Tilbake til søkeresultatene

MARINFORSK-Marine ressurser og miljø

Analysis techniques for quantifying nano-and microplastic particles and their degradation in the marine environment

Alternativ tittel: Analysemetoder for kvantifisering av nano- og mikroplastpartikler og deres nedbrytning i marint miljø

Tildelt: kr 1,6 mill.

Følgende er en oppsummering av SINTEF Oceans aktiviteter og resultater i JPI Oceans-prosjektet ANDROMEDA. Prosjektet hadde som mål å utvikle en instrumentplattform for avansert karakterisering av nanoplast (NP; <1 µm) og små MP (sMP; 1-10 µm). SINTEF Oceans hovedfokus i prosjektet var utvikling og optimering av avanserte teknikker for å måle og kvantifisere sMP og andre utfordrende MP partikkeltyper (f.eks. mikrofiber, partikler fra dekkslitasje og målingsflak). Dette innebar karakterisering av delvis degradert sMP/NP fra laboratorieforsøk som så på degraderings- og fragmenteringsmekanismer av plast til MP og NP. Vi undersøkte også utlekkingen av kjemikalier assosiert med plast under nedbrytningsprosesser. SINTEF Ocean har sett på mulige metoder for å produsere referansematerialer av sMP og NP som er relevante for partikler som finnes i miljøet. Et utvalg av polymerprodukter (inkludert fra polyetylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS) og polyetylentereftalat (PET)), med ulikt innhold av kjemikalier, har blitt kryomøllet og siktet for å oppnå en fraksjon av partikler <100 µm (CARAT GmbH). Det har vist seg at kryomølling alene ikke kan produsere tilstrekkelige mengder av partikler <10 µm for bruk i forsøk. SINTEF Ocean har derfor forsøk en kombinasjon av termisk behandling, akselerert oksidering (UVC-ozon) og ultralyd, samt sett på en metode med delvis oppløsning av partikler. Disse metodene kan produsere partikler nok til enkelte labforsøk, men videre metodeutvikling vil fortsette i nye prosjekter. For å isolere fraksjoner av de partikkelstørrelsene vi ønsker for de ulike studiene planlagt i ANDROMEDA (MP 10-100 µm; sMP 1-10 µm; NP <1 µm), har vi brukt kommersielt tilgjengelige plastpartikler for å utvikle en fraksjoneringsprosedyre basert på en kombinasjon av rørecelle-filtrering, med en serie av filtre med ulik porestørrelse og sentrifugalfiltrering (NP <1 µm). Metoden har blitt validert og brukt i prosjektet. I ANDROMEDA har SINTEF Ocean vært med på å etablere kombinerte identifikasjons- og massebaserte kvantifiseringsmetoder for sMP og NP av ulike polymerer ved bruk av field-flow-fraksjonering (FFF) og pyrolyse GC-MS (pyGC-MS). Løsemiddelekstraksjon for oppkonsentrering og overføring av sMP og NP i vannprøver til et format som egner seg for pyGC-MS er validert for PE, PS, PP og PET. De mest lovende teknikkene for størrelseskarakterisering inkluderer optiske metoder (Morphology G3) for sMP-fraksjonen og DLS eller Nano Tracking Analysis (NTA) for NP-fraksjonen. Disse metodene er brukt sammen for å karakterisere produserte testmaterialer. SINTEF Ocean har gjennomført et samarbeidsstudium med instrumentprodusenten Agilent for å undersøke forbedringer i analyse og kvantifisering av mikroplastfibre, som er en utfordrende form for MP der konvensjonelle teknikker som µFTIR kan identifisere en enkelt fiber som multiple partikler. Vi har anskaffet og modifisert CaF2-plater og testet om disse kan benyttes i µFTIR-analyse for å sikre at alle deler av fibrene er i ett enkelt fokalt plan. Platene yter begrenset forbedring, men testing med LDIR-instrument indikerer signifikant forbedring i forhold til konvensjonell µFTIR-metode og fremstår som et godt alternativ. Platene viser seg å forbedre analysen ved å holde fibrene i det optiske planet, men reduserer til dels sensitiviteten i målingene. ANDROMEDA har utviklet og publisert en metode for kontrollert akselerert hydrolytisk degradering av utvalgte polymere. Graden av degradering kan enkelt kontrolleres der full degradering oppnås innen 3 timer ved de betingelsene som er brukt. ANDROMEDA har også undersøkt bruk akselerert UV-degradering for å simulere nedbrytning i naturlig sollys. Omfattende degraderingsstudier har blitt gjennomført for å undersøke mekanismene for UV-degraderingen i detalj, samt undersøke effekten av parametere som temperatur og pH. Spesielt fokus har blitt gitt til utlekking av plastkjemikalier og degraderingsprodukter. Partnere med spesialisering i formidling, kommunikasjon og databehandling sikrer et sterkt engasjement fra interessentene og effektiv deling av prosjektresultater. Det ble opprettet et nettsted for prosjektet (https://www.andromedaproject.net/) med jevnlige publiseringer i sosiale media. ANDROMEDA har vært direkte involvert i den tekniske arbeidsgruppen på marin forsøpling (TGML) i EU MSFD og bidratt direkte til en EU-melding ('White Paper') på mikroplast og et ledende dokument for overvåkning av plastsøppel. Prosjektet er også indirekte involvert i forhandlingene om en global plastavtale via forskernettverket 'Scientists Coalition for an Effective Plastics Treaty (SCEPT)' og konferanseserien MICRO.

Optimised sampling methods were developed, enabling validated sampling that can be compared with conventional MP techniques in water and atmosphere. An optimised MP sampling device for water, which can be attached to a pumping system or ferrybox, was developed, tested, compared, and used in different European seas. Similar work was carried out for two MP sampling devices. An Andromeda smartphone allowing in-situ MP monitoring on beaches was developed and launched. Cost-effective analysis techniques based on automated image analysis using hyperspectral imaging or fluorescence microscopy were developed for polymer identification. Andromeda demonstrated the importance of using reference materials for calibration and degradation experiments. Project outcomes include the use of auto-coding networks to reconstruct FTIR and Raman spectra particularly when targeting specific particles. It was also demonstrated that the analytical combination of FFF and pyGC-MS could be an interesting approach for the analysis of polymers in heterogeneous samples. Our efforts have led to the development of a deep learning method for signal enhancement of FTIR and Raman spectra in the analysis of environmental samples. Similarly, certain techniques (LC-HRMS, pyGC-MS, SEM) have proved highly effective for the analysis of TWPs in the marine environment. The use of platinized membranes proved particularly effective for the analysis of MPs (1 to 10 µm) by Raman microscopy, while SEM-Raman proved suitable for the identification of NPs. Research into plastic (bio)degradation showed that degradation processes vary greatly depending on the material properties and the environmental conditions. Material were degraded in situ and in the laboratory under different light and pressure conditions. Results showed bacteria produce dissolved compounds from various polymers such as TWPs, PET and PVC. Sediments were shown to be a significant source of toxic organic additives for the entire water column. The degradation of plastic polymers induces the production of plastic fragments and dissolved compounds that are toxic to organisms in the marine environment. Communication and dissemination activities amplified scientific achievements and reached intended target audiences. Interaction with key stakeholders was achieved by applying classic communication tools (website and social media). To increase visibility, the project developed information-rich documents for the general public on microplastic pollution in the marine environment. Stakeholder workshops ensured dialogue and mutual learning between researchers and key stakeholders around the cost effectiveness of microplastic analysis methods for seawater samples, which specifically focused on engaging policy and decision makers. Relevant communication material and documents such as the project brochure, ANDROMEDA factsheets and the stakeholder workshop reports are all available for download from the project website.

Current methods for microplastic (MP) analysis can be divided into low-cost versus more advanced methods. ANDROMEDA recognizes that further development and validation is needed for both approaches. Low-cost methods are needed that can identify a broad range of MP polymers with acceptable accuracy. Advanced methods need further development in order to push the limit of detectability for smaller sizes of MP and nanoplastics (NP) and improve their ability to analyze MP types that are currently difficult to analyze by microspectroscopy. Moreover, to study plastic degradation mechanisms over a reasonable time frame, lab-based accelerated degradation approaches are required that mimic natural fragmentation and additive chemical leaching. Within ANDROMEDA, in situ MP detection, efficient sampling and cost-effective laboratory methods will be developed and optimized to analyze MP. Approaches will be based on hyperspectral imaging, chemical markers and fluorometric detection techniques. Advanced analysis techniques making use of µFTIR, Raman imaging and SEM-EDX (amongst others) will be applied to quantify and characterize MP and NP down to 1 µm, 0.2 µm or lower. Specific tasks will focus on challenging types of MP such as microfibers, tire wear particles (TWPs) and paint flakes. UV, hydrolytic and thermo-oxidative methods to study accelerated plastic degradation at the lab-scale will be developed and used to prepare partially degraded reference materials. Comprehensive degradation studies will be conducted to study in detail the mechanisms of UV and microbial degradation, as well as to investigate the influence of parameters such as temperature, pH and hyperbaric pressure, where attention will be paid to additive chemical leaching. Quality assurance will be a central theme in all aspects of the project. Partners specialized in dissemination, communication and data management will ensure strong stakeholder involvement and efficient outreach of the project results.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

MARINFORSK-Marine ressurser og miljø