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

Význam tématu

Microplasty v půdách a sedimentech představují rostoucí environmentální problém s dopadem na kvalitu půdy, potravinové řetězce a možné expoziční cesty k člověku. Spolehlivá a reprodukovatelná kvantifikace je nezbytná pro porovnání studií, rizikovou analýzu a zavádění monitorovacích programů. Metody pro separaci a analýzu musí zvládat heterogenní matrice, široké spektrum polymerů a velikostní rozptyl částic od jednotek do tisíců mikrometrů.

Cíle a přehled studie / článku

Autoři představili upravený pracovní postup pro izolaci a kvantifikaci mikroplastů v půdách a sedimentech kombinující suchý led generovanou pěnovou (foam) frakcionací s konvenčními kroky (sušení, separace hustotou, digesce organické hmoty, filtrace) a automatizovanou identifikací pomocí Agilent 8700 LDIR. Cílem bylo zvýšit výtěžnost separace, zavést partiklový interní standard pro kontrolu procesu a ověřit celý postup na modelových spikech i na reálných environmentálních vzorcích.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika – klíčové kroky:

• Příprava vzorku: 5 g zmrazeně vysušené (freeze‑dried) půdy/sedimentu.
• Suchý led + surfaktant: do skleněné nádoby s přepadovým hrdlem přidán suchý led (~3.5 g) a 0.1 % Triton X‑100 pro vyvolání intenzivního bublání a tvorbu stabilní pěny zachycující mikroplasty.
• Složení fází: přidání nasyceného roztoku CaCl2 smíchaného s hexanem pro separaci polymerů s rozdílnou hustotou; koncentrace částic do pěny a organické fáze; sběr přes přepad.
• Čištění: přidání 30 % H2O2 a inkubace 16 h při 55 °C pro odstranění jemných organických koextraktů.
• Druhá separace: filtrace přes 10 µm papír, opakované sonikace v CaCl2 a centrifugace (2 100 rpm, 30 min) x2 pro další očištění a koncentrování částic.
• Přenos na IR slide: kapka ethanolu na Kevley Mirr IR slide a na PC filtr; přitlačení a postupné odlepení filtru umožní mechanický přenos částic na sklo.
• Analýza: automatický režim ‚particle analysis‘ na Agilent 8700 LDIR pro lokalizaci, měření a identifikaci částic (velikostní rozsah 10–1000 µm).

Instrumentace (samostatná sekce):

• Agilent 8700 LDIR Chemical Imaging System – automatické mapování a IR identifikace (spektrální rozsah 975–1800 cm⁻¹), práce pod dusíkovou purží 15–20 L/min, laboratorní teplota 22 °C ± 0.5 °C.
• Agilent Clarity software (verze 1.7.17) s upravenou knihovnou mikroplastů pro spektrální porovnání a prahováním shody (střední 0.80–0.90, vysoká 0.90–0.99; u polyamidů >0.85 pro snížení falešně pozitivních).
• Pomůcky: skleněná vzorkovací nádoba s přepadovým hrdlem (rozměry uvedené v původním textu), Kevley Mirr IR slide, polykarbonátové (PC) filtry, sonikátor, centrifuga, inkubátor, laminar flow kabinet, nitrilové rukavice.

Hlavní výsledky a diskuse

Opakovaná měření prokázala vysokou opakovatelnost detekce, velikosti a počtu částic: kontrolní testy s definovanými PP a PTFE částicemi vykázaly konzistentní velikosti (např. 100 ± 0.4 µm a 97 ± 0.3 µm) a stabilní počty při opakovaných analýzách (např. 74 ± 2 PP a 35 ± 1 PTFE). Při analýze reálného vzorku byl celkový počet identifikovaných položek v oblasti ~9 979 ± 427 (CV 4 %), mikroplasty s kvalitou shody >0.80 měly CV ~11 %; větší variabilita byla u nejmenších velikostních binů.

Interní standard (ISTD): zelené PE kuličky (210–250 µm) byly přidány do každého vzorku pro kontrolu ztrát během extrakce a přenosu. Ze 74 vzorků byly recoveries ISTD v rozmezí 48–100 % (průměr 81 %, rozptyl ±12 %). Průměrné recoveries podle typu vzorku: půda 84 %, sediment 82 %, laboratorní kontrolní vzorek (LCS) 58 %, blanky 73 %. ISTD slouží jako validační kontrola procesu, nikoli jako korekční faktor pro výsledky.

Recovery spike studie: testy se PP vlákny, PET a PTFE fragmenty při nízké, střední a vysoké úrovni spike ukázaly, že střední a vysoké spike úrovně dosahují recoveries v přijatelném pásmu 60–140 %. Nízké úrovně vykazovaly nižší recoveries, zejména u PTFE, což je spojeno s jejich vyšší hustotou a s náchylností ke ztrátám při přenosech a diskolorizaci během extrakce. Konkrétní průměrné recoveries: půda – nízká: PET 64±10 %, PP 72±10 %, PTFE 55±17 %; střední: PET 84±8 %, PP 86±8 %, PTFE 72±8 %; vysoká: PET 75±4 %, PP 76±8 %, PTFE 70±4 %. Sediment vykázal obdobné hodnoty s lepšími výsledky pro střední a vysoké úrovně.

Analýza environmentálních vzorků z Victorie (Austrálie) ukázala koncentrace mikroplastů v půdách 4 360–102 000 částic kg⁻¹ a v sedimentech 41 400–127 000 částic kg⁻¹. Půdy byly často dominovány polymerkami jako akrylonitril butadien styren (ABS) a polyamid; sedimenty dominovaly fragmenty v rozsahu 10–50 µm.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda kombinuje rychlou, praktickou extrakci s automatizovanou, reprodukovatelnou instrumentální identifikací, což přináší několik výhod:

• Zvýšená izolace mikroplastů z komplexních matric díky suchému ledu aktivované pěnové frakcionaci, která zlepšuje expozici částic do koncentrované pěnové fáze.
• Široký rozsah separace hustot (CaCl2 + hexan) umožňuje zachytit polymery s rozdílnou hustotou.
• Automatizace pomocí 8700 LDIR zlepšuje rychlost, opakovatelnost a standardizaci výsledků (lokalizace, velikost, identifikace).
• Partiklový interní standard poskytuje vzorkově specifickou kontrolu procesu a pomáhá identifikovat vzorky s nízkou výtěžností bez umělého upravování výsledků.

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozvoj standardizovaných pracovních postupů a zavedení částicových interních standardů bude klíčové pro srovnatelnost studií. Další směry zahrnují:

• Zpřesnění separace pro velmi malé a vysoce husté částice (např. PTFE) a minimalizaci ztrát v přenosech.
• Integraci dalších typů kontroly kvality a referenčních materiálů vhodných pro půdní matrice.
• Automatizované workflowy kombinující rychlé frakcionace s vysokorozlišovacími spektroskopickými teknikami pro vyšší citlivost v rozsahu <10 µm.
• Širší aplikace v monitorování půd v zemědělství, sanaci kontaminovaných lokalit a hodnocení lidské expozice prostřednictvím potravinových řetězců.

Závěr

Suchý led asistovaná pěnová frakcionace ve spojení s Agilent 8700 LDIR představuje robustní, praktický a reprodukovatelný postup pro kvantifikaci mikroplastů v půdách a sedimentech. Metoda poskytuje přijatelné recoveries pro většinu polymerů při středních a vysokých koncentracích, umožňuje automatizovanou identifikaci a zahrnuje procesní interní standard pro vzorkově specifickou kontrolu kvality. Metoda je vhodná pro výzkum i rutinní monitoring, přičemž u velmi malých a hustých částic je stále prostor pro optimalizaci.

Reference

1. An L.; Liu Q.; Deng Y.; Wu W.; Gao Y.; Ling W. Sources of Microplastic in the Environment. In: He D., Luo Y. (eds) 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 Laser Direct Infrared (LDIR) Chemical Imaging System. Agilent Technologies, 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.