DOI: https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117566
تاريخ النشر: 2024-01-30
المؤلف: Gilberto Binda وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تؤكد المراجعة على القلق المتزايد بشأن الميكروبلاستيك (MPs) في البيئات الأرضية، وخاصة في التربة والرواسب العذبة. تناقش العملية المعروفة باسم “الشيخوخة”، التي تغير خصائص وسلامة الميكروبلاستيك من خلال آليات غير حيوية وحيوية مختلفة. تعقد هذه العملية التحليلية لتقييم الميكروبلاستيك، حيث يتم التحقق من الطرق الحالية بشكل أساسي باستخدام بلاستيكات نقية، مما يؤدي إلى احتمالية عدم الدقة في الكمية والتوصيف للميكروبلاستيك المتقدم في العينات البيئية.
يحدد المؤلفون الاتجاهات الحالية في محاكاة وتوصيف شيخوخة الميكروبلاستيك تحت ظروف المختبر، مشيرين إلى القيود الكبيرة والفجوات المعرفية في هذا المجال. يدعون إلى تطوير أساليب قائمة على المختبر لفهم كيفية تأثير العوامل البيئية المختلفة على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للميكروبلاستيك المتقدم. علاوة على ذلك، تسلط المراجعة الضوء على تداعيات شيخوخة الميكروبلاستيك على تحلل البوليمرات البلاستيكية وتسرب المواد السامة، مشددة على الحاجة إلى تحسين البروتوكولات التحليلية التي تأخذ في الاعتبار التعقيدات التي تطرأ بسبب الشيخوخة، خاصة في المصفوفات الصعبة مثل التربة.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة القضية الملحة لتلوث البلاستيك، مع التركيز بشكل خاص على الميكروبلاستيك (MPs)، الذي يُعرف بأنه قطع بلاستيكية تتراوح من 1 إلى 1000 ميكرومتر. يُقدّر أن ما بين 9 إلى 23 مليون طن متري من البلاستيك تدخل المحيطات سنويًا، مما يشكل أقل من 3% من إجمالي النفايات البلاستيكية التي تم إدارتها بشكل غير صحيح. بالمقابل، فإن كمية البلاستيك الذي تم إدارته بشكل غير صحيح والذي يتم إطلاقه في الأراضي والأنظمة المائية العذبة أعلى بكثير، حيث يتراكم بشكل أساسي في الرواسب والتربة. تظل الآثار البيئية لهذا التلوث غير مفهومة بشكل كافٍ، خاصة فيما يتعلق بعمليات الشيخوخة التي تخضع لها البلاستيكات بمجرد انتشارها في هذه البيئات.
تشمل شيخوخة البلاستيك عمليات غير حيوية، مثل التفاعلات الفيزيائية والكيميائية التي تؤثر على سلامة البوليمر، وعمليات حيوية، تؤدي إلى تكوين أغشية حيوية ميكروبية. تغير هذه العمليات الشيخوخة الخصائص السطحية والتفاعل للميكروبلاستيك، مما يؤثر على مصيرها البيئي وسميتها المحتملة. بينما تلخص المراجعات السابقة الآثار البيئية لشيخوخة الميكروبلاستيك، لا تزال هناك فجوات معرفية كبيرة، خاصة فيما يتعلق بتداعيات الشيخوخة على الطرق التحليلية المستخدمة لتقييم تركيزات وخصائص الميكروبلاستيك في العينات البيئية. تهدف الورقة إلى تلخيص المعرفة الحالية حول عمليات الشيخوخة، وتسليط الضوء على تداعياتها البيئية، ومعالجة التحديات التي تواجه تطوير بروتوكولات تحليلية موثوقة للميكروبلاستيك المتقدم، وفي النهاية اقتراح استراتيجيات لتعزيز دقة تحليل الميكروبلاستيك في السياقات البيئية.
طرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الطرق لمحاكاة عمليات شيخوخة الميكروبلاستيك (MPs) وتطوير مواد مرجعية متقدمة للتقييمات التحليلية. يؤكدون على أهمية محاكاة الظروف البيئية التي تؤثر على تآكل الميكروبلاستيك، حيث تختلف هذه الظروف بشكل كبير بناءً على المناخ المحلي والعوامل البيئية، مثل التعرض للضوء. يبرز المؤلفون أن مواد الميكروبلاستيك المرجعية المتقدمة ضرورية للتحقق من صحة الطرق التحليلية الجديدة وإجراء دراسات المصير والتأثير، ومع ذلك، لا تزال عملية دمج عمليات الشيخوخة في إنشائها غير معالجة بشكل كافٍ.
يستعرض القسم أيضًا تقنيات تحليلية متنوعة تُستخدم لتقييم شيخوخة الميكروبلاستيك، مصممة لتناسب عمليات وخصائص الشيخوخة المختلفة. التحدي الكبير الذي تم تحديده هو الحاجة إلى بروتوكولات شيخوخة موحدة لتسهيل المقارنة عبر الدراسات. يدعو المؤلفون إلى توثيق مفصل للظروف التجريبية، مثل معايير شيخوخة الأشعة فوق البنفسجية، ويقترحون أنه يجب استخدام تركيبات كيميائية متسقة للميكروبلاستيك لتحسين موثوقية النتائج. علاوة على ذلك، يوصون بتضمين البوليمرات القابلة للتحلل في دراسات الشيخوخة، نظرًا لانتشارها المتزايد، لضمان تقييمات شاملة لتأثيرات الميكروبلاستيك في السياقات البيئية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التباين والتعقيد في الطرق المعتمدة على المختبر والميدانية لمحاكاة شيخوخة الميكروبلاستيك (MP). تستخدم الدراسات المخبرية بشكل أساسي الإشعاع فوق البنفسجي (UV) لمحاكاة الأكسدة الناتجة عن الضوء للبوليمرات البلاستيكية، على الرغم من أن هذه الطريقة لها قيود، مثل ظروف التعرض غير المتسقة والآثار غير المتجانسة للإشعاع فوق البنفسجي على المادة. تُستخدم طرق أخرى، بما في ذلك الأكسدة الكيميائية ومحاكاة الضغط الميكانيكي، بشكل أقل تكرارًا ولكن تهدف إلى تعزيز الصلة البيئية لعمليات الشيخوخة. تقدم الشيخوخة الحيوية، التي تتميز بتكوين أغشية حيوية للميكروبات على أسطح الميكروبلاستيك، تحديات في القابلية للتكرار والتمثيل البيئي، مما يؤدي غالبًا إلى دراسات مبسطة على الأنواع الأحادية.
تقدم دراسات الشيخوخة الميدانية تكرارًا أكثر واقعية للعمليات البيئية الطبيعية التي تؤثر على البلاستيك، على الرغم من أنها تعاني من نقص في السيطرة على المتغيرات، مما يجعل النتائج تعتمد على الموقع. تؤكد الورقة على الحاجة إلى مزيد من الدراسات الميدانية الشاملة، خاصة في نظم التربة البيئية، لمعالجة الفجوات المعرفية الحالية. تؤثر عمليات الشيخوخة بشكل كبير على خصائص الميكروبلاستيك، مما يؤثر على سميتها وسلوكها في البيئة. تعتبر التغيرات في الكيمياء السطحية، والخصائص الميكانيكية، وتسرب الإضافات مجالات قلق حرجة، حيث تؤثر على تقييمات المخاطر البيئية لتلوث البلاستيك. يدعو المؤلفون إلى مزيد من البحث لفهم تداعيات هذه التغيرات وديناميات التسرب، خاصة في سياق الشيخوخة الحيوية ودور الأغشية الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117566
Publication Date: 2024-01-30
Author(s): Gilberto Binda et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The review emphasizes the growing concern regarding microplastics (MPs) in terrestrial environments, particularly in soils and freshwater sediments. It discusses the process of “aging,” which alters the properties and integrity of MPs through various abiotic and biotic mechanisms. This aging process complicates the analytical assessment of MPs, as current methods are primarily validated using pristine plastics, leading to potential inaccuracies in quantification and characterization of aged MPs present in environmental samples.
The authors outline the current trends in simulating and characterizing MP aging under laboratory conditions, identifying significant limitations and knowledge gaps in the field. They advocate for the development of laboratory-based approaches to better understand how different environmental factors influence the physicochemical properties of aged MPs. Furthermore, the review highlights the implications of MP aging for the degradation of plastic polymers and the leaching of toxic substances, stressing the need for improved analytical protocols that account for the complexities introduced by aging, particularly in challenging matrices like soils.
Introduction
The introduction of the paper addresses the pressing issue of plastic pollution, particularly focusing on microplastics (MPs), which are defined as plastic fragments ranging from 1 to 1000 μm. It is estimated that between 9 to 23 million metric tons of plastic enter the oceans annually, constituting less than 3% of the total mismanaged plastic waste. In contrast, the amount of mismanaged plastic released into land and freshwater systems is significantly higher, accumulating primarily in sediments and soils. The environmental impacts of this contamination remain inadequately understood, particularly regarding the aging processes that plastics undergo once dispersed in these environments.
The aging of plastics involves both abiotic processes, such as physical and chemical reactions that affect the polymer’s integrity, and biotic processes, which lead to the formation of microbial biofilms. These aging processes alter the surface properties and reactivity of MPs, influencing their environmental fate and potential toxicity. While previous reviews have summarized the environmental effects of MP aging, significant knowledge gaps persist, particularly concerning the implications of aging on the analytical methods used to assess MP concentrations and characteristics in environmental samples. The paper aims to summarize current knowledge on aging processes, highlight their environmental implications, and address the challenges faced in developing reliable analytical protocols for aged MPs, ultimately proposing strategies to enhance the accuracy of MP analysis in environmental contexts.
Methods
In this section, the authors discuss the methods for simulating the aging processes of microplastics (MPs) and the development of aged reference materials for analytical assessments. They emphasize the importance of simulating environmental conditions that affect MP weathering, as these conditions vary significantly based on local climate and environmental factors, such as light exposure. The authors highlight that aged MP reference materials are crucial for validating new analytical methods and conducting fate and effect studies, yet the integration of aging processes in their creation remains insufficiently addressed.
The section also reviews various analytical techniques employed to assess MP aging, tailored to different aging processes and properties. A significant challenge identified is the need for standardized aging protocols to facilitate comparison across studies. The authors advocate for detailed documentation of experimental conditions, such as UV aging parameters, and suggest that consistent chemical formulations of MPs should be used to improve the reliability of results. Furthermore, they recommend including biodegradable polymers in aging studies, given their increasing prevalence, to ensure comprehensive assessments of MP impacts in environmental contexts.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the variability and complexity of laboratory-based and field-based methods for simulating microplastic (MP) aging. Laboratory studies predominantly utilize ultraviolet (UV) irradiation to mimic the photoinduced oxidation of plastic polymers, though this approach has limitations, such as inconsistent exposure conditions and the heterogeneous effects of UV radiation on the material. Other methods, including chemical oxidation and mechanical stress simulations, are less frequently employed but aim to enhance the environmental relevance of aging processes. Biotic aging, characterized by the formation of microorganism biofilms on MP surfaces, presents challenges in reproducibility and environmental representativeness, often leading to simplified mono-species studies.
Field-based aging studies offer a more realistic replication of natural environmental processes affecting plastics, although they suffer from a lack of control over variables, making results location-dependent. The paper emphasizes the need for more comprehensive field studies, particularly in soil ecosystems, to address existing knowledge gaps. The aging processes significantly alter the properties of MPs, impacting their toxicity and behavior in the environment. Changes in surface chemistry, mechanical properties, and the leaching of additives are critical areas of concern, as they influence the ecological risk assessments of plastic pollution. The authors call for further research to understand the implications of these changes and the dynamics of leaching, particularly in the context of biotic aging and the role of biofilms.