Kwantificering van micro- en nanoplastics op basis van polybutyleenadipaat teftalaat uit de bodem met behulp van proton nucleaire magnetische resonantiespectroscopie
6 juni 2025
Een methode om micro- en nanoplastics afkomstig van polybutyleendepeasettereftalaat in de bodem te kwantificeren met behulp van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie wordt hier beschreven. Deze techniek is een verbetering van de bestaande methodologie omdat deze zich uitstrekt tot de kwantificering van nanoplastics en gemakkelijk kan worden aangepast voor het verwerken van milieumonsters in bulk.
We hebben deze methode ontwikkeld zodat we meer te weten konden komen over de biologische afbraak van biologisch afbreekbare kunststoffen en aarde. Biologisch afbreekbare plastic producten zijn ontworpen om volledig af te breken nadat ze in de grond zijn begraven, maar we hadden een manier nodig om kleine plastic fragmenten te meten die in de grond zouden kunnen achterblijven. Kwantificeringsmethoden voor microplastics hebben zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld en zijn niet gestandaardiseerd tussen groepen.
Microplastics zijn gekwantificeerd uit de bodem met behulp van verschillende technologieën. We denken dat het ontwikkelen van methoden voor NMR-spectroscopie belangrijk is om de toegang tot kwantificering van microplastics te diversifiëren. NMR is eerder gebruikt om PBAT van plastic producten in de bodem te kwantificeren.
We hebben dit protocol gemaakt en gedeeld om deze techniek aan te passen tot een hulpmiddel dat milieuwetenschappers en anderen kunnen gebruiken om PBAT snel te kwantificeren uit talrijke bodemmonsters tegelijkertijd, waardoor grootschalige milieumonitoring mogelijk is. Ons protocol omvat het terugwinnen van PBAT-polymeer in een oplosmiddel. Omdat de methode niet gericht is op het isoleren van individuele plastic deeltjes, wordt deze niet beperkt door de grootte van micro- of nanoplastics.
Er zijn enkele compromissen, maar dit stelt ons in staat om meer te weten te komen over de biologische afbraak van nanoplastics in de bodem. Nu we micro- en nanoplastic in de bodem kunnen kwantificeren, willen we meer leren over hoe nanoplastics interageren met bodembestanddelen zoals organisch materiaal en bodemmineralen. Deze interacties kunnen een belangrijke factor zijn en kunststoffen beschermen tegen biologische afbraak door microbiële enzymen.
Verzamel en bereid om te beginnen de grond voor op de extractieprocedure. Bereid in een zuurkast een mengsel van 100 milliliter 90 tot 10 volumevolume van chloroform en methanol voor elk te extraheren monster. Voeg 100 gram droge grond, 100 milliliter chloroform-methanoloplossing en 20 glaskralen toe aan een glazen extractiepot.
Sluit de pot goed af met met PTFE beklede deksels om te voorkomen dat oplosmiddeldamp ontsnapt. Plaats de extractiepot op een schudtafel en schud acht uur lang met 200 omwentelingen per minuut. Laat na het schudden de grond in de extractiepot minimaal vier uur bezinken.
Verwijder nu de dop van een extractiepot in een zuurkast. Laad het vloeibare extract met behulp van een pipet op een kwalitatief papieren filter met een poriegrootte van 11 micrometer en verzamel het filtraat in een geëtiketteerde, schone glazen pot. Noteer het volume van het teruggewonnen oplosmiddel.
Laat het extract in de grond volledig drogen in de zuurkast, dit kan tot 24 uur duren. Gooi de gedroogde grond vervolgens veilig weg. Zodra het extract droog is, sluit u het monsterpotje af en bewaart u het op een koele, donkere, droge plaats voor later gebruik.
Verkrijg om te beginnen gedroogd grondextract dat polybutylenadipaattereftalaat of PBAT bevat. Voeg een milligram van de interne calibrant 1, 4-dimethoxybenzeen toe aan elke monsterpot met het gedroogde extract. Resuspendeer het monster in 500 microliter gedeutereerd chloroform in een zuurkast.
Sluit de pot af en tik hem ongeveer 10 keer aan elke kant zachtjes tegen een hand of bank. Gebruik vervolgens een schone pipetpunt om het opgeloste monster in een NMR-buisje over te brengen. Herhaal de resuspensiestap met nog eens 500 microliter gedeutereerde chloroform en trek het monster eraan.
Sluit de NMR-buis af en bewaar deze drie dagen voordat u de NMR-spectra verzamelt. Het spectrum van schaduwrijke leemgrond verrijkt met 63 milligram per kilogram PBAT vertoonde alle vijf karakteristieke PBAT-pieken duidelijk opgelost. Kalibratiecurves toonden sterke correlaties tussen de hoeveelheid PBAT die werd toegevoegd en gemeten in schaduwleem, Elkhorn zandige leem en Los Osos-leem, waarbij schaduwleem de hoogste extractie-efficiëntie behaalde met 76%PBAT-extractie-efficiëntie uit schaduwleem was hoger voor microplastics dan voor nanoplastics.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een methode om micro- en nanoplastics van polybutyleenadipaattereftalaat in bodem te kwantificeren met behulp van nucleaire magnetische resonantiespectroscopie. De techniek verbetert bestaande methodologieën door de kwantificering van nanoplastics mogelijk te maken en is aanpasbaar voor de bulkverwerking van milieu-monsters.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Milieuwetenschappen
- Plasticvervuiling
- Analytische Chemie
Achtergrond
- Biologisch afbreekbare plastics zijn ontworpen om in de bodem af te breken.
- Kleine plasticfragmenten kunnen in het milieu blijven voortbestaan.
- Methoden voor de kwantificering van microplastics evolueren snel.
- Er is een gebrek aan standaardisatie van deze methoden tussen verschillende onderzoeksgroepen.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een methode voor het meten van micro- en nanoplastics in bodems.
- Het verbeteren van de toegankelijkheid van technieken voor de kwantificering van microplastics.
- Het verdiepen van het inzicht in de degradatie van biologisch afbreekbare plastics.
Gebruikte methoden
- Nucleaire magnetische resonantie (NMR)-spectroscopie.
- Aanpassing voor bulkverwerking van milieu-monsters.
- Kwantificering van PBAT uit plasticproducten in bodem.
- Vergelijking met bestaande technologieën voor de kwantificering van microplastics.
Belangrijkste resultaten
- De methode kwantificeert micro- en nanoplastics succesvol.
- NMR-spectroscopie biedt een betrouwbaar alternatief voor kwantificering.
- Resultaten wijzen op de aanwezigheid van kleine plasticfragmenten in de bodem.
- De techniek kan worden gestandaardiseerd voor breder wetenschappelijk gebruik.
Conclusies
- De ontwikkeling van NMR-methoden diversifieert de kwantificering van microplastics.
- Standaardisatie is essentieel voor consistente onderzoeksresultaten.
- Verder onderzoek is nodig om biodegradatieprocessen te begrijpen.
Veelgestelde Vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Kwantitatieve beoordeling van polybutyleenadipaattereftalaat (PBAT) micro- en nanoplastics in bodems is essentieel voor het evalueren van de milieupersistentie en degradatie van biologisch afbreekbare polymeren. Deze NMR-gebaseerde workflow maakt nauwkeurige meting van PBAT-fragmenten mogelijk, wat bijdraagt aan de voorspellende betrouwbaarheid van studies naar het milieulot en risico-gecorrigeerde beslissingen ondersteunt voor de ontwikkeling van duurzame materialen. De methode vormt een cruciaal omslagpunt in het continuüm van ontdekking naar validatie voor biologisch afbreekbare plastics.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt onderzoek mogelijk naar PBAT-afbraakpaden en de persistentie van fragmenten in complexe bodemmatrices.
- Ondersteunt biologische risicovermindering door residuele micro- en nanoplastics na biodegradatie te kwantificeren.
- Vergemakkelijkt voorspellende betrouwbaarheid van milieuveiligheidsprofielen voor nieuwe biologisch afbreekbare materialen.
Screening & assayontwikkeling
- Bereidt gevalideerde systemen voor bodemextractie en kwantificering voor voor downstream workflows voor milieumonitoring.
- Standaardiseert de kwantificering van PBAT in diverse bodemtypen, waardoor de reproduceerbaarheid en vergelijkbaarheid worden verbeterd.
- Maakt schaalbare, parallelle verwerking van milieu-monsters mogelijk voor high-throughput screening van degradatieresultaten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt laboratoriumkwantificering van PBAT-fragmenten uit met milieueffectrapportages die relevant zijn voor regelgevende en translationele studies.
- Ondersteunt de continuïteit van materiaalondekking tot preklinische milieualidatie door het bieden van robuuste kwantitatieve eindpunten.
- Verlaagt het risico bij de verdere ontwikkeling van biologisch afbreekbare polymeren door persistentie en transformatie in matrices uit de echte wereld te verduidelijken.
Integratie van pijplijn en workflow
Deze op NMR gebaseerde kwantificeringsmethode is geïntegreerd in de pijplijn voor milieubeoordeling, van vroege ontdekking tot preklinische validatie van biologisch afbreekbare materialen.
- Discovery Biology: Biedt kwantitatieve eindpunten voor hypothesetesten over PBAT-degradatie en mechanismen van bodeminteractie.
- Screening: Levert reproduceerbare, grootte-onafhankelijke kwantificering van PBAT-fragmenten voor assay-gereedheid en vergelijkbaarheid tussen studies.
- Analytics: Genereert robuuste, kwantitatieve NMR-uitlezingen ter ondersteuning van statistische vergelijkingen van extractie-efficiënties en degradatiesnelheden.
- Translational Research: Slaat een brug tussen laboratoriumbevindingen en studies naar milieueffecten, ter ondersteuning van biomarker-afstemming voor regelgevende indieningen.
- Enterprise Reuse: Biedt een gestandaardiseerd, schaalbaar protocol dat aanpasbaar is aan verschillende biologisch afbreekbare polymeren en bodemtypen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen in het milieuverloop en de doelvalidatie voor biologisch afbreekbare plastics.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van workflows voor de kwantificering van micro- en nanoplastics.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen voor materiaalinnovatie en vermindert milieurisico's in een laat stadium.
- Impact op portfolio: Ondersteunt de risico-gecorrigeerde prioritering van duurzame polymeerkandidaten op basis van kwantitatieve milieu-eindpunten.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in NMR-spectroscopie en kwantitatieve analytische chemie.
- Toegang tot infrastructuur voor solventextractie en hoogveld-NMR-instrumentatie is noodzakelijk.
- Vereist standaardisatie van extractie- en kwantificeringsprotocollen tussen teams voor reproduceerbaarheid.
- Kan aanpassing vereisen voor bodems met een hoog kleigehalte of voor andere biologisch afbreekbare polymeren.
- De extractie-efficiëntie varieert per bodemtype en partikelgrootte, wat de gevoeligheid en vergelijkbaarheid beïnvloedt.
