水和沉積物中微塑料的取樣和分析研究進(jìn)展

龔為進(jìn)， 張京京，， 王 俊， 冀 岳，任遠(yuǎn)林， 田振邦， 黃做華

（1.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 451191； 2.河南省科學(xué)院化學(xué)研究所有限公司，鄭州 450002）

塑料因其廉價(jià)性與普適性在日常生活中被廣泛使用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球塑料生產(chǎn)總量高達(dá)3.68億t，中國作為塑料生產(chǎn)大國，年產(chǎn)量占全球生產(chǎn)總量的31%［1］. 塑料是一類持久性有機(jī)聚合物，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難降解，可在環(huán)境中存在數(shù)百年甚至更久［2］. 微塑料這個(gè)概念于2004年第一次提出，指粒徑小于5 mm的塑料微粒［3］. 微塑料可分為初級(jí)微塑料和次級(jí)微塑料，初級(jí)微塑料指?jìng)€(gè)人護(hù)理產(chǎn)品和工業(yè)生產(chǎn)中使用的原始尺寸小于5 mm的塑料微粒，如磨砂洗面奶、牙膏中添加的研磨粒子等；次級(jí)微塑料是指大塑料經(jīng)過風(fēng)化、紫外線照射等物理化學(xué)作用破碎形成的粒徑小于5 mm的塑料微粒，如化纖衣物洗滌過程中產(chǎn)生的纖維碎片等［4-5］.微塑料粒徑小，具有較強(qiáng)的疏水性和較大的比表面積，吸附有毒有害物質(zhì)的能力較強(qiáng). 與大塑料造成的“白色污染”相比，微塑料能造成更嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn). 水體中的微塑料易被水生生物誤食，對(duì)生物的消化器官等造成機(jī)械損傷［6-13］，且微塑料吸附的有毒有害物質(zhì)在生物體內(nèi)解吸，會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生化學(xué)毒害作用，被稱為水中的“PM2.5”. 據(jù)報(bào)道，攝入了微塑料的水生生物超過690種［14］，進(jìn)入生物體內(nèi)的微塑料通過食物鏈的傳遞威脅整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，并最終在人體內(nèi)富集，嚴(yán)重威脅人類健康. Ansari等［15］發(fā)現(xiàn)高密度聚乙烯對(duì)斜紋微藻有較強(qiáng)的生長(zhǎng)抑制效果，且隨著微塑料濃度增加，斜紋微藻的光合效率降低；Sussarellu等［16］發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)牡蠣濾食微塑料后，胰島素信號(hào)通路相關(guān)基因表達(dá)下調(diào)，對(duì)生殖細(xì)胞增殖和成熟產(chǎn)生負(fù)面影響.

微塑料污染已被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列入環(huán)境與生態(tài)科學(xué)研究領(lǐng)域的第二大科學(xué)問題. 近年來，微塑料成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，然而微塑料的取樣、檢測(cè)方法復(fù)雜多樣，目前還沒有關(guān)于微塑料取樣、預(yù)處理及檢測(cè)方法的統(tǒng)一的、規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)研究中使用的方法不盡相同，檢測(cè)結(jié)果也差別較大. 本文對(duì)比研究了水和沉積物中微塑料取樣、預(yù)處理及檢測(cè)的常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，提出了減少交叉污染的建議.

1 樣本采集

微塑料的分布受天氣、時(shí)間和地理等因素的影響較大，因此取樣區(qū)域、取樣深度等因素都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響. 另外，取樣裝置和取樣量對(duì)檢測(cè)結(jié)果也有一定影響，取樣裝置的選擇取決于可選用的設(shè)備和取樣的目的，取樣量決定了檢測(cè)結(jié)果的代表性. 為了提高研究的再現(xiàn)性與參考性，研究結(jié)果不僅要包含微塑料的總量，還應(yīng)包括微塑料的種類、顏色、尺寸等信息. 由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前大多數(shù)關(guān)于微塑料環(huán)境濃度的研究具有時(shí)間和空間上的局限性，這限制了相關(guān)研究之間的橫向分析.

1.1 水體取樣

微塑料在水體中的分布取決于它們的性質(zhì)，如密度、形狀、大小、對(duì)化學(xué)物質(zhì)的吸附和生物附著的類型以及水的密度、風(fēng)速、水流和波浪等環(huán)境條件，因此微塑料的回收率與取樣深度密切相關(guān). 為了形成標(biāo)準(zhǔn)化的取樣方法，淡水和海水樣品的取樣和處理方法應(yīng)是相似的，然而不同水體的密度不同，這可能會(huì)導(dǎo)致微塑料在不同水體中有著明顯不同的分布（一般來說，微塑料在淡水系統(tǒng)中的分布會(huì)更深）. 因此，取樣深度需要根據(jù)取樣水體的密度進(jìn)行調(diào)整.

水體取樣可采用簡(jiǎn)易自動(dòng)采樣裝置［17］、容器收集裝置［18］、拖網(wǎng)取樣裝置［19］、泵抽吸原位過濾裝置等. 簡(jiǎn)易自動(dòng)采樣裝置效率高、易操作、取樣快速，但與容器收集裝置一樣，取樣體積有限，檢測(cè)結(jié)果缺乏代表性. 檢測(cè)結(jié)果的代表性與取樣量有關(guān)，對(duì)大量水體進(jìn)行取樣常采用拖網(wǎng)取樣或泵抽吸原位過濾裝置，如曲玲等［20］通過拖拽網(wǎng)眼尺寸為330 μm的Manta網(wǎng)收集渤海錦州灣表層海水中的微塑料. 拖網(wǎng)網(wǎng)眼大小決定了截留物的尺寸和取樣量. 如浮游生物網(wǎng)具有較小的網(wǎng)眼尺寸（約100 μm），回收濃度比Manta網(wǎng)高30倍［21］；對(duì)于纖維狀微塑料，網(wǎng)眼尺寸為80 μm的取樣網(wǎng)，其過濾纖維狀微塑料的能力是330 μm取樣網(wǎng)的250倍以上［22］，但是網(wǎng)眼尺寸越小拖網(wǎng)堵塞風(fēng)險(xiǎn)也越高. 拖網(wǎng)取樣法只能在水體表面進(jìn)行取樣，無法滿足取樣深度的要求，可能造成對(duì)檢測(cè)水體中微塑料濃度的低估，特別是高密度的微塑料. 水泵抽吸原位過濾裝置可以通過調(diào)整水泵吸水口深度滿足不同的取樣深度，但是水泵及輸水管可能造成樣本污染. 因此，不同方法具有的局限性可能導(dǎo)致在滿足代表性和避免潛在污染之間的困難選擇. 為了改善這一缺陷，并減輕取樣的工作量，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前確定滿足代表性的最小樣品容量.

1.2 沉積物取樣

微塑料在沉積物中的分布是不均勻的，主要受其性質(zhì)和環(huán)境因素的影響. 因此檢測(cè)結(jié)果將很大程度上取決于取樣區(qū)域和深度. 例如，在微塑料積聚較多的潮汐線上收集沉積物，可能會(huì)導(dǎo)致微塑料數(shù)量的高估［23］. 取樣量一般在數(shù)百至數(shù)千克，取樣深度在2.5 cm 到30 cm 不等［24-25］. 各研究中采用的樣本質(zhì)量或體積差異較大，這也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的代表性產(chǎn)生影響. 根據(jù)MSFD技術(shù)亞組［26］和NOAA（美國國家海洋和大氣管理局）的建議，每組實(shí)驗(yàn)至少使用5個(gè)平行樣，每個(gè)平行樣品質(zhì)量為400 g.

針對(duì)沉積物，一般使用不銹鋼勺、不銹鋼鏟、抓斗取樣器、箱式或柱狀取樣器［27］進(jìn)行取樣. 抓斗取樣器下沉?xí)r會(huì)擾亂沉積物，只適用于表層沉積物取樣；箱式或柱狀取樣器可同時(shí)采集表面和不同層次的樣品，且不會(huì)擾亂沉積物，但取樣量較少.

2 樣品預(yù)處理

2.1 微塑料的提取

2.2.1 過濾

過濾是分離水樣和由密度分離法得到的沉積物樣品上清液中微塑料最常用的方法. 將樣品直接通過單個(gè)或?qū)盈B的多個(gè)不同目數(shù)的不銹鋼篩，以獲得不同粒徑的微塑料. 過濾器孔徑的大小決定了檢測(cè)到的微塑料的最小尺寸，孔徑的尺寸也并非越小越好，孔徑過小時(shí)會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物和礦物質(zhì)等快速阻塞過濾器.

2.2.2 密度分離

利用密度差異可從沉積物中分離微塑料，通常將沉積物與飽和鹽溶液混合，收集含有微塑料的上清液進(jìn)行過濾［28-29］. NaCl［2］、ZnCl2［30］、NaI［24］的飽和溶液是常用的密度分離試劑. NaCl易得、價(jià)格便宜、對(duì)環(huán)境友好，是密度分離中最常用的鹽類之一. 試劑級(jí)NaCl具有更高的密度，對(duì)于密度較大的聚合物具有較高的萃取效率［31］. 然而，Quinn等［32］發(fā)現(xiàn)NaCl以及NaBr 回收率較低（＜90%），特別是對(duì)高密度的微塑料，并且誤差較大，而NaI和ZnCl2在分離較重的聚合物時(shí)具有良好的回收率（99%）和較小的誤差. 另外，NaI也能回收疏油纖維（93.3%），回收率優(yōu)于CaCl2（69%）［33］，但是NaI價(jià)格昂貴且能與纖維素過濾器發(fā)生反應(yīng)［34］，使其變黑，增加目檢的難度，而ZnBr2對(duì)環(huán)境有害. 因此NaCl適用于低密度微塑料，ZnCl2適用于高密度微塑料，NaI適用于絕大多數(shù)微塑料的分離. 綜合考慮回收率與成本，當(dāng)回收的微塑料密度較大時(shí)可使用NaI或ZnCl2作為分離試劑，密度較小時(shí)使用NaCl.

對(duì)于親油性微塑料的提取可以油作為分離試劑，油黏附在微塑料表面使其上浮到油層，其他雜質(zhì)保留在原溶液中，從而實(shí)現(xiàn)微塑料的分離. 油萃取的微塑料回收率＞90%. Imhof等［35-36］使用菜籽油對(duì)微塑料的回收率為96.1%，取樣時(shí)間較飽和鹽溶液縮短約2 h，有機(jī)物殘留較少. 在飽和鹽溶液中加入一滴橄欖油，可以幫助收集上清液中的塑料顆粒，將回收率從64%提高到82%［37］. 盡管油在分離微塑料方面有局限性，并且需要使用洗滌劑進(jìn)行清洗，但它可以與飽和溶液結(jié)合使用以提高回收率.

2.2 消解

水樣和沉積物中含有有機(jī)物、非塑料成分（如植物種子、玻璃碎片、木屑）等，而微塑料由于自身結(jié)構(gòu)特性，易吸附環(huán)境中的有機(jī)物，這會(huì)對(duì)檢測(cè)分析產(chǎn)生干擾. 例如，Crichton等［38］報(bào)告說，來自海灘的沉積物中含有0.5%～7.0%的有機(jī)物質(zhì). 適當(dāng)?shù)南夥椒梢匀コ龢悠分写蟛糠值挠袡C(jī)物和生物材料，使塑料微粒從污泥團(tuán)聚體中釋放出來［35，39-40］，并減少生物材料產(chǎn)生的干擾. 因此，有必要探索出一種簡(jiǎn)單的消解方法，能夠在不影響聚合物結(jié)構(gòu)和化學(xué)完整性的情況下去除有機(jī)物，是否需要進(jìn)行消解取決于樣品中有機(jī)物的濃度.當(dāng)使用目檢法鑒定時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)樣品進(jìn)行消解處理.

消解樣品中有機(jī)物常用的方法有酸消解、堿消解和氧化劑消解. 酸堿可用于消解有機(jī)物，但是一些耐酸性、耐堿性較低的聚合物類微塑料可能會(huì)被降解，特別是在高溫、高濃度下. 因此，酸堿消解必須控制在適宜的溫度和濃度下進(jìn)行. 例如，Naidoo等［41］發(fā)現(xiàn)，加熱硝酸（HNO3，55%）到80 ℃可以使魚組織的消解速度提高26倍，而當(dāng)消解液溫度超過60 ℃就有可能會(huì)破壞微塑料. 相比于酸、堿消解，氧化劑消解被認(rèn)為是一種較為溫和的消解方式，氧化劑消解法包括濕式氧化（WPO）法、芬頓氧化法、過氧化氫氧化法等. 大多數(shù)微塑料經(jīng)WPO法處理后被認(rèn)為其結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變，除了聚乙烯和聚丙烯顆粒的尺寸略有變化［42］. 芬頓試劑能夠快速消解有機(jī)物［43］，具有較強(qiáng)的氧化能力，因而可無選擇地氧化水中的大多數(shù)有機(jī)物，適用于難生物降解或一般化學(xué)氧化難以奏效的有機(jī)物的氧化處理. 過氧化氫（H2O2，30%）是一種常用的消解劑，能夠有效地消解有機(jī)物，除對(duì)PP和PE的結(jié)構(gòu)完整性略有破壞［44］，其他聚合物幾乎不會(huì)被降解［45-46］. 反應(yīng)溫度是H2O2消解效率的決定因素，例如Cole等［47］報(bào)道，樣品在室溫下與H2O2（30%）反應(yīng)7 d，僅降解了25%的有機(jī)物，在50 ℃反應(yīng)一夜能更有效地去除有機(jī)物，并且微塑料的傅里葉紅外變換光譜不變. H2O2消解較為溫和，與酸堿消解相比反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng). 為了縮短消解時(shí)間而又不破壞微塑料結(jié)構(gòu)性質(zhì)，也可采用30%V（H2O2）∶V（H2SO4）=1∶1混合液進(jìn)行消解. 雖然H2O2消解對(duì)微塑料結(jié)構(gòu)完整性影響較小，但是反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，使溶液外溢或樣品附著在反應(yīng)器內(nèi)壁，造成微塑料數(shù)量的低估［48-49］.

3 微塑料的定量分析和檢測(cè)方法

微塑料的定量分析和檢測(cè)方法有目檢法、光譜法和熱分析法等. 光譜法包括傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）、拉曼光譜法（Roman）等；熱分析法有熱解-氣質(zhì)聯(lián)用法（Pyro-GC-MS）、熱萃取-解吸-氣質(zhì)聯(lián)用法（TED-GC-MS）、熱重-差示掃描量熱法（TGA-DSC）等. 單一方法不能滿足要求時(shí)，通常會(huì)采用多種技術(shù)聯(lián)用進(jìn)行鑒定.

3.1 目檢法

目檢法是檢測(cè)者使用立體顯微鏡，根據(jù)微塑料的物理特征，憑借自身經(jīng)驗(yàn)判斷對(duì)樣品中微塑料特性和豐度進(jìn)行記錄的方法. 這是目前最常用和使用最廣泛的塑料顆粒識(shí)別和定量方法之一，甚至在進(jìn)行化學(xué)表征時(shí)被用作預(yù)先選擇. 但是，目檢法十分耗時(shí)耗力，檢出率不高，無法確定微塑料的成分，并且這種方法是主觀的，不同檢測(cè)者之間的檢測(cè)數(shù)據(jù)可能會(huì)相差很大，隨個(gè)體、經(jīng)驗(yàn)、疲勞程度的不同而變化，并導(dǎo)致對(duì)某些類型和顏色的微塑料的高估（如將生物物質(zhì)混淆為黑色碎片）或低估（如白色碎片）以及將其他材料誤分類為塑料.

3.2 光譜法

多元紅外光譜技術(shù)已經(jīng)用于鑒定塑料微粒的特性. FTIR利用分子選擇性吸收樣品紅外波長(zhǎng)，激發(fā)振動(dòng)躍遷，得到樣品的紅外吸收光譜，再將樣品光譜與標(biāo)準(zhǔn)譜庫的譜圖進(jìn)行對(duì)比，從而獲得樣品信息［50］. FTIR有衰減全反射（ATR）和焦平面陣列（FPA）兩種模式，可根據(jù)待測(cè)樣品特性進(jìn)行選擇.X射線電子能譜可以獲得樣品的元素組成，與FTIR聯(lián)用可以進(jìn)一步判斷微塑料的種類. FTIR是目前鑒定微塑料最佳的技術(shù)之一，但樣品中的水分會(huì)對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生干擾，對(duì)黑色和不透明的微塑料分析困難，且只能檢測(cè)粒徑＞20 μm的顆粒，對(duì)更小的和沒有標(biāo)準(zhǔn)譜圖的顆粒無法識(shí)別. 拉曼光譜（Raman）彌補(bǔ)了FTIR的缺點(diǎn)，它具有更高的分辨率，可以識(shí)別粒徑＜20 μm的顆粒，但易受到背景雜質(zhì)、微塑料顏色、添加劑和其他污染的干擾，不能檢測(cè)熒光樣品，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)［51］. 光譜法是非破壞性檢測(cè).

3.3 熱分析法

熱分析法利用的是不同聚合物在熱穩(wěn)定上的差異性，與光譜法相比，此方法是破壞性的，對(duì)于需回收的樣品不可使用. 在熱解-氣質(zhì)聯(lián)用（Pyro-GC-MS）中，微塑料在惰性條件下熱分解（熱解）形成的氣體被低溫捕獲并在色譜柱上分離，然后通過質(zhì)譜進(jìn)行鑒定［52-53］. 這種方法適用于單一顆粒的鑒定，對(duì)樣品純度要求較低，無須預(yù)選擇［54］，靈敏度高、特異性強(qiáng)，可以提供單個(gè)微塑料或大量樣品的化學(xué)特征，但這種檢測(cè)方法不能提供微塑料數(shù)量、大小或形狀的信息，并且受操作溫度（溫度上限250～300 ℃）和樣品量（5～200 μg）的限制.熱萃取-解吸-氣質(zhì)聯(lián)用（TED-GC-MS）相對(duì)于熱解-氣相色譜質(zhì)譜的優(yōu)勢(shì)是可以使用相對(duì)高的樣品質(zhì)量和能夠測(cè)量復(fù)雜的非均質(zhì)矩陣，允許鑒定和定量環(huán)境樣品中的聚合物，無須預(yù)先選擇. 熱重-差示掃描量熱法（TGA-DSC）通過升溫使聚合物發(fā)生相變，根據(jù)聚合物固液相轉(zhuǎn)變時(shí)的熱容量差異鑒別聚合物，成本低、易操作，但不同聚合物過渡溫度存在重合現(xiàn)象，所以并不是所有聚合物都能使用此方法鑒定.

對(duì)樣品中所有顆粒進(jìn)行鑒定成本高且耗時(shí)耗力，為減輕鑒定工作量，可用目檢法進(jìn)行預(yù)選擇，再對(duì)可疑顆粒進(jìn)行化學(xué)表征. MSFD技術(shù)小組［26］建議，對(duì)尺寸在100～5000 μm范圍內(nèi)10%的微塑料和20～100 μm范圍內(nèi)的所有可疑顆粒采用這些方法進(jìn)行表征.

表1 微塑料常用檢測(cè)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 Common detection methods for microplastics and their advantages and disadvantages

續(xù)表

4 減少交叉污染的措施

由于微塑料在環(huán)境中廣泛存在，包括空氣、水體、土壤及物體表面. 因此取樣時(shí)應(yīng)采取措施，盡量減少周邊環(huán)境對(duì)樣品的污染. 減少微塑料樣品交叉污染可采用的措施包括：①用玻璃或金屬設(shè)備代替塑料設(shè)備；②在取樣或處理樣品時(shí)避免使用合成紡織品，盡量使用100%全棉實(shí)驗(yàn)室工作服；③用70%乙醇和紙巾清洗實(shí)驗(yàn)臺(tái)，先用酸清洗設(shè)備，再用超純水清洗設(shè)備；④利用開放培養(yǎng)皿、設(shè)置空白對(duì)照減少空氣污染的影響；⑤實(shí)驗(yàn)過程中盡量減少樣本在空氣中的暴露時(shí)間，用鋁箔紙覆蓋樣本容器.

5 結(jié)論

目前關(guān)于微塑料取樣和分析的各個(gè)步驟都沒有明確的規(guī)定和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的取樣、預(yù)處理及樣品檢測(cè)方法都會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果. 因此迫切需要制定相對(duì)統(tǒng)一的、規(guī)范的取樣及分析方法，使各研究之間可以進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治? 就水和沉積物中微塑料的取樣及分析，建議采用以下方法：

1）取樣. 水體取樣的取樣量較少時(shí)可使用簡(jiǎn)易自動(dòng)采樣或容器收集裝置；對(duì)表層或大量水體采樣時(shí)可使用拖網(wǎng)過濾裝置；對(duì)不同深度水體進(jìn)行取樣且取樣量較大時(shí)可使用泵抽吸原位過濾裝置. 針對(duì)沉積物，不銹鋼勺、不銹鋼鏟適用于少量樣品采集，抓斗取樣器適用于表層樣品采集，對(duì)不同深度沉積物取樣時(shí)可使用箱式或柱狀取樣器.

2）預(yù)處理. 水樣經(jīng)過濾或篩分后，截留物使用30%H2O2在60 ℃下進(jìn)行消解，反應(yīng)溫和幾乎不會(huì)破壞微塑料的完整性，且消解效果較好；沉積物樣品中有機(jī)物含量高，且沉積物形成的團(tuán)聚體阻礙提取過程. 針對(duì)沉積物樣品可先消解后提取，消解方法與水樣相同. 消解后用飽和NaCl、飽和ZnCl2溶液進(jìn)行密度分離，分離過程重復(fù)三次，其中，前兩次使用飽和NaCl溶液作為分離試劑，第三次使用飽和ZnCl2溶液作為分離試劑. 飽和ZnCl2溶液對(duì)高密度微塑料的提取效果較好，但價(jià)格昂貴、對(duì)環(huán)境有害. 這種采用兩種分離試劑進(jìn)行提取的方法，既彌補(bǔ)了飽和NaCl溶液對(duì)高密度微塑料提取率低的缺陷，又減少了ZnCl2的使用量，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效.

3）檢測(cè)方法. 對(duì)預(yù)處理后的樣品，采用FTIR進(jìn)行化學(xué)表征效果較好，但對(duì)提取出的微塑料樣品，如直接選用FTIR進(jìn)行化學(xué)表征，工作量大，耗時(shí)耗力. 可選用目檢法結(jié)合FTIR法，有效提高檢測(cè)效率. 具體方法為：先用目檢法進(jìn)行初檢，確定微塑料總量，挑選出可疑顆粒，再對(duì)可疑顆粒用FTIR進(jìn)行化學(xué)表征.