Validating reproducible methods for the analysis of microplastics in environmental samples

Abstract

Harmoniserte eller sammenlignbare metoder for kvantifisering av mikroplast er avgjørende for å kartlegge, karakterisere og øke nøyaktigheten av å beskrive omfanget og endringene over tid av mikroplastforurensning. Slike data av høyere kvalitet vil i stor grad hjelpe vitenskapelige og risikovurderinger samt de samfunnsmessige, politiske og økonomiske beslutningene som skal tas angående mikroplastforurensning. Denne oppgaven utforsket tilnærminger for å harmonisere vurderingen av mikroplast i sedimenter. Gjennom en målrettet gjennomgang av state-of-the-art analytiske prosedyrer for mikroplastisk kvantifisering i sediment, ble de mest brukte metodene identifisert for å etablere partielle reproduserbare analytiske rørledninger (RAPs), inkludert prøvepreparering, deteksjon og polymeridentifikasjon. Tre eksperimenter (fem replikasjoner for hver) ble utført, basert på trinnene som er mye i bruk, dvs. tetthetsseparasjon (ved bruk av NaI), oksidativ fordøyelse (ved bruk av hydrogenperoksid og Fentons reagens), optisk deteksjon (ved bruk av optisk mikroskopi) og kjemisk polymer identifikasjon (ved hjelp av µFTIR). Godt homogenisert tilfeldig utvalgt marint sediment ble tilsatt den laboratorielagde mikroplastsammensetningen inkludert polystyren (PS), polyetylen (PE) og polyetylentereftalat (PET) i størrelsesområdet 20-500 µm, for å oppnå utvinningshastighet og sensitivitetsanalyse av den valgte metoden til forskjellige parametere. På grunn av den store mengden av foraminiferer, ble et annet trinn lagt til for å løse foraminiferskjell ved å påføre eddiksyre på sedimentprøvene. Prosedyre- og sedimentblank ble brukt for å ha kontroll over potensiell forurensning som stammer fra kjemikalier, spesielt NaI, og sedimentprøvene. Den totale utvinningsgraden for alle replikasjoner og eksperimenter var mellom 33% og 16%. Denne studien ga delvise RAPs for laboratorieidentifikasjon av mikroplast ved vurdering av de populære metodene innen separasjon, filtrering, kvantifisering og identifikasjon for mikroplast i marine sedimenter, og vil hjelpe til med å etablere fullstendige RAPs for mikroplast fra prøvetaking til kvantifisering i ulike miljømatriser.

Harmonized or comparable methods for microplastic quantification are essential to map, characterize and increase the accuracy of describing the extent and changes over time of microplastic pollution. Such higher quality data would greatly assist scientific and risk assessments as well as the societal, political, and economic decisions that are to be made regarding microplastic pollution. This thesis explored approaches to harmonize the assessment of microplastics in sediments. Through a targeted review of the state-of-the-art analytical procedures for microplastic quantification in sediment, the most commonly used methods were identified to establish partial Reproducible Analytical Pipelines (RAPs), including sample preparation, detection, and polymer identification. Three experiments (five replications for each) were conducted, based on the widely in use steps, i.e., density separation (using NaI), oxidative digestion (using Hydrogen peroxide and Fenton’s reagent), optical detection (using optical microscopy), and chemical polymer identification (using µFTIR). Well-homogenized randomly selected marine sediment was spiked with the laboratory-made microplastic composition including Polystyrene (PS), Polyethylene (PE), and Polyethylene terephthalate (PET) in the average size range of 20-500 µm, to obtain recovery rate and sensitivity analysis of the selected method to different parameters. Due to the large abundance of foraminifera, another step was added to solve foraminifera shells by applying acetic acid to the sediment samples. Procedural and sediment blanks were applied to have control over the potential contamination originating from chemicals, particularly NaI, and the sediment samples. The overall recovery rate across all replications and experiments was between 33% and 16%. This study provided partial RAPs on laboratory identification of microplastic by assessment of the popular methods in separation, filtration, quantification, and identification for microplastics in marine sediments, and will aid to establish full RAPs for microplastic from sampling to quantification in diverse environmental matrices.