礦化垃圾中微塑料成分和特性分析*

侯 棻 孟昱州 李 甜 杜俊杰

(1.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院, 山西 太原 030006;2.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 山西省微生物應(yīng)用技術(shù)工程研究中心, 山西 太原 030031)

塑料是工業(yè)文明的重要產(chǎn)物, 人類通過利用塑料制品獲得了極大的便利, 塑料制品已成為人類生活和生產(chǎn)中不可缺少的一部分[1]206。但是, 塑料廢棄物也成為了環(huán)境污染的一個(gè)源頭。世界塑料產(chǎn)量和用量處于持續(xù)增長的態(tài)勢, 預(yù)計(jì)到2050年將產(chǎn)生7.3×108t塑料廢物, 其中, 79%將不經(jīng)回收進(jìn)入自然環(huán)境或填埋場[2-3]。

考慮到填埋場成本低、管理技術(shù)難度小, 衛(wèi)生填埋是我國垃圾處理的主要方式, 大量的塑料廢物隨垃圾堆積在填埋場[4]。在長期的填埋過程中, 塑料廢棄物受到物理、化學(xué)、生物等各種因素的共同作用, 最終碎解成微塑料(粒徑<5 mm)。衛(wèi)生填埋場隨即成為微塑料的主要儲存庫。相比于塑料, 微塑料的尺寸小、比表面積大、遷移率高, 對生態(tài)環(huán)境毒理效應(yīng)更強(qiáng), 對人類的健康風(fēng)險(xiǎn)更高[5]388。如今, 塑料垃圾和微塑料的危害引起了廣泛的國際關(guān)注。

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 垃圾堆積問題也日益凸顯, 但是, 大部分的填埋場都已達(dá)到其設(shè)計(jì)容量。所以, 探尋循環(huán)利用填埋場垃圾的方法是非常必要的[6]。據(jù)報(bào)道, 填埋場封場10年后將趨于穩(wěn)定, 易降解物質(zhì)接近于完全降解, 不再產(chǎn)生滲濾液, 產(chǎn)氣量極少, 此時(shí)的垃圾已腐化為礦化垃圾[7]。礦化垃圾可被認(rèn)為是類土壤物質(zhì), 具有松散的結(jié)構(gòu)、高效的肥力、豐富的降解性微生物、較好的水氣傳導(dǎo)和陽離子交換能力[8]。所以, 礦化垃圾可以作為一種潛在的資源被利用。同時(shí), 騰出的空間又將用于存放新的垃圾, 這樣就延伸了填埋場的使用期限[9]。利用礦化垃圾作為栽培土壤或者用作貧瘠土壤的改良劑都是具有可行性的[10-11]。此外, 研究人員還發(fā)現(xiàn)礦化垃圾可以用于土壤和水體修復(fù)[12-15]。

雖然經(jīng)過多年的礦化作用, 但垃圾中的微塑料仍有余存, 微塑料在土壤中還存在縱向或橫向遷移的風(fēng)險(xiǎn), 微塑料對土壤理化性質(zhì)和作物生長存在不利的影響, 微米甚至更小尺度的微塑料經(jīng)由食物鏈可能對人體健康構(gòu)成威脅[16]。目前, 關(guān)于礦化垃圾中微塑料的存量情況和特性的研究仍相對匱乏, 制約了礦化垃圾資源化利用的風(fēng)險(xiǎn)評估。本研究分析了太原市新溝垃圾填埋場礦化垃圾及其周邊土壤中微塑料的豐度和特性, 旨在為礦化垃圾的污染評價(jià)和資源化利用風(fēng)險(xiǎn)評估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 礦化垃圾和普通土壤前處理

礦化垃圾采集于山西省太原市東部的新溝垃圾填埋場(37.50°N, 112.38°E, 海拔890 m), 該填埋場于1987年開放, 2007年關(guān)閉, 最大容量為3.5×106m3。按照“隨機(jī)、多點(diǎn)、均勻”的原則, 從蛇形的15個(gè)點(diǎn)采集樣本, 將5個(gè)點(diǎn)的樣本混合為1個(gè)樣品。采樣前清除采樣點(diǎn)表面雜物, 挖深15 cm的坑, 用土鏟從垂直坑壁上均勻地切出5 cm厚的土片。除去垃圾中的石塊、玻璃瓶和大塊塑料等物質(zhì)。普通土壤采集于距離填埋場2 km以內(nèi)的無污染無施肥天然表層土, 采樣方法和深度與礦化垃圾的采樣相同。樣品采集時(shí)間為2022年5月。樣品的基本理化特征見表1。

表1 礦化垃圾和普通土壤的理化特性1)Table 1 Characteristics of aged refuse and ordinary soil

1.2 樣品中微塑料的分離與分析方法

(1) 樣品冷凍干燥(凍干機(jī), FDU-1200 EYELA)14 d以上至完全干燥, 稱取100 g干燥樣品進(jìn)行前處理。

(2) 選擇氯化鋅作為浮選劑, 在干燥好的樣品中加入飽和氯化鋅溶液, 持續(xù)攪拌12 h, 轉(zhuǎn)移至改裝分液漏斗中, 靜置24 h, 棄去底層沉淀, 上層液體經(jīng)10 μm不銹鋼濾膜過濾。濾膜反沖并超聲, 反復(fù)3次, 淋洗液合并后加過氧化氫與芬頓試劑恒溫消解12 h, 重復(fù)消解步驟直至溶液澄清, 采用10 μm不銹鋼濾膜過濾, 待鏡檢。

(3) 利用體式顯微鏡(Leica LAS X)全量挑取樣品中的微塑料, 顯微鏡下把微塑料從濾膜上轉(zhuǎn)移至金剛石壓池, 并標(biāo)記位置防止漏檢。

(4) 裝有微塑料的金剛石壓池在傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet iN 10, Thermo Scientific)下檢測獲得圖譜, 再進(jìn)行譜庫檢索, 匹配度超過80%可確認(rèn)微塑料的成分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

樣品中微塑料的豐度為每千克干質(zhì)量樣品微塑料個(gè)數(shù), 單位為個(gè)/kg。通過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較礦化垃圾和普通土壤之間微塑料豐度的差異性。

2 結(jié)果與討論

2.1 礦化垃圾及普通土壤中微塑料的豐度

礦化垃圾和普通土壤中均檢測到微塑料, 其豐度分別為(2 113±172)、(172±48)個(gè)/kg, 差異顯著(見圖1)。

注:小寫字母不同表示差異顯著(P<0.001)。圖1 礦化垃圾和普通土壤中微塑料的豐度Fig.1 Abundance of microplastics in aged refuse and ordinary soil

普通土壤中的微塑料有多種來源, 包括:大氣沉降、肥料施用、農(nóng)膜使用、污水灌溉、填埋場垃圾外散等。據(jù)研究報(bào)道, 上海市郊土壤(0～3 cm深度)中的微塑料平均豐度為78個(gè)/kg[17]。武漢市郊土壤(0～5 cm深度)中的微塑料平均豐度為2 450個(gè)/kg[18]。云南省滇池河岸林區(qū)和農(nóng)作區(qū)土壤中微塑料的平均豐度達(dá)到18 760個(gè)/kg[19]。由此可見, 不同地區(qū)土壤中的微塑料豐度差異明顯。本研究中的普通土壤雖然地處垃圾填埋場周邊, 但與武漢市郊和云南滇池周邊的土壤相比, 其微塑料豐度并不高。

生活垃圾在填埋場中經(jīng)過多年的礦化, 易降解物質(zhì)已接近完全降解;塑料類物質(zhì)難以完全分解, 一部分會在風(fēng)化、光照、生物降解和熱降解等作用下碎裂形成微塑料。另外, 原本存在于垃圾中的微塑料一部分會隨滲濾液流走, 剩下的部分繼續(xù)存在于礦化垃圾中。HE等[20]研究了我國多個(gè)地區(qū)12個(gè)垃圾填埋場的滲濾液, 其中的微塑料豐度達(dá)到0.42～24.58個(gè)/L。WAN等[21]的研究報(bào)道了廣東省東南部某垃圾填埋場垃圾中的微塑料豐度為590～103 080個(gè)/kg。SU等[22]研究發(fā)現(xiàn)上海市老港垃圾填埋場不同礦化時(shí)間(>20年、約10年、<3年)的垃圾中微塑料平均豐度分別為3 600、6 800、8 300個(gè)/kg;隨著垃圾礦化度的增加, 微塑料的豐度在下降。相比于以上的研究報(bào)道, 新溝垃圾填埋場中的垃圾經(jīng)過近20年的礦化作用, 其微塑料豐度相對較低。

2.2 礦化垃圾及普通土壤中微塑料的特性

本研究所檢出的微塑料, 按照形狀接近歸為一類的原則可以歸類為纖維狀、顆粒狀、片狀和薄膜狀。由圖2可知, 不同形狀的微塑料在普通土壤中的豐度占比表現(xiàn)為:顆粒狀(40.0%)>纖維狀(35.0%)>片狀(20.0%)>薄膜狀(5.0%), 在礦化垃圾中的占比表現(xiàn)為:片狀(37.7%)>顆粒狀(23.0%)>薄膜狀(21.3%)>纖維狀(18.0%)。由此可見, 普通土壤和礦化垃圾中微塑料的形狀組成類似, 但各形狀的占比不同。其他相關(guān)研究與本研究所檢出的微塑料形狀類型大致相同[23]。纖維狀微塑料通常來源于化纖類織物、繩索等;薄膜狀微塑料較多來源于日常生活中保鮮膜、包裝膜等;碎片狀微塑料較多由購物袋、編織袋等生活或農(nóng)用廢棄物的風(fēng)化和碎解產(chǎn)生;顆粒狀微塑料可能來源于塑料殘屑的碎解和大氣沉降等[5]386,[24]。

圖2 普通土壤和礦化垃圾中微塑料的形狀占比Fig.2 Shape proportion of microplastics in aged refuse and ordinary soil

本研究所檢出的微塑料顏色主要包括透明、黑色、黃色、藍(lán)色、白色和紅色。如圖3所示, 黑色微塑料在普通土壤和礦化垃圾中占比均最高, 分別為57.9%和40.0%;礦化垃圾中沒有檢出白色和紅色微塑料, 普通土壤中沒有檢出黃色和藍(lán)色微塑料。微塑料的顏色來源于塑料制品的生產(chǎn)過程。塑料制品以合成樹脂為主要原料, 根據(jù)需要添加不同顏色的染料與樹脂結(jié)合[25]。微塑料的來源有時(shí)候也與其顏色有關(guān)系。例如, 黑色、紅色、藍(lán)色和黃色等彩色的塑料制品通常不與食品直接接觸[26]。

圖3 普通土壤和礦化垃圾中微塑料的顏色占比Fig.3 Color proportion of microplastics in aged refuse and ordinary soil

如圖4所示, 不同粒徑的微塑料在普通土壤中的占比由高到低為:>1.0～2.0 mm(37.5%)、>0.5～1.0 mm(25.0%)、≤0.5 mm(25.0%)、>2.0～3.0 mm(12.5%);在礦化垃圾中的占比由高到低為:>1.0～2.0 mm(36.4%)、>0.5～1.0 mm(27.3%)、>2.0～3.0 mm(18.1%), 而>3.0～5.0 mm(9.1%)、>5.0 mm(9.1%)粒徑的微塑料占比相同, 均為最低;可以看出, 礦化垃圾中的微塑料粒徑范圍較普通土壤更廣, 礦化垃圾中大粒徑的微塑料比普通土壤中多, 普通土壤中的微塑料小粒徑占比較高。綜合形狀分析和粒徑分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn), 普通土壤中以小粒徑的顆粒狀和纖維狀微塑料最為豐富, 占比超過70.0%。這些纖維或小顆粒狀的微塑料更容易通過大氣傳播途徑從污染源(如垃圾填埋場)傳播而來[27]。

圖4 普通土壤和礦化垃圾中微塑料的粒徑占比Fig.4 Particle size proportion of microplastics in aged refuse and ordinary soil

通過紅外光譜分析鑒定, 在匹配度不低于80%的條件下, 所檢出的微塑料主要包括6種成分(見圖5):人造絲、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚酯纖維、丙烯酸纖維、聚乙烯醇。聚對苯二甲酸乙二酯(37.5%)、人造絲(25.0%)在普通土壤微塑料中的占比最高, 聚丙烯(12.5%)、聚酯纖維(12.5%)、丙烯酸纖維(12.5%)占比相同。人造絲(45.5%)、聚丙烯(27.3%)在礦化垃圾微塑料中的占比最高, 聚對苯二甲酸乙二酯(9.1%)、聚乙烯醇(9.1%)、丙烯酸纖維(9.0%)占比相似。由此可以看出, 普通土壤和礦化垃圾中的微塑料以人造絲、聚丙烯和聚對苯二甲酸乙二酯為主要成分, 但其組成略有不同。另外, 聚乙烯醇在礦化垃圾中單獨(dú)檢出, 聚酯纖維在普通土壤中單獨(dú)檢出。人造絲、聚酯纖維和丙烯酸纖維均是人造纖維, 利用小分子有機(jī)化合物通過縮聚或加聚反應(yīng)而合成, 是日常生活中用到的各種紡織品的原材料[28]。人造纖維本身的橫截面直徑微小, 在纖維兩端稍微施加外力就容易斷裂, 最終形成微塑料, 又因其重量小, 所以易隨大氣傳播[29]。聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯和聚乙烯醇制品是生產(chǎn)日常生活所需塑料用品的主要原料, 很多廢棄的塑料制品在環(huán)境中不斷釋放此類微塑料。有研究發(fā)現(xiàn), 不同國家瓶裝水的瓶子所釋放的微塑料成分中, 含量最高的就是聚丙烯(54.0%)[30]。此外, 廢棄的奶瓶、手套、個(gè)人護(hù)理品等也在釋放聚丙烯;廢棄的編織袋、購物袋、垃圾袋、食品保鮮膜等在不斷釋放聚乙烯醇;廢棄的紡織品、茶包、外賣餐盒、濕巾等在不斷釋放聚對苯二甲酸乙二酯[1]207。

圖5 普通土壤和礦化垃圾中微塑料的成分占比Fig.5 Composition proportion of microplastics in aged refuse and ordinary soil

3 結(jié) 論

太原市新溝垃圾填埋場的礦化垃圾中微塑料的平均豐度為2 113 個(gè)/kg, 其周邊普通土壤中也檢測到微塑料, 平均豐度為172個(gè)/kg。礦化垃圾和普通土壤中的微塑料在形狀、顏色、粒徑分布和成分等方面大致相似, 但不同性質(zhì)的微塑料在礦化垃圾和普通土壤中的占比不同。