BAB I PENDAHULUAN
BAB 4 PERSIAPAN SAMPEL
D. Sampel Pencernaan
Dengan pengecualian sedimen yang diproses dengan MPSS (Bagian 4.2), sampel sebagian besar diolah terlebih dahulu dengan pencernaan kimiawi atau enzimatik untuk menghancurkan bahan organik. Namun, ada risiko
kerusakan plastik karena gesekan mekanis (Bansch- Baltruschat et al., 2017) atau degradasi (Lusher et al., 2017) serta kerugian akibat pemanasan sampel (Claessens et al., 2013). Selanjutnya perbandingan metode untuk preparasi sampel bisa dilihat pada Tabel 4.1. Hanya sampel air bersih yang dapat langsung disaring misal pada serat kaca atau filter aluminium oksida tergantung pada metode identifikasi polimer yang diterapkan setelahnya.
Tabel 4.1 Perbandingan Metode Untuk Preparasi Sampel
Metode Area
penerapan Keuntungan Kerugian
Elektroseparator Endapan Pengurangan massa
sampel ca.
90%
Kemungkinan hilangnya sedimen dalam jumlah kecil;
tidak cocok untuk sampel kecil
Pemisah
Sedimen Plastik Munich
Sedimen (pemisahan kepadatan, lihat seng klorida)
Pemisahan langsung dari keseluruhan, jumlah sampel yang banyak
Diperlukan solusi berat dalam jumlah besar
Pencernaan organik
Pencernaan asam (HNO3,
Sedimen, air, biota
HNO3: Sebagian besar organik
HNO3:
Peleburan PS
dan PE
HCl) dihancurkan dimungkinkan;
HCl:
penghancuran organik yang tidak lengkap Pencernaan
alkali (NaOH)
Sedimen, air, biota
Kebanyakan bahan organik dihancurkan
Beberapa polimer terdegradasi (misalnya PC, CA, PET; PVC)
Pencernaan alkali (KOH)
Sedimen, air, biota
Kebanyakan bahan organik dihancurkan, sebagian besar tahan terhadap polimer Pencernaan
yang teroksidasi (H2O2)
Sedimen, air, biota
Kebanyakan bahan organik dihancurkan
Polimer mungkin terpengaruh
Degradasi enzimatik (selulosa, lipase, kitinase,
protease, proteinase-K)
Sedimen, air, biota
Kebanyakan bahan organik dihancurkan, tidak
berbahaya
Enzim yang berbeda
memakan waktu, sebagian mahal, untuk sampel yang berbeda
Pemisahan kepadatan
Natrium klorida Sedimen, air, biota
Biaya rendah, toksisitas rendah
Tidak semua jenis polimer dapat dideteksi (kepadatan larutan jenuh terlalu rendah) Sodium
tungstate dihydrate
Sedimen, air, biota
Hemat biaya, kepadatan tinggi
Sodium polytungstate
Sedimen, air, biota
Kepadatan tinggi
Mahal
Kalium format Sedimen, air, biota
Hemat biaya, kepadatan tinggi, tidak berbahaya
Hidroskopis
Seng klorida Sedimen, air, biota
Tidak mahal, kepadatan tinggi
Korosif, berbahaya
Natrium iodida Sedimen, air, biota
Kepadatan tinggi
Mahal
Minyak Sedimen,
air, biota
Hemat biaya, mudah ditangani
Hingga saat ini, hanya digunakan dalam beberapa penelitian Sumber : Stock et al. (2019)
Sampel lingkungan mengandung bahan biologis.
Misalnya, Crichton et al. (2017) melaporkan bahwa sedimen dari pantai mengandung 0,5 - 7,0% material biologis. Bahan biologis sering disalahartikan dengan plastik (misalnya, fragmen alga yang lebih gelap), yang menyebabkan perkiraan konsentrasi lingkungan yang berlebihan dan meningkatkan jumlah partikel yang harus dianalisis lebih lanjut. Oleh karena itu, ada kebutuhan untuk membuat metode pencernaan sederhana yang mampu mereduksi bahan organik tanpa mempengaruhi integritas struktural atau kimiawi polimer (Miller et al., 2017; Felsing et al., 2018). Meskipun demikian, kebutuhan pencernaan berbeda-beda tergantung pada jumlah bahan organik dalam setiap sampel. Misalnya, tidak semua studi yang ditinjau melakukan langkah pencernaan: dalam sedimen tujuh menggunakan H2O2 (30%) dan satu reagen Fenton (H2O2 dengan katalis besi besi) dan dalam air lima menggunakan H2O2 (30%), dua destruksi enzimatik dan satu HCl (5-10%) (Gambar 4.1). NOOA merekomendasikan penggunaan H2O2 (30%) dengan besi sulfat (reagen Fenton) yang dipanaskan pada 75ºC ke gelas kimia yang berisi fraksi mikroplastik untuk sampel air dan sedimen.
Penggunaan langkah destruksi sangat disarankan jika identifikasi terutama didasarkan pada inspeksi visual.
Namun, sebagian besar karya belum menghilangkan bahan organik dari sampelnya, mungkin karena penulis menganggapnya rendah bahan organik. Metode oksidasi NOOA belum digunakan secara luas, dengan satu studi menyebutkan penggunaannya - contoh kesulitan dalam standarisasi. Protokol pencernaan, dan penyeragamannya, bahkan lebih penting saat memproses sampel biota (misalnya ikan). Selain metode oksidasi, pencernaan juga bisa bersifat asam, basa atau enzimatik (Tabel 4.2).
Tabel 4.2 Metode Pencernaan Untuk Menghilangkan Bahan Organik Untuk Meningkatkan Identifikasi Mikroplastik, Efisiensi Dan Pengaruhnya Terhadap
Polimer Sintetis Pencernaan Perlakuan Tingkat
pemulihan
Degradasi polimer
Degradasi bahan organik
Referensi
Asam HNO3(35%), 60 ºC 1 jam
t.t Perpaduan
PET dan
HDPE;
penghancuran PA
100% Catarino et al., 2017
HNO3 (65%), SK
semalaman, 60ºC 2 jam, pengenceran akuades 80ºC
t.t Degradasi PA;
menguning
t.t Dehaut et al., 2016
HNO3 (65%) dan HClO4
(65%) 4:1 semalam, rebus 10 menit, encerkan akuades 80ºC
t.t Degradasi PA, menguning
t.t Dehaut et al., 2016
HNO3 (5- 69%), SK 96 jam
<95% LDPE dan PP yang meleleh;
perubahan warna pada PP, PVC, PET;
menurunkan
t.t Karami et al., 2017a
puncak Raman HNO3 (55%)
SK 1 bulan
t.t Pemutihan PVC,
degradasi PA
t.t Naidoo et al., 2017
HCl (5-37%), 25-60ºC 96 jam
t.t Perubahan PET dan PVC
> 95% Karami et al., 2017a
Alkali NaOH, 60ºC 1 jam
94% Tidak 100% Catarino
et al., 2017
NaOH (10 M), 60ºC 24 jam
t.t Degradasi CA t.t Dehaut et al., 2016
K2S2O8 0.27
M) and
NaOH (0.24 M), 65ºC 24h
t.t Degradasi CA;
kenaikan berat badan yang tidak terduga
t.t Dehaut et al., 2016
KOH (10%),
SK 3
minggu
t.t Tidak t.t Dehaut et
al., 2016
KOH (10%), 60ºC 24 jam
t.t Degradasi CA t.t Dehaut et al., 2016
KOH (10%), 50ºC 96 jam
t.t Hilangnya PET dan PVC
t.t Karami et al., 2017a
KOH (10%), 40ºC 96 jam
t.t Hilangnya
PET; PA
t.t Karami et al., 2017a
menguning KOH (1 M),
SK 2 hari
t.t Degradasi LDPE, CA, Cradonyl dan PA.
Sebagian besar, kecuali otolith, paruh cumi- cumi, parafin, lemak sawit
Kuhn et al., 2017
NaOH (1 mol L-1), 17,5 mL HNO3 65%
dan 2,5 mL
UP dan
dikeringkan
95% Degradasi PA, PET, EPS, LDPE, PVC;
perubahan warna pada PVC dan PET
t.t Roch &
Brinker, 2017
H2O2
oksidatif (30%), 60ºC selama 1 jam, 100ºC selama 7 jam
t.t n.a. t.t Erni-
Cassola et al., 2017
H2O2 (35%), SK, 40ºC 96 jam
t.t Penurunan puncak Raman dari PVC dan PA.
t.t Karami et al., 2017a
H2O2 (35%), SK, 50ºC 96 jam
t.t Degradasi PA;
perubahan warna PET;
busa dan
t.t Karami et al., 2017a
oksidasi Enzimatis Korolase
enzimatis 7086, 60ºC 1 jam
93% Tidak t.t Catarino
et al., 2017
Tripsin, 38- 42ºC 30 menit
t.t Tidak 88% Courtene-
Jones et al., 2017 Kolagenase,
38-42ºC 30 menit
t.t Tidak 76% Courtene-
Jones et al., 2017
Papain, 38- 42ºC 30 menit
t.t Tidak 72% Courtene-
Jones et al., 2017 Pepsin
(0,5%) dan HCL (0,063 M), 35ºC 2 jam
t.t Tidak Tidak
lengkap
Dehaut et al., 2016
15 mL Tris- HCl 60ºC 60 menit, proteinase K (500 µg/mL) dan CaCl2
50ºC 2 jam, dikocok 20 menit, diinkubasi 60ºC 2 jam, 30 mL H2O2
(30%)
97% Lapisan kalsium
t.t Karlsson et al., 2017
semalaman
Keterangan : t.t - tidak tersedia; SK - suhu kamar;
Polimer: PA - poliamida (nilon), PE - polietilen, PET - polietilen tereftalat, LDPE - polietilen densitas rendah, HDPE - polietilen densitas tinggi, PP -polypropylene, PS - polistiren, PVC - polivinil klorida, CA - selulosa asetat, EPS - polistiren yang diperluas.
Elutriasi adalah metode pemisahan lain untuk mengekstraksi sampel MP dengan menginjeksikan beberapa fluida seperti air di dasar kolom sehingga MP apung dapat diisolasi dari pengendapan OM (organic matter, bahan organik) dan sedimen (Kedzierski et al., 2017). Filtrasi dan pengayakan juga digunakan untuk memisahkan MP dari sampel air dan sedimen yang diperoleh dari proses pemisahan densitas (Prata et al., 2019). Partikel plastik akan disaring dari supernatan dengan filter yang biasanya dibantu oleh ruang hampa (Ng
& Obbard, 2006). Untuk memilah partikel yang lebih besar sebelum langkah filtrasi, sampel air terlebih dahulu dapat melewati saringan yang ukuran mata jaringnya berkisar antara 0,038 hingga 0,475 mm (Andrady, 2011).
Kategori lain untuk memproses sampel MP dengan tujuan menghilangkan OM (organic matter, bahan organik) adalah destruksi. Ada empat jenis metode pencernaan utama yaitu pencernaan asam, alkali, pengoksidasi pencernakan, dan enzimatik. Untuk pencernaan asam, asam nitrat (HNO3), asam hidrofluorat (HF) dan asam hidroklorat (HCl) paling sering digunakan. Misalnya, Davidson dan Dudas (2016) menggunakan 69-71% HNO3
untuk memisahkan MP dari jaringan kerang; Naidoo et al.
(2017) menemukan bahwa 55% HNO3 dapat mempercepat proses destruksi saat pemanasan. Dubaish & Liebezeit (2013) menggunakan HF untuk mencerna OM. Meskipun HCl dilaporkan memiliki efisiensi pencernaan yang relatif
rendah, studi menggunakan HCl untuk mengekstrak MP juga dapat ditemukan (Karami et al., 2016; Cole et al., 2014; Desforges et al., 2014). Banyak jenis plastik seperti nilon dan PET dapat dengan mudah terdegradasi oleh asam pada konsentrasi asam tinggi dan suhu pemrosesan tinggi, dan pencernaan asam mungkin juga tidak terduga efek MP terhadap lingkungan (Qiu et al., 2016). Jadi, pencernaan asam harus digunakan dengan hati-hati. Efek asam pada integritas MP juga telah dilaporkan. Misalnya, Prata et al. (2019a) menyimpulkan bahwa penggunaan HNO3 sebagai reagen pencernaan asam dapat menyebabkan hilangnya beberapa jenis polimer seperti PS dan PET. Selain itu, karena pemanasan sering kali diperlukan untuk membantu proses pencernaan, polimer yang memiliki ketahanan rendah terhadap asam mungkin lebih mudah terdegradasi pada suhu tinggi.
1. Pencernaan Asam
Pencernaan asam dapat digunakan untuk menurunkan bahan organik. Namun, beberapa polimer (misalnya nilon, PET - polietilen tereftalat) memiliki ketahanan yang rendah terhadap asam dan mungkin juga terdegradasi, terutama dalam konsentrasi tinggi dan suhu tinggi (Maes et al., 2017; Qiu et al., 2016). Namun, harus ada konsentrasi dan suhu optimal yang digunakan untuk menghilangkan bahan biologis secara efisien dalam jangka waktu yang wajar. Misalnya, Naidoo et al. (2017) menemukan bahwa pemanasan asam nitrat (HNO3, 55%) hingga 80ºC memungkinkan untuk mencerna jaringan ikan 26 kali lebih cepat. Meskipun demikian, kehati-hatian disarankan saat memanaskan larutan destruksi di atas 60ºC, karena suhu tersebut dapat merusak mikroplastik (Munno et al., 2018). Asam klorida (HCl) tampaknya menjadi pengobatan yang paling tidak efektif dalam menangani bahan biologis dalam jumlah besar (Maes et al., 2017a; Zhao et al., 2017;
Cole et al., 2014). Meskipun demikian, Karami et al.
(2017a) melaporkan bahwa HCl (37%) pada suhu 25ºC memiliki efisiensi destruksi > 95% tetapi dengan peleburan PET. Perbedaan ini mungkin mencerminkan protokol yang berbeda, dengan variasi konsentrasi dan suhu yang memengaruhi efisiensi destruksi. Asam nitrat (HNO3) banyak digunakan dalam pencernaan asam. Namun, asam nitrat dapat meninggalkan residu berminyak atau puing- puing jaringan, menyebabkan hilangnya nilon dan pelelehan PS (polistiren), LDPE (polietilen densitas rendah), PET dan HDPE, atau polimer yang menguning, termasuk PP (polipropilen), PVC (polivinil klorida) dan PET (Karami et al., 2017a; Catarino et al., 2017; Maes et al., 2017a;
Dehaut et al., 2016). Naidoo et al. (2017) melaporkan PE, HDPE, PS, polyester dan PVC bertahan HNO3 (55%) pada suhu kamar selama sebulan, hanya dengan degradasi nilon dan pemutihan PVC. Sekali lagi, ketahanan polimer terhadap destruksi bergantung pada berbagai faktor, seperti keberadaan bahan organik dalam sampel (menyebabkan degradasi polimer lebih rendah) (Classens et al., 2013) dan suhu larutan. Dalam hal ini, lebih realistis untuk berpikir bahwa HNO3 akan memiliki beberapa efek pada integritas plastik, karena pemanasan diperlukan untuk mencapai destruksi pada waktu yang tepat. Oleh karena itu, pencernaan asam dapat digunakan dengan hati-hati karena dapat menyebabkan tidak terduganya mikroplastik dalam sampel lingkungan.
2. Pencernaan Alkali
Pencernaan alkali merupakan alternatif pencernaan asam dengan potensi besar. Namun, pencernaan alkali juga dapat merusak atau menghitamkan plastik (Qiu et al., 2016), meninggalkan residu berminyak dan fragmen tulang (Maes et al., 2017a; Dehaut et al., 2016) atau menyimpan kembali residu jaringan pada permukaan
plastik, mempersulit karakterisasi oleh spektroskopi getaran (Wagner et al., 2017). KOH memiliki pencernaan bahan organik yang baik dan pemulihan plastik (Munno et al., 2018; Catarino et al., 2017). Protokol yang menggunakan KOH (10%) pada 60ºC semalam (Maes et al., 2017a) atau 60ºC selama 24 jam (Dehaut et al., 2016) terbukti menjadi salah satu perawatan pencernaan yang paling efektif, serta NaOH (Cole et al., 2014). Meskipun demikian, KOH dapat menyebabkan perubahan warna pada nilon, PE dan uPVC (PVC tidak terplastik/unplastic PVC), degradasi nilon, poliester, PE, PC (polikarbonat), PET, PVC, LDPE, CA (selulosa asetat) (Munno et al., 2018;
Karami et al., 2017a; Kuhn et al., 2017; Maes et al., 2017a;
Cole et al., 2014; Karami et al., 2014). NaOH juga dapat menyebabkan degradasi CA, PA, PET dan perubahan warna pada PVC dan PET (Dehaut et al., 2016). Mengenai efisiensi pencernaan, Kuhn et al. (2017) menguji beberapa sampel bahan organik yang sering ditemukan di pantai (yaitu rumput laut, paruh cumi-cumi, paruh Polychaeta, wol domba, kumis anjing laut, otolith ikan, bulu burung, tali manila, kail ikan logam, parafin dan lemak sawit).
Otolith, paruh cumi, parafin dan lemak nipah bertahan dari proses pencernaan dengan KOH (1 M) selama 2 hari pada suhu kamar. Dengan demikian, bagian keras dan lemak tampaknya tidak dapat sepenuhnya dicerna oleh alkali. Pencernaan asam dan alkali juga dapat digunakan secara berurutan (misalnya NaOH dan HNO3) dengan pencernaan bahan biologis dan tingkat pemulihan yang baik (Roch & Brinker 2017).
3. Pengoksidasi Pencernaan
Hidrogen peroksida (H2O2, 30-35%) adalah oksidator yang mampu mencerna bahan organik lebih efisien daripada NaOH dan HCl, dengan sedikit atau tanpa degradasi polimer (Maes et al., 2017; Zhao et al., 2017; Qiu
et al., 2016; Nuelle et al., 2014). Nuelle et al. (2014) melaporkan resistensi terhadap PVC, PET, nilon, ABS (akrilonitril butadiena stirena), PC, PUR (poliuretan), PP, LDPE, LLDPE (LDPE linier), HPDE terhadap H2O2, dengan sedikit perubahan warna, sementara Karami et al. (2017a) melaporkan degradasi nilon dan perubahan warna PET setelah perlakuan H2O2 (35%) pada 50ºC selama 96 jam.
Pencernaan juga dapat menyebabkan produksi buih yang dapat menyebabkan pengurangan mikroplastik yang diambil (Maes et al., 2017a). Suhu inkubasi tampaknya menjadi faktor penentu efisiensi H2O2. Misalnya, Cole et al.
(2014) melaporkan bahwa inkubasi dengan H2O2 (35%) pada suhu kamar selama 7 hari hanya mendegradasi 25%
bahan organik, sedangkan Avio et al. (2015b) dilaporkan telah menggunakan H2O2 (15%) pada suhu 50ºC dalam semalam untuk menghilangkan bahan organik secara efisien. Zhao et al. (2017) melaporkan bahwa 15% lebih disukai daripada 20% H2O2, dan kedua perlakuan ini memiliki hasil yang lebih baik daripada HCl. Dengan demikian, perlakuan H2O2 mungkin dapat menghilangkan bahan organik secara efisien dengan sedikit efek pada integritas mikroplastik.
4. Pencernaan Enzimatik
Enzim telah digunakan sebagai metode pencernaan alternatif. Pencernaan enzimatik tidak terlalu berbahaya (misalnya dapat digunakan tanpa lemari asam) dan kecil kemungkinannya untuk menyebabkan kerusakan mikroplastik (Maes et al., 2017a). Namun, efisiensi enzim akan bervariasi dengan jenis bahan organik yang ada dalam sampel (Courtene-Jones et al., 2017). Protokol enzim mencakup pra-pencernaan sedimen dengan campuran enzim industri (2,5%) pada 45ºC selama 60 menit diikuti dengan pembersihan puing-puing/debris H2O2 (30%) (Crichton et al., 2017). Untuk mencerna
jaringan ikan, Karlsson et al. (2017) menggunakan proteinase K (500 µg mL-1) dengan CaCl2 diinkubasi pada 50ºC selama 2 jam, diikuti dengan pengocokan (20 menit) dan inkubasi selanjutnya (60ºC, 20 menit), kemudian diolah dengan H2O2 (30%) dengan recovery 97% tetapi dengan pengendapan kalsium di atas partikel yang dapat mempersulit karakterisasi lebih lanjut. Protein K juga telah digunakan dalam air laut untuk mencerna bahan biologis yang tertahan dalam sampel yang dikumpulkan oleh plankton net, memungkinkan efisiensi pencernaan hingga 97% pada 50ºC (Cole et al., 2014). Courtene-Jones et al.
(2017) menguji Tripsin, Colagenase dan Papain dengan efisiensi pencernaan 72-88% dan tidak ada efek pada polimer yang diuji. Loder et al. (2017) mengusulkan penggunaan protokol pemurnian enzimatik dasar dengan efisiensi 98,3%, berdasarkan penggunaan deterjen (5%
w/w natrium dodesil sulfat), penggunaan enzim secara berurutan (protease, selulase, kitinase) dan dua hidrogen peroksida perawatan (satu di antara perlakuan enzim dan satu di akhir), menambahkan hingga 13 hari pemrosesan sampel. Namun, penggunaan enzim dibatasi oleh harganya yang tinggi. Industrial Corolase 7089, dijual dalam bentuk cair, telah disajikan sebagai enzim yang lebih murah yang dapat digunakan dalam pengambilan sampel mikroplastik dengan hasil yang lebih baik daripada perlakuan kimiawi (Catarino et al., 2017). Meskipun demikian, enzim masih digunakan dalam skala kecil dan beberapa protokol mungkin memerlukan perawatan berikut dengan H2O2
untuk menghilangkan kotoran yang tidak tercerna.
5. Metode pencernaan yang jarang digunakan
Metode lain termasuk penggunaan gelombang mikro, yang tampaknya merusak mikroplastik (Karlsson et al., 2017), ultrasonikasi, berguna dalam kombinasi dengan metode lain (misalnya meningkatkan pencernaan lumpur
menggunakan NaOH dari 43,5% menjadi 50,7%, sekitar 7,2%) (Jin et al., 2009) dan penggunaan natrium hipoklorit / NaClO (24,8 g L-1) dalam air suling (1:3 v/v) dibiarkan semalaman sebagai metode yang efisien dalam pencernaan isi perut ikan, tanpa mempengaruhi polimer dan Spektrum Raman tetapi berpotensi menyebabkan perubahan warna (Collard et al., 2015).