飲用水微塑料檢測中濾膜的適用性

李 珊，邢方瀟，王 瑜，呂 佳，張 嵐，*

(1.中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所，北京 100050；2.天津市濱海新區(qū)疾病預(yù)防控制中心，天津 300457)

微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料碎片、顆?；蛘呃w維,按來源可分為初級微塑料和次級微塑料[1]。初級微塑料是指為滿足特定需求而生產(chǎn)的產(chǎn)品，如牙膏、洗面奶和肥皂等個人護(hù)理產(chǎn)品中的微珠[2-3]；次級微塑料是指暴露于環(huán)境中的大型塑料在機(jī)械磨損和光照、風(fēng)力等自然力作用下逐漸降解形成的塑料碎片[4]。塑料制品以價格低廉、輕便易攜帶、易塑形、持久耐用等特性成為人類生活中必不可少的用具。截至2015年，全球共產(chǎn)生63億t塑料廢物，不足9%被回收，12%被焚化，約79%的塑料廢物進(jìn)入垃圾填埋場或散落在環(huán)境中，成為次級微塑料的重要來源[5]。微塑料在自然環(huán)境(如水、土壤、空氣)中廣泛存在[6-8]，有報道稱在人為環(huán)境如食品[9-12]、衣物[13]、工業(yè)噴漆[14]、飲用水[10, 15-17]、茶包[18]中檢出微塑料，甚至從低級浮游生物到人的各級生物體中也有檢出[19-21]。微塑料粒徑小，不易分解，比表面積大，可吸附持久性有機(jī)污染物，對個體器官組織造成物理、化學(xué)損害，且通過食物鏈的層層富集，微塑料還會對整個生物圈造成不可避免的破壞[22-24]。世界衛(wèi)生組織(WHO)對飲用水中微塑料的健康風(fēng)險進(jìn)行了首次審查，認(rèn)為根據(jù)目前掌握的有限信息，當(dāng)前飲用水中微塑料水平尚未構(gòu)成健康風(fēng)險[6,25]。而最近有研究顯示，在95 ℃熱水中浸泡一個塑料茶包可釋放出約116億個微塑料和31億個納米塑料[18]，顯著超過目前其他文獻(xiàn)中報道的飲用水中微塑料水平。實(shí)際上由于檢測方法的差異，相關(guān)研究之間的檢測結(jié)果缺乏可比性。鑒于飲用水中微塑料的存在水平，檢測過程主要包括富集和上機(jī)測定兩個步驟。本文主要針對富集過程中的濾膜選擇開展試驗(yàn)研究。目前，文獻(xiàn)報道提取環(huán)境樣本中微塑料的濾膜主要有纖維素類濾膜[26-28]、聚碳酸酯濾膜[29]及不銹鋼濾膜[15]等。本文選擇了硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜這3種纖維素類濾膜，以及聚碳酸酯濾膜、不銹鋼濾膜、聚四氟乙烯濾膜作為研究對象，對6種濾膜在過濾、洗脫的富集過程中對飲用水中微塑料檢測的適用性進(jìn)行探討。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

純水機(jī)(Milli-Q Integral 5，法國)，GM-0.5 A隔膜真空泵(天津津騰試驗(yàn)設(shè)備公司)，ME104電子天平(感量0.000 1 g，瑞士Mettler公司)，超聲波清洗器(寧波新芝生物科技股份有限公司)，玻璃抽濾裝置(25 mm，亞邁)，9140MBE數(shù)顯不銹鋼鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司)，干燥器。

PVC微粒(Sigma-Aldrich，德國)，無水乙醇(北京化工廠)，異丙醇(北京化工廠)，HNO3(北京化工廠)，均為分析純，試驗(yàn)用水為超純水。

硝酸纖維素濾膜(0.45 μm，millipore，美國)、聚碳酸酯濾膜(0.45 μm，whatman，美國)、聚四氟乙烯濾膜(0.45 μm，津騰)、混合纖維素濾膜(0.45 μm，安譜)、玻璃纖維素濾膜(0.7 μm，whatman，美國)、不銹鋼濾膜(4 μm，河北不銹鋼網(wǎng)廠)，鋁箔，玻璃培養(yǎng)皿，5 L細(xì)口玻璃瓶。

1.2 試驗(yàn)方法

本研究采用加標(biāo)方法測試過濾和洗脫過程中6種濾膜的適用性。

1.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)不銹鋼濾膜：用異丙醇充分溶解不銹鋼濾膜上的油污，然后用超純水沖洗3次，烘干后保存在燒杯中，用鋁箔覆蓋杯口，隨取隨用。

(2)玻璃培養(yǎng)皿：用50%乙醇溶液、超純水各清洗3次，烘干后備用。

1.2.2 試驗(yàn)操作

(1)將一張濾膜放置于洗凈的培養(yǎng)皿中，合蓋于40 ℃干燥箱烘烤20 min，之后迅速轉(zhuǎn)移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數(shù)，然后再次烘干、冷卻、稱量計數(shù)，重復(fù)此操作直至恒重(相鄰兩次稱量相差不超過0.000 4 g)，此質(zhì)量為m1，放置于干燥器中備用。

(2)稱取一定質(zhì)量的PVC微粒(質(zhì)量為m)，添加到裝有5 L超純水的細(xì)口玻璃瓶中，制成加標(biāo)樣。

(3)用(1)中已稱至恒重的濾膜過濾加標(biāo)樣，玻璃瓶內(nèi)壁及濾杯內(nèi)壁用超純水涮洗3次，將過濾后的濾膜置于原培養(yǎng)皿中，合蓋于40 ℃干燥箱烘干，之后迅速轉(zhuǎn)移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數(shù)，重復(fù)上述操作直至恒重，此質(zhì)量為m2。

(4)另取不銹鋼濾膜置于洗凈的培養(yǎng)皿中，合蓋于40 ℃干燥箱烘干20 min，之后迅速轉(zhuǎn)移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數(shù)，重復(fù)上述操作直至恒重，此質(zhì)量為m3，置于干燥器中備用。

(5)將過濾后的濾膜置于裝有100 mL超純水的燒杯中超聲洗脫20 min(30 ℃)后取出，用超純水對濾膜正反面分別沖洗3次，將沖洗液與洗脫液混合；將混合液用按照(4)方法處理已稱至恒重的不銹鋼濾膜過濾，燒杯內(nèi)壁及濾杯內(nèi)壁用超純水沖洗3次，沖洗液同樣完成過濾，之后將過濾后的不銹鋼濾膜取出并置于原培養(yǎng)皿中，合蓋于40 ℃干燥箱中烘干，之后迅速轉(zhuǎn)移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數(shù)，然后再次烘干、冷卻、稱量計數(shù)，重復(fù)操作至恒重，此質(zhì)量為m4。

(6)重復(fù)以上(1)～(5)操作，每種濾膜得到6個平行樣。

1.2.3 計算

通過計算過濾前后和洗脫前后濾膜重量變化評估6種濾膜對PVC微粒的過濾和洗脫效果，如式(1)～式(4)。

ΔRi=m2-m1

(1)

ΔEi=m4-m3

(2)

(3)

(4)

其中：ΔRi——截留量，g；

ΔEi——洗脫量，g；

m1、m2——過濾前后濾膜及培養(yǎng)皿的稱重，g；

m3、m4——洗脫前后濾膜及培養(yǎng)皿的稱重，g；

n——每種濾膜的平行樣數(shù)量，n=6；

m——PVC微粒加標(biāo)量，g；

i——6組平行樣的排序，i=1、2、3、4、5、6。

1.3 質(zhì)量控制措施

試驗(yàn)操作中采用了以下質(zhì)量控制措施：(1)為減少空氣沉降、衣物等外環(huán)境中微塑料污染及人體皮屑等可能帶來的污染，整個試驗(yàn)過程均在通風(fēng)柜中進(jìn)行，試驗(yàn)人員穿白色棉質(zhì)工作服，戴丁腈手套；(2)所有器皿在第一次使用時、閑置一段時間后或接觸了微塑料后，均用2% HNO3充分灌洗、50%乙醇超聲清洗10 min，并用超純水清洗3次，器皿不使用時用鋁箔蓋住開口；(3)過濾實(shí)際樣品前，提前檢查過濾器的氣密性；(4)過濾過程中避免磨砂玻璃瓶蓋與樣品瓶瓶口反復(fù)接觸，以防帶入額外污染，如玻璃渣、空氣中的纖維等。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 SPSS 17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。其中，不同濾膜對PVC微粒截留率采用單因素方差分析，不同濾膜過濾前后、洗脫前后PVC微粒的質(zhì)量變化差異采用配對t檢驗(yàn)，因素間的兩兩比較采用SNK法。P<0.05 認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾膜的特點(diǎn)與使用感受

本研究的試驗(yàn)對象為硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜，表1分別從濾膜孔徑、價格及使用感受等方面對6種濾膜的性能進(jìn)行了比較。從價格上分析，聚四氟乙烯濾膜價格最低，硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜價格適中，聚碳酸酯濾膜和不銹鋼濾膜價格偏貴；從過濾效率上分析，相同孔徑的4種濾膜中，硝酸纖維素濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜過濾效率相當(dāng)，聚碳酸酯濾膜過濾效率略低；從使用感受上分析，硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜平整服帖，但質(zhì)地脆弱，烘干耗時久，超聲洗脫時破損嚴(yán)重；聚碳酸酯濾膜平整服帖，最輕薄，烘干耗時適中；聚四氟乙烯濾膜質(zhì)地堅韌，烘干后濾膜彎曲弧度大，表面截留的物質(zhì)易掉落；不銹鋼濾膜使用感受最佳，質(zhì)地堅韌，易烘干，且材質(zhì)不會干擾紅外光譜儀的定性分析。

圖1 不同濾膜對PVC微粒的過濾效果Fig.1 Filtration Effects of Different Membranes on PVC Microplastics

2.2 濾膜的選擇

2.2.1 過濾效果評估

按1.2試驗(yàn)步驟分別對硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的過濾效果進(jìn)行測試，每種濾膜平行測試6次，結(jié)果如圖1和表2所示。由圖1和表2可知：聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜及不銹鋼濾膜對PVC微粒的截留率較高，分別為89.1%、94.2%、97.1%，RSD分別為11%、9.4%、8.8%；硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜對PVC微粒的截留率相對較低，分別為61.9%、45.5%、61.9%，RSD分別為17%、7.9%、5.7%；硝酸纖維素濾膜重現(xiàn)性稍差，可能是由于濾膜易在過濾時發(fā)生破損且每次的破損程度不同。

經(jīng)單因素方差分析，不同濾膜對PVC微粒的截留率存在差異(F=43.392，P<0.001)。經(jīng)兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜及不銹鋼濾膜對PVC微粒的截留率高于3種纖維素濾膜的截留率(P<0.05)，該3組間無顯著性差異(P>0.05)。分別將6種濾膜的加標(biāo)量和截留量進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜和玻璃纖維素濾膜對PVC微粒的截留量均顯著低于加標(biāo)量(P<0.05)。造成這種差異的原因可能是硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜結(jié)構(gòu)疏松，濾膜濕潤后孔徑發(fā)生改變；另一可能原因是其孔徑不均，標(biāo)注的孔徑規(guī)格是平均孔徑而非實(shí)際孔徑。聚四氟乙烯濾膜、聚碳酸酯濾膜及不銹鋼濾膜3種濾膜對PVC微粒截留量與加標(biāo)量無顯著性差異(P>0.05)。

表2 不同濾膜對PVC微粒的過濾/洗脫效果(n=6)Tab.2 Filtration/Elution Effects of Different Membranes on PVC Particles (n=6)

注：P值為配對t檢驗(yàn)的概率值

圖2 不同濾膜經(jīng)洗脫后的洗脫液(a)硝酸纖維素濾膜；(b)聚碳酸酯濾膜；(c)聚四氟乙烯濾膜；(d)混合纖維素濾膜；(e)玻璃纖維素濾膜；(f)不銹鋼濾膜Fig.2 Eluent of Different Filter Membranes after Elution(a)Cellulose Nitrate Membrane；(b)Polycarbonate Membrane；(c)Polytetrafluoroethylene Membrane；(d)Mixed Cellulose Membrane；(e)Cellulose Membrane；(f)Stainless Steel Membrane

2.2.2 洗脫效果評估

按1.2試驗(yàn)步驟分別對硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的洗脫效果進(jìn)行測試，每種濾膜平行測試6次，數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知：聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜及不銹鋼濾膜的平均洗脫率分別為95.9%、91.7%、94.2%，RSD分別為10%、15%、14%；硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜的平均洗脫率分別為397%、823%、190%，RSD分別為25%、42%、17%。

分別對硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的截留量和洗脫量進(jìn)行配對t檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜在洗脫前、后，PVC微粒質(zhì)量有顯著變化，洗脫量明顯大于截留量(P<0.05)。肉眼觀察亦發(fā)現(xiàn)，硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜經(jīng)過洗脫后，洗脫液出現(xiàn)不同程度的渾濁(圖2)，說明硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜在洗脫時出現(xiàn)濾膜破損，這也導(dǎo)致3種纖維素類濾膜對PVC微粒的洗脫率超過100%，因此，這3種濾膜不適合用于飲用水中微塑料的檢測。聚四氟乙烯濾膜、聚碳酸酯濾膜及不銹鋼濾膜在洗脫前后，各自的截留量和洗脫量無顯著性差異(P>0.05)；經(jīng)單因素方差分析，這3種濾膜對PVC微粒的洗脫率亦無顯著性差異(F=0.493,P=0.621)，可用于飲用水中微塑料的檢測。但因聚碳酸酯和聚四氟乙烯均是常用的工程塑料，已有文獻(xiàn)報道在飲用水中檢測到聚四氟乙烯[17]。如選擇這兩種濾膜，可能導(dǎo)致難以判斷檢測到的微塑料是水樣中固有的成分，還是來自濾膜脫落，加之使用感受上亦各有缺點(diǎn)，因此，最終選擇推薦不銹鋼濾膜。

3 小結(jié)

近年來，微塑料作為新型污染物受到了社會各界的廣泛關(guān)注，已有研究報道在飲用水中檢出微塑料，但國際上目前尚未建立標(biāo)準(zhǔn)化的檢測方法。目前，飲用水中微塑料檢測方法的研究主要集中在不同的有機(jī)質(zhì)消解方式及不同的分析儀器對檢測結(jié)果的影響等方面，尚未有研究考慮濾膜性能對微塑料檢測的影響。

本研究以濾膜為切入點(diǎn)，從孔徑、價格、使用感受等方面綜合比較了硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的性能，并通過純水加標(biāo)試驗(yàn)得到了6種濾膜對PVC微粒的平均截留率數(shù)據(jù)(依次為61.9%、89.1%、94.2%、45.5%、61.9%、97.1%，RSD分別為17%、11%、9.4%、7.9%、5.7%、8.8%)和平均洗脫率數(shù)據(jù)(依次為397%、95.9%、91.7%、823%、190%、94.2%，RSD分別為25%、10%、15%、42%、17%、14%)。經(jīng)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜的截留量低于加標(biāo)量(P<0.05)，洗脫量高于截留量(P<0.05)，說明濾膜的過濾、洗脫效果均不佳。聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜和不銹鋼濾膜的過濾、洗脫效果良好，且3種濾膜的平均截留率和洗脫率均無顯著性差異(P>0.05)。

聚碳酸酯和聚四氟乙烯為常用工程塑料，可能會對污染來源的判斷帶來困擾，因此，推薦將不銹鋼濾膜用于飲用水中微塑料檢測的富集過程。