DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85837-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833276
تاريخ النشر: 2025-01-20
المؤلف: Raihan Anshari وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تدهور جزيئات البولي بروبيلين المتآكلة بشكل طبيعي (NWPP) المستمدة من رواسب الشاطئ في أشييا، هيوغو، اليابان، باستخدام مطيافية رامان ومطيافية الانعكاس الكلي المخفف (ATR)-الأشعة تحت الحمراء (FTIR). تكشف النتائج عن اختلافات كبيرة في درجة التدهور عبر عينات مختلفة وأسطحها، كما يتضح من التغيرات في شدة أطياف رامان عند 1150 سم⁻¹ و842 سم⁻¹، والتي ترتبط بتغيرات في البلورية والتوجه الجزيئي. من الجدير بالذكر أن أطياف ATR-FTIR تسلط الضوء على ظهور مجموعات وظيفية جديدة، وخاصة أطياف الكربوكسيلات، التي تظهر بشكل أكثر وضوحًا من أطياف الكربونيل للمرة الأولى في تحليل NWPP. وهذا يشير إلى آليات تدهور محتملة تتأثر بمياه البحر والتعرض للأشعة فوق البنفسجية.
تشير النتائج إلى أن عملية التدهور تعدل المجموعات الوظيفية الموجودة وتولد مجموعات جديدة، مع اختلاف درجة التدهور بناءً على موقع العينة وسطحها. تكشف أطياف ATR-FTIR عن أنماط مميزة في منطقة تمدد C=O/C=C/COO، مع وجود أطياف تمدد COO أقوى تشير إلى وجود كبير لمجموعات الكربوكسيلات التي تشكلت من خلال تفاعلات ضوئية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على فائدة مطيافية الأشعة تحت الحمراء في تقييم عمليات التدهور ومطيافية رامان في فحص التغيرات الهيكلية في جزيئات NWPP، مما يبرز الآثار البيئية لتفتيت النفايات البلاستيكية وتأثيرها على النظم البيئية البحرية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم جمع جزيئات البلاستيك الدقيقة من رواسب الشاطئ في أشييا، اليابان، وفقًا لبروتوكول موحد. شمل أخذ العينات مسافة 100 م حيث تم جمع الرواسب في وحدات 30 × 30 سم عند انخفاض المد، مع استخراج أعلى 5 سم من الرواسب. تم معالجة حوالي 4,500 سم³ من الرواسب باستخدام طريقة فصل الكثافة مع محلول مشبع من NaCl لعزل جزيئات البلاستيك الدقيقة، والتي تم فحصها بعد ذلك ميكروسكوبياً. تم تحديد اثني عشر نوعًا من عينات البولي بروبيلين غير المنسوج (NWPP)، بشكل أساسي كقطع، مع تصنيف بعضها ككرات. أظهرت العينات مجموعة متنوعة من الألوان والملمس السطحي، مع خصائص ملحوظة مثل الخشونة ووجود ألياف صغيرة في بعض العينات.
تم استخدام مطيافية رامان وATR-FTIR لتحليل جزيئات البلاستيك الدقيقة والمواد المرجعية، بما في ذلك البولي بروبيلين النقي والمشابك المتآكلة. تم استخدام جهازين لمطيافية رامان لضمان تغطية طيفية شاملة، خاصة في منطقة الترددات المنخفضة. تم تقطيع عينات NWPP لكشف الأسطح الداخلية للتحليل التفصيلي، وتم أخذ قياسات متعددة لتقييم آثار التدهور. تم تصحيح أطياف ATR-FTIR للحصول على جودة مثالية، وتم تطبيع جميع البيانات الطيفية وتحليلها باستخدام برامج متخصصة. سمح هذا النهج المنهجي بتوصيف شامل لجزيئات البلاستيك الدقيقة وخصائصها، مما ساهم في فهم تأثيرها البيئي.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، تم قياسه من خلال أحجام التأثير التي تتجاوز العتبات السريرية ذات الصلة.
علاوة على ذلك، تكشف التحليلات أن بعض العوامل الديموغرافية، مثل العمر والحالة الصحية الأساسية، قد أثرت على تأثيرات التدخل، مما يشير إلى أنه يجب أخذ هذه المتغيرات في الاعتبار في الأبحاث المستقبلية. بشكل عام، تساهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم دعم تجريبي للفرضية المقترحة وتسليط الضوء على أهمية النهج المخصص في تطبيق التدخل.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الاختلافات الكبيرة في أطياف رامان لعينات البولي بروبيلين غير المتآكلة (NWPP)، والتي توفر رؤى حول آليات تدهورها ومدى التدهور. من الجدير بالذكر أن وجود حزمة غير متبلورة عند حوالي 830 سم⁻¹ في عدة عينات، بما في ذلك ASPP1 وASPP12، يشير إلى بنية أقل ترتيبًا، مما يوحي بأن عمليات التدهور قد تؤدي إلى زيادة في عدم التبلور. تتماشى الدراسة مع النتائج السابقة التي لاحظت تغييرات طيفية مماثلة في البولي بروبيلين المتآكل، مما يعزز الفكرة بأن العوامل البيئية، مثل التعرض للأشعة فوق البنفسجية وغمر مياه البحر، تلعب أدوارًا حاسمة في تدهور البولي بروبيلين.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة التعديلات الكيميائية التي تم الكشف عنها في أطياف الأشعة تحت الحمراء (IR) لعينات NWPP، خاصة في المناطق المرتبطة بتمدد الهيدروكسيل (OH) وتمدد الكربونيل (C=O). تشير هذه التعديلات إلى تكوين مجموعات وظيفية جديدة نتيجة عمليات التدهور، بما في ذلك انقسام السلسلة والأكسدة. يدعم وجود مجموعات الكربوكسيلات، كما هو موضح من خلال أطياف IR المحددة، الفرضية القائلة بأن مياه البحر والأشعة فوق البنفسجية تساهم في تدهور البولي بروبيلين. تؤكد النتائج على تعقيد آليات التدهور، التي تختلف بين العينات وتعتمد على الظروف البيئية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من التحقيق في المسارات والعوامل المحددة التي تؤثر على تدهور البولي بروبيلين في البيئات البحرية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85837-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833276
Publication Date: 2025-01-20
Author(s): Raihan Anshari et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This study investigates the degradation of naturally weathered polypropylene (NWPP) microplastics sourced from beach sediments in Ashiya, Hyogo, Japan, utilizing Raman and attenuated total reflection (ATR)-Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopies. The findings reveal significant variations in the degree of degradation across different samples and their surfaces, evidenced by changes in the intensity of Raman bands at 1150 cm⁻¹ and 842 cm⁻¹, which correlate with alterations in crystallinity and molecular orientation. Notably, the ATR-FTIR spectra highlight the emergence of new functional groups, particularly carboxylate bands, which appear more prominently than carbonyl bands for the first time in NWPP analysis. This suggests potential degradation mechanisms influenced by seawater and UV exposure.
The results indicate that the degradation process modifies existing functional groups and generates new ones, with the degree of degradation varying based on the sample’s position and surface. The ATR-FTIR spectra reveal distinct patterns in the C=O/C=C/COO-stretching region, with stronger COO-stretching bands suggesting a significant presence of carboxylate groups formed through photolytic reactions. Overall, the study underscores the utility of IR spectroscopy for assessing degradation processes and Raman spectroscopy for examining structural changes in NWPP microplastics, highlighting the environmental implications of plastic waste fragmentation and its impact on marine ecosystems.
Methods
In this study, microplastics were collected from beach sediments in Ashiya, Japan, following a standardized protocol. Sampling involved a 100 m transect where sediment was gathered in 30 × 30 cm units at low tide, with the top 5 cm of sediment extracted. Approximately 4,500 cm³ of sediment was processed using a density separation method with a saturated NaCl solution to isolate microplastics, which were then examined microscopically. Twelve types of non-woven polypropylene (NWPP) samples were identified, primarily as fragments, with some classified as pellets. The samples exhibited a variety of colors and surface textures, with notable characteristics such as roughness and the presence of tiny fibers in certain samples.
Raman spectroscopy and ATR-FTIR were employed to analyze the microplastics and reference materials, including pristine polypropylene and weathered clothespins. Two Raman spectrometers were utilized to ensure comprehensive spectral coverage, particularly in the lower wavenumber region. The NWPP samples were sliced to expose inner surfaces for detailed analysis, and multiple measurements were taken to assess degradation effects. The ATR-FTIR spectra were corrected for optimal quality, and all spectral data were normalized and analyzed using specialized software. This methodological approach allowed for a thorough characterization of the microplastics and their properties, contributing to the understanding of their environmental impact.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the outcomes, quantified by effect sizes that exceed the minimum clinically relevant thresholds.
Furthermore, the analysis reveals that certain demographic factors, such as age and baseline health status, moderated the effects of the intervention, indicating that these variables should be considered in future research. Overall, the findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the proposed hypothesis and highlighting the importance of tailored approaches in the application of the intervention.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant variations in the Raman spectra of non-weathered polypropylene (NWPP) samples, which provide insights into their degradation mechanisms and the extent of degradation. Notably, the presence of an amorphous band at approximately 830 cm⁻¹ in several samples, including ASPP1 and ASPP12, indicates a less ordered structure, suggesting that degradation processes may lead to increased amorphicity. The study aligns with previous findings that observed similar spectral changes in weathered polypropylene, reinforcing the notion that environmental factors, such as UV exposure and seawater immersion, play critical roles in the degradation of polypropylene.
Additionally, the paper discusses the chemical modifications detected in the infrared (IR) spectra of NWPP samples, particularly in the regions associated with hydroxyl (OH) stretching and carbonyl (C=O) stretching. These modifications suggest the formation of new functional groups due to degradation processes, including chain scission and oxidation. The presence of carboxylate groups, indicated by specific IR bands, further supports the hypothesis that seawater and UV light contribute to the degradation of polypropylene. The findings underscore the complexity of degradation mechanisms, which vary among samples and depend on environmental conditions, highlighting the need for further investigation into the specific pathways and factors influencing the degradation of polypropylene in marine environments.