合成纖維紡織品家庭洗滌釋放纖維微塑料研究進(jìn)展

韓其洋， 吳雄英， 丁雪梅

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051； 3. 上海海關(guān)， 上海 200135)

自20世紀(jì)初期第1種合成塑料——酚醛樹脂制成后，塑料就由于可塑性強(qiáng)、耐用性好和成本低廉而被廣泛應(yīng)用于日常生活中[1]。2019年全球塑料產(chǎn)量已經(jīng)高達(dá)3.7×108t[2]，大量塑料制品的生產(chǎn)與使用給人們的生活帶來了極大的方便，也導(dǎo)致了嚴(yán)重的塑料污染問題。在所有塑料污染物中，尺寸小于5 mm的微塑料由于分布范圍廣，潛在環(huán)境危害大等特點(diǎn)而引起人們的廣泛關(guān)注，有大量研究顯示，在海洋、淡水、土壤和空氣中都檢測到微塑料[3-5]。

微塑料根據(jù)來源可分為初生微塑料和次生微塑料。其中：初生微塑料是指人造粒徑小于5 mm的塑料顆粒，主要應(yīng)用于個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品和工業(yè)原料中；次生微塑料主要來源于大塊塑料的破裂及磨損[6]。在所有來源中，合成纖維紡織品家庭洗滌釋放出的纖維微塑料被廣泛報(bào)道為微塑料的重要來源[7-9]，Browne等首次提出海洋中的纖維狀微塑料大部分來自合成衣物的洗滌，并指出單件服裝單次洗滌可釋放超過1 900根纖維[8]，同時(shí)根據(jù)國際自然保護(hù)聯(lián)盟2017年的評(píng)估，合成纖維紡織品的洗滌可導(dǎo)致35%的初生微塑料釋放到海洋中[9]。

目前，合成纖維紡織品消費(fèi)量不斷增加，2019年全球紡織纖維產(chǎn)量可細(xì)分為：63%的合成纖維、23%的棉纖維和14%的其他纖維[10]。伴隨著紡織品消費(fèi)的增長，洗衣機(jī)數(shù)量和洗衣頻率也相應(yīng)增加[11]，合成纖維紡織品家庭洗滌作為微塑料來源的比重將逐步提高，因此，對(duì)該領(lǐng)域的研究顯得十分迫切。

本文從物理、化學(xué)和生物影響3方面論述微塑料的環(huán)境影響，討論了影響合成纖維紡織品家庭洗滌釋放纖維微塑料的多個(gè)因素，總結(jié)了現(xiàn)有的減排措施，并對(duì)未來研究方向提出展望，以期為減少合成纖維紡織品家庭洗滌釋放纖維微塑料提供一定的參考，從而減少環(huán)境中的微塑料污染。

1 纖維微塑料對(duì)環(huán)境的影響

纖維微塑料由于不易降解而在環(huán)境中持續(xù)積累，且由于纖維微塑料的尺寸小，比表面積大等特性而易于吸附有機(jī)污染物和被生物攝食，從而可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生物理影響、化學(xué)影響和生物影響，這些影響既可單獨(dú)發(fā)生，也可共同作用而產(chǎn)生生態(tài)毒性，并對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)。

纖維微塑料的物理影響主要是通過攝食作用實(shí)現(xiàn)的，由于其尺寸較小，與許多動(dòng)物的食物量級(jí)相近，從海洋環(huán)境中的大型海洋動(dòng)物、魚類和浮游動(dòng)物到土壤環(huán)境中的蝸牛、線蟲等都可以攝食纖維微塑料[12-13]。纖維微塑料能夠在動(dòng)物器官內(nèi)累積、堵塞消化系統(tǒng)，從而誘導(dǎo)飽腹感，降低攝食率，減少能量儲(chǔ)備，在體內(nèi)累積引起生理毒性，進(jìn)一步影響生物的生長和繁殖[14]。Foley等[15]通過薈萃分析研究了纖維微塑料對(duì)魚類和水生無脊椎動(dòng)物的攝食、生長、繁殖和生存的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維微塑料在不同類群中的效應(yīng)不同，其中對(duì)較低營養(yǎng)級(jí)的危害較大。而較低營養(yǎng)級(jí)是食物鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于纖維微塑料不易降解，隨著營養(yǎng)級(jí)的遞增，可能轉(zhuǎn)移到人類食用的產(chǎn)品中，從而對(duì)人類健康產(chǎn)生威脅，已有研究顯示微塑料在商業(yè)魚類和雙殼貝類等多種食物中廣泛存在[16-17]。

纖維微塑料產(chǎn)生化學(xué)影響的機(jī)制主要包括直接污染作用和吸附環(huán)境中的污染物。一方面，纖維微塑料可直接作為污染物的來源，由于塑料在生產(chǎn)過程中使用了大量化學(xué)添加劑，如增塑劑、抗氧化劑和阻燃劑等，這些添加劑通常不與聚合物分子結(jié)合，會(huì)在纖維微塑料遷移轉(zhuǎn)化過程中被不斷釋放出來，進(jìn)入生物體內(nèi)，影響生物的繁殖和發(fā)育。Browne等[18]研究表明，纖維微塑料會(huì)將添加劑轉(zhuǎn)移到蚯蚓體內(nèi)，導(dǎo)致死亡率的增加。另一方面，纖維微塑料由于疏水性和較大的比表面積，可吸附環(huán)境中的持久性有機(jī)污染物和重金屬污染物，附著在纖維微塑料上的污染物，進(jìn)入生物體后能夠從纖維微塑料上解吸下來，從而造成污染物向生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移[19]。此外，纖維微塑料吸附污染物后密度會(huì)逐漸增大，從漂浮狀態(tài)到緩慢下沉，容易被更多的生物攝食[20]。

纖維微塑料還會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，由于其穩(wěn)定性高，質(zhì)量輕，具有良好的遷移性，從而為許多生物提供了新的棲息地[21]。許多微生物包括細(xì)菌、真菌、藻類及原生生物很容易以生物膜的形式在纖維微塑料表面附著和繁殖，生物膜主要由多種微生物菌落及其分泌的胞外聚合物組成[22]，微生物群落可能隨著纖維微塑料的遷移傳播病原體和外來物種，威脅生態(tài)系統(tǒng)和人體健康[23]。此外，許多海洋生物需要硬基質(zhì)進(jìn)行產(chǎn)卵，自然海洋環(huán)境中的硬基質(zhì)較少，而纖維微塑料的增加解除了這一限制導(dǎo)致生物豐富度大大增加[24]，也可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)群落結(jié)構(gòu)和功能的變化。

綜上，纖維微塑料可以通過物理、化學(xué)和生物作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，目前研究主要還停留在生物個(gè)體水平，關(guān)于在不同營養(yǎng)級(jí)生物間的傳遞研究還較少，為進(jìn)一步評(píng)估纖維微塑料污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，需要從細(xì)胞、器官、個(gè)體、種群和群落等多個(gè)水平進(jìn)行研究。此外，盡管已經(jīng)證實(shí)纖維微塑料會(huì)通過食物、大氣等多種途徑進(jìn)入人體， 但是關(guān)于人類長期慢性攝入纖維微塑料的潛在影響尚不清楚[25]，其對(duì)人體健康的影響應(yīng)該成為未來的研究重點(diǎn)。

2 纖維微塑料釋放影響因素

2.1 紡織品特性

紡織品特性包括纖維類別、紗線結(jié)構(gòu)、織物結(jié)構(gòu)及后整理等，這些都會(huì)對(duì)纖維微塑料釋放產(chǎn)生影響。Napper等[26]測試了3種纖維類別的織物在洗滌過程中釋放的纖維微塑料，發(fā)現(xiàn)腈綸織物釋放的纖維微塑料數(shù)量最多，滌綸織物次之，而滌/棉混紡織物釋放的數(shù)量最少，并指出這一結(jié)果可能與不同織物的起球性能有關(guān)。De等[27]對(duì)滌綸和丙綸機(jī)織物釋放的纖維微塑料進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)滌綸織物的釋放量較大。關(guān)于紗線結(jié)構(gòu)，幾項(xiàng)研究顯示短纖維紗線和低捻度紗線會(huì)釋放較多的纖維微塑料[28-29]，這一現(xiàn)象可能是由于紗線表面毛羽的存在，短纖維和低捻度紗線表面存在的毛羽數(shù)量較多，在洗滌過程中更易受到機(jī)械力而導(dǎo)致?lián)p傷及脫落，從而增加纖維微塑料的釋放?？椢锝Y(jié)構(gòu)的影響主要與織物中紗線或纖維排列的緊密程度相關(guān)，De等[30]發(fā)現(xiàn)滌綸機(jī)織物比針織物釋放的纖維微塑料少，并指出可能是由于機(jī)織物結(jié)構(gòu)更緊密。此外，還有少量學(xué)者研究了紡織品老化對(duì)纖維微塑料釋放的影響，Almroth等[29]使用砂帶磨光機(jī)對(duì)織物進(jìn)行磨光處理，以模擬服裝日常穿著過程造成的磨損，發(fā)現(xiàn)磨光處理過的織物在洗滌時(shí)會(huì)釋放更多纖維微塑料。Hartline等[31]通過對(duì)服裝進(jìn)行24 h連續(xù)洗滌來進(jìn)行人工加速老化，發(fā)現(xiàn)人工加速老化服裝會(huì)比新服裝釋放更多的纖維微塑料。這一現(xiàn)象可能是因?yàn)榧徔椘防匣瘜?dǎo)致纖維磨損，從而更易在洗滌過程中斷裂和脫落。

目前，研究人員已經(jīng)探究多個(gè)紡織品特性對(duì)合成纖維紡織品家庭洗滌中纖維微塑料釋放的影響，但大多數(shù)測試只研究了單一參數(shù)的影響，沒有考慮作為纖維集合體的紡織品的復(fù)雜性，對(duì)纖維、紗線及織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)及物理性能測試較少，阻礙了進(jìn)一步的機(jī)制解釋。此外，不同研究采用的測試條件及定量方法相差很大，導(dǎo)致纖維微塑料釋放量也相差較大，研究結(jié)果缺乏重復(fù)性及可比性，因此后期應(yīng)統(tǒng)一測試條件，建立標(biāo)準(zhǔn)的定性和定量分析方法，綜合考慮紡織品的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)一步揭示紡織品材料特性對(duì)纖維微塑料釋放的影響。

2.2 洗滌條件

洗衣機(jī)洗滌影響因素諸多，且各因素之間存在耦合效應(yīng)，并非完全獨(dú)立，因此，洗滌條件對(duì)纖維微塑料釋放的影響也十分復(fù)雜。洗滌條件涉及多個(gè)方面，包括洗衣機(jī)類型(波輪或者滾筒)、洗滌程序參數(shù)及洗滌循環(huán)次數(shù)，而洗滌程序參數(shù)又涉及時(shí)間、溫度、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)停比等。幾項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)波輪洗衣機(jī)會(huì)比滾筒洗衣機(jī)釋放出更多的纖維微塑料[31-32]。關(guān)于洗滌程序參數(shù)，F(xiàn)ontana等[33]測試了滌綸織物在“棉”程序和“絲”程序下洗滌過程釋放的纖維微塑料，發(fā)現(xiàn)“棉”程序釋放的纖維微塑料明顯多于“絲”程序，指出是由于“棉”程序的洗滌時(shí)間較長，溫度較高，轉(zhuǎn)速較大而使機(jī)械作用較大，導(dǎo)致較多纖維微塑料的釋放。這一結(jié)果也與De等[27]的研究結(jié)果一致。然而，Kelly等[34]研究顯示，水和織物的體積比才是影響纖維微塑料釋放的主要因素，而不是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，較高的水和織物體積比會(huì)產(chǎn)生較大的流體作用力，從而導(dǎo)致織物的損傷。在洗滌循環(huán)次數(shù)方面，大部分研究表明，隨著洗滌循環(huán)次數(shù)的增加，纖維微塑料釋放首先逐漸減少，直至相對(duì)穩(wěn)定。這一趨勢可能是由于紡織品制造階段松散短纖維的存在。例如：在紡紗加工過程中纖維可能會(huì)被進(jìn)一步切割成短纖維而嵌入紗線中，然后在洗滌過程中被釋放出來，因此，在初期洗滌循環(huán)中，纖維微塑料的釋放量主要由松散短纖維構(gòu)成，洗滌過程新脫落的纖維微塑料占比較低，隨著洗滌循環(huán)次數(shù)的增加，松散短纖維數(shù)量逐漸減少，洗滌過程新脫落的纖維微塑料數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定，從而使纖維微塑料釋放先逐漸減少直至相對(duì)穩(wěn)定。

綜上，洗滌條件對(duì)纖維微塑料釋放的影響尚不明晰，后續(xù)還需研究洗滌過程中的織物運(yùn)動(dòng)、機(jī)械作用及熱作用，從而進(jìn)一步分析纖維微塑料釋放的機(jī)制。

2.3 洗滌劑

洗滌劑主要用于去污，由表面活性劑、酶和助洗劑等多種成分構(gòu)成，是家庭洗滌過程中的一個(gè)必需品，因此，已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了洗滌劑對(duì)纖維微塑料釋放影響的相關(guān)研究，但是不同研究產(chǎn)生的結(jié)論并不一致。De等[27]研究發(fā)現(xiàn)，洗衣液和洗衣粉均能促進(jìn)纖維微塑料的釋放且洗衣粉的作用更大；Cesa等[28]發(fā)現(xiàn)，洗滌劑的使用顯著減少了纖維微塑料釋放量；而Pirc等[35]研究顯示，洗滌劑對(duì)纖維微塑料釋放沒有影響。產(chǎn)生不同結(jié)果的原因可能在于洗滌劑成分及作用的復(fù)雜性。洗滌劑的主要成分為表面活性劑，表面活性劑具有潤濕、分散、乳化和起泡等功能[36]。一方面，表面活性劑能夠降低水的表面張力和產(chǎn)生泡沫，從而減少洗滌過程中纖維受到的摩擦力而減少纖維微塑料的釋放；另一方面，洗滌劑可能會(huì)造成纖維損傷，同時(shí)它的分散作用有利于將脫落的纖維微塑料從織物轉(zhuǎn)移到水中，造成釋放量的增加。相對(duì)洗衣液，使用洗衣粉能釋放更多纖維微塑料的原因可能在于洗衣粉中含有不溶于水的無機(jī)化合物，增加了摩擦力從而增加纖維微塑料的釋放。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測試方法的不同可能也會(huì)對(duì)洗滌劑的作用產(chǎn)生影響。

目前關(guān)于洗滌劑對(duì)纖維微塑料釋放影響的研究還比較少且不全面，未考慮洗滌劑中各個(gè)組分如氧化劑和酶等的影響，此外，洗滌劑的pH值也可能與織物損傷有關(guān)，因此，后期應(yīng)繼續(xù)深入研究洗滌劑各個(gè)組分的化學(xué)作用及對(duì)纖維微塑料釋放的影響機(jī)制。

3 減排措施

3.1 源頭控制

針對(duì)家庭洗滌過程中釋放的纖維微塑料，源頭控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于紡織品的設(shè)計(jì)與加工階段。在原料選擇方面盡可能地選擇天然纖維，提高天然纖維的服用性能，從而減少合成纖維的用量。在設(shè)計(jì)紡織品時(shí)，利用能夠減少纖維微塑料釋放量的紡織參數(shù)改進(jìn)紡織品設(shè)計(jì)，如選擇結(jié)構(gòu)較緊密的織物和較高捻度的紗線等。此外，一些特殊的表面改性方法也被證實(shí)能減少纖維微塑料的釋放，已經(jīng)有研究利用果膠、殼聚糖或聚乳酸等可生物降解材料對(duì)織物進(jìn)行表面改性處理，處理后的織物能夠顯著減少纖維微塑料的釋放[37-39]。但上述研究僅處在實(shí)驗(yàn)室水平，存在工藝復(fù)雜、成本高等問題，關(guān)于如何將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中還需進(jìn)一步研究。

通過研究洗滌程序和洗滌劑對(duì)洗滌過程纖維微塑料釋放的影響，洗衣機(jī)和洗滌劑行業(yè)可以優(yōu)化程序設(shè)計(jì)和改進(jìn)洗滌劑配方設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以制定消費(fèi)者洗滌手冊，用來指導(dǎo)消費(fèi)者的家庭洗滌來減少纖維微塑料的釋放。

此外，還應(yīng)提高全社會(huì)對(duì)微塑料污染危害的認(rèn)識(shí)，建立合成纖維紡織品纖維微塑料釋放量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如在合成纖維紡織品標(biāo)簽中增加纖維微塑料釋放量這一指標(biāo)，從而提高公眾意識(shí)，指導(dǎo)消費(fèi)者選擇纖維微塑料釋放量較少的合成服裝及紡織品，從而在全社會(huì)形成減少微塑料排放的氛圍。

3.2 攔截及去除措施

對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入洗滌廢水中的纖維微塑料，可以通過攔截措施減少其進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)中。針對(duì)洗衣機(jī)，目前商用的技術(shù)包括Lint LUV-R過濾器和cora球，Lint LUV-R過濾器能夠攔截洗滌廢水中87%數(shù)量的纖維微塑料，而Cora Ball能夠攔截26%數(shù)量的纖維微塑料[40]。此外，Akiyama等[41]設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)體聲波(BAW)裝置，該裝置可引導(dǎo)纖維微塑料，將它們收集在中間通道中，而水則從兩側(cè)通道中流出，此方法在攔截洗衣機(jī)廢水中的纖維微塑料方面也具備良好的潛力。此外，攔截后纖維微塑料的處理也需要進(jìn)一步的研究，避免通過其他途徑進(jìn)入環(huán)境。

洗滌廢水會(huì)伴隨著城市污水進(jìn)入污水處理廠，因此污水處理廠也是攔截纖維微塑料的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但是目前污水處理廠的工藝并不是為纖維微塑料去除而設(shè)計(jì)的，尤其對(duì)纖維微塑料的去除效率隨著直徑的減小而降低，導(dǎo)致處理過后的水體中仍含有大量纖維微塑料[42]。此外，從廢水中去除的纖維微塑料會(huì)保留在活性污泥中，使得污泥成為新的污染源[43]，對(duì)于污泥中的纖維微塑料,可通過提高消化階段的消化溫度來使污泥中纖維微塑料融解[44]，未來還需開發(fā)新技術(shù)來去除污泥中的纖維微塑料。

對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入環(huán)境中的纖維微塑料，生物修復(fù)是一項(xiàng)具有良好潛力的新技術(shù)，已有研究發(fā)現(xiàn)它能夠降解聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯的微生物[45-46]，這為低成本解決纖維微塑料污染提供了新途徑。

4 展 望

本文總結(jié)了纖維微塑料對(duì)環(huán)境的影響，洗滌過程影響纖維微塑料釋放的3方面因素及其減排措施?；谝陨戏治?，認(rèn)為未來研究可從以下3個(gè)方面開展。

1)統(tǒng)一洗滌中釋放纖維微塑料的測試條件及定量方法。目前各個(gè)研究采用不同的測試條件和定量分析方法，導(dǎo)致纖維微塑料釋放量差異較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間缺乏可比性，也為估算洗滌中釋放纖維微塑料的環(huán)境影響規(guī)模制造了障礙。未來需建立一套標(biāo)準(zhǔn)的測試及檢測方法，為更好地研究影響洗滌過程纖維微塑料釋放的因素提供基礎(chǔ)。

2)系統(tǒng)研究洗滌過程中影響纖維微塑料釋放的因素。充分考慮纖維、紗線和紡織品的各項(xiàng)物理化學(xué)性能，結(jié)合洗滌過程中的機(jī)械作用、化學(xué)作用和熱作用分析各因素影響纖維微塑料釋放的潛在機(jī)制，從而為減少洗滌釋放的纖維微塑料提供科學(xué)合理的理論參考。

3)創(chuàng)新纖維微塑料攔截及去除技術(shù)，改進(jìn)洗衣機(jī)的過濾裝置或開發(fā)新的收集廢水中微塑料的方法，探索針對(duì)纖維微塑料去除的污水處理廠的污水及污泥處理新工藝。此外，生物修復(fù)技術(shù)目前仍處于初步探索階段，有待進(jìn)一步研究并推廣應(yīng)用。