Quantification of Microplastics in Soil and Sediment Using Dry-Ice-Assisted Fractionation

Význam tématu

Kontaminace mikroplasty v půdách a sedimentech nabývá na významu kvůli možnému ovlivnění kvality půdy, agroekosystémů a cestám expozice člověka. Spolehlivá, reprodukovatelná kvantifikace mikroplastů je klíčová pro porovnání studií, hodnocení rizik a zavedení monitorovacích postupů. Popisovaná metoda spojuje rychlé oddělení částic z matric a automatizované spektrální určování, čímž řeší několik běžných problémů analytiky mikroplastů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo vyvinout a ověřit praktický postup pro extrakci a kvantifikaci mikroplastů v půdách a sedimentech použitím dry‑ice‑assisted (suchý led) pěnové (foam) frakcionace v kombinaci s automatizovanou chemickou obrazovou analýzou pomocí Agilent 8700 LDIR. Metoda měla zajistit vyšší účinnost izolace širokého spektra polymerů, robustní kontrolu kvality vzorku a opakovatelné výsledky vhodné pro rutinní monitorování i výzkum.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika (klíčové kroky):

• Vzorek: 5 g freeze‑dried (lyofilizované) půdy nebo sedimentu vložené do speciální skleněné zkumavky s přetokovým otvorem.
• Generování pěny: ~3,5 g suchého ledu přidaného ke vzorku a 0,1 % Triton X‑100 jako surfaktant vedlo k intenzivnímu bublání a koncentrování mikroplastů ve vrstvě pěny/rozpouštědla.
• Hustotní separace: použití nasyceného roztoku CaCl2 ve směsi s hexanem pro oddělení polymerů s různou hustotou.
• Čištění organické frakce: přídavek 30 % H2O2 (60 mL) a inkubace 16 h při 55 °C (120 rpm) pro odstranění jemných organických nečistot z surfaktantní vrstvy.
• Filtrace a koncentrace: prvotní filtrace přes 10 µm filtr, sonikace filtru v CaCl2, následná centrifugace (2 100 rpm, 30 min) opakovaná dvakrát a konečná transferace částic na IR sklíčko pomocí ethanolu.
• Transfer na slide: přenos z polykarbonátového filtru na Kevley Mirr IR slide pomocí malého množství ethanolu a kontrolované mechaniky pro maximální přenos částic.

Instrumentace:

• Agilent 8700 LDIR Chemical Imaging System (automatizované lokalizace částic, identifikace polymeru, měření velikosti a počtu).
• Spektrální oblast LDIR: 975–1800 cm−1; provoz pod kontinuálním dusíkovým průtokem 15–20 L/min v kontrolované místnosti (22 ± 0,5 °C).
• Software: Agilent Clarity (verze 1.7.17) s upravenou knihovnou mikroplastů.
• Parametry analýzy: automatický režim Particle Analysis; rozsah velikostí 10–1000 µm; akceptační prahy shody spektra: medium 0,80–0,90, high 0,90–0,99; pro polyamidy použit vyšší práh (>0,85).
• Doplňující vybavení: sonikátor, centrifuga, inkubátor (55 °C), skleněné zkumavky s přetokem popsaných rozměrů, Kevley Mirr IR sklíčka a polykarbonátové filtry.

Hlavní výsledky a diskuse

Opakovatelnost instrumentu:

• Testy s kontrolními materiály vykázaly velmi konzistentní lokalizaci a sizing: příklad jednoho PP a jednoho PTFE částice detekovaných ve všech 5 opakováních s velikostmi 100 ± 0,4 µm (PP) a 97 ± 0,3 µm (PTFE).
• Při opakované analýze environmentálního snímku (23,5 × 22,6 mm) byly celkové počty částic stabilní (9 979 ± 427; CV 4 %) a počet mikroplastů s kvalitou shody >0,80 měl průměr 153 s CV 11 %.

Interní standard (ISTD):

• Green PE kuličky (210–250 µm) byly přidány do každého vzorku jako kontrola procesu extrakce a přenosu. ISTD nebyl použit jako korekční faktor, ale jako ukazatel úspěšnosti procedury.
• Výsledky ISTD (n = 74): rozmezí 48–100 %, průměr 81 % (±12 %). Průměrné recovery podle typu: půda 84 %, sediment 82 %, laboratorní kontrolní vzorky (LCS) 58 %, blanky 73 %.

Spike‑recovery validace:

• Testovány byly tři polymery: PP (vlákna, 10–1000 µm), PET (fragmenty, 10–100 µm) a PTFE (fragmenty, 10–100 µm) při nízkých, středních a vysokých dávkách.
• Střední a vysoké úrovně měly recoveries v přijatelném rozmezí 60–140 % pro většinu polymerů v půdě i sedimentech. Při nízkých dávkách byl patrný pokles recovery zejména u PTFE (pod 60 %) a u malých, hustých fragmentů obecně docházelo k větším ztrátám.
• V půdách a sedimentech byly průměrné recovery (příklad): půda – střední úroveň: PET 84 ± 8 %, PP 86 ± 8 %, PTFE 72 ± 8 %; sediment – střední: PET 81 ± 7 %, PP 80 ± 10 %, PTFE 69 ± 9 %.
• PTFE vykazovalo diskoloraci během extrakce, což snižuje možnost vizuální kontroly spikeů a činí jej méně vhodným jako barevný kontrolní materiál.

Analýza environmentálních vzorků:

• Použitá workflow byla úspěšně aplikována na různé typy půd (chromosol, dermosol, hydrosol) a na říční sedimeny ve státě Victoria, Austrálie.
• Koncentrace mikroplastů: půdy 4 360 až 102 000 částic kg−1; sedimeny 41 400 až 127 000 částic kg−1 (dominance fragmentů v rozmezí 10–50 µm).
• Nejčastěji detekované polymery v půdách: akrylonitril butadien styren (ABS) a polyamidy.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy:

• Suchý led asistovaná pěnová frakcionace zrychluje a zvyšuje účinnost vytažení mikroplastů z komplexních matric tím, že koncentruje částice do pěnové a organické vrstvy.
• Automatizovaná LDIR analýza umožňuje rychlé, opakovatelné a objektivní určování polymerního složení, velikosti a počtu částic v rozsahu 10–1000 µm.
• Začlenění částicového interního standardu umožňuje vzorku‑specifickou kontrolu kvality procesu, čímž se snižuje riziko falešně nízkých výsledků způsobených ztrátami během extrakce nebo přenosu.

Praktické využití:

• Metoda je vhodná pro výzkumné studie i rutinní monitoring půd a sedimenů, pro sledování prostorového rozložení a trendů časových změn.
• Postup je kompatibilní s běžným laboratorním vybavením a lze jej adaptovat na různé matricové typy s možností kontroly pomocí ISTD a LCS.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možné směry dalšího rozvoje a aplikace:

• Standardizace metodiky a širší dostupnost referenčních materiálů pro mikroplasty, zejména pro malé a vysoce husté fragmenty.
• Zlepšení recoveries pro velmi malé (<10 µm) a husté částice (např. optimalizace transferních kroků nebo alternativní hustotní média).
• Integrace dalších kontrolních částic (různých hustot a morfologií) pro komplexnější hodnocení ztrát při extrakci.
• Automatizace kroků před-analytiky a zpracování dat pro zvýšení průchodnosti vzorků a snížení variability mezi laboratořemi.
• Komplementární kombinace LDIR s jinými technikami (např. Raman, Py‑GC/MS) pro lepší identifikaci polymerních směsí a aditiv.

Závěr

Popsaný postup kombinuje dry‑ice‑assisted pěnovou frakcionaci s automatizovanou LDIR obrazovou spektroskopií a poskytuje robustní, opakovatelný a praktický přístup ke kvantifikaci mikroplastů v půdách a sedimentech. Metoda prokázala přijatelné recoveries pro široké spektrum polymerů při středních a vysokých zatíženích a umožnila aplikaci na reálné environmentální vzorky s integrovanou kontrolou kvality pomocí ISTD. Metodika je perspektivní pro rutinní monitorování i výzkumné účely, přičemž další úpravy mohou zlepšit detekci velmi malých a hustých částic.

Reference

1. An L.; Liu Q.; Deng Y.; Wu W.; Gao Y.; Ling W. Sources of Microplastic in the Environment. In Microplastics in Terrestrial Environments. The Handbook of Environmental Chemistry, vol. 95. Springer, Cham., 2020. DOI: 10.1007/698_2020_449
2. Möller J. N.; Löder M. G. J.; Laforsch C. Finding Microplastics in Soils: A Review of Analytical Methods. Environmental Science & Technology 2020, 54(4), 2078–2090. DOI: 10.1021/acs.est.9b04618
3. He D.; Zhang X.; Hu J. Methods for Separating Microplastics from Complex Solid Matrices: Comparative Analysis. Journal of Hazardous Materials 2021, 409, 124640. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.124640
4. Möller J. N.; Heisel I.; Satzger A.; Vizsolyi E. C.; Oster S. J.; Agarwal S.; Laforsch C.; Löder M. G. Tackling the Challenge of Extracting Microplastics From Soils: a Protocol to Purify Soil Samples for Spectroscopic Analysis. Environmental Toxicology and Chemistry 2022, 41(4), 844–857.
5. Nabi I.; Zhang L. A Review on Microplastics Separation Techniques from Environmental Media. Journal of Cleaner Production 2022, 337, 130458.
6. Agilent Technologies. Best Practice for On-Filter Analysis of Microplastics Using the Agilent 8700 LDIR Chemical Imaging System, 2023.
7. Renner G.; Nellessen A.; Schwiers A.; Wenzel M.; Schmidt T. C.; Schram J. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2019, 111, 229–238.
8. Samandra S.; Marchiandi J.; Alwan W.; Ellis A. V.; Clarke B. O. Quantification of Microplastics in Soil and Sediments Using Dry Ice Assisted Fractionation With an Agilent 8700 Laser Direct Infrared Chemical Imaging System. Analytical Methods 2026.