Kwantyfikacja mikro- i nanoplastików na bazie politereftalanu adypinianu butylenu z gleby za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego protonów
6 czerwca 2025
Metoda ilościowego oznaczania mikro- i nanoplastików pochodzących z politereftalanu adypinianu butylenu w glebie za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego jest opisana tutaj. Technika ta stanowi ulepszenie istniejącej metodologii, ponieważ obejmuje kwantyfikację nanoplastików i można ją łatwo dostosować do masowego przetwarzania próbek środowiskowych.
Opracowaliśmy tę metodę, abyśmy mogli dowiedzieć się więcej na temat biodegradacji biodegradowalnych tworzyw sztucznych i gleby. Biodegradowalne produkty z tworzyw sztucznych są zaprojektowane tak, aby uległy całkowitej degradacji po zakopaniu w glebie, ale potrzebowaliśmy sposobu na zmierzenie małych fragmentów plastiku, które mogą pozostać w glebie. Metody oznaczania ilościowego mikroplastiku rozwinęły się szybko w ciągu ostatnich kilku lat i nie są standaryzowane między grupami.
Mikrodrobiny plastiku zostały określone ilościowo z gleby przy użyciu wielu różnych technologii. Uważamy, że opracowanie metod spektroskopii NMR jest ważne dla dywersyfikacji dostępu do kwantyfikacji mikroplastiku. NMR był wcześniej używany do ilościowego oznaczania PBAT z produktów z tworzyw sztucznych w glebie.
Stworzyliśmy i udostępniliśmy ten protokół, aby zaadaptować tę technikę do narzędzia, które naukowcy zajmujący się ochroną środowiska i inni mogą wykorzystać do szybkiego ilościowego oznaczania PBAT z wielu próbek gleby równolegle, co pozwala na monitorowanie środowiska na dużą skalę. Nasz protokół polega na odzyskaniu polimeru PBAT w rozpuszczalniku. Ponieważ metoda nie koncentruje się na izolowaniu pojedynczych cząstek plastiku, nie jest ograniczona rozmiarem mikro lub nanoplastiku.
Istnieją pewne kompromisy, ale pozwala nam to dowiedzieć się więcej o biodegradacji nanoplastiku w glebie. Teraz, gdy możemy określić ilościowo mikro i nano rozmiary tworzyw sztucznych w glebie, chcemy dowiedzieć się więcej o tym, jak nanoplastiki wchodzą w interakcje ze składnikami gleby, takimi jak materia organiczna i minerały glebowe. Interakcje te mogą być ważnym czynnikiem chroniącym tworzywa sztuczne przed biodegradacją przez enzymy mikrobiologiczne.
Aby rozpocząć, zbierz i przygotuj glebę przed procedurą ekstrakcji. W dygestorii przygotować 100-mililitrową mieszaninę chloroformu i metanolu o objętości 90 do 10 objętości dla każdej próbki, która ma być ekstrahowana. Dodaj 100 gramów suchej gleby, 100 mililitrów roztworu chloroformu metanolu i 20 szklanych kulek do szklanego słoika ekstrakcyjnego.
Szczelnie zamknij słoik pokrywkami wyłożonymi PTFE, aby zapobiec wydostawaniu się oparów rozpuszczalnika. Umieść słoik ekstrakcyjny na stole do wytrząsania i potrząsaj z prędkością 200 obrotów na minutę przez osiem godzin. Po wstrząśnięciu pozwól glebie w słoiku ekstrakcyjnym osiąść przez co najmniej cztery godziny.
Teraz odkręć słoik ekstrakcyjny w dygestorium. Za pomocą pipety załaduj płynny ekstrakt na wysokiej jakości filtr papierowy o porach o wielkości 11 mikrometrów i zbierz filtrat do oznaczonego czystego szklanego słoika. Zanotować objętość odzyskanego rozpuszczalnika.
Pozostaw ekstrakt w glebie do całkowitego wyschnięcia w dygestorium, co może potrwać do 24 godzin. Następnie bezpiecznie wyrzuć wysuszoną glebę. Po wyschnięciu ekstraktu zakryj słoik z próbką i przechowuj go w chłodnym, ciemnym i suchym miejscu do późniejszego wykorzystania.
Na początek uzyskaj suszony ekstrakt glebowy zawierający politereftalan adypinianu butylenu lub PBAT. Dodać jeden miligram kalibru wewnętrznego 1,4-dimetoksybenzenu do każdego słoika z próbką zawierającego wysuszony ekstrakt. Zawiesić próbkę w 500 mikrolitrach deuterowanego chloroformu w dygestorium.
Zakręć słoik i delikatnie postukaj nim o dłoń lub blat stołu około 10 razy z każdej strony. Następnie użyj czystej końcówki pipety, aby przenieść rozpuszczoną próbkę do probówki NMR. Powtórz etap ponownego zawieszania z kolejnymi 500 mikrolitrami deuterowanego chloroformu i wyciągnij próbkę.
Zakryj probówkę NMR i przechowuj ją przez trzy dni przed pobraniem widm NMR. Widmo zacienionej gleby gliniastej wzbogaconej o 63 miligramy na kilogram PBAT wykazało, że wszystkie pięć charakterystycznych pików PBAT jest wyraźnie rozwiązanych. Krzywe kalibracyjne wykazały silne korelacje między ilością dodanego PBAT i zmierzoną w glinie cienistym, glinie piaszczystej Elkhorn i glinie Los Osos, przy czym glina cienista osiągająca najwyższą wydajność ekstrakcji na poziomie 76% Wydajność ekstrakcji PBAT z gliny cienistej była wyższa dla mikroplastików niż dla nanoplastików.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł opisuje metodę ilościowego oznaczania mikro- i nanoplastików z polibutylenu adipianu tereftalanu w glebie przy użyciu spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego. Technika ta ulepsza istniejące metodologie, umożliwiając kwantyfikację nanoplastików, i jest dostosowana do masowego przetwarzania próbek środowiskowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauki o środowisku
- Zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi
- Chemia analityczna
Wstęp
- Tworzywa biodegradowalne są zaprojektowane tak, aby ulegały rozkładowi w glebie.
- Małe fragmenty plastiku mogą utrzymywać się w środowisku.
- Metody ilościowego oznaczania mikroplastiku ewoluują w szybkim tempie.
- Brakuje standaryzacji tych metod pomiędzy grupami badawczymi.
Cel badania
- Opracowanie metody pomiaru mikro- i nanoplastików w glebie.
- Usprawnienie dostępu do technik ilościowego oznaczania mikroplastików.
- Pogłębienie wiedzy na temat degradacji tworzyw biodegradowalnych.
Zastosowane metody
- Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).
- Adaptacja do masowego przetwarzania próbek środowiskowych.
- Kwantyfikacja PBAT z produktów plastikowych w glebie.
- Porównanie z istniejącymi technologiami kwantyfikacji mikroplastiku.
Główne wyniki
- Metoda ta pozwala na skuteczne oznaczanie ilościowe mikro- i nanoplastików.
- Spektroskopia NMR stanowi wiarygodną alternatywę dla kwantyfikacji.
- Wyniki wskazują na obecność niewielkich fragmentów plastiku w glebie.
- Technikę tę można zstandaryzować w celu szerszego zastosowania w badaniach.
Wnioski
- Opracowywanie metod NMR dywersyfikuje ilościowe oznaczanie mikroplastików.
- Standaryzacja jest kluczowa dla spójności wyników badań.
- Dalsze badania są niezbędne do zrozumienia procesów biodegradacji.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa ocena mikro- i nanoplastików polibutylenadipatereftalanu (PBAT) w glebie jest kluczowa dla analizy trwałości środowiskowej i degradacji polimerów biodegradowalnych. Ten przepływ pracy oparty na metodzie NMR umożliwia dokładny pomiar fragmentów PBAT, co zwiększa wiarygodność przewidywań w badaniach nad losem substancji w środowisku oraz wspiera decyzje uwzględniające ryzyko w zakresie rozwoju zrównoważonych materiałów. Metoda ta rozwiązuje kluczowy problem na etapie przejścia od odkrycia do walidacji w przypadku tworzyw sztucznych biodegradowalnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie szlaków degradacji PBAT oraz trwałości fragmentów w złożonych matrycach glebowych.
- Wspiera biologiczną ocenę ryzyka poprzez ilościowe określenie pozostałości mikro- i nanoplastików po biodegradacji.
- Ułatwia przewidywanie i potwierdzanie profili bezpieczeństwa środowiskowego dla nowych materiałów biodegradowalnych.
Przesiewy i opracowanie testów
- Przygotowuje zwalidowane systemy ekstrakcji i oznaczania ilościowego z gleby dla późniejszych etapów monitorowania środowiska.
- Standaryzuje oznaczanie ilościowe PBAT w różnych typach gleb, zwiększając powtarzalność i porównywalność wyników.
- Umożliwia skalowalne, równoległe przetwarzanie próbek środowiskowych w celu wysokoprzepustowego przesiewania wyników degradacji.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia zestawienie laboratoryjnej kwantyfikacji fragmentów PBAT z ocenami wpływu na środowisko, istotnymi dla badań regulacyjnych i translacyjnych.
- Wspiera ciągłość procesu od odkrycia materiału po przedkliniczną walidację środowiskową, dostarczając solidnych punktów końcowych analizy ilościowej.
- Minimalizuje ryzyko związane z wdrażaniem polimerów biodegradowalnych poprzez wyjaśnienie kwestii ich trwałości i transformacji w rzeczywistych matrycach środowiskowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta metoda ilościowa oparta na NMR integruje się z procesem oceny środowiskowej, od wczesnego etapu odkryć po walidację przedkliniczną materiałów biodegradowalnych.
- Biologia odkrywcza: dostarcza ilościowych punktów końcowych do testowania hipotez dotyczących degradacji PBAT oraz mechanizmów oddziaływania z glebą.
- Przesiewanie: zapewnia powtarzalną, niezależną od wielkości kwantyfikację fragmentów PBAT w celu przygotowania analizy i zapewnienia porównywalności między badaniami.
- Analityka: generuje wiarygodne, ilościowe odczyty NMR, które umożliwiają statystyczne porównanie wydajności ekstrakcji oraz szybkości degradacji.
- Badania translacyjne: łączą wyniki laboratoryjne z badaniami nad wpływem na środowisko, wspierając dostosowanie biomarkerów do wymogów zgłoszeń regulacyjnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwach: oferuje zestandaryzowany, skalowalny protokół, który można dostosować do różnych polimerów biodegradowalnych i typów gleby.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w zakresie losów w środowisku oraz walidacji celów dla tworzyw biodegradowalnych.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację, odtwarzalność i skalowalność procesów ilościowego oznaczania mikro- i nanoplastików.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac nad rozwojem materiałów oraz redukuje ryzyko środowiskowe na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację z uwzględnieniem ryzyka dla zrównoważonych kandydatów polimerowych w oparciu o ilościowe punkty końcowe dla środowiska.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu spektroskopii NMR oraz ilościowej chemii analitycznej.
- Niezbędny jest dostęp do infrastruktury do ekstrakcji rozpuszczalnikowej oraz aparatury NMR wysokopolowego.
- Wymagana jest standaryzacja protokołów ekstrakcji i oznaczania ilościowego pomiędzy zespołami w celu zapewnienia powtarzalności.
- Może być wymagana adaptacja metody dla gleb o wysokiej zawartości gliny lub dla innych polimerów biodegradowalnych.
- Wydajność ekstrakcji różni się w zależności od rodzaju gleby i wielkości cząstek, co wpływa na czułość i porównywalność wyników.
