القياس الكمي للبلاستيك الدقيق والنانوي القائم على البولي بيوتيلات أديبات تيريفثاليت من التربة باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي للبروتون

يتم هنا وصف طريقة لتحديد اللدائن الدقيقة والنانوية الناتجة عن البولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت في التربة باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي. تعمل هذه التقنية على تحسين المنهجية الحالية لأنها تمتد إلى القياس الكمي للبلاستيك النانوي ويمكن تكييفها بسهولة لمعالجة العينات البيئية بكميات كبيرة.

هناك حاجة إلى طريقة لاستعادة وقياس المواد البلاستيكية الدقيقة والنانوية (MPS و NPs) المتكونة في التربة أثناء التحلل البيولوجي لإجراء تقييم دقيق للتدهور والتأثير البيئي للمنتجات البلاستيكية القابلة للتحلل. قد يؤدي وجود MPS و NPs في التربة إلى تغيير خصائص التربة مثل سلوك التجميع أو يكون له تأثيرات سامة على الكائنات الحية في التربة. طرق استرداد MP الحالية ليست مناسبة دائما لقياس البوليمرات القابلة للتحلل مثل البولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت (PBAT). يمكن لبعض إجراءات الهضم الشائعة مع الأحماض أو المؤكسدات أن تدمر MPS القابلة للتحلل الحيوي القائمة على PBAT. كما أن طرق تحديد الهوية مثل micro-FTIR والتحليل الطيفي micro-Raman محدودة أيضا بالحد الأدنى لحجم الجسيمات التي يمكن استعادتها وتحليلها. لذلك ، تم تطوير هذه الطريقة لاستخراج وقياس PBAT من التربة لتقييم الجزء الكتلي من MPS و NPs في التربة دون تحويل PBAT كيميائيا. في البروتوكول ، يتم استخدام محلول الكلوروفورم والميثانول لاستخراج PBAT بشكل انتقائي من التربة. يتبخر المذيب من المستخلص ، ثم يعاد إذابة المستخلص في الكلوروفورم المنزع. يتم تحليل المستخلص بواسطة التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي للبروتون (¹H-QNMR) تحت المعلمات الكمية لتحديد كمية PBAT في كل عينة. تتراوح كفاءات استخراج المذيبات ل PBAT من 76٪ في التربة الطينية المظللة إلى 45٪ في التربة الطينية الرملية Elkhorn. يمكن تقليل استرداد PBAT للمواد المؤكسدة ضوئيا مقارنة بالمواد البكر ويمكن تقليله في التربة ذات المحتوى العالي من الطين. لا تعتمد كفاءات الاستخراج على تركيز PBAT ضمن نطاق الاختبار ، ولكن لوحظت كفاءة استخراج أقل ل NPs مقارنة ب MPS. كانت نتائج القياس الكمي ل PBAT قابلة للمقارنة مع التقدير الكمي لتدهور البلاستيك عن طريق قياس تنفس التربة التراكمي في دراسة حضانة معملية.

تعد طرق قياس تلوث MP في التربة ضرورية لفهم نطاق التلوث البلاستيكي في التربة العالمية¹ ، ومصادر التلوث البلاستيكي² ، والحلول المحتملة³. تتعرض التربة الزراعية بشكل فريد للتلوث البلاستيكي: يتم استخدام أكثر من 15 مليون طن متري من البلاستيك في الزراعة كل عام اعتبارا من عام 2021⁴ ، بما في ذلك 2.5 مليون طن من النشارة البلاستيكية⁵. يستخدم المهاد البلاستيكي على اتصال وثيق بالتربة ، ويعاد تطبيقه مرة واحدة أو أكثر في السنة⁶ ، وقد يكون من الصعب إزالته بالكامل من التربة بعد عمره^{الإنتاجي 7}. أحد المجالات الرئيسية التي تتطلب طرق قياس MP هو تقييم المنتجات البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي مثل المهاد البلاستيكي القابل للتحلل لاستخدامها في أنظمة الخضروات⁸.

تعتبر المنتجات البلاستيكية القابلة للتحلل في التربة بدائل واعدة للبلاستيك الزراعي التقليدي لأنها يمكن أن تقضي على التلوث البلاستيكي للتربة عن طريق التغطية البلاستيكية إذا كانت تعمل على النحو المنشود. في عام 2022 ، تم إنتاج أقل من 1 مليون طن متري من البلاستيك القابل للتحلل على مستوى العالم ، مع توقع نمو سريع للصناعة⁹. تستخدم البوليمرات الأربعة الأكثر شيوعا القابلة للتحلل الحيوي ، حمض البولي لاكتيك (PLA) ، والنشا المبلمر ، والبولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) ، والبولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت (PBAT) ، تجاريا أو تجريبيا في نشارة بلاستيكية زراعية قابلة للتحلل¹⁰. على الرغم من وعدها ، فإن تدهور هذه المنتجات البلاستيكية القابلة للتحلل في الظروف الميدانية هو المتغير¹¹. في حين أن بعض الدراسات حول تحلل نشارة البلاستيك القابلة للتحلل الحيوي في الحقل قد ركزت على شظايا البلاستيك^{الكبيرة 11} ، فإن تقييم التحلل الكامل للمواد البلاستيكية يتطلب القدرة على استعادة MPS و NPs من التربة. يعد القياس الكمي للبلاستيك الدقيق من التربة مهما أيضا لتقييم احتمالية الآثار السلبية على النظم البيئية للتربة من تلوث MP¹².

تتضمن بعض التقنيات الشائعة الاستخدام لتحديد MP وقياسه الكمي التحليل البصري ، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء المحولة بفورييه الدقيقة (μFTIR) ، والتحليل الطيفي الميكروي رامان (μRaman) ، والتحليل الطيفي الكتلي للقوام الغازي (GCMS بما في ذلك الانحلال الحراري GCMS وامتصاص الاستخراج الحراري GCMS) ، والتحليل الحراري^{الوزني 13}. تشمل التقنيات المطورة الأخرى التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة لقياس MP في الموقع في التربة¹⁴ ، واستخراج أسترة ميثيل الأحماض الدهنية لتحليل GCMS¹⁵ ، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي¹⁶. استخدمت ما يصل إلى 90٪ من الدراسات التي تحدد كمية MPS في التربة التحليل البصري (بمفرده أو مقترنا بتقنيات أخرى) لتحديد الجسيمات البلاستيكية ، بينما استخدم 77٪ تقنيات التحليل الطيفي FTIR أو Raman أو GCMS¹⁷. يمكن أن يساعد تطوير وتنسيق مجموعة متنوعة من تقنيات القياس الكمي MP في توسيع قدرة المجتمع العلمي على الإجابة على أسئلة بحثية متنوعة للبلاستيك^{الدقيق 18}. توجد ثلاثة طرق عامة لإعداد عينات التربة لتحديد كمية اللدائن الدقيقة: 1) فصل جزيئات البلاستيك الدقيق الفردية غير المتغيرة عن التربة (على سبيل المثال عن طريق فصل الكثافة) ، 2) استخراج المواد البلاستيكية أو البوليمرية المحولة (على سبيل المثال عن طريق الذوبان) ، أو 3) تحليل التربة السائبة. يتطلب كل من التحليل الطيفي μFTIR و μRaman فصل MPS الفردية عن التربة قبل أن يتم تحديدها كيميائيا¹⁹ بينما يمكن إجراء pyro-GCMS على جزيئات بلاستيكية معزولة مفصولة عن التربة أو التربة^{السائبة 20}. قد يكون فصل النواب القابلة للتحلل الحيوي عن التربة أمرا صعبا لأن بعض عمليات الهضم المستخدمة لإزالة المواد العضوية في التربة يمكن أن تتحلل أو تغير البوليمرات القابلة للتحلل كيميائيا ، بما في ذلك PBAT²¹. يحتوي كل من Micro-Raman و μFTIR الطيفي أيضا على حد للدقة المكانية: يجب أن تكون الجسيمات أكبر من 10-20 ميكرومتر ل μFTIR و 1 ميكرومتر ل μRaman (إذا كان من الممكن تحضير الجسيمات الفردية بهذا الحجم الصغير للتحليل) ^19،22. يمكن أن توفر هذه التقنيات التحديد الكيميائي لبوليمرات MP ، ويمكن استخدام التصوير الطيفي لقياس حجم MP²². جميع أنواع pyro-GCMS محدودة من حيث تدمير العينات أثناء التحليل.

تم استخدام الرنين المغناطيسي النووي بنجاح لتوصيف مكونات التربة والملوثات²³ ، ولتحديد النواب^{16،24،25،26} ، ولتقييم تدهور PBAT وبوليمر آخر ، البوليسترين^27،28. عند تشغيله تحت المعلمات الكمية ، ^{ينتج التحليل الطيفي H-NMR}1 أطياف حيث تتناسب مساحة كل ذروة طيفية طرديا مع عدد الهيدروجين المساهمة في العينة ؛ هذا يسمح بالقياس الكمي للمكونات المكونة في عينة²⁹. الرنين المغناطيسي النووي هي تقنية تحليلية قيمة لقياس بعض أعضاء البرلمان ، بما في ذلك PBAT ، داخل التربة لأنها تسمح بالقياس الكمي وتحديد الهوية في وقت واحد ، وهي مناسبة للمخاليط المعقدة وغير النقية ، ولا تتطلب معايير مرجعية متطابقة^{كيميائيا 30،31}. يمكن للتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي لمستخلص المذيب تحديد MPS أو NPs أصغر من تلك التي يمكن معالجتها من أجل القياس الكمي μFTIR أو μRaman أو GCMS. على الرغم من هذه المزايا ، لا تزال مناهج الرنين المغناطيسي النووي الكمي توفر حساسيات أقل من الأساليب القائمة على التحليل الطيفي الكتلي المدمر³².

تصف الطريقة المقترحة ، الموضحة في الشكل 1 ، سير عمل لمعالجة وتحليل عينات التربة التي تحتوي على PBAT - بما في ذلك بلاستيك PBAT بحجم النانو. في الطريقة ، يتم استخراج بوليمر PBAT من عينات التربة عن طريق هز التربة بمزيج من الكلوروفورم والميثانول. يتم تجفيف مستخلصات المذيبات التي تحتوي على PBAT ثم إعادة إذابتها في الكلوروفورم المنزوع مع طيارب داخلي مضاف. يتم إجراء التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي على المستخلصات باستخدام المعلمات الكمية. يتم تحليل الأطياف الناتجة لتحديد كمية PBAT من خلال مقارنة مساحة القمم المجهزة المقابلة لذرات الهيدروجين في PBAT وجزيئات العيار. تطبق هذه الطريقة نهج استخراج المذيبات والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي للبروتون (¹H-NMR) الذي أظهره نيلسون وآخرون ³³. كان الهدف هو استخدام طريقة مناسبة لمعالجة العينات البيئية (~ 100 غرام من التربة) ومعالجة عدد من العينات بالتوازي بدون معدات استخراج متخصصة.

1. جمع وتحضير التربة

ملاحظة: يجب ألا تحتوي معدات أخذ العينات والمعالجة على البوليمر PBAT أو مكوناته لتجنب تلوث العينة. لا تتداخل مواد البوليمر الأخرى بالضرورة مع القياس الكمي ل PBAT من التربة. على سبيل المثال ، لا ينتج البولي إيثيلين والبولي بروبيلين قمم طيفية في الكلوروفورم ¹H-NMR التي تتداخل مع التقدير الكمي ل PBAT³⁴ ، ولكن البولي إيثيلين تيريفثاليت ، مع مجموعة تيريفثاليت الخاصة به ، من المرجح أن يتداخل³⁵ ، كما هو الحال مع البوليستر الآخر. يمكن استخدام النصوص المرجعية مثل Brandolini و Hills³⁴ لتحديد أطياف ¹H-NMR للبوليمرات المختلفة وفحص القمم المتداخلة مع قمم PBAT المستخدمة للقياس الكمي (الموضح أدناه).

1. اجمع ما لا يقل عن 100 غرام من الوزن الجاف من التربة لكل عينة. تحديد حجم عينة التربة بناء على التركيز المتوقع للبلاستيك من أجل جمع عينة تمثيلية وتجانس التربة لجمع عينة فرعية إذا لزم الأمر³⁶.
   ملاحظة: أنظمة التربة غير متجانسة^{بطبيعتها 37} ، وكذلك توزيعات الملوثات (على سبيل المثال ، أعضاء البرلمان) داخلها³⁸. هناك أيضا تباين مرتبط بالطرق المستخدمة لقياس تركيزات الملوثات³⁹. لذلك ، يوصى بإنشاء تصميم أخذ عينات أو تصميم تجريبي يتضمن عينات مكررة كأداة لتقدير عدم اليقين وجمع أحجام العينات التمثيلية بناء على تركيز البلاستيك⁴⁰. تم توثيق تركيزات MP في التربة لتتراوح من الصفر إلى 1 × 10⁷ عناصر لكل كيلوغرام من التربة ، مع احتواء معظم المواقع على أقل من 10,000 عنصر لكل كيلوغرام من التربة⁴¹. يمكن أن يتراوح الحجم الأولي التمثيلي النظري من 23 م² بتركيز MP من 10 عناصر لكل متر مربع إلى 0.02 م² عندما تكون تركيزات MP 10,000 عنصر لكل متر مربع³⁶.
   1. لزيادة مساحة أخذ العينات الفعالة من موقع ميداني مع تقليل كمية التربة التي يجب معالجتها ، قم بجمع التربة من مساحة كبيرة (على سبيل المثال ، 1 م²) ، ثم استخدم طريقة التأريع لتجانس العينة وتوحيدها (على سبيل المثال ، إلى 500 غرام من التربة)³⁶.
   2. في طريقة التأريع ، قم بتكديس التربة من مساحة كبيرة على قماش القنب أو أي سطح آخر ، واخلطها جيدا باستخدام مجرفة ، ثم قسمها إلى أرباع. احتفظ بربع العينة وتخلص من الثلاثة أرباع الأخرى. كرر هذه العملية حتى تصبح العينة بالحجم المطلوب.
2. غربلة التربة من خلال منخل شبكي 2 مم. نظف المنخل تماما وقم بالتقاط المقلاة بين عينات التربة.
3. جفف التربة في الهواء ، ثم قم بتخزينها في أكياس عينات محكمة الغلق. يمكن تخزين التربة الجافة في هذه الحالة قبل استخراج PBAT.

2. استخراج PBAT من التربة

تنبيه: الكلوروفورم متطاير وسام. قم بتخزينه في الظلام في زجاج كهرماني بعيدا عن المؤكسدات. أثناء العمل معها ، ارتد قفازات مناسبة وواقية للعين وملابس واقية. تعامل معها فقط في غطاء الدخان. الميثانول قابل للاشتعال ومتطاير وسام. قم بتخزين الميثانول في خزانة مقاومة للحريق. أثناء العمل بالميثانول ، ارتد قفازات مناسبة وواقية للعين وملابس واقية. تعامل مع الميثانول فقط في غطاء الدخان. قد تنكسر الأواني الزجاجية وتسبب الإصابة. ارتد واقيا للعين عند التعامل مع الأواني الزجاجية. تجنب لمس الزجاج المكسور بأيدي عارية. بدلا من ذلك ، قم بتنظيف الزجاج المكسور باستخدام قفازات أو ملقط أو مكنسة أو أداة أخرى مقاومة للقطع.

ملاحظة: الكلوروفورم غير متوافق مع معظم المواد البلاستيكية أو المعادن. تأكد من أن جميع المواد متوافقة (على سبيل المثال ، الزجاج أو البولي تترافلورو إيثيلين ، بلاستيك PTFE).

1. في غطاء الدخان ، قم بإعداد 100 مل من خليط 90:10 فولت / فولت من الكلوروفورم (ثلاثي كلورو ميثان ؛ CHCl₃) والميثانول (CH₃OH) لكل عينة يتم استخراجها. على سبيل المثال ، لاستخراج 5 عينات ، امزج 450 مل من الكلوروفورم مع 50 مل من الميثانول.
2. أضف 100 غرام من التربة الجافة ، و 100 مل من محلول الكلوروفورم والميثانول ، و 20 حبة زجاجية في وعاء استخراج زجاجي. أغلق برطمانات الاستخراج بإحكام بأغطية مبطنة ب PTFE حتى لا يتمكن بخار المذيبات من الخروج من البرطمانات.
   ملاحظة: PBAT قابل للذوبان بدرجة عالية في الكلوروفورم. تم استخدام خليط الكلوروفورم والميثانول لأن الميثانول يمكن أن يشكل روابط هيدروجينية مع المواد المذابة ، وتتنافس مع التربة المعدنية والمكونات العضوية وتزيد من استعادة PBAT من التربة³³.
3. استخدم طاولة شاكر لهز برطمانات الاستخراج لمدة 8 ساعات عند 200 دورة في الدقيقة. بعد الاهتزاز ، اترك التربة في برطمانات الاستخراج تستقر لمدة 4 ساعات على الأقل.
4. افصل المستخلص عن التربة. في غطاء الدخان ، قم بفك غطاء وعاء الاستخراج وانقل السائل بواسطة الماصة من خلال مرشح ورقي نوعي بحجم مسام 11 ميكرومتر في وعاء زجاجي نظيف يحمل علامة تجارية. سجل حجم المذيب المستعاد من جرة الاستخراج. تجنب نقل المواد الصلبة للتربة بالمستخلص. اترك بضعة مل من المذيبات خلفك إذا لزم الأمر.
   ملاحظة: يهدف ورق الترشيح إلى إزالة قطع كبيرة من المواد العضوية من محلول المذيب.
5. جفف المستخلصات عن طريق تركها في غطاء الدخان حتى يتبخر المذيب تماما. قد يستغرق هذا ما يصل إلى 24 ساعة. جفف التربة في غطاء الدخان أيضا. بمجرد أن تجف التربة تماما ، تخلص منها.
6. بمجرد أن تجف المستخلصات ، قم بتغطية كل برطمان عينة وتخزينها في مكان بارد ومظلم وجاف لحين الحاجة.

3. مجموعة أطياف الرنين المغناطيسي النووي

تنبيه: يشكل الكلوروفورم المنزوع نفس المخاطر ويتطلب نفس الاحتياطات مثل الكلوروفورم البروتوني الموصوف أعلاه.

1. أضف العيار الداخلي⁴² إلى العينة. استخدم ميزانا لوزن 1.00 مجم من 1،4-ثنائي ميثوكسي بنزين (DMB; C₆H₁₄O) في كل جرة عينة تحتوي على مستخلص مجفف.
2. أعد تعليق العينة في الكلوروفورم المنزوع (CDCl₃ ؛ ثلاثي كلورو (ديوتيرو) ميثان). في غطاء الدخان ، استخدم ماصة دقيقة لإضافة 500 ميكرولتر من الكلوروفورم المنزوع إلى البرطمان مع مستخلص العينة المجففة.
3. قم بتغطية البرطمان ورجه لإذابة المستخلص المجفف عن طريق النقر على البرطمان برفق على اليد أو سطح الطاولة ، حوالي 10 مرات على كل جانب. ثم استخدم طرف ماصة نظيف لنقل السائل إلى أنبوب الرنين المغناطيسي النووي.
4. كرر الخطوتين 3.2 و 3.3 مع 500 ميكرولتر إضافي من الكلوروفورم الديوتيراتي ، مع إضافة الجزء الثاني من العينة إلى نفس أنبوب الرنين المغناطيسي النووي مثل الأول. يهدف الشطف الثاني إلى ضمان الذوبان الكامل واستعادة المستخلص المجفف من الحاوية.
5. قم بتغطية أنبوب الرنين المغناطيسي النووي وتخزينه لمدة 3 أيام قبل تجميع أطياف الرنين المغناطيسي النووي. يعتمد وقت التخزين المناسب على معدل تبخر المذيب من أنبوب الرنين المغناطيسي النووي. قم بتحليل العينات بعد فترة وجيزة من تحضيرها بالكلوروفورم المنزوع.
6. لنقل أنابيب الرنين المغناطيسي النووي إلى مقياس الطيف ، استخدم حاملا مصمما لدعم الأنابيب الطويلة والحساسة. عادة ما يكون لها دعم بالقرب من قاعدة وأعلى الأنبوب. حافظ على الأنابيب في وضع رأسي أثناء النقل.
7. باستخدام مطياف الرنين المغناطيسي النووي 500 ميجاهرتز ، اجمع طيف بروتون ¹H بزاوية نبضة 90 درجة²⁹ ، وعرض نبضة 8 ميكرو ثانية³³ ، ووقت تأخير 25 ثانية (تحدده تجربة استرداد الانعكاس^29،43) ، و 262 ألف نقطة لكل مسح ، و 32 مسحا مركبا^29،44 من 12 إلى -2 جزء في المليون لمدة 25 دقيقة إجمالية.
   ملاحظة: استخدمنا مطياف Bruker Neo 500 ميجاهرتز مع مسبار محسن للنطاق العريض وجهاز أخذ العينات التلقائي عند درجة حرارة يتم التحكم فيها تبلغ 300 كلفن. يمكن استخدام مقاييس طياف أخرى مماثلة. في حالة استخدام أداة ذات شدة مجال مغناطيسي مختلفة ، يمكن حساب وقت التأخير المناسب بناء على وقت الاسترخاء T1 ل PBAT و 1،4-dimethoxybenzene باستخدام تجربة استرداد الانعكاس^29،43.
8. بعد تشغيل العينة ، قم بحفظ البيانات الطيفية أو نقلها أو الوصول إليها حسب الضرورة.
   فحص البيانات الطيفية. تأكد من حل جميع قمم PBAT المستخدمة في القياس الكمي بوضوح إذا كانت موجودة. استخدم قمم PBAT 5 (8.10 جزء في المليون) و 6 (4.44 جزء في المليون) و 6 '(4.38 جزء في المليون) و 3 '(4.15 جزء في المليون) و 3 (4.09 جزء في المليون) للقياس الكمي (التفاصيل في الجدول 1). استخدم قمم DMB A (6.84 جزء في المليون) و B (3.77 جزء في المليون) أيضا للقياس الكمي (التفاصيل في الجدول 2). لاحظ بشكل خاص قمم PBAT 6 و 6 و 3 و 3 ، والتي تبدو قريبة جدا من بعضها البعض وقد تتداخل.
9. إذا لم يتم حل بعض القمم بوضوح ، فقم بتخفيف العينة. اجمع بين 100 ميكرولتر من العينة و 500 ميكرولتر من الكلوروفورم المنزوع في أنبوب نظيف بالرنين المغناطيسي النووي وأعد تشغيل العينة تحت نفس المعلمات المحددة في الخطوة 3.7.

4. تحليل أطياف الرنين المغناطيسي النووي لتحديد PBAT

ملاحظة: يمكن إجراء التحليل الطيفي في أي وقت بعد الجمع. يفضل تحليل البيانات في نفس يوم إنتاج الأطياف لضمان استمرار توفر العينات لإعادة التشغيل في حالة حدوث أي مشاكل.

1. افتح ملف FID الذي تم إنشاؤه بواسطة مقياس الطيف في برنامج معالجة NMR FID (استخدمنا MestreNova من MestreLab ، وخيارات أخرى ولكن تتوفر خيارات أخرى).
2. تطبيق توسيع الخط على الأطياف: في برنامج معالجة FID، حدد قالب المعالجة في القائمة معالجة، ثم انتقل إلى قسم Apodization. حدد نموذجا أسيا بحجم 0.5 هرتز ونقطة أولى 0.5 هرتز.
3. قم بتطبيق تصحيح الطور التلقائي بالنقر فوق الزر تصحيح الطور التلقائي في القائمة معالجة. قم بتطبيق تصحيح خط الأساس التلقائي بالنقر فوق الزر تصحيح خط الأساس التلقائي في القائمة معالجة.
4. استخدم فك الالتفاف الذروة لملاءمة القمم الطيفية المقاسة: في علامة التبويب تحليل في برنامج معالجة الأطياف، في قسم التركيب، انقر فوق الزر ملاءمة جديدة . استخدم المؤشر للنقر على الأطياف بمعدل تحول قدره 8.5 صفحة في الدقيقة ، ثم اسحب المؤشر إلى إزاحة 3.0 ثم حررها.
5. انقر فوق جدول تركيب الخط أسفل قسم التركيب لعرض جميع القمم المجهزة.
6. احتفظ بالقمم المستخدمة للقياس الكمي كما هو موضح في الجدول 1 والجدول 2 والموضحة في الشكل 2. استخدم قمم PBAT 5 (8.10 جزء في المليون) ، 6 (4.44 جزء في المليون) ، 6 '(4.38 جزء في المليون) ، 3 '(4.15 جزء في المليون) ، و 3 (4.09 جزء في المليون) في القياس الكمي (التفاصيل في الجدول 1) ، بالإضافة إلى قمم DMB A (6.84 جزء في المليون) و B (3.77 جزء في المليون). تم تصنيف ذرات الهيدروجين التي تتوافق مع كل ذروة مدرجة في الجدول 1 والجدول 2 في المخططات الهيكلية في الشكل 3 ، مع الشكل 3 أ يوضح هيكل ثنائيتي PBAT ، يوضح الشكل 3 ب كيف يتفاعل موضع الثنائيات في البوليمر لتغيير ذروة التحول في الهيدروجين من مونومر 1،4-بوتانيديول ، والشكل 3C يوضح هيكل DMB.
7. احذف جميع القمم الأخرى من الملاءمة عن طريق تحديد القمم غير المرغوب فيها والنقر فوق حذف الذروة.
8. استخدم جدول الملاءمة لنسخ مساحة كل ذروة إلى تطبيق جدول بيانات للحسابات (اخترنا استخدام جدول البيانات).
9. لنسخ مناطق الذروة إلى جدول بيانات، حدد أولا جميع معلومات الذروة في جدول ملاءمة الخطوط. ثم انقر بزر الماوس الأيمن واختر نسخ من القائمة المنبثقة. الصق البيانات في جدول البيانات.
10. احسب عدد مولات DMB المضافة إلى العينة ، n_DMB ، باستخدام المعادلة
    
    حيث m_DMB هي كتلة DMB المضافة إلى العينة بالجرام (1.00 مجم) و MM_DMB هي الكتلة المولية ل DMB (138.17 جم / مول).
11. احسب عدد مولات ثنائي البوتيلين تيريفثاليت ل PBAT في العينة ، n_BT ، باستخدام المعادلة
    
    حيث A₅ هي المنطقة المقاسة لذروة PBAT 5 ، A_{A هي} المنطقة المقاسة لذروة DMB A ، و A_B هي المنطقة المقاسة لذروة DMB B. وحدات المساحة التي ينتجها برنامج التحليل الطيفي تعسفية.
12. احسب عدد مولات ثنائي بوتيلين أديبات PBAT في العينة ، n_BA ، باستخدام المعادلة
    
    حيث A₃ هي المنطقة المقاسة لذروة PBAT 3 ، A_{3 هي} المنطقة المقاسة لذروة PBAT 3 '، A₆ هي المنطقة المقاسة لذروة PBAT 6 ، و A_{6 هي} المنطقة المقاسة لذروة PBAT 6'. وحدات المساحة التي ينتجها برنامج التحليل الطيفي تعسفية.
13. احسب كتلة PBAT في العينة ، m_{PBAT ، المستردة} ، باستخدام المعادلة
    
    حيث MM_BA هي الكتلة المولية لثنائي BA من PBAT (200 جم / مول) ، و MM_BT هي الكتلة المولية لثنائي BT من PBAT (220 جم / مول).
14. إذا كانت كمية معروفة من PBAT موجودة في العينة ، فيمكن حساب النسبة المئوية للاسترداد ، η ، للعينة كمقياس لكفاءة الاستخراج وفقا للمعادلة
    
15. احسب تركيز PBAT في عينة ، C_PBAT ، باستخدام المعادلة
    
    حيث M_{التربة الجافة} هي كتلة التربة الجافة المستخدمة لإنتاج المستخلص (0.1 كجم) ،_{والمذيب V المستعاد} هو حجم المذيب المستعاد من التربة في الخطوة 2.4 ، و V_{sovlent المضاف} هو الكمية الأولية من المذيب المضاف إلى عينة التربة (100 مل).

5. إعداد منحنى المعايرة لقياس PBAT من تربة معينة

ملاحظة: سيوفر منحنى المعايرة الذي تم إنشاؤه بناء على عينات التربة مع إضافة كميات معروفة من PBAT معلومات مفيدة حول كيفية استخراج PBAT واستعادته من تربة معينة. الاستخراج ليس هو نفسه بالنسبة لجميع أنواع التربة أو جميع أشكال PBAT. نشك في أن كفاءة الاستخراج تعتمد على طين التربة ومحتوى المواد العضوية³³ ، ونوصي بإنشاء منحنى معايرة لكل سلسلة تربة وأفق محل اهتمام. يمكن إنشاء منحنى المعايرة قبل معالجة العينات غير المعروفة أو بعدها بهذه الطريقة.

1. اجمع وحضر ما يعادل 2.5 كجم من التربة الجافة كما هو موضح في الخطوات 1.1-1.3.
2. تحديد النطاق الذي سيغطيه منحنى المعايرة. وينبغي أن يكون الحد الأقصى لتركيز PBAT المستخدم في منحنى المعايرة أعلى من أعلى تركيز PBAT بين العينات غير المعروفة.
3. قم بإعداد أو الحصول على بلاستيك PBAT كاف لإنشاء 5 عينات مسننة من 100 غرام من التربة بنسبة 0٪ و 25٪ و 50٪ و 75٪ و 100٪ من الحد الأقصى للتركيز (إجمالي 25 عينة). على سبيل المثال ، إذا كان 40 مجم / كجم هو الحد الأقصى للتركيز المطلوب ، فستكون هناك حاجة إلى ما مجموعه 50 مجم من PBAT لإنشاء العينات المسننة.
4. تحضير 25 عينة من 100 غرام من التربة لكل عينة. قم برفع العينات عن طريق وزن البلاستيك القائم على PBAT وإضافته إلى عينات التربة بالمعدلات المحددة. على سبيل المثال، إذا كان 40 ملغم/كغ من PBAT هو الحد الأقصى المطلوب للتركيز، فقم بإنشاء 5 عينات بدون PBAT و5 عينات مع 1 مجم من PBAT و5 عينات مع 2 مجم من PBAT و5 عينات مع 3 مجم من PBAT و5 عينات مع 4 ملغ من PBAT. بعد إضافة PBAT إلى التربة ، اخلطي جيدا.
5. استخرج PBAT من 25 عينة مسننة ، ثم اجمع أطياف الرنين المغناطيسي النووي من المستخلصات وحلل الأطياف الناتجة كما هو موضح في الخطوات من 2.1 إلى 4.16.
6. حدد معادلة منحنى المعايرة ل PBAT في هذه التربة عن طريق إجراء انحدار خطي بين الكمية المقاسة من PBAT في كل عينة مسننة والكمية الفعلية ل PBAT المضافة في أداة التحليل الإحصائي. استخدمنا جدول بيانات. إذا لم يتم الكشف عن PBAT في العينات المسننة مع عدم إضافة PBAT ، فقم بفرض b = 0 في الانحدار.
   ملاحظة: يقيم اختبار الانحدار الخطي قوة العلاقة الخطية بين متغيرين عدديين مستمرين x و y ، وفقا للعلاقة y = mx + b. يتم حساب قيم m و b التي تناسب البيانات بشكل أفضل بواسطة الاختبار. يصف معامل r² لاختبار الانحدار مدى ارتباط المتغيرين ببعضهما البعض.
7. اختبار وجود علاقة ذات دلالة إحصائية بين كفاءة الاستخراج وتركيز PBAT باستخدام أداة التحليل الإحصائي. احسب كفاءة استخراج PBAT من العينات المسننة على النحو التالي
   
8. استخدم أداة التحليل الإحصائي لحساب احتمال حدوث البيانات المرصودة بشكل عشوائي دون ارتباط بين كفاءة الاستخراج وتركيز PBAT. إذا كانت قيمة p هذه أكبر من عتبة الدلالة المحددة مسبقا ، α ، فإنها تفشل في رفض الفرضية الصفرية القائلة بأنه لا توجد علاقة بين المتغيرين. إذا كانت هذه هي الحالة ، فيمكن افتراض أن كفاءة الاستخراج ثابتة لجميع تركيزات PBAT ضمن النطاق المختبر. إذا تم رفض الفرضية الصفرية ، فقد لا يكون النموذج الخطي الموصوف هنا هو أفضل طريقة لنمذجة البيانات.
9. استخدم معادلة الانحدار الخطي لمنحنى المعايرة لتقدير كمية PBAT في عينات غير معروفة تمت معالجتها باستخدام هذه الطريقة. إذا كان متغير الانحدار x هو الكمية الفعلية ل PBAT في عينات منحنى المعايرة المسننة ، فإن المتغير y هو الكمية المقاسة من PBAT ، وتم ضبط b على 0 ، ثم تم ضبط b على 0 ، ثم
   
   ملاحظة: يمكن استخدام محتوى PBAT للعينات المكررة المقدرة باستخدام معادلة منحنى المعايرة لتوليد فاصل ثقة لكمية PBAT في تربة معينة ، أو إذا كان من الممكن حساب متوسط وفاصل الثقة لتركيزات PBAT في المستخلصات المكررة ، فيمكن تطبيق منحنى المعايرة لتقدير تركيز PBAT في التربة. ينتج عن أي من ترتيبي العمليات نفس فاصل الثقة لمحتوى PBAT في التربة. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك مقتطفات من 10 عينات مكررة تحتوي على تركيزات PBAT تبلغ 10 و 5 و 2 و 4 و 10 و 11 و 2 و 6 و 8 و 5 مجم / كجم ومعادلة منحنى المعايرة y _{(PBAT المقاسة في المستخلص)} = 0.75 x _{(PBAT الحقيقي في التربة).} يمكن تقدير تركيزات PBAT في التربة في كل مكرر ب 13 و 7 و 3 و 5 و 13 و 15 و 3 و 8 و 11 و 7 مجم / كجم. ثم يقدر متوسط تركيز PBAT في التربة ب 8.4 مجم / كجم مع انحراف معياري قدره 4.4 مجم / كغ. إذا تم حساب المتوسط والانحراف المعياري لأول مرة لتركيزات PBAT المستخرجة (10 و 5 و 2 و 4 و 10 و 11 و 2 و 6 و 8 و 5) ، حساب متوسط 6.3 مجم / كجم وانحراف معياري قدره 3.3 مجم / كغ. بعد ذلك ، يمكن تطبيق منحنى المعايرة على كل من المتوسط والانحراف المعياري لتقدير تركيز PBAT في التربة: متوسط 8.4 مجم / كجم ، الانحراف المعياري 4.4 مجم / كغ.

لتقييم فعالية هذه الطريقة في تحديد بوليمر PBAT من التربة ، تم إنشاء منحنيات المعايرة عن طريق استخراج PBAT من عينات مسننة تم إنشاؤها من ثلاث تربة مختلفة. لكل من التربة الثلاث (التفاصيل في الجدول 3) ، تم تمرير التربة من خلال غربال 2 مم ثم تجفيفها بالهواء. تم إنشاء عينات مسننة عن طريق إضافة 0 أو 9 أو 18 أو 27 أو 36 مجم من MP القائم على PBAT إلى 100 غرام من التربة الجافة (5 تكرارات لكل منها). هذا يعادل 0 أو 63 أو 126 أو 189 أو 252 مجم / كجم من بوليمر PBAT. تم تصنيع MPS من نشارة بلاستيكية بنسبة 70٪ PBAT من حيث الكتلة وسمك 50 ميكرومتر وفقا لإجراء الطحن الموصوف في Astner et ^al.45 وكانت أصغر من 840 ميكرومتر. لإنشاء كل منحنى معايرة ، تم استخراج PBAT من كل عينة مسننة باتباع الإجراء المحدد أعلاه. ثم تمت مقارنة استرداد PBAT بكمية PBAT المضافة إلى كل عينة. كما تم اختبار معدل استرداد PBAT والقياس الكمي ل NPs (متوسط القطر 780 نانومتر ، مؤشر التشتت المتعدد 0.77 ، المحضر وفقا ل Astner et ^al.45) في تربة واحدة (طميية مظللة).

بالنسبة لجميع أنواع التربة ، لم يتم الكشف عن PBAT في العينات التي لم تتم إضافة PBAT ، أي لم يتم ملاحظة أي إيجابيات كاذبة بهذه الطريقة. يوضح الشكل التكميلي 1 طيفا تم جمعه من تربة طينية مظللة لا تحتوي على PBAT (وتحتوي على DMB تمت إضافتها أثناء عملية التحضير). القمتان المميزة من العيار الداخلي DMB موجودتان ، لكن القمم المميزة ل PBAT ليست موجودة. بالنسبة للتربة التي تمت إضافة PBAT ، كانت القمم الخمس المميزة المستخدمة لتحديد PBAT موجودة. يوضح الشكل 2 طيفا تم جمعه من تربة طينية مظللة مع إضافة 63 مجم / كجم من PBAT. يتم حل جميع قمم PBAT و DMB المستخدمة في القياس الكمي بوضوح. يوضح الشكل التكميلي 2 المنطقة المجهزة من الطيف الموضحة في الشكل 2 مع تراكب قمم متكاملة. نظرا لتداخل القمم 3 و 3 و 6 و 6 مع إشارات أخرى في الطيف ، من المهم حساب محتوى PBAT بناء على تكاملات القمم المجهزة بدلا من تكاملات الذروة البسيطة. هذا يزيل المساحة التي ساهمت بها المكونات الأخرى لمستخلص التربة ومن قمم PBAT المتداخلة. يوضح الشكل التكميلي 3 تأثيرات التخفيف على الدقة الطيفية للرنين المغناطيسي النووي. يوضح الشكل طيفا تم جمعه من طميية رملية Elkhorn مع إضافة 252 مجم / كجم من PBAT. في اللوحة A، لا يمكن حل قمم PBAT 3 و 3 و 6 و 6 في نطاق 4.5 - 4.0 جزء في المليون. يوضح الشكل التكميلي 3 ب طيفا تم جمعه من نفس العينة بعد تخفيفه بنسبة 1: 5 مع الكلوروفورم المنزوع الإضافي. بعد التخفيف ، تكون القمم الأربع مميزة ، ويمكن أن تكون مساحتها مناسبة.

اختلفت منحنيات المعايرة بين التربة الثلاث التي اختبرناها. يوضح الشكل 4 تركيزات PBAT المقدرة لكل تربة بناء على PBAT المقاس (C_{PBAT ، m}) في كل مستخلص مقارنة بالكمية الفعلية ل PBAT (C_{PBAT ، a}) المضافة إلى التربة. كانت كمية PBAT المستردة من التربة الطينية المظللة مرتبطة ارتباطا وثيقا بكمية PBAT المضافة (ص² = 0.99). بالنسبة لمعادلة منحنى المعايرة C_{PBAT ، m} = m * C_{PBAT ، a} ، m = 0.76 ± 0.02 (متوسط ± خطأ معياري واحد) ، و m كان مختلفا اختلافا كبيرا عن الصفر (df = 24 ؛ F = 2000 ؛ ص < 1 * ^10-16). تم استرداد PBAT بكفاءة η = 76٪ ± 10٪ (متوسط ± انحراف معياري واحد) من هذه التربة. لم ترتبط كفاءة الاستخراج من التربة المظللة بكمية PBAT في العينات (ص² = 0.009 ؛ ص = 0.7). تم استرداد NP بكفاءة η = 59٪ ± 8٪ (متوسط ± انحراف معياري واحد). يوضح الشكل 5 كفاءة استخراج النواب و NPs من الطميية المظللة. كانت الكفاءة أقل بشكل ملحوظ بالنسبة للNP (p = 0.0002). كانت كمية PBAT المستردة من طمي لوس أوسوس أقل ارتباطا بكمية PBAT المضافة (ص² = 0.85) مقارنة بالتربة المظللة. بالنسبة لمعادلة منحنى المعايرة C_{PBAT ، m} = m * C_{PBAT ، a} ، m = 0.57 ± 0.05 (متوسط ± خطأ معياري واحد) ، و m كان مختلفا اختلافا كبيرا عن الصفر (df = 23 ؛ F = 100 ؛ ع = 8 * ^10-11). تم استرداد PBAT بكفاءة η = 57٪ ± 22٪ (متوسط ± انحراف معياري واحد) من هذه التربة. لم ترتبط كفاءة الاستخراج في تربة لوس أوسوس بكمية PBAT في العينات (ص² = 0.01 ؛ ص = 0.6). كانت كمية PBAT المستردة من الطميية الرملية Elkhorn مرتبطة ارتباطا وثيقا بكمية PBAT المضافة (ص² = 0.88). بالنسبة لمعادلة منحنى المعايرة C_{PBAT ، m} = m * C_{PBAT ، a} ، m = 0.70 ± 0.05 (متوسط ± خطأ معياري واحد) ، و m كان مختلفا اختلافا كبيرا عن الصفر (df = 23 ؛ F = 200 ؛ ع = 5 * ^10-12). تم استرداد PBAT بكفاءة η = 70٪ ± 14٪ (متوسط ± انحراف معياري واحد) من هذه التربة. لم ترتبط كفاءة الاستخراج بكمية PBAT في العينات (ص² = 0.006 ؛ ص = 0.7) لتربة الخورن.

علاوة على ذلك ، تم تطبيق هذه الطريقة لتحديد كمية PBAT في تربة سلسلة Elkhorn. في هذه التجربة ، تم جمع تربة Elkhorn من موقعين داخل حقل زراعي ، وغربلتها من خلال غربال 2 مم ، ثم تجفيفها بالهواء. تم خلط التربة مع نشارة MPS القائمة على PBAT (تم إنشاؤها كما هو موضح أعلاه ، قطرها < 840 ميكرومتر) ، مع 50 مجم من MPS و 150 جم من التربة الجافة في كل عالم متوسط (250 مجم / كجم من PBAT) لإنشاء 5 متوسطات مع MPS مختلطة في التربة من الموقع A و 5 مع MPS مختلطة في التربة من الموقع B (إجمالي 10). خمسة أكون متوسطة مكونة من تربة من كل موقع دون إضافة نواب كانت بمثابة عنصر تحكم سلبي (إجمالي 10). تم احتضان الكون المتوسط لمدة 6 أشهر للتحقيق في التحلل البيولوجي لأعضاء البرلمان القائم على PBAT. أثناء الحضانة ، تم قياس التنفس التراكمي للتربة عن طريق تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الفراغ (باستخدام محلل غاز الأشعة تحت الحمراء) واستخدم لتحديد تدهور PBAT. تم حساب كمية البلاستيك المتبقية في الكون المتوسط في نهاية الحضانة على النحو التالي

C_{Frac من البلاستيك ، النهائي} = [م_{بلاستيك ، i} / C_{بلاستيك frac} - (C_{CO2 ، البلاستيك المضاف} - C_{CO2 لا البلاستيك}) * م_{التربة الجافة}] / (م_{البلاستيك ، i} / C_{البلاستيك frac})

حيث m_{التربة الجافة} هي كمية التربة في كل جرة حضانة ، C_{frac Plastic} هو محتوى الكربون من اللدائن الدقيقة المضافة ، C_{CO2 ، البلاستيك المضاف} هو الكمية التراكمية من ثاني أكسيد الكربون₂ المنتج في الكون المتوسط مع إضافة البلاستيك لكل جرام من التربة الجافة ، C_{CO2 لا يوجد بلاستيك} هو كمية ثاني أكسيد الكربون₂ المنتجة في الكون المتوسط مع عدم إضافة البلاستيك لكل جرام من التربة الجافة ، و m_{بلاستيك ، I} هي الكتلة الأولية للبلاستيك المضاف.

استخدمنا التمهيد لتقدير فترات الثقة للبلاستيك المتبقي في التربة A و B عن طريق حساب البلاستيك المتبقي مع 10,000 عينة فرعية نظرية من الأزواج العشوائية ل 10 mesocosms تجريبية من كل موقع. في الموقع A ، كان متوسط البلاستيك المقدر المتبقي من بيانات التنفس 86٪ ، مع نطاق فاصل ثقة 95٪ من 62 إلى >100٪. في الموقع B ، كان متوسط البلاستيك المتبقي المقدر 98٪ ، مع فاصل ثقة 95٪ يتراوح من 79 إلى >100٪. في نهاية 6 أشهر ، تم قياس محتوى PBAT أيضا باستخدام طريقة الاستخراج والقياس الكمي بالرنين المغناطيسي النووي الموضحة في هذه المخطوطة (ن = 5 للموقع A و n = 4 للموقع B). في الموقع A ، كان متوسط البلاستيك المقدر المتبقي من بيانات الرنين المغناطيسي النووي 79٪ ، مع فاصل ثقة 95٪ (متوسط ± 1.96xSE) يتراوح من 71٪ إلى 87٪. في الموقع B ، كان متوسط البلاستيك المتبقي المقدر 88٪ ، مع فاصل ثقة 95٪ يتراوح من 71٪ إلى 100٪. يوضح الشكل 6 فترات الثقة للمحتوى البلاستيكي للتربة من الموقعين المقدرين بالطريقتين المختلفتين. تظهر تقديرات المحتوى البلاستيكي من الطريقتين متسقة بشكل متبادل بناء على الجزء الكبير من التداخل بين كل زوج من فترات الثقة.

الشكل 1: نظرة عامة مرئية على إجراء استخراج وقياس كمية بولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت (PBAT). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: ¹طيف H-NMR تم جمعه في مذيب الكلوروفورم المنزوع مع مطياف 500 ميجاهرتز على مستخلص من تربة طينية مظللة مع بولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت (PBAT) MPS. تمت إضافة 1،4-ثنائي ميثوكسي بنزين (DMB) إلى المستخلص كعيار داخلي قبل تحليل الرنين المغناطيسي النووي. توجد كل من القمم المميزة PBAT و DMB في الطيف. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: هياكل البولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت (PBAT) و 1،4-ثنائي ميثوكسي بنزين (DMB) مع بروتونات مصنفة. الهياكل المقابلة موضحة في الجدول 1 والجدول 2. (أ) هيكل وحدة BA-BT واحدة من PBAT. (ب) هيكل ثلاثيات T-B-T و T-B-A و A-B-A من PBAT. (ج) هيكل DMB. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: تركيزات PBAT المقاسة بواسطة ¹H-QNMR في مستخلصات في مذيب الكلوروفورم المنزوع من تربة طينية مظللة ، وطميية لوس أوسوس ، وطميية Elkhorn الرملية التي تحتوي على كميات معروفة من PBAT. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 5: كفاءة استخراج أعضاء البرلمان و NPs من العينات المسننة في تربة طينية مظللة. ويكون استرداد PBAT أقل بكثير بالنسبة إلى NPs (p = 0.0002). يمثل الخط الأوسط لكل مربع متوسط نقاط البيانات المقاسة ، بينما يعكس الحد العلوي والسفلي للمربع Q3 و Q1 ، على التوالي. تعكس الحدود العليا والدنيا للشعيرات الحد الأقصى والحد الأدنى لنقاط البيانات ، على التوالي. يتم عرض نقاط البيانات الفردية داخل الصندوق والشعيرات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: تم قياس المحتوى البلاستيكي لتربتين من Elkhorn عن طريق التنفس التراكمي للحضانة واستخراج المذيبات إلى جانب الرنين المغناطيسي النووي. بالنسبة للمحتوى البلاستيكي الذي يقاس عن طريق التنفس ، تمثل القضبان فاصل ثقة بنسبة 95٪. بالنسبة للمحتوى البلاستيكي المقاس بواسطة الرنين المغناطيسي النووي ، تمثل الأشرطة فاصل ثقة بنسبة 95٪ بناء على ضعف الخطأ المعياري أعلى وأقل من متوسط التقدير (n = 5 للموقع a و n = 4 للموقع b). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1: ¹القمم الطيفية H-NMR لبولي بيوتيلين أديبات تيريفثاليت (PBAT) في مذيب الكلوروفورم المنزوع. تم تصنيف الهيدروجين المنسوبة إلى كل ذروة في الشكل 3. تستند مهام الذروة إلى Herrera et ^al.27.

الجدول 2: ¹قمم H-NMR من 1،4-ثنائي ميثوكسي بنزين (DMB) في مذيب الكلوروفورم المنزوع. تم تمييز الهيدروجين المنسوبة إلى كل ذروة في الشكل 3 ب. تستند مهام الذروة إلى Nelson et ^al.33.

الجدول 3: خصائص التربة الثلاث التي تم استخدامها لإثبات طريقة استخراج PBAT.

الشكل التكميلي 1: ¹طيف H-NMR تم جمعه في مذيب الكلوروفورم الديوتيري مع مطياف 500 ميجاهرتز على مستخلص من طميية مظللة بدون وجود بوليمر PBAT. قمم PBAT المميزة غير موجودة ، في حين أن قمم DMB (المضافة ككابليبرنت داخلي) موجودة. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: المنطقة المجهزة من طيف ¹H-NMR كما هو موضح في الشكل 4. تم جمع الطيف في مذيب الكلوروفورم المنزوع. تظهر الخلفية الخضراء منطقة الطيف التي كانت مناسبة. تظهر الخطوط الأرجوانية القمم المجهزة بينما تظهر الخطوط الحمراء الخطأ (أجزاء من إشارة الطيف غير مدرجة في القمم المجهزة). يتم تضمين قمم PBAT 5 و 6 و 6 'و 3' و 3 في الملاءمة جنبا إلى جنب مع قمم DMB A و B. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 3: ¹أطياف H-NMR في مذيب الكلوروفورم المنزوع تم جمعه باستخدام مطياف 500 ميجاهرتز على مستخلص من طميية رملية Elkhorn مع إضافة أعضاء PBAT. توجد كل من القمم المميزة PBAT و DMB في الطيف. (أ) لا يمكن تمييز قمم PBAT لتحديد كمية البوليمر. إذا أنتجت مستخلصات العينة أطياف مثل هذه ، فقم بتخفيف العينة ثم استخدامها لجمع طيف ^{جديد 1}H-NMR. (ب) يتم تخفيف نفس المستخلص بحيث يتم حل جميع القمم الطيفية بوضوح. الرجاء النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

نقترح طريقة لاستخراج المذيبات ل PBAT من التربة إلى جانب ¹H-NMR لتحديد PBAT في المستخلص. تشمل العناصر الرئيسية لعملية الاستخراج تقنية الاستخراج والمعدات ، والمذيب المستخدم في الاستخراج ، ومتطلبات الوقت. اخترنا استخدام تقنية الاستخراج التي تتطلب معدات بسيطة وغير مكلفة نسبيا (برطمانات زجاجية وخرز زجاجي وطاولة شاكر) مقارنة باستخراج Soxhlet واستخراج المذيبات المتسارع (ASE) الذي أظهره Nelson et ^al.33. الهدف من هذه الطريقة هو أنه يمكن استخراج العديد من العينات بالتوازي مع السرعة في معالجة عينات التربة السائبة. ميزة أخرى لاستخراج اهتزاز المذيبات البسيط هي أنه يمكن استيعاب كميات أكبر من التربة مقارنة بنهج Soxhlet أو ASE ، مما يسمح بمعالجة أسهل للعينات الممثلة للبيئة^13،36. اخترنا محلول مذيب الكلوروفورم والميثانول بناء على النتائج الناجحة التي قدمها Nelson et ^al.33 وتوافر الكلوروفورم المنزوع كمذيب ¹H-NMR. اختبرنا الموجات فوق الصوتية لمخاليط مصفوفة المذيبات المتوافقة مع البروتوكول الموصوف في Nelson et ^al.33 مقارنة بطريقة اهتزاز المذيبات البسيطة ولم نجد فرقا كبيرا في معدلات استرداد PBAT بين الطريقتين. وجدنا أن 8 ساعات من الاهتزاز عند 200 دورة في الدقيقة كانت كافية لكسر ركام التربة في 100 غرام من مصفوفة التربة للتربة الثلاث التي اختبرناها ، في حين أن أوقات الاهتزاز الأقصر أو سرعات الاهتزاز المنخفضة لم تكن كافية. ثم كان الترسيب مطلوبا لاستعادة المذيبات بدون جزيئات التربة. تم اختبار استرداد PBAT باستخدام بلاستيك بحجم النانو ، وكان الاسترداد أقل بكثير من التعافي من أعضاء البرلمان. هذا يعني أن الطريقة قد تحتاج إلى مزيد من التطوير لتحديد العينات البيئية بدقة من NPs غير المعروفة ، ولكن الاسترداد الجزئي وقياس NPs لا يزال ذا قيمة مقارنة بالطرق الأخرى محدودة الحجم ، على الرغم من أنه لا يمكن الحصول على معلومات حجم الجسيمات بهذه الطريقة.

بينما أبلغ Nelson et ^al.33 عن كفاءات استخراج بالقرب من 100٪ لطريقة استخراج الموجات فوق الصوتية ، وجدنا أن الموجات فوق الصوتية وطريقة الاستخراج القائمة على شاكر الموصوفة هنا أدت إلى كفاءات استخراج أقل بكثير من 100٪. نعتقد أن هذا قد يكون بسبب تأثيرات التجوية البيئية ، بما في ذلك الأكسدة الضوئية على النشارة البلاستيكية. لاحظ Nelson et ^al.33 انخفاضا كبيرا في كفاءة الاستخراج ل PBAT MPS المشعة بالأشعة فوق البنفسجية مقارنة بالمواد غير المعرضة للعوامل الجوية. تم تجويف البلاستيك الذي استخدمناه لاختبار طريقة القياس الكمي هذه في ضوء الشمس لموسم نمو كامل قبل معالجته في البرلمان. على الرغم من المثبتات الضوئية المضافة إلى أغشية المهاد البلاستيكية التجارية ، فإن بنية بوليمر المهاد تتغير بسبب الأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال ، الربط المتقاطع المتسلسل الذي يزيد من محتوى هلام المادة) ⁴⁶ في ظروف التجوية البيئية وتدهور البوليمر يمكن أن يغير طيف الرنين المغناطيسي^{النووي 47}. قد يساهم هذا في انخفاض معدلات استرداد PBAT التي لاحظناها مقارنة ب Nelson et ^al.33. وجدنا أيضا أن كفاءة استخراج PBAT تختلف بين التربة الثلاث التي اختبرناها. تحتوي التربة المظللة في الغالب على طين منخفض النشاط ، في حين أن التربة الأخرى تحتوي على طين سمكتيتي (لوس أوسوس) ومختلط وفائق النشاط (Elkhorn). قد يكون وجود معادن طينية عالية النشاط و 2: 1 قد منع استخراج المذيبات ل PBAT من تلك التربة^33،48 مما أدى إلى انخفاض استرداد PBAT الذي لاحظناه. نوصي بإجراء مزيد من البحث الذي يبحث في ارتباطات البلاستيك والمعادن في التربة من أجل MPS و NPs القابلة للتحلل ، بما في ذلك PBAT ، بالإضافة إلى البوليمر التقليدي غير القابل للتحلل و NPs. هذا مهم لفهم كيفية استخراج بوليمرات MP وقياسها من التربة وفهم كيف يمكن أن تتحلل بيولوجيا أو تؤثر على أنظمة التربة.

تشمل العناصر الرئيسية لعملية اكتساب طيف الرنين المغناطيسي النووي قوة مغناطيس الأداة ، وعدد عمليات المسح المستخدمة ، ووقت استرخاء العينة بين عمليات المسح ، وإجمالي وقت القياس لكل عينة. استخدمنا مطياف 500 ميجاهرتز. توفر شدة المجال المغناطيسي الأعلى حساسية ودقة أكبر في أطياف الرنين المغناطيسي النووي. يمكن زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء الطيفية عن طريق جمع عمليات المسح المتكررة لنفس العينة وجمعها معا. سيؤدي جمع n عمليات المسح إلى زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء بمعامل √n ولكنه سيزيد من وقت القياس بمعامل n²⁹. وهذا يعني أنه إذا كانت هناك حاجة إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى لتحديد كمية PBAT في عينة، فيمكن زيادة عدد عمليات المسح على حساب أوقات تشغيل أطول للعينة. هناك حاجة إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء تبلغ 150 لإشارة معينة للحفاظ على خطأ <1٪ في التقدير الكمي⁴⁴. في ظل معلمات الاستحواذ الخاصة بنا (الأداة ، المسبار ، عدد عمليات المسح) ، كان من الضروري حوالي 5 مجم من PBAT لكل عينة (أو 50 ميكروغرام PBAT لكل مل من المستخلص) للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء تبلغ 150 وبالتالي خطأ <1٪ في القياس الكمي. هذا التركيز خاص بإعداد جمع البيانات لدينا. تركيز PBAT هذا أعلى من حدود القياس الكمي التي حققها الآخرون باستخدام ¹H-NMR لتحديد أنواع أخرى من أعضاء البرلمان في غياب التربة^16،24 ، مما يدل على تأثير المواد العضوية في التربة والمركبات الأخرى المستخرجة المشتركة على طريقة القياس الكمي. النطاق القابل للقياس الكمي ل PBAT محدود أيضا في الطرف العلوي بسبب اتساع الخط الذي شوهد عند تركيزات PBAT أكبر من 25 مجم لكل عينة (250 ميكروغرام PBAT لكل مل من المستخلص) ، مما أدى إلى تداخل ذروة PBAT كما هو موضح في النتائج التمثيلية والموضحة في الشكل التكميلي 3. ومع ذلك ، تتيح هذه الطريقة المرونة في الاستجابة لهذه القيود من أجل ضمان أن العينات قابلة للقياس الكمي. يمكن زيادة أو تقليل كمية التربة المستخدمة في إنشاء المستخلصات ويمكن تخفيف المستخلصات وإعادة تحليلها لضبط تركيز PBAT ضمن النطاق الأمثل.

تشمل العناصر الرئيسية لعملية تحديد PBAT بناء على أطياف الرنين المغناطيسي النووي القمم المستخدمة لتحديد PBAT ، واستخدام تركيب الخط لحساب مناطق الذروة ، ومنحنى المعايرة. من الناحية المفاهيمية ، يمكن مقارنة أي زوج من قمم PBAT و DMB لحساب نسبة المركبين في العينة. وجدنا النتائج الأكثر دقة عندما قمنا بحساب نسبة BT: DMB كمتوسط لمناطق الذروة 5: A ومناطق الذروة 5: B (تطبيعها حسب عدد البروتونات الخاصة بها). توفر ذروة PBAT 5 فقط القياس الكمي لمونومر 1،4-butanediol-terephthalate (BT) ، لذلك تمت مقارنة مساحة القمم 3 و 3 '(التي تمثل 1،4-butanediol-adipate ، أو BA ، المونومر) بمساحة القمم 6 و 6 '(التي تمثل مونومر BT) لتحديد مجموعات BA الموجودة في العينة. تم إضافة مبلغ BT و BA معا لتمثيل المبلغ الإجمالي المتبقي ل PBAT. لم يكن من الممكن استخدام ذروة PBAT 1 أو 2 في التقدير الكمي BA بسبب تداخل المركبات المستخرجة المشتركة (يفترض أنها مادة عضوية في التربة) ، مما أدى إلى إنشاء قمم عريضة متعددة في نطاق 2.7-0.7 جزء في المليون. استكشفنا إزالة هذه الإشارات غير المرغوب فيها من الأطياف باستخدام تصحيح الخلفية (أي طرح طيف فارغ من كل طيف عينة) ، لكننا وجدنا أن إنشاء خلفية مكافئة وأطياف عينة قابلة للمقارنة دون استخدام العيار غير موثوق به. تم استخدام تركيب الخط لحساب مساحة القمم المجهزة بدلا من دمج القمم الطيفية مباشرة. نظرا للتداخل بين قمم PBAT 3 و 3 'وبين 6 و 6' ، فقد قدم هذا تقديرات أكثر دقة لمحتوى PBAT بناء على التحليل الأولي. نوصي بإنشاء منحنى معايرة لحساب معدلات الاسترداد المتفاوتة ل PBAT من أنواع التربة المختلفة. كانت معدلات استرداد PBAT مختلفة بشكل كبير لزوج واحد ، من بين التربة الثلاث التي اختبرناها ، كما يتضح من فترات الثقة غير المتداخلة بنسبة 95٪ لمنحدر منحنى المعايرة. لم يكن استرداد PBAT في التربة الثالثة مختلفا بشكل كبير عن أي من التربة الأخرى. في حالة عدم وجود فهم ميكانيكي لكيفية تأثير تكوين التربة على استعادة PBAT ، نوصي بإنشاء منحنيات معايرة لتقييم استرداد PBAT في كل سلسلة من سلاسل التربة ذات الأهمية ولكل أفق داخل ملف تعريف التربة. إذا تبين أن منحنيات المعايرة متشابهة إحصائيا بين التربة ، فيمكن بسهولة تحليل التربة معا.

نعتقد أن هذه الطريقة يمكن أن توفر أداة قيمة للمهتمين بتحديد عدد أعضاء البرلمان و NPs في التربة ، خاصة لقياس PBAT في عدد كبير من العينات التي تم جمعها في تربة مماثلة ، على سبيل المثال ، في دراسة ميدانية طويلة الأجل للتحلل البيولوجي للبلاستيك. تعد طريقة الرنين المغناطيسي النووي لقياس النواب من التربة ذات قيمة لأنها تتيح للباحثين الذين لديهم إمكانية الوصول إلى الرنين المغناطيسي النووي والخبرة فيه بالمساهمة في تلبية احتياجات المجال الناشئ من خلال الإجابة على أسئلة مهمة حول وجود وسلوك أعضاء البرلمان في أنظمة التربة. في حين أن الوصول إلى الأجهزة والخبرة سيكون على الأرجح من الاهتمامات العملية الأولى التي تحد من اختيار الباحثين لتقنيات القياس الكمي ، فإن الرنين المغناطيسي النووي ليس الأداة الأكثر كفاءة أو الأنسب لقياس اللدائن الدقيقة من التربة في جميع الظروف. لا يمكن الحصول على معلومات شكل وحجم الجسيمات باستخدام تقنية استخراج المذيبات ؛ إذا كان شكل MP وحجمه موضع اهتمام ، فسيكون من الأفضل للباحثين تقديم خدمة من خلال تقنية لتحديد جسيمات MP الفردية مثل FTIR أو التحليل الطيفي رامان. تتمثل إحدى مزايا طرق استخراج المذيبات مثل تلك المعروضة هنا وفي Nelson et ^al.33 مقارنة بأساليب القياس الكمي الأخرى ل MP مثل FTIR ، أو التحليل الطيفي Raman في أنه لا يوجد من الناحية المفاهيمية حد للحجم ل MPS و NPs التي يمكن قياسها كميا. قد يكون استخراج المذيبات أكثر فائدة عندما لا تكون معلومات حجم الجسيمات ضرورية أو عندما يصعب فصل الجسيمات ذات الأهمية بوسائل أخرى. قد يكون الانحلال الحراري GCMS ذا قيمة لأنه يتمتع بحساسية أعلى من الرنين المغناطيسي النووي ، ولكن النتائج تخضع أيضا لتأثيرات المصفوفة كما هو الحال مع احتمال استخراج مذيبات PBAT.

نأمل أن يؤدي المزيد من العمل إلى تحسين متانة هذه الطريقة من خلال معالجة مكونات التربة المستخرجة المشتركة التي تتداخل مع دقة الذروة PBAT في أطياف الرنين المغناطيسي النووي. هناك حاجة أيضا إلى مزيد من العمل لتحديد العلاقة بين كفاءة التجوية والاستخراج للبلاستيك PBAT من خلال هذه الطريقة ، ربما مصحوبة بفهم أكثر تفصيلا لمنتجات تحلل PBAT وأطياف ¹H-NMR. بناء على نتائجنا ونتائج Nelson et ^al.33 ، فإن إجراء القياس الكمي هذا يعمل بشكل أفضل لقياس بلاستيك PBAT غير المعرض للعوامل الجوية في التربة ذات المواد العضوية المنخفضة وبدون طين عالي النشاط. بينما استخدمنا هذه الطريقة فقط لتحديد عدد أعضاء البرلمان المستندين إلى PBAT من التربة ، فإن استخراج المذيبات وإجراء ^{القياس الكمي H-NMR}1 يمكن أن يكون مفيدا لتحديد النواب و NPs الآخرين من التربة^{الإضافية 26،49}. يتطلب توسيع الطريقة لتشمل أعضاء البرلمان المصنوعة من بوليمر آخر ضمان قابلية ذوبان البوليمر في المذيب وتحديد قمم الرنين المغناطيسي النووي المميزة من البوليمر في المذيب المختار. قد يكون من الضروري اختيار عيار داخلي جديد قابل للذوبان في المذيب المختار ولا ينتج قمم تتداخل مع تلك الموجودة في البوليمر محل الاهتمام⁴².

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة معروفة أو علاقات شخصية يمكن أن يبدو أنها تؤثر على العمل المبلغ عنه في هذه الورقة.

شكرا لوزارة الزراعة الأمريكية-NIFA لتمويل هذا المشروع من خلال رقم الجائزة 2020-67019-31167 إلى SMS وإلى برنامج مبادرات أبحاث التخطيط الاستراتيجي بجامعة تينيسي (SPRINT) للحصول على منحة داخلية DGH و SMS. لم يكن للممولين أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات أو تحليلها أو تفسيرها أو كتابة التقارير أو قرار تقديم المقالة للنشر.