktionen wurden in den folgenden Schritten verwendet. Wir haben 0,2 g jeder Fraktionsprobe in einzelne 15-ml-Glasreagenzgläser gegeben. Dann wurden jedem Reagenzglas 10 ml zehnfach verdünntes Lösungsmittel zur roten Färbung zugesetzt und mit der Probe unter Verwendung eines Vortex-Mischers (Kenis, Japan) gemischt. Nach dem Mischen wurde das Reagenzglas mit einer Aluminiumkappe abgedeckt, um eine Kontamination mit Mikrofasern aus der Raumluft zu verhindern. Die Färbung wurde 20 Minuten lang bei 105 °C durchgeführt. Unmittelbar nach dem Erhitzen wurden die Proben dreimal mit Leitungswasser gespült. Die Proben wurden sanft und sorgfältig gespült, um den Verlust der schwimmenden Mikroplastikarten zu vermeiden. Am Ende dieses Prozesses wurde der auf der Mikroplastikoberfläche verbleibende Farbstoff für weitere Analysen verwendet. Gespülte Mikroplastik-Mischsedimente wurden mithilfe von Glasfaserfiltern mit einer Vakuumfiltrationsmaschine gefiltert. Nach der Vakuumfiltration wurden die Glasfaserfilter unter einem optischen Mikroskop (BHM-Serie, Olympus Japan) beobachtet, um Mikroplastik oder Fasern zu erkennen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Forschung wurde teilweise von der Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI finanziert (Fördernummer: 17K18909, 19H02239). Wir danken den Hafenbehörden von Shiminato für ihre Unterstützung vor Ort.

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, Graduate School of Advanced Science and Engineering, Universität Hiroshima, 1-4-1 Kagamiyama, Higashi-hiroshima, Hiroshima, 739-8527, Japan

Toshiro Hata

Institut für Geotechnik, Southeast University, Nanjing, 211189, Jiangsu, China

Ningjun Jiang

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TH konzipierte die Forschungsidee, führte die Experimente und Datenanalysen durch, akquirierte Fördermittel und erstellte den Originalentwurf des Manuskripts. NJ überprüfte und validierte die vorgeschlagene Methode und trug zum Verfassen, Überprüfen und Bearbeiten des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Toshiro Hata.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hata, T., Jiang, N. Vorschlag für eine erste Screening-Methode zur Identifizierung von Mikroplastik in Meeressedimenten. Sci Rep 11, 20651 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-00228-3

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Eingegangen: 14. Juli 2021

Angenommen: 04. Oktober 2021

Veröffentlicht: 19. Oktober 2021

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-00228-3

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