DOI: https://doi.org/10.1186/s12302-024-01044-y
تاريخ النشر: 2025-01-08
المؤلف: Ajinkya Nene وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
إن تدهور النفايات البلاستيكية التي تدار بشكل غير صحيح يؤدي إلى تشكيل الجزيئات البلاستيكية الدقيقة (MPs) والنانوية (NPs)، والتي تشكل مخاطر كبيرة على كل من النظم البيئية وصحة الإنسان. هذه الجزيئات موجودة في كل مكان، حتى في المناطق النائية، ويمكن أن تتسلل إلى سلسلة الغذاء، متراكمة في كائنات حية مختلفة. يتأثر الضرر المحتمل الذي تسببه بعوامل مثل حمولة الجزيئات، وجرعة التعرض، ووجود الملوثات المشتركة. إن الكشف عن NPs وتحليلها يمثل تحديات فريدة بسبب حجمها الصغير وغياب البروتوكولات القياسية، مما يعقد التقييمات الشاملة لتأثيراتها البيئية والبيولوجية. تناقش هذه المراجعة التقدمات الأخيرة في التقنيات الخاصة بأخذ العينات، والفصل، والقياس، والتكميم لـ NPs، مع تسليط الضوء على الأساليب المبتكرة ومعالجة التحديات المستمرة في هذا المجال.
تؤكد المراجعة النقدية للأدبيات الحالية على التأثير الشديد للنفايات البلاستيكية على النظم البيئية للمياه العذبة والبرية، فضلاً عن صحة الإنسان. إن اتباع نهج دورة الحياة الذي يشمل التخلص من النفايات في نهاية العمر، والاسترداد، وإعادة الاستخدام، وإعادة التدوير أمر ضروري للتخفيف من هذه التأثيرات. يجب أن تعطي الأبحاث المستقبلية الأولوية لفهم تأثيرات NPs وMPs على الكائنات البيولوجية وسميتها على البشر والحيوانات والنباتات. إن التقدم في النمذجة الحاسوبية والرياضية ضروري لتعزيز تقييمات المخاطر وإبلاغ استراتيجيات الوقاية. إن إنشاء طرق موثوقة للكشف والتعرف على NPs وMPs، جنبًا إلى جنب مع تقنيات معالجة العينات والفصل القياسية، أمر بالغ الأهمية للإدارة الفعالة. بشكل عام، هناك حاجة إلى جهود منسقة لتعزيز المعرفة والتكنولوجيا في الكشف عن NPs وMPs، مع التركيز على الجوانب الرئيسية لأخذ العينات، والمعالجة المسبقة، والفصل، والتعرف.
مقدمة
تتناول مقدمة الورقة المخاوف البيئية المتزايدة المرتبطة بتلوث البلاستيك، مع التركيز بشكل خاص على النانو-والميكرو بلاستيك (NMPs). تُعرف NMPs بأنها جزيئات تتراوح من 1 ميكرومتر إلى 5,000 ميكرومتر (الميكرو بلاستيك) وتلك التي تقل عن 1 ميكرومتر (النانو بلاستيك)، وتشكل مخاطر بيئية كبيرة حيث يمكن أن يتم تناولها من قبل الحياة البرية، وتراكمها في الأنسجة، ودخولها في سلسلة الغذاء. تميز الورقة بين NMPs الأولية، التي تُصنع عمدًا لمختلف التطبيقات، وNMPs الثانوية، التي تنتج عن تدهور العناصر البلاستيكية الأكبر بسبب عوامل بيئية مثل الإشعاع فوق البنفسجي والتآكل الميكانيكي.
يؤكد المؤلفون على ضرورة تطوير طرق فعالة من حيث التكلفة وبسيطة لتكميم وتوصيف NMPs، نظرًا لتوزيعها الواسع والتفاعلات المعقدة التي لديها مع الكائنات البيولوجية. يسلطون الضوء على التحديات في الكشف عن NMPs، بما في ذلك الحاجة إلى بروتوكولات قياسية لأخذ العينات والتكميم، والصعوبات التي تطرحها التباينات البيئية. تهدف المراجعة إلى تقديم نظرة شاملة على التقنيات الحالية للكشف عن NMP، مع التركيز على التقدم في تكنولوجيا النانو وخوارزميات التصنيف المعتمدة على الذكاء الاصطناعي، والتي كانت غير مستغلة في الأبحاث الحالية.
طرق
تناقش هذه القسم التقدمات في طرق أخذ العينات لجزيئات البلاستيك الدقيقة (MPs) والنانوية (NPs) في مصفوفات بيئية مختلفة، بما في ذلك المياه السطحية، والمياه الجوفية، والهواء. تعتبر تقنيات أخذ العينات التقليدية، مثل الشباك، والفلاتر، والمناخل، فعالة في البيئات الملوثة ولكن قد لا تمثل بدقة جودة المياه العامة. بالنسبة لـ MPs وNPs الأصغر، يتم جمع عينات المياه الخام في حاويات زجاجية ويتم تصفيتها في المختبر باستخدام عملية تصفية متسلسلة لعزل الجزيئات الأصغر. تقدم أخذ عينات المياه الجوفية تحديات إضافية بسبب نقاط الوصول المحدودة وخطر التلوث المتبادل عند استخدام المضخات أو أجهزة أخذ العينات الحجمية. يُوصى باستخدام أنظمة ضخ منخفضة التدفق مع تصفية في الموقع للطبقات المائية ذات مستويات التلوث المنخفضة، بينما يمكن استخدام أجهزة أخذ العينات الحجمية في المواقع الأكثر تلوثًا.
تسلط هذه القسم أيضًا الضوء على الحاجة إلى تقنيات قياسية مصممة خصيصًا لتكميم MPs وNPs في المياه الجوفية ومصفوفات بيئية أخرى. بالنسبة لـ NPs المحمولة جواً، يمكن استخدام أجهزة أخذ العينات السلبية، بينما تتطلب جمع الغبار الداخلي فصلًا دقيقًا لـ NPs عن الشوائب الأخرى. على الرغم من أن أجهزة أخذ العينات النشطة فعالة، إلا أن تعقيدها وتكلفتها تجعلها غير مناسبة للمواقع النائية أو التي يصعب الوصول إليها. بشكل عام، يؤكد النص على ضرورة تحسين المنهجيات لتعزيز موثوقية ودقة أخذ العينات البيئية لجزيئات البلاستيك الدقيقة والنانوية.
مناقشة
في هذا القسم، تركز المناقشة على التعقيدات والتقدمات في إعداد وتحليل المواد النانوية البلاستيكية (NMPs) من العينات البيئية. يكمن التحدي الأول في إزالة المواد العضوية وغير العضوية من مصفوفات متنوعة مثل الرواسب، ورماد المجاري، والمياه، وهو أمر حاسم للكشف الدقيق وتكميم NMPs. إن غياب اللوائح العالمية يعقد ممارسات القياس القياسية. يتم استخدام طرق معالجة مسبقة متنوعة، بما في ذلك اختيار الحجم، والهضم، وفصل الكثافة، لعزل NMPs، حيث تُظهر تقنيات مثل الطرد المركزي والترشيح كفاءات إزالة عالية (74% و98% على التوالي). تُظهر التقدمات الأخيرة في تقنيات الترشيح، مثل الأغشية الهندسية والأساليب المعتمدة على تكنولوجيا النانو، وعدًا في تعزيز قدرات فصل NMP، على الرغم من أن الجدوى التجارية لا تزال تمثل تحديًا.
تسلط هذه القسم أيضًا الضوء على الأساليب المبتكرة في تكنولوجيا النانو التي تحسن من الكشف وإزالة NMPs. على سبيل المثال، أظهرت الأطر العضوية المعدنية القائمة على الكروم (Cr-MOF) كفاءات إزالة عالية لجزيئات البوليمر، بينما تسهل الجزيئات النانوية المغناطيسية المخصصة الفصل عبر طرق التدفق المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، يوفر دمج تقنيات التصوير المتقدمة، مثل المجهر الإلكتروني والمجهر الذري، رؤى تفصيلية حول الشكل والتفاعلات لـ NMPs على النطاق النانوي. على الرغم من التقدم، لا تزال التحديات قائمة في تحقيق الكشف الفعال والانتقائي عن NMPs، مما يتطلب مزيدًا من البحث في طرق وتقنيات جديدة لتعزيز القدرات التحليلية في المراقبة البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12302-024-01044-y
Publication Date: 2025-01-08
Author(s): Ajinkya Nene et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The degradation of improperly managed plastic waste leads to the formation of microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs), which pose significant risks to both ecosystems and human health. These particles are ubiquitous, found even in remote areas, and can infiltrate the food chain, accumulating in various organisms. The potential harm they cause is influenced by factors such as particle load, exposure dose, and the presence of co-contaminants. The detection and analysis of NPs present unique challenges due to their small size and the lack of standardized protocols, which complicates comprehensive assessments of their environmental and biological impacts. This review discusses recent advancements in technologies for the sampling, separation, measurement, and quantification of NPs, highlighting innovative approaches and addressing ongoing challenges in the field.
The critical review of existing literature underscores the severe impact of plastic waste on freshwater and terrestrial ecosystems, as well as human health. A life cycle approach that encompasses end-of-life disposal, recovery, reuse, and recycling is essential for mitigating these impacts. Future research should prioritize understanding the effects of NPs and MPs on biological organisms and their toxicity to humans, animals, and plants. Advancements in computational and mathematical modeling are necessary to enhance risk assessments and inform preventive strategies. Establishing robust detection and identification methods for NPs and MPs, alongside standardized sample pretreatment and separation techniques, is crucial for effective management. Overall, concerted efforts are required to advance knowledge and technology in the detection of NPs and MPs, focusing on the key aspects of sampling, pretreatment, separation, and identification.
Introduction
The introduction of the paper addresses the growing environmental concerns associated with plastic pollution, particularly focusing on nano- and microplastics (NMPs). NMPs, defined as particles ranging from 1 µm to 5,000 µm (microplastics) and those smaller than 1 µm (nanoplastics), pose significant ecological risks as they can be ingested by wildlife, accumulate in tissues, and enter the food chain. The paper distinguishes between primary NMPs, which are intentionally manufactured for various applications, and secondary NMPs, which result from the degradation of larger plastic items due to environmental factors such as UV radiation and mechanical wear.
The authors emphasize the necessity of developing cost-effective and straightforward methods for quantifying and characterizing NMPs, given their widespread distribution and the complex interactions they have with biological organisms. They highlight the challenges in detecting NMPs, including the need for standardized protocols for sampling and quantification, and the difficulties posed by environmental heterogeneity. The review aims to provide a comprehensive overview of current technologies for NMP detection, focusing on advancements in nanotechnology and AI-based classification algorithms, which have been underutilized in existing research.
Methods
The section discusses advancements in sampling methods for microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) in various environmental matrices, including surface water, groundwater, and air. Traditional sampling techniques, such as nets, filters, and sieves, are effective in contaminated environments but may not accurately represent overall water quality. For smaller MPs and NPs, raw water samples are collected in glass containers and filtered in the laboratory using a sequential filtration process to isolate smaller particles. Groundwater sampling presents additional challenges due to limited access points and the risk of cross-contamination when using pumps or volumetric samplers. Low-flow pumping systems with in situ filtration are recommended for aquifers with low contamination levels, while volumetric samplers can be used in more contaminated sites.
The section also highlights the need for standardized techniques specifically tailored for quantifying MPs and NPs in groundwater and other environmental matrices. For airborne NPs, passive sampling devices can be employed, while indoor dust collection requires careful separation of NPs from other impurities. Although active sampling devices are effective, their complexity and cost make them unsuitable for remote or difficult-to-access locations. Overall, the text emphasizes the necessity for improved methodologies to enhance the reliability and accuracy of environmental sampling for microplastics and nanoplastics.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the complexities and advancements in the preparation and analysis of nanoplastic materials (NMPs) from environmental samples. The initial challenge lies in the removal of organic and inorganic substances from diverse matrices such as sediments, sewage sludge, and water, which is crucial for accurate detection and quantification of NMPs. The absence of global regulations complicates standardized measurement practices. Various pretreatment methods, including size selection, digestion, and density separation, are employed to isolate NMPs, with techniques like centrifugation and filtration demonstrating high removal efficiencies (74% and 98%, respectively). Recent advancements in filtration technologies, such as engineered membranes and nanotechnology-based methods, show promise for enhancing NMP separation capabilities, although commercial viability remains a challenge.
The section also highlights innovative approaches in nanotechnology that improve the detection and removal of NMPs. For instance, chromium-based metal-organic frameworks (Cr-MOF) have shown high removal efficiencies for polystyrene nanoparticles, while functionalized magnetic nanoparticles facilitate separation via magnetic flow methods. Additionally, the integration of advanced imaging techniques, such as electron microscopy and atomic force microscopy, provides detailed insights into the morphology and interactions of NMPs at the nanoscale. Despite the progress, challenges remain in achieving efficient and selective detection of NMPs, necessitating further research into novel methods and technologies to enhance analytical capabilities in environmental monitoring.