土壤中微塑料的分離及檢測方法研究進(jìn)展*

陳雅蘭，孫 可?，韓蘭芳，高 博

（1. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京 100875；2. 廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境生態(tài)工程研究院，廣州 510006；3. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

塑料是一種化學(xué)穩(wěn)定性高、可塑性強(qiáng)的高分子合成材料，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、紡織、制藥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和電子制造行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，全球塑料年產(chǎn)量約為3.59 億t，其中絕大多數(shù)為一次性使用。塑料的高消耗伴隨著大量塑料廢物的產(chǎn)生，但只有一小部分（6%～26%）會被回收利用。塑料廢物的不適當(dāng)傾倒或管理不當(dāng)導(dǎo)致其在陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)中的積累，并且因太陽輻射、機(jī)械力和微生物等作用破碎/分解成更小的碎片，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和風(fēng)險。

近年來，微塑料（microplastics，MPs）在不同的環(huán)境介質(zhì)中均被檢測到。微塑料一般是指粒徑小于5 mm 的塑料顆粒，其尺寸下限還沒有明確的定義，廣義的微塑料還包括納米塑料（＜1 μm）。與大碎片相比，微塑料由于其豐度高、粒徑小且能夠長距離運輸而更具危害性。一方面，微塑料可以充當(dāng)各種污染物在環(huán)境介質(zhì)中遷移的載體；另一方面，微塑料本身也含有添加劑等成分，其泄露會對環(huán)境造成污染。微塑料可以被生物攝食并沿食物鏈（網(wǎng)）傳遞到更高的營養(yǎng)級，可能會通過環(huán)境暴露和攝食對人體造成危害。

目前，關(guān)于微塑料的研究主要集中在水生環(huán)境中，因為微塑料對水體和水生生物的危害是最直接和顯而易見的，并且水體中微塑料的采樣和監(jiān)測相對簡單。土壤介質(zhì)的復(fù)雜性及分析方法的限制使得土壤微塑料污染一直被忽視，只有很少的研究報道了土壤環(huán)境中微塑料的存在。近年來的一些研究表明，土壤可能是較水體和沉積物更大的微塑料的匯。各種人類活動（農(nóng)用地膜覆蓋、灌溉、污水污泥和農(nóng)業(yè)堆肥等）和氣候現(xiàn)象（大氣沉降、降水和洪水等）均對土壤中微塑料大量積累有著不可或缺的貢獻(xiàn)，并且土壤中微塑料濃度在今后的一段時間還可能會持續(xù)增加。一旦進(jìn)入土壤，微塑料可能會經(jīng)歷不同的環(huán)境過程并引起各種生態(tài)風(fēng)險。然而，缺乏合適、系統(tǒng)的土壤微塑料分析方法使得各研究的側(cè)重點和研究深度有所差異，難以橫向比較和有效評估土壤微塑料的環(huán)境風(fēng)險。

因此，本文總結(jié)并討論了可用于土壤微塑料的分析方法的潛力和局限性，并提出當(dāng)前分析技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和對未來研究的展望，以期為土壤微塑料分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供支撐。本文涉及的微塑料的中英文名稱、縮寫及密度信息參見表1。

表1 常見微塑料的中英文名稱、縮寫及密度信息Table 1 Chinese，English，and acronym names of common microplastics and their density information

1 土壤微塑料的分離方法

土壤是一種十分復(fù)雜的環(huán)境介質(zhì)，包含有機(jī)物、黏土、礦物質(zhì)和土壤生物等。土壤中的各種基質(zhì)與微塑料存在不同程度的結(jié)合。土壤基質(zhì)與微塑料分離的有效性是后續(xù)識別和定量分析的基礎(chǔ)。

1.1 物理分離法

1.1.1 篩分法 篩分法是指采用1 mm 和5 mm網(wǎng)格寬度（歐洲海洋框架戰(zhàn)略指南MSFD）的篩網(wǎng)對不同尺寸的微塑料進(jìn)行分選的方法，常用于干土樣品中微塑料的初步分離，可以在一定程度上簡化微塑料的進(jìn)一步分析檢測。在以往的研究中存在不同的篩分尺寸。例如，對于干燥的沉積物/海灘樣品，Phuong 等采用1 mm 篩進(jìn)行篩分，Ballent 等采用5.6 mm、2.0 mm 以及0.063 mm 的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，而美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）建議采用5 mm 篩去除較大的巖屑，再利用堆疊的5 mm 和0.3 mm 篩對分離的沉積物進(jìn)行篩分。對于土壤樣品，一般建議先通過一個2 mm 的篩管。

1.1.2 靜電分選法 靜電分選是基于土壤礦物和微塑料的導(dǎo)電性差異（土壤礦物＞微塑料）實現(xiàn)對微塑料分離，是一種非常溫和的處理方法，幾乎不會破壞微塑料結(jié)構(gòu)，但無法去除有機(jī)物。分選前一般需要對土壤/沉積物樣品進(jìn)行冷凍干燥預(yù)處理，以消除水分對土壤礦物和微塑料導(dǎo)電性的影響。Felsing 等首次成功修改出一套適用于土壤微塑料分選的KWS 靜電分離裝置，對63 μm～5 mm 尺寸范圍內(nèi)的6 種微塑料的回收率均能達(dá)到90%以上，且不受微塑料密度、形狀、結(jié)垢和老化的限制。然而，為了達(dá)到如此高的回收率，樣品需要經(jīng)過3次處理，每150 克樣品平均耗時3～4 h。此外，由于金屬滾筒和刮刀的粘附力可能大于微塑料顆粒的重力，造成其回收率的下降。由此，該裝置對于分選非常小的微塑料顆粒的適用性仍待考究。Enders等對KWS 靜電分離裝置進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)微塑料的回收率高度依賴于其粒徑大小，且該裝置對細(xì)顆粒含量較高的土壤的分離效果較差?？傮w而言，該裝置適合于分離粒徑較大（100 μm 以上）且分散性較好的沉積物和砂質(zhì)土壤中直徑大于500 μm 且老化程度較低的微塑料，尤其適合于樣品量較大（＞1 kg）的沉積物的分離。

1.1.3 密度分離法 環(huán)境介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的微塑料的密度通常為0.8～1.4 g·cm，而土壤樣品的密度通常為2.6～2.7 g·cm，兩者的密度差異使得密度分離法廣泛應(yīng)用于土壤介質(zhì)中微塑料的提取。然而，土壤的團(tuán)聚體效應(yīng)使得微塑料與土壤有不同程度的融合，從而降低微塑料的提取效率，同時還會導(dǎo)致后續(xù)分析中出現(xiàn)信號畸變（如傅里葉紅外光譜和拉曼光譜分析）。由此，在溶劑提取前通常采用超聲、攪拌、曝氣和連續(xù)流等方法來破壞附著體。

目前，不同密度的溶液已用于土壤中微塑料的提取，其種類、密度及提取效率信息如表2 所示。

表2 微塑料提取劑信息Table 2 Basic information about density solution used for microplastics extraction

水溶液是最簡單且無害的提取劑，但是其使用范圍僅限于密度小于1 g·cm的微塑料顆粒。由于大部分農(nóng)用地膜是由密度＜1 g·cm的LDPE 或PP制成，因此微塑料可以漂浮在蒸餾水上，降低分離成本。

當(dāng)微塑料的密度未知時，提取和浮選需要使用高密度的鹽溶液。NaCl 溶液是歐洲海洋框架戰(zhàn)略指南MSFD 推薦且最為常用的微塑料提取劑，具有成本低、無毒害作用等優(yōu)點。大量研究表明，NaCl 溶液的最大密度為1.2 g·cm（即飽和NaCl 溶液密度），只能用于提取PE、PP 和PS 等密度較低的微塑料。Liu 等雖然通過增加萃取和超聲波處理的次數(shù)、延長浮選時間，成功使用NaCl 溶液提取出PE、PP、PS、PA、PC、ABS 和PMMA 等7 種塑料，但仍舊無法分離出PET、PVC 等高密度聚合物。2019 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，PET 和PVC 產(chǎn)量占全球塑料總產(chǎn)量的17.9%，將不可避免地匯入土壤環(huán)境，采用低密度提取劑很可能造成對微塑料污染程度的低估。

為克服這一問題，研究者們開始關(guān)注其他高密度鹽溶液的提取效果和應(yīng)用潛力，其中一些已經(jīng)實際應(yīng)用于環(huán)境樣品中（如CaCl），而另一些仍處于實驗探索階段（如ZnBr）。在土壤中，通常選用聚鎢酸鈉（3NaWO·9WO·HO，SPT）進(jìn)行有機(jī)-礦物復(fù)合體中顆粒有機(jī)物和土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）的分離，該密度溶液也同樣適用于土壤/沉積物中微塑料的分離。CaCl溶液也是常用的微塑料提取劑之一，與NaCl 溶液相比，其提取效率相對較高，但是二價Ca可能會橋接有機(jī)分子的負(fù)電荷，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)塊，干擾后續(xù)微塑料的識別。van Cauwenberghe 等提出微塑料提取劑的最佳密度范圍是1.6～1.8 g·cm，使用NaI 和ZnCl可以滿足這一要求。NaI 溶液的密度高達(dá)1.8 g·cm，能提取所有類型的微塑料，但十分昂貴，并且氧化條件會限制其應(yīng)用。從經(jīng)濟(jì)成本和萃取效率的角度，Han等建議采用NaCl 和NaI 1∶1 的混合溶液進(jìn)行最佳浮選。Nuelle 等也采用NaCl 和NaI 的混合溶液對微塑料進(jìn)行分離，其對各類微塑料分離效率為68%～99%?？紤]到NaI 對環(huán)境的危害和對水生生物的胚胎毒性，Liu 等建議使用NaBr 溶液來提取土壤中的MPs，因為NaBr 是一種安全、無腐蝕性和廉價的沉積物分離試劑。Imhof 等開發(fā)的慕尼黑塑料沉積物分離器（MPSS）使用ZnCl溶液從沉積物種分離出各種微塑料，提取率高達(dá)95%～100%。Zobkov 和Esiukova驗證了這一結(jié)果，但同時也發(fā)現(xiàn)其對老化塑料的提取率大幅降低，僅為 13%～39%。同時，ZnCl具有腐蝕性和危害性。在使用過程中，為使ZnCl達(dá)到最大密度，通常需要額外加入酸溶液，可能與土壤中的天然成分（尤其是碳酸鹽）發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致形成致密的泡沫，嚴(yán)重妨礙提取過程。Coppock 等基于MPSS 原理設(shè)計了一種由PVC 管、PVC 球閥和由磁性攪拌棒攪拌的ZnCl組成的沉積物-微塑料-沉積物隔離單元，兼具高提取率、低成本和便攜的優(yōu)點。但是來自PVC 管的磨損可能污染樣品，所以需要將PVC 排除在分析之外，可能會造成大量的信息損失。挪威技術(shù)研究所同樣基于MPSS 原理開發(fā)設(shè)計了Bauta 分離器，分離介質(zhì)為ZnCl和CaCl的混合溶液，對纖維和球團(tuán)的提取率分別能達(dá)到82%和100%，但是其對土壤樣品的適用性還有待驗證。其他密度溶液還包括ZnBr、NaCl-NaWO和50% KI等，相關(guān)研究尚處于起步階段。

綜上，與NaCl 相比，這些替代方案均相對昂貴且具有一定的污染風(fēng)險，在使用之前應(yīng)根據(jù)研究目的和目標(biāo)微塑料特性進(jìn)行選擇。采用密度分離法對各種微塑料的回收率均高于90%，說明該方法是有效的。密度分離方法由于操作簡單而被廣泛使用，但是它可能不適合分離粒徑更小的塑料顆粒（＜10 μm）。而小塑料微粒（＜50 μm）占總塑料微粒的35%～90%，其含量不容忽視。如何有效分離提取土壤中的小顆粒微塑料是今后需要關(guān)注的問題。此外，微塑料與土壤基質(zhì)有著不同程度的結(jié)合，采用密度分離法不足以去除有機(jī)物。

1.1.4 磁性分離法 磁性分離法的實現(xiàn)主要依賴于微塑料的疏水性，由Grbic 等首次提出應(yīng)用于微塑料的分離領(lǐng)域，其工作原理如下：通過疏水性碳?xì)浠衔镂捕耍ㄊ榛籽趸柰椋琀DTMS）對鐵納米顆粒進(jìn)行功能化，將疏水性的鐵納米顆粒與微塑料表面結(jié)合，進(jìn)而利用磁鐵提取出微塑料顆粒。該方法的回收率在49%（PP）到90%（PE）之間，土壤或其他環(huán)境介質(zhì)中的親脂性物質(zhì)可能影響鐵納米顆粒與微塑料表面的特異性結(jié)合，從而降低微塑料的分離效果。磁性分離法會在一定程度破壞微塑料的結(jié)構(gòu)（尤其是脆性微塑料或老化的微塑料），同時鐵可能干擾后續(xù)微塑料的分析表征。Grbic等提出了可能的解決辦法：①通過限制微塑料與磁鐵的接觸緩解微塑料的破碎；②將微塑料置于表面活性劑或酸溶液中超聲以去除微塑料表面的鐵納米顆粒。然而，這些解決方法仍存在一些問題，如超聲會進(jìn)一步破壞微塑料結(jié)構(gòu)，對后續(xù)的分析造成影響。

相較于利用磁性分離法對微塑料進(jìn)行分離提取，一些研究更關(guān)注于利用磁性材料對微塑料進(jìn)行去除。Rhein 等將磁種過濾（MSF）用于稀懸浮液中微塑料的分離，其分離效率在廣泛的pH范圍內(nèi)均能達(dá)到95%。該過程的分離原理與Grbic等提出的磁性分離法類似，通常包括以下兩個步驟：①將磁種粒子分散到懸浮液中，并與目標(biāo)粒子（微塑料）附聚；②通過磁分離除去新形成的磁性雜團(tuán)聚體。通過選擇正確的磁種顆粒以及使用永磁體，MSF 能夠達(dá)到長期、有效的分離效果，在一定程度上可以節(jié)約成本。同時，該方法對亞微米級別的微塑料具有良好的去除效果，能在一定程度上突破以往研究對小顆粒微塑料顆粒的分離瓶頸。此外，通過選擇不同的磁種粒子可以調(diào)控可分離微塑料的粒徑范圍，可以根據(jù)研究目的靈活調(diào)整。例如，Misra等采用磁性多氧金屬酸鹽支撐離子液相（magPOM-SILPs）實現(xiàn)了對水中特定有機(jī)、無機(jī)、微生物污染物及微塑料長期有效的去除，其對1 μm和10 μm 的PS 塑料微珠的去除率均接近100%。

1.1.5 淘析法 淘析是利用向上的氣體或液體流將較輕的粒子從較重的粒子中分離出來的過程。這一原理在海洋生物學(xué)中被廣泛應(yīng)用，例如使用“巴內(nèi)特流態(tài)化沙浴”裝置將小型動物從沙子中分離出來。Claessens 等首先將淘析法應(yīng)用于微塑料的分離，將其與NaI 密度溶液結(jié)合，實現(xiàn)了對高密度微塑料（如PVC）的分離。他們根據(jù)淘析原理開發(fā)了一種PVC 淘析塔，通過向上的水流將較輕的顆粒（微塑料和其他輕質(zhì)材料）與較重的（沉積物）顆粒分離，樣品量大幅減少，從而需要更少的密度溶液進(jìn)行進(jìn)一步的分離（如NaI 的用量可減少97%），一定程度上解決了密度分離法的成本問題。淘析塔+NaI 組合對于PE 顆粒及塑料纖維的第一次萃取率分別為61%和75%，對PVC 的三次萃取率高達(dá)100%。然而，上述研究僅考慮了在最大限度減少沉積物顆粒污染的條件下收集更多微塑料的方法優(yōu)化，并未探討在不考慮沉積物收集量時實現(xiàn)微塑料收集最大化的情況。Zhu使用MODDE 10.1 復(fù)合因子實驗設(shè)計方法優(yōu)化了淘洗塔的流速和直徑參數(shù)，在不考慮沉積物收集量情況下實現(xiàn)了50.2%的微塑料最大可行回收率。Kedzierski 等根據(jù)Claessens 等的研究優(yōu)化了淘析塔的設(shè)計，確定了沙粒和微塑料的分離速率與其密度和粒度分級的關(guān)系，并在不考慮沙?；厥章实臈l件下實現(xiàn)了＞90%的PVC 回收率。Hengstmann 等進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計了一套具有更小尺寸的玻璃淘析塔裝置，對PET 和PVC的回收率分別能達(dá)到80%和72%。該裝置避免了PVC 淘析塔對樣品中PVC 微塑料定量造成的影響，同時還減弱淘析塔尺寸帶來的邊緣效應(yīng)。以上研究關(guān)注的最大微塑料密度為1.39 g·cm（PVC），是普通塑料中密度最高的一種，而某些含有添加劑的微塑料可以達(dá)到更高的密度，其適用性仍待進(jìn)一步探索。同時，需要更完善的對照實驗設(shè)計以確定淘析法對其他類型的微塑料及塑料纖維的回收效率?？傮w而言，淘析塔適用于環(huán)境樣品中微塑料的分離，近期的一些研究也成功使用該裝置對沉積物及廢水污泥樣品中的微塑料進(jìn)行分離提取。

1.1.6 泡沫浮選法 泡沫浮選法是一種依賴于塑料密度及表面疏水性的分離方法，通常應(yīng)用于回收行業(yè)，例如從廢料和不同塑料混合物中分離塑料顆?；蛴糜诟黝惏b材料中PET 的分離。其原理如下：氣泡將選擇性地附著到疏水性更高的輕質(zhì)微塑料顆粒上并向上攜帶，從而將它們與疏水性較小的基質(zhì)分離。但是，Imhof 等的實驗結(jié)果顯示，泡沫浮選從沉積物中分離出微塑料的平均效率非常低，僅為55%±28%，且在不同聚合物類型之間的差異很大?？傮w而言，泡沫浮選法能夠較好地去除密度低的塑料顆粒，但是對密度高的塑料顆?；厥章实?。泡沫浮選效果在很大程度上依賴于微塑料的物理特性，如容重、粒度、形狀、表面能量和表面粗糙度。風(fēng)化過程和塑料添加劑的使用也會改變塑料的表面特性，從而影響浮選效果。

1.2 化學(xué)分離法

1.2.1 油提法 油提法是指利用微塑料的親油性將微塑料萃取到油層，而其他雜質(zhì)保留在水中，從而實現(xiàn)微塑料的分離。該方法由Crichton 等首先提出。他們將干沉積物樣品與水、菜籽油充分混合，直到油、水和礦物完全分開。一旦微塑料顆粒接觸到菜籽油，將會被萃取到油層。根據(jù)Crichton 等的研究結(jié)果，7 種微塑料的回收率超過90%，優(yōu)于同一觀測條件下采用NaI 和CaCl的密度分離效果。Crichton 等認(rèn)為該方法簡單、安全、廉價、省時，且經(jīng)過酒精洗滌后無菜籽油殘留，不會干擾后續(xù)微塑料的光學(xué)檢測。然而，Lares 等對該方法的測試結(jié)果表明，酒精不能去除所有菜籽油的痕跡，會對后續(xù)的拉曼光譜和FTIR 光譜鑒定產(chǎn)生影響。Mani等最近的一項研究測試了蓖麻油對不同環(huán)境基質(zhì)中微塑料的提取效果，結(jié)果顯示蓖麻油對四種微塑料聚合物（PP、PS、PMMA 和乙二醇改性聚對苯二甲酸乙二醇酯PET-G）的平均回收率高達(dá)99%±4%。然而，對于未加標(biāo)的河流懸浮物樣品，大多數(shù)（76%）PS 微塑料沒有被萃取到油層，而是在固相中被發(fā)現(xiàn)。對于富含有機(jī)物的樣品，需要額外的HO消解步驟來實現(xiàn)樣品純化。此外，Lares 等指出，分離漏斗的使用（在Mani 等的研究中也被使用）會限制微塑料回收的尺寸上限，分離含有較大顆粒的樣品（如堆肥）時可能會堵塞漏斗。Scopetani 等針對以上問題，從油的種類和操作步驟兩方面對油提法進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。他們對不同密度和極性的油（如油菜籽、礦物油、合成油、橄欖油）進(jìn)行了初步實驗，優(yōu)選出對微塑料具有更高親和力的橄欖油作為萃取劑，同時通過冷凍樣品避免了在分離過程中分液漏斗的使用。結(jié)果顯示，該方法的分離回收率高達(dá)90%±2%至97%±5%，且對PS 微塑料具有較好的萃取效果；微塑料樣品經(jīng)氧化和己烷沖洗后無油脂殘留，不會影響到后續(xù)的光譜測定。

總體而言，油提法具有簡單、安全、廉價、省時等優(yōu)點，在實驗室條件下展現(xiàn)出良好的提取效果，但是其對非人工添加的環(huán)境微塑料樣品的回收效果還有待進(jìn)一步的研究。

1.2.2 加壓流體萃取 加壓流體萃?。≒FE）是一種在亞臨界溫度和壓力條件下使用的溶劑提取技術(shù)，可以從固體材料中回收半揮發(fā)性有機(jī)物，常用于土壤、沉積物和廢物中的有機(jī)污染物的提取，是美國EPA 認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)提取技術(shù)。Fuller 和Gautam首先開發(fā)了一種基于加壓流體萃取技術(shù)的微塑料提取方法，操作步驟如下：①在100 ℃條件下采用甲醇對微塑料進(jìn)行預(yù)萃取，以消除油脂等半揮發(fā)性有機(jī)化合物的干擾；②在180 ℃條件下采用二氯甲烷（DCM）進(jìn)行加壓流體萃取。結(jié)果顯示，基于PFE的萃取方法對固體基質(zhì)（如城市垃圾和土壤）中PE、PVC 和PP 等微塑料的平均回收率能達(dá)到84.5%～94%，并且可以有效提取粒徑小于30 μm 的微塑料。Dierkes 等同樣先采用甲醇在100 ℃條件下進(jìn)行預(yù)萃取，后采用毒性較低和揮發(fā)性較小的四氫呋喃（THF）作為二氯甲烷的替代，在185 ℃條件下提取微塑料，經(jīng)歷3 個萃取周期后對PE 和PP 的提取率能達(dá)到86.7%和83.3%，分別在第4 和第6 個萃取周期后能完全萃取PE 和PP。然而，上述方法中采用的甲醇預(yù)萃取步驟可能會去除一些塑料，導(dǎo)致對微塑料含量的低估。由于在100 ℃下可定量回收PC、PMMA 和PS（＞93%），在180 ℃下可定量回收PE、PET、PP 和PVC，Okoffo 等省略了甲醇預(yù)萃取步驟，直接采用二氯甲烷在180 ℃條件下實現(xiàn)對PE、PP、PVC、PS、PMMA、PC 和PET 微塑料的一步萃取，平均萃取效率＞80%。然而，加壓流體萃取過程可能會改變微塑料的粒子形態(tài)，從而影響后續(xù)的物理表征，因此無法準(zhǔn)確判斷微塑料的生物毒性、來源和移動性。盡管如此，加壓流體萃取自動化程度高、成本低、效率高，仍是當(dāng)前最有潛力的微塑料分離技術(shù)之一。

1.3 去除有機(jī)質(zhì)的相關(guān)方法

土壤中有機(jī)質(zhì)的密度通常在1.0～1.4 g·cm之間，與PET 和PA 等微塑料的密度相近。因此，對于高有機(jī)質(zhì)含量的土壤而言，簡單的密度分離法并不能很好地實現(xiàn)微塑料的分離，還需要增加有機(jī)物的去除步驟。土壤中有機(jī)質(zhì)的去除方法包括酸消解、堿消解、氧化法及酶解法。表3 總結(jié)了采用不同實驗方法對有機(jī)質(zhì)的去除效果。

表3 去除微塑料上有機(jī)質(zhì)的相關(guān)方法及其效果Table 3 Methods for removing organic matter from MPs and their effects

續(xù)表

1.3.1 酸消解 酸消解是指在開放式或封閉式系統(tǒng)中使用強(qiáng)無機(jī)酸氧化和破壞化合物，導(dǎo)致分子裂解，通常結(jié)合高溫和高壓條件使用，是一種相對劇烈的有機(jī)物去除方法，在一定程度上會消解微塑料本身。目前被用于消化微塑料上附著的有機(jī)物的酸主要包括HNO、HCl 以及HNO-HClO。其中，HNO是最常用酸消解劑，能在很短的時間內(nèi)去除大分子有機(jī)質(zhì)，且消解效果較好。然而，HNO作為酸消解劑時，會導(dǎo)致某些類型聚合物損失（如ABS、PA、PS 和PET）甚至消失（如尼龍）。HCl 不屬于氧化性酸，消解效率一般較低，通常不用于有機(jī)物的消解，但是也可以發(fā)現(xiàn)一些使用 HCl 提取微塑料的研究。HClO是一種強(qiáng)氧化劑，能徹底分解有機(jī)物，但與有機(jī)物直接接觸時會發(fā)生爆炸，因此通常與HNO按照體積比1∶4 組合使用，該方法也是ICES（國際海洋勘探理事會）建議使用的海洋動物組織消解方法。

加熱條件下會強(qiáng)化酸的消解效果，縮減消化時間。然而，耐酸性低的聚合物在高溫下更容易降解，采用（熱）酸消解可能會造成對微塑料環(huán)境風(fēng)險的低估。此外，熱酸消解可以在一定程度上促進(jìn)黑炭的生成，無法去除微塑料上附著的黑炭顆粒，不推薦使用。因此，建議根據(jù)不同的研究目的和目標(biāo)微塑料類型選擇合適的消化方法來處理樣品。

1.3.2 堿消解 堿消解一般用于土壤中腐殖酸的提取，因此也可以用來消解土壤中的微塑料樣品。目前較為常用的兩種堿消解劑包括氫氧化鈉（NaOH）和氫氧化鉀（KOH）。相較于酸消解，堿消解更為溫和，適用于生物樣本的消解，可以使蛋白質(zhì)變性并水解化合物，且對微塑料結(jié)構(gòu)的影響相對較弱。然而，為了完全去除有機(jī)質(zhì)，堿消解方案的運行周期通常需要2～3 周，過程十分耗時，可能不適用于植物材料或穩(wěn)定的土壤有機(jī)質(zhì)的去除。

1.3.3 氧化法 過氧化氫（HO）是目前最常用于有機(jī)質(zhì)去除的氧化劑，常用于土壤樣品中有機(jī)物的去除，也適用于海洋生物和沉積物樣品。相較于酸/堿消解，采用HO對藻類和植物的消解效果更佳。目前，大多數(shù)研究采用30%HO濃度進(jìn)行消解，Shim 等也證實30%HO具有比其他濃度更高的消化效率。然而，對富含有機(jī)物的樣品進(jìn)行30%HO處理通常會導(dǎo)致形成致密的泡沫，從而使大部分樣品懸浮在試劑上方，阻礙了樣品的過濾和進(jìn)一步處理，造成微塑料的回收率偏低。此外，關(guān)于HO處理是否會破壞微塑料結(jié)構(gòu)尚存爭議。一些研究通過改變濃度和消解溫度來調(diào)節(jié)HO的消解效果。通過降低HO濃度可以提升微塑料的回收率，低濃度的HO可以在較高的溫度下達(dá)到與更高濃度相當(dāng)?shù)南庑Ч?，然而升高溫度可能會以犧牲溫度敏感聚合物的回收率為代價。

Fenton 試劑是一種高級氧化劑，也是HO的潛在替代品。Fenton 法可以有效縮短反應(yīng)時間，降低反應(yīng)溫度，其最適pH 范圍為3～5。Fenton 法通過亞鐵陽離子催化HO氧化有機(jī)成分，可以有效破壞HO難以消化的有機(jī)成分和無機(jī)化合物，且不會改變原始PE、PP 和PVC 微塑料的表面。目前，F(xiàn)enton 法已成功用于去除廢水、土壤、沉積物樣品以及植物材料和動物組織中的有機(jī)物。但是，F(xiàn)enton 試劑對風(fēng)化后微塑料的影響還有待探索。同時，某些生物源物質(zhì)可能無法用 Fenton法去除，因此可能需要補(bǔ)充有機(jī)去除步驟。此外，由于強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，應(yīng)避免在超過60 ℃條件下（一說40 ℃）使用Fenton 試劑處理富含有機(jī)物的樣品，以避免熱降解。

NOAA 技術(shù)備忘錄推薦采用濕式過氧化氫氧化法（WPO）消解水和沉積物樣品中的有機(jī)質(zhì)，該方法主要通過0.05 mol·LFe（II）催化30%HO的消解（加熱至75 ℃），但未說明有機(jī)質(zhì)的消解效率和微塑料的回收率。該方法對非塑料污染物（如人的頭發(fā)、棉質(zhì)服裝纖維、香煙過濾嘴和廁紙碎片）沒有明顯的消解效果，且一般需要進(jìn)行3～6 次消化才能去除大多數(shù)纖維素和其他有機(jī)物質(zhì)的干擾物，處理時間較長，難以實現(xiàn)對大量樣品的分析。

1.3.4 酶解法 目前，許多研究已報道酶解法適用于水生樣品的處理，且對環(huán)境和塑料結(jié)構(gòu)的危害較小，并具有較高的微塑料回收率，是一種有前途的有機(jī)質(zhì)消解方法。Cole 等首先開發(fā)了一種采用蛋白酶K 處理富含浮游生物的海水樣品的酶消解方案，其消化效率大于97%（按重量計），優(yōu)于酸/堿消解方案，且不降解微塑料。其他研究團(tuán)隊相繼開發(fā)了胰酶、膠原酶、木瓜蛋白酶以及工業(yè)酶（如工業(yè)蛋白酶、工業(yè)脂肪酶和Corolase 7089）的酶消解方案并成功用于動物軟組織的處理。其中，工業(yè)酶價格相對便宜，能在一定程度上解決一般酶消解方案價格昂貴、消解周期長的弊端，具有良好的應(yīng)用前景。但是，這類蛋白質(zhì)水解酶可能無法應(yīng)用于土壤中穩(wěn)定有機(jī)物的消解。

Mintenig 等將酶消解與HO處理相結(jié)合，成功用于廢水樣品中有機(jī)物的去除，但同樣需要確認(rèn)該方案對土壤樣本的適用性。L?der 等提出了一種更有希望的順序酶消解方法，將十二烷基硫酸鈉純化后的樣品依次通過蛋白酶、纖維素酶和幾丁質(zhì)酶在特定溫度下消解不同時間，實現(xiàn)了對有機(jī)物的高去除效率，足夠適用于復(fù)雜的水生樣品，但對于陸生植物和土壤有機(jī)質(zhì)的去除可能需要另一套酶。根據(jù)M?ller 等的觀察以及L?der 等的建議，將Fenton 試劑、SDS 和特定酶的順序組合可以增強(qiáng)對土壤有機(jī)質(zhì)的消解效果。

2 土壤微塑料的識別和定量方法

目前，土壤中微塑料常用的識別方法包括物理識別（即目視鑒定）和化學(xué)識別（如光譜分析和質(zhì)譜分析）；定量方法包括計數(shù)、稱重、數(shù)學(xué)計算和儀器分析。

2.1 目視鑒定法

目視鑒定法是微塑料分析中必不可少的步驟，可以直接、快速地獲得環(huán)境中微塑料的表面紋理和其他特征信息。根據(jù)微塑料的大小、形狀和顏色特性可以對微塑料進(jìn)行初步分類。根據(jù)尺寸，可將微塑料分為大微塑料（1～5 mm）和小微塑料（＜1 mm）。根據(jù)形狀，可將微塑料分為纖維（fiber）、碎片（fragment）、微珠（pellets/beads）、泡沫（foam）和薄膜（film）五類。環(huán)境中檢測出的微塑料顏色包括紅色、白色、透明、藍(lán)色、綠色、黑色、紫色、淺黃色和棕色。

菏澤境內(nèi)洙趙新河現(xiàn)有堤防為均質(zhì)土堤，為歷次河道治理中填筑而成，主要分布在濟(jì)菏邊界（38＋518）至海頭閘（131＋281）。 境內(nèi)兩岸堤防長185.61 km，海頭閘以上兩岸無堤防長27.43 km。樁號41＋000以下大堤堤形完整，以上至海頭閘之間有連續(xù)堤線，但堤防整體性較差，缺口多達(dá)90處，缺口總長度為40.80 km，局部堤防矮小單薄，堤頂寬度在4～7 m之間。

一般肉眼只能檢測到可見的微塑料顆粒，需要輔以顯微鏡分析來評估更細(xì)的顆粒。直徑＞1 mm 的微塑料很容易被識別，而直徑＜1 mm 的微塑料則很難被識別，需要借助立體/解剖顯微鏡和專業(yè)圖像軟件；對于尺寸更小、沒有顏色或典型形狀的微塑料（＜100 μm）基本無法通過視覺或顯微鏡進(jìn)行識別。一些研究通過后續(xù)的化學(xué)識別結(jié)果（包括掃描電子顯微鏡、拉曼及傅里葉紅外分析）判斷出目視鑒定法應(yīng)用于沉積物微塑料分析時錯誤率高達(dá)20%～70%。隨著微塑料顆粒尺寸的減小和干擾的增加，這種誤差會增大。因此，不建議將目視鑒別法作為當(dāng)前微塑料檢測中的獨立識別方法。

Zhang 等根據(jù)熱塑性塑料加熱前后物理性質(zhì)（如形狀、透明度）的變化開發(fā)了一種更為簡單和經(jīng)濟(jì)的視覺識別方法。他們通過比較密度分離后的樣品在130 ℃下加熱前后拍攝的顯微圖像，將熔融顆粒鑒定為熱塑性聚合物，成功從土壤中識別出PE和PP 微塑料。這種加熱方法不受土壤有機(jī)質(zhì)的影響，且可以識別粒徑小于100 μm 的粒子。此外，通過借助顯微鏡和圖像軟件，該方法還可以直觀地確定微塑料顆粒的大小、形狀和數(shù)量。盡管加熱法在一定程度上忽略了熱固性塑料及可熔的天然物質(zhì)（如蠟）的影響，且對微塑料形狀結(jié)構(gòu)有一定的破壞，但在大多數(shù)現(xiàn)場實驗中仍是一種經(jīng)濟(jì)可行的鑒定方案。Zubris 和Richards使用偏振光顯微鏡來識別土壤中的合成纖維。該方法是一種基于合成纖維和天然纖維在偏振光下不同物理特性的視覺識別方法，不會破壞聚合物，但需要確認(rèn)其是否適用于鑒定其他塑料和區(qū)分塑料類型。Maes 等使用親油性熒光染料尼羅紅來專門染色環(huán)境樣品中的微塑料顆粒，根據(jù)其熒光特性進(jìn)行鑒定。然而，該方案對富含有機(jī)質(zhì)的土壤樣品的適用性還有待考證，因為染料可能會通過非選擇性吸附與其他親脂性化合物結(jié)合，影響鑒定結(jié)果。

2.2 光譜分析法

紅外光譜法（FTIR）和拉曼光譜法（Raman spectrometry）是微塑料分析中最常見、最可靠但是也最昂貴的方法，可以精確識別微塑料的類型、豐度、形狀和大小，但無法鑒定土壤中微塑料的質(zhì)量含量。

FTIR 可以記錄化學(xué)物質(zhì)的特定化學(xué)鍵，通過將得到的目標(biāo)聚合物的光譜與譜庫中的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行對比，可以識別出特定微塑料的類型。然而，F(xiàn)TIR結(jié)果受到測量顆粒的形狀、大小和顏色等的干擾。例如，由于紅外輻射的高吸收，通常會導(dǎo)致無法識別黑色微塑料顆粒的FTIR 光譜。同時，樣品中多種聚合物的同時存在會產(chǎn)生復(fù)雜的吸收光譜，妨礙微塑料的鑒定。此外，F(xiàn)TIR 技術(shù)在土壤中的應(yīng)用效果還取決于是否有效去除土壤有機(jī)質(zhì)的干擾。

Raman 是一種光子散射技術(shù)，根據(jù)不同樣品分子結(jié)構(gòu)和原子的不同，落在物體上的激光束會產(chǎn)生不同頻率的反向散射光，從而得到不同聚合物獨有的光譜圖像。Raman 可對樣品進(jìn)行低至500 nm 像素分辨率的化學(xué)成像，運行時間顯著高于FTIR，但不受測量顆粒的形狀、大小或厚度等的干擾。此外，Raman 對水和大氣中的CO不敏感。但是，土壤有機(jī)質(zhì)的自發(fā)熒光或聚合物中有機(jī)物或顏料的背景熒光可能會強(qiáng)烈干擾所需的光譜，從而導(dǎo)致無法識別。此外，光解老化后的微塑料的特征光譜會發(fā)生變化（如PVC 的特征性C-Cl 鍵的信號減弱），建議參考數(shù)據(jù)庫中應(yīng)包括聚合物不同降解程度的光譜數(shù)據(jù)。總體而言，兩種光譜技術(shù)均較為耗時，且在處理土壤有機(jī)質(zhì)含量高的土壤樣品時均存在一定的困難。Raman 能更好地響應(yīng)非極性對稱鍵，而FTIR 可以更清晰地鑒定極性基團(tuán)，這兩種技術(shù)具有互補(bǔ)性。進(jìn)行分析之前，兩種技術(shù)均需要對樣品進(jìn)行徹底的純化。

將近紅外（NIR）光譜分析與化學(xué)計量學(xué)結(jié)合用于微塑料的定量分析，可以克服上述光譜技術(shù)耗時的缺點，且無需任何化學(xué)預(yù)處理即可快速評估微塑料的化學(xué)組成。Corradini 等評估了使用vis-NIR光譜快速評估土壤中微塑料含量的可能性，結(jié)果表明，vis-NIR技術(shù)適用于定量土壤中的PET、LDPE和PVC，準(zhǔn)確度為10 g·kg，檢測極限約15 g·kg，但準(zhǔn)確性較低。此外，該研究在測試中采用干燥的土壤樣品與微塑料混合，一定程度上忽略了環(huán)境微塑料樣品的吸附和生物污染等帶來的影響。

將FTIR 和Raman 與不同的元件進(jìn)行組合可以提高對微塑料的識別精度。例如，將FTIR 或Raman與光學(xué)顯微鏡聯(lián)合使用（即μ-FTIR 和μ-Raman），可以分別識別＞10 μm 和＞1 μm 的微塑料。配備了顯微鏡的FTIR 可以使用衰減全反射率（ATR）和基于焦平面陣列（PFA）的反射成像模式。其中，ATR-FTIR 光譜技術(shù)通過顯微鏡鑒定單個顆粒，然后使用ATR 尖端進(jìn)行檢測，可以識別粒徑＞500 μm 的顆粒?；贔PA 反射成像模式的μ-FTIR 光譜技術(shù)具有較高的橫向分辨率，配置有用于空間分辨光譜的自動xyz 載物臺，能夠使用空間分辨光譜檢測選定網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的單個粒子。該技術(shù)將化學(xué)成像和光譜分析的結(jié)合，與單次成像相比，速度更快且不影響空間分辨率，可以識別粒徑20～500 μm 的顆粒，但仍至少需要9 個小時才能掃描一張濾紙。將FTIR和Raman 與原子力顯微鏡（AFM）結(jié)合，可以突破＜1 μm 的尺寸限制，為納塑料的識別提供了一種有效的解決途徑。AFM 探頭可以通過與樣品接觸和非接觸方式提供納米級分辨率的圖像，將 AFM 與FTIR 或Raman 結(jié)合可以確定樣品的化學(xué)成分。其中，AFM-Raman 是兩臺儀器的簡單組合，通過同時或獨立掃描實現(xiàn)；AFM-IR 是將兩種儀器合并在一起，可以得到50～100 nm 的空間分辨率的紅外吸收圖像，且該方法已成功用于100 nm PS 納塑料的識別。然而，使用AFM-IR 在未知樣品中找到要聚焦的納塑料是十分困難且耗時的，且該方法在識別土壤介質(zhì)中復(fù)雜微塑料方面的應(yīng)用效果還未可知。

Shan 等的研究表明，高光譜成像技術(shù)也是一種潛在的微塑料識別技術(shù)，可以直接確定和可視化土壤表面粒徑范圍 0.5～5 mm 的微塑料。Primpke 等利用基于量子級聯(lián)激光的高光譜紅外化學(xué)成像技術(shù)與自動數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了對更大視野范圍內(nèi)微塑料的快速測量，即在36 min 內(nèi)測定了144 mm區(qū)域范圍內(nèi)的微塑料。相較于現(xiàn)階段的檢測技術(shù)（測量時間從數(shù)小時到數(shù)天不等），該方法具有很高水平的數(shù)據(jù)質(zhì)量和優(yōu)越的檢測效率，為微塑料自動化分析的進(jìn)一步發(fā)展提供了啟示。

2.3 熱分析方法

熱分析方法是根據(jù)聚合物的熱穩(wěn)定性來測量其物理和化學(xué)性質(zhì)的變化，從而鑒定出微塑料的方法。表4 總結(jié)對比了現(xiàn)階段熱分析方法的原理和優(yōu)劣。

表4 現(xiàn)階段微塑料熱分析方法的原理及優(yōu)劣比較Table 4 Comparison between the current thermal analysis methods

熱解氣相色譜質(zhì)譜法（Py-GC-MS）主要通過分析聚合物的熱降解產(chǎn)物來鑒定微塑料類型，是一種破壞性技術(shù)。首先，樣品在惰性氣氛下熱降解；其次，通過氣相色譜法（GC）分離熱解后的微塑料的結(jié)構(gòu)片段；最后，使用MS 對其進(jìn)行鑒定和定量。該方法可以用于表征和大規(guī)模量化多種聚合物類型及其有機(jī)添加劑，適用于環(huán)境樣品中微塑料的檢測，無需進(jìn)行樣品預(yù)處理。但是，該方法的最高操作溫度為250～300 ℃，沸點高于300 ℃的高分子量熱解產(chǎn)物通常會污染甚至堵塞管路，并導(dǎo)致傳輸損失。同時，該方法還會受到樣品量大小的限制，即一次測量僅分析少量樣品（5～200 μg）。

熱重分析法（TGA）是指在惰性氣氛下，采用程序控溫加熱樣品，根據(jù)不同微塑料的質(zhì)量損失與溫度或時間的關(guān)系來識別微塑料的方法，常用于土壤環(huán)境樣品中微塑料的分析。將TGA 與其他分析設(shè)備結(jié)合使用時，可以獲得更詳細(xì)的測量數(shù)據(jù)。差示掃描量熱法（DSC）和質(zhì)譜儀（MS）可以分別提供微塑料樣品氣體產(chǎn)物的定性和定量信息。將TGA 與DSC 結(jié)合可以識別不同微塑料吸熱相變熱流和峰值溫度，并成功用于識別廢水樣品中的PE和PP 微塑料。將TGA 與MS 結(jié)合可在質(zhì)譜檢測器上檢測離子信號并測量微塑料樣品的質(zhì)量損失。David 等成功采用TGA-MS 定量分析土壤樣品中的PET，且無需對樣品進(jìn)行預(yù)處理。與Py-GC-MS相比，TGA-MS 更適用于大批量樣品，但在數(shù)據(jù)解釋方面難以分辨質(zhì)量和降解溫度相似的復(fù)合物?，F(xiàn)階段，熱重分析法還僅限于上述種類微塑料的識別，仍需要進(jìn)一步開發(fā)。同時，熱重分析法會破壞微塑料結(jié)構(gòu)，無法進(jìn)行后續(xù)分析（如獲取微塑料的形狀、尺寸、顏色等信息）。

熱萃取-熱解氣相色譜質(zhì)譜法（TED-GC-MS）是熱重分析和固相萃取熱解吸的結(jié)合，可以對PE、PET、PP 和PS 進(jìn)行精確而有效的定量分析。該方法將分析過程分為熱萃取過程和GC-MS 系統(tǒng)，克服了Py-GC-MS 方法中高分子量熱解產(chǎn)物污染/堵塞管路的問題。同時，該方法突破了Py-GC-MS 對樣品量的限制，每次運行最多可容納100 mg 樣品，處理時間僅為2～3 h，但同樣對微塑料結(jié)構(gòu)具有破壞性。

3 展 望

由于采用的分離、識別和定量手段的不同，不同的研究者對實驗結(jié)果的表述存在較大差異，導(dǎo)致不同地區(qū)的微塑料的分析數(shù)據(jù)和污染程度難以橫向比較。同時，一些應(yīng)用于水體/沉積物/水生生物中微塑料分析的很有潛力的方法，在應(yīng)用于土壤時都存在一定的限制。由此，本文提出以下展望：

1）根據(jù)不同的研究目的選擇適合的分離和識別定量方法。針對特定種類的微塑料的分析，可以采用高效且不損害目標(biāo)微塑料的方法。例如，實驗室對特定微塑料的研究以及農(nóng)田中微塑料（主要是PP和PE）的分離提取，均可針對目標(biāo)微塑料的性質(zhì)選擇合適的分離分析方法。針對環(huán)境樣品的采集和未知塑料種類的統(tǒng)計，在選擇分離分析方法時需要考慮是否會降解一些穩(wěn)定性較低的塑料纖維（如PE，PA 和聚酯纖維），從而造成對某類微塑料污染的低估。

2）建立適合土壤中小顆粒微塑料的分析方法。目前，暫時沒有適用于土壤中小顆粒微塑料的分離分析方法，但是通過修改和組合已有方法可能可以實現(xiàn)，這方面的研究需要進(jìn)一步探索。

3）建立一套適合土壤中微塑料分離提取和識別定量的標(biāo)準(zhǔn)方法。開展不同分離提取和識別定量方法學(xué)的比較研究，形成統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。在同一觀測條件下對不同的分析方法進(jìn)行效果評價，篩選出最優(yōu)的分離純化和識別定量方法。同時，加強(qiáng)對結(jié)果可重現(xiàn)性的研究，并綜合不同實驗室的研究結(jié)果，建立和完善土壤微塑料樣品的分析技術(shù)規(guī)程，增強(qiáng)不同地區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和可比性。

4）如何實現(xiàn)高效分離/識別/定量且不損害微塑料結(jié)構(gòu)，是今后的研究重點。目前，微塑料主流的分離和識別定量方法分別是密度分離法以及紅外、拉曼和熱分析的相關(guān)方法，但是這些方法都存在一定的局限性。土壤是一個復(fù)雜體系，有機(jī)質(zhì)含量高，且與微塑料有不同程度的結(jié)合，密度分離法無法實現(xiàn)對密度與微塑料相似的有機(jī)質(zhì)的去除，往往需要進(jìn)行消解處理，而不同的消解方法對微塑料有不同程度的損壞，甚至造成后續(xù)識別定量中對特定類別微塑料含量的低估。同時，大多數(shù)微塑料的識別定量方法都會對微塑料結(jié)構(gòu)造成一定破壞，且這些破壞大多是不可逆的，可能會影響后續(xù)微塑料尺寸和其他物理特性的鑒別。此外，大多數(shù)分析方法具有耗時耗力的缺點，需要進(jìn)一步發(fā)展高光譜成像技術(shù)結(jié)合自動化數(shù)據(jù)分析等方法，逐步實現(xiàn)微塑料的高效半自動化分析。因此，需要更多的研究來探索適合土壤微塑料的分離檢測方案，在理想情況下這種方案成本低、不會改變塑料特性且耗時短。