三種化學(xué)試劑對(duì)生物組織和塑料聚合物的消解效果研究

李游，孫一鑫，李瑾禎，龐智予，張濤,2,3，馮志華,2,3

(1.江蘇海洋大學(xué) 江蘇省海洋生物資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 連云港 222005；2.江蘇海洋大學(xué) 江蘇省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 連云港 222005；3.江蘇海洋大學(xué) 江蘇省海洋生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 連云港 222005)

微塑料廣泛存在于自然界[1-3]，研究微塑料來(lái)源與環(huán)境行為需要對(duì)其正確定量。當(dāng)樣品為生物或有機(jī)質(zhì)時(shí)，需要消解后再對(duì)微塑料進(jìn)行收集。目前實(shí)驗(yàn)方法有酸處理[4-5]、堿處理[6-7]、氧化處理[8]、酶消解等[9]?？紤]到成本、消解率等原因，化學(xué)消解是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的處理方法。此外，由于消解試劑的不同，各研究采用的消解時(shí)間從1 h[9]到24 h[4]或48 h[6]不等，對(duì)塑料的損壞程度也不同。因此，選用合適的消解試劑，采用適當(dāng)?shù)南鈺r(shí)間和溫度對(duì)于從生物組織中分離微塑料意義重大。本研究以10%KOH、35%HNO3和30%H2O2溶液，在40 ℃條件下消解1 h和24 h，探究其對(duì)生物組織和塑料的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

30%過(guò)氧化氫、硝酸、氫氧化鉀均為分析純；塑料微球，平均粒徑(3.73±0.92) mm，染色后進(jìn)行回收實(shí)驗(yàn)，屬性見(jiàn)表1。六絲鈍尾鰕虎魚(yú)(Amblychaeturichthyshexanema)，采自連云港海州灣；去離子水。

BS124S型電子天平；SMZ1500型體視顯微鏡；DKZ-3型恒溫水浴振蕩器；DHG-9240A型電熱鼓風(fēng)干燥箱；8 μm孔徑玻璃纖維濾膜。

塑料微球平均粒徑為(3.73±0.92) mm，屬性見(jiàn)表1。

表1 微塑料材質(zhì)、顏色和密度Table 1 Components,color and density arrange of microplastics

1.2 生物組織消解

將30 mL消解液或者對(duì)照液添加到玻璃燒杯中，從六絲鈍尾鰕虎魚(yú)體表取出肌肉組織(組織包含皮膚組織)，以精密電子天平稱(chēng)量5 g生物樣品,根據(jù)先前的研究確定暴露溫度40 ℃[6,10-13]，設(shè)置1 h 和24 h兩個(gè)暴露時(shí)長(zhǎng)。消解液放置于40 ℃、60 r/min 環(huán)境下振蕩培養(yǎng)箱中。反應(yīng)后，將混合溶液通過(guò)8 μm的玻璃纖維濾膜(使用前先稱(chēng)重)，放置于培養(yǎng)皿中，于40 ℃烘干、稱(chēng)重，計(jì)算生物組織消解率。

式中m1——消解前50片濾膜的平均重量，g;

m2——消解后的濾膜重量，g;

W——樣品濕重，g。

1.3 塑料消解

分別稱(chēng)取定量微塑料，分別暴露在10 mL消解液和對(duì)照液中，置于40 ℃、60 r/min環(huán)境下振蕩培養(yǎng)箱中，待滿(mǎn)足相應(yīng)時(shí)長(zhǎng)后，將混合溶液通過(guò)8 μm 的玻璃纖維濾膜(使用前先稱(chēng)重)，放置于培養(yǎng)皿中，于40 ℃烘干、稱(chēng)重，并觀察聚合物的顏色的變化，計(jì)算微塑料回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物組織消解

生物組織的消解率見(jiàn)表2。

表2 生物組織的消解率Table 2 Digestion rate of biological tissue

由表2可知，在40 ℃的溫度下，時(shí)長(zhǎng)1 h的4種試劑之間的消解率存在顯著差異(F=128.133，df=1，P<0.01)，35%HNO3溶液消解率最高，為(77.05±2.86)%，其次為10%的KOH溶液,消解率為(76.45±3.61)%，30%的H2O2溶液消解率最低，為(73.76±0.63)%，對(duì)照試劑水對(duì)生物組織消解率為(0.04±0.06)%。在40 ℃的溫度下，時(shí)長(zhǎng)24 h的4種試劑對(duì)生物組織的消解率存在顯著差異(F=1 349.444，df=1，P<0.01)，10%的KOH溶液消解率最高，為(98.64±0.38)%，其次為30%的H2O2溶液,消解率為(94.40±3.28)%，35%HNO3溶液消解率最低，為(89.98±7.25)%，對(duì)照試劑水對(duì)生物組織消解率為(0.96±0.63)%。3種化學(xué)試劑中，暴露時(shí)長(zhǎng)24 h處理的平均消解率均顯著高于暴露時(shí)長(zhǎng)1 h的處理。

2.2 塑料的消解率

在溫度40 ℃，暴露時(shí)長(zhǎng)24 h情況下，5種塑料的消解率見(jiàn)表3。

表3 塑料的消解率Table 3 Digestion rate of plastic material

由表3可知，空白對(duì)照中，H2O的消解率均為0，3種試劑對(duì)PE的消解率之間存在顯著差異(F=18.771，df=3，P<0.01)，10%的KOH溶液的消解率最高，為(0.15±0.03)%，其次為35%HNO3溶液，消解率為(0.09±0.04)%，消解率最低的是30%的H2O2溶液，消解率為(0.08±0.02)%。3種試劑對(duì)PP的消解率之間存在顯著差異(F=39.102，df=3，P<0.01)，其中消解率最高的是10%的KOH溶液，消解率為(0.05±0)%;其次為35%HNO3溶液，消解率為(0.03±0.01)%;消解率最低的是30%的H2O2溶液，消解率為(0.02±0)%。3種試劑對(duì)PA的消解率之間存在顯著差異(F=65.497，df=3，P<0.01)，其中消解率最高的是35%HNO3溶液，消解率為(0.09±0.01)%;其次為30%的H2O2溶液，消解率為(0.08±0.02)%;消解率最低的是10%的KOH溶液，消解率為(0.06±0)%。3種試劑對(duì)PVC的消解率之間存在顯著差異(F=708.529，df=3，P<0.01)，消解率最高的是30%的H2O2溶液，消解率為(0.56±0.02)%;其次為35%HNO3溶液，消解率為(0.53±0.02)%;消解率最低的是10%的KOH溶液。3種試劑對(duì)PS的消解率之間存在顯著差異(F=220.643，df=3，P<0.01)，消解率最高的是10%的KOH溶液，消解率為(0.38±0.01)%，其次為35%HNO3溶液，消解率為(0.32±0.03)%，消解率最低的是30%的H2O2溶液，消解率為(0.27±0.01)%。

2.3 討論

Mohsen等研究表明，在40 ℃的情況下，化學(xué)試劑并未讓塑料產(chǎn)生形態(tài)或者顏色上的變化，在60 ℃的溫度下，塑料出現(xiàn)了顏色和形態(tài)上的變化[14]。Karami等研究表明，10%KOH在40 ℃的溫度下48～72 h即可有效消解魚(yú)組織[5]，而吳文楠等發(fā)現(xiàn)，在溫度50 ℃下，10%KOH溶液、30%H2O2溶液和蛋白酶K對(duì)PA有3.74%～10.02%的影響[15]。因此，本研究選取40 ℃作為對(duì)生物組織和塑料的消解能力的溫度是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

時(shí)間是影響消解率的重要因素，在本研究中，3種化學(xué)試劑消解1 h處理組顯著低于消解24 h處理組。Dehaut等比較了幾種試劑的消解效果，結(jié)果表明10%KOH于60 ℃ 消解24 h效果較好[16]。吳文楠等在10%KOH、50 ℃條件下，只用了6 h消解率就達(dá)到97%[15]。但是，有研究表明，當(dāng)消解溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，會(huì)對(duì)塑料顏色等特征產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，10%KOH溶液在40 ℃的溫度下，消解24 h后，消解率為(98.64±0.38)%。

本研究發(fā)現(xiàn)，在時(shí)長(zhǎng)1 h的處理中，35%HNO3溶液消解率最高，其次為10%的KOH溶液，30%的H2O2溶液消解率最低，而在時(shí)長(zhǎng)24 h的處理中，10%的KOH溶液消解率最高，其次為30%的H2O2溶液，35%HNO3溶液消解率最低。相關(guān)研究[15]發(fā)現(xiàn)，KOH在50 ℃的溫度下，能夠消解實(shí)驗(yàn)用各種生物組織，平均消解率高達(dá)(97.63±4.09)%，對(duì)部分組織的消解率更是高于99%，消解后無(wú)明顯殘留，消解液過(guò)濾時(shí)也無(wú)明顯堵塞濾膜，與本研究一致。

本研究發(fā)現(xiàn)3種化學(xué)試劑在溫度40 ℃，暴露時(shí)長(zhǎng)24 h的情況下，消解率都在1%以?xún)?nèi)。對(duì)PVC和PS的消解率在0.3%～0.6%。對(duì)PP、PE和PA的消解率都在0～0.3%。表明所選的3種化學(xué)試劑在40 ℃，消解24 h的情況下，不會(huì)對(duì)塑料重量產(chǎn)生大的影響。但值得注意的是，35%HNO3溶液和30%H2O2溶液會(huì)引發(fā)塑料顏色的改變，使得塑料由透明變黃。與之相比，10%KOH溶液并不會(huì)使得塑料產(chǎn)生顏色改變和形變，且對(duì)生物的消解率比較高。

3 結(jié)論

選取40 ℃作為對(duì)生物組織和塑料的消解能力的溫度是恰當(dāng)?shù)摹?種試劑消解24 h的消解率高于消解1 h的消解率。1 h的暴露時(shí)長(zhǎng)下，35%HNO3溶液最高，30%的H2O2溶液消解率最低。暴露時(shí)長(zhǎng)24 h下，10%KOH溶液消解率最高。3種試劑在40 ℃ 暴露24 h的條件下，對(duì)塑料的消解率在1%以?xún)?nèi)，并不會(huì)對(duì)塑料產(chǎn)生太大影響。10%KOH溶液可作為生物組織中微塑料提取的理想試劑。