Assessment of Microplastic Degradation in Bottom Sediments Using Raman Microspectroscopy and Atomic Force Microscopy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The assessed degradation of microplastics from bottom sediments of the Laptev Sea, the Weddell Sea, the Chukchi Sea and Peter the Great Bay, Sea of Japan, was studied using Raman microspectroscopy and atomic force microscopy (AFM). The degree of amorphous-crystallinity of polyethylene terephthalate (PET) was determined by the ratio of Raman mode intensities (I1095 cm–1 / I1115 cm–1). Changes in the topography and mechanical properties of the surface of polymer fragments were studied by AFM methods. It has been shown that the degradation of PET found in the bottom sediments of the Laptev Sea affects mainly its crystalline phase. The amorphous phase of PET is affected to a much lesser extent or not at all. The same changes in the phase composition of the PET surface have been shown after plastic exposure in a marine aquarium in silty sand from the Amur Bay (Peter the Great Bay, Sea of Japan). AFM data show an increase in PET surface roughness and a decrease in elasticу modulus (Young’s modulus) in bottom sediment samples. Raman microspectroscopy also shows signs of degradation of cellophane fragments from the Weddell Sea, polyvinyl chloride (PVC) from the Laptev Sea, and polyethylene (PE) from the Amur Bay.

About the authors

A. A. Karpenko

Zhirmunsky National Scientific Center of Marine Biology, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Email: slavodin@inbox.ru
Russia, 690041, Vladivostok

V. S. Odintsov

Zhirmunsky National Scientific Center of Marine Biology, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: slavodin@inbox.ru
Russia, 690041, Vladivostok

References

  1. Adar F., Noether H. Raman microprobe spectra of spin-oriented and drawn filaments of poly(ethylene terephtha-late) // Polymer. 1985. V. 26. № 13. P. 1935–1943.
  2. Al-Dossary A.K., Gilbert M., Hitt D. Evaluating PVC degradation using UV and Raman spectroscopies // Advanced Materials Research. 2010. V. 83–86. P. 923–930. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.83-86.923
  3. Auta H.S., Emenike C.U. Screening of Bacillus strains isolated from mangrove ecosystems in Peninsular Malaysia for microplastic degradation // Environ. Pollut. 2017. V. 231. № 2. P. 1552–1559. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.09.043
  4. Auta H.S., Emenike C.U., Fauziah S.H. Distribution and importance of microplastics in the marine environment: a review of the sources, fate, effects, and potential solutions // Environ. Int. 2017. V. 102. P. 165–176.https://doi.org/10.1016/j.envint.2017.02.013
  5. Barrett J., Chase Z., Zhang J. et al. Microplastic Pollution in Deep-Sea Sediments From the Great Australian Bight // Front. Mar. Sci. 2020. V. 7. 576170. https://doi.org/10.3389/fmars.2020.576170
  6. Bergmann M., Wirzberger V., Krumpen T. et al. High quantities of microplastic in Arctic deep-sea sediments from the HAUSGARTEN observatory // Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51. № 19. P. 11000–11010. https://doi.org/10.1021/acs.est.7b03331
  7. Browne M.A., Crump P., Niven S.J. et al. Accumulation of microplastic on shorelines woldwide: sources and sinks // Environ. Sci. Technol. 2011. V. 45. № 21. P. 9175–9179. https://doi.org/10.1021/es201811s
  8. Cedervall T., Hansson L.-A., Lard M. et al. Food chain transport of nanoparticles affects behaviour and fat metabolism in fish // PLoS One. 2012. V. 7. № 2. e32254. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032254
  9. Danso D., Schmeisser C., Chow J. et al. New insights into the function and global distribution of polyethylene terephthalate (PET) – degrading bacteria and enzymes in marine and terrestrial metagenomes // Appl. Environ. Microbiol. 2018. V. 84. e02773-02717. https://doi.org/10.1128/AEM.02773-17
  10. Fechine G.J.M., Rabello M.S., Souto-Maior R.M. The effect of ultraviolet stabilizers on the photodegradation of poly(ethylene terephthalate) // Polymer Degradation and Stability. 2002. V. 75. № 1. P. 153–159. https://doi.org/10.1016/s0141-3910(01)00214-2
  11. Haegerbaeumer A., Mueller M.-T., Fueser H., Traunspurger W. Impacts of Micro- and Nano-Sized Plastic Particles on Benthic Invertebrates: A Literature Review and Gap Analysis // Front. Environ. Sci. 2019. V. 7. № 17. https://doi.org/10.3389/fenvs.2019.00017
  12. Harrison J.P., Sapp M., Schratzberger M., Osborn A.M. Interactions Between Microorganisms and Marine Microplastics: A Call for Research // Mar. Technol. Soc. J. 2011. V. 45. № 2. P. 12–20. https://doi.org/10.4031/MTSJ.45.2.2
  13. Hiejima Y., Kida T., Takeda K. et al. Microscopic structural changes during photodegradation of low-density polyethylene detected by Raman spectroscopy // Polymer Degradation and Stability. 2018. V. 150. P. 67–72. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2018.02.010
  14. Hermabessiere L., Dehaut A., Paul-Pont I. et al. Occurrence and effects of plastic additives on marine environments and organisms: a review // Chemosphere. 2017. V. 182. P. 781–793. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.05.096
  15. Hiraga K., Taniguchi I., Yoshida S. et al. Biodegradation of waste PET: A sustainable solution for dealing with plastic pollution // EMBO reports. 2019. V. 20. № 11. P. e49365. https://doi.org/10.15252/embr.201949365
  16. Hirai H., Takada H., Ogata Y. et al. Organic micropollu-tants in marine plastics debris from the open ocean and remote and urban beaches // Mar. Pollut. Bull. 2011. V. 62. № 8. P. 1683–1692. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2011.06.004
  17. Kane I.A., Clare M.A., Miramontes E. et al. Seafloor microplastic hotspots controlled by deep-sea circulation // Science. 2020. V. 368 (6495). https://doi.org/10.1126/science.aba5899
  18. Koelmans A.A., Kooi M., Law K.L., van Sebille E. All is not lost: Deriving a top-down mass budget of plastic at sea // Environ. Res. Lett. 2017. V. 12. 114028. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aa9500
  19. Kuznetsov S.M., Sagitova E.A., Prokhorov K.A. et al. Raman spectroscopic detection of polyene-length distribution for high-sensitivity monitoring of photo- and thermal degradation of polyvinylchloride // Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2021. V. 252. 119494. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.119494
  20. Lin C.C., Krommenhoek P.J., Watson S.S. et al. Depth profiling of degradation of multilayer photovoltaic backsheets after accelerated laboratory weathering: Cross-sectional Raman imaging // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2016. V. 144. P. 289–299.
  21. Lippert T., Zimmermann F., Wokaun A. Surface analysis of excimer-laser- treated polyethylene-terephthalate by surface-enhanced Raman scattering and X-ray photo electron spectroscopy // Appl.Spectrosc. 1993. V. 47. P. 1931–1942.
  22. Lusher A.L., Tirelli V., O’Connor I. et al. Microplastics in Arctic polar waters: the first reported values of particles in surface and sub-surface samples // Scientific reports. 2015. V. 5. P. 14947. https://doi.org/10.1038/srep14947
  23. Lwanga E.H., Thapa B., Yang X. et al. Decay of low-density polyethylene by bacteria extracted from earthworm’s guts: A potential for soil restoration // Sci. Total Environ. 2018. V. 624. P. 753–757. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.12.144
  24. Odintsov V.S., Karpenko A.A., Karpenko M.A. Degradation of micro‑nano‑sized polytetrafluoroethylene and acrylic fluorinated copolymer particles in the periwinkle digestive tract // Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022. https://doi.org/10.1007/s11356-022-23996-5
  25. Peeken I., Primpke S., Beyer B. et al. Arctic sea ice is an important temporal sink and means of transport for microplastic // Nature communications. 2018. V. 9. № 1. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03825-5
  26. Planes E., Yrieix B., Bas C. et al. Chemical degradation of the encapsulation system in flexible PV panel as revealed by infrared and Raman microscopies // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2014. V. 122. P. 15–23.
  27. Trevail A.M., Gabrielsen G.W., Kühn S. et al. Elevated levels of ingested plastic in a high Arctic seabird, the northern fulmar (Fulmarus glacialis) // Polar Biology. 2015. V. 38. № 7. P. 975–981. https://doi.org/10.1007/s00300-015-1657-4
  28. Webb H.K., Arnott J., Crawford R.J. et al. Plastic degradation and its environmental implications with special refe-rence to poly(ethylene terephthalate) // Polymers. 2013. V. 5. № 1. P. 1–18. https://doi.org/10.3390/polym5010001
  29. Wayman C., Niemann H. The fate of plastic in the ocean environment – a minireview // Environ. Sci.: Processes Impacts. 2021. V. 23. 198–212. https://doi.org/10.1039/d0em00446d
  30. Zhang J., Zhao Y., Li L. et al. Biodegradation of polye-thylene microplastic particles by the fungus Aspergillus flavus from the guts of wax moth Galleria mellonella // Sci. Total. Environ. 2020. V. 704. 135931. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135931
  31. Zobkov M., Esiukova E. Microplastics in Baltic bottom se-diments: Quantification procedures and first results // Marine Pollution Bulletin. 2017. V. 114. P. 724–732. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2016.10.060

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (767KB)
Indexing metadata
3.

Download (348KB)
Indexing metadata
4.

Download (1MB)
Indexing metadata
5.

Download (219KB)
Indexing metadata
6.

Download (172KB)
Indexing metadata
7.

Download (308KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.А. Карпенко, В.С. Одинцов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».