環(huán)境樣品中微塑料的分析

時(shí)間：2020-09-14作者：深圳市訊科標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司瀏覽：211

微塑料（Microplastic）一般定義為：尺寸介于0.2-5.0 mm 的塑料粒料、微纖維、塑料顆粒、泡沫塑料或者薄膜等。微塑料主要包括污水排放、垃圾堆放、海上作業(yè)和船舶運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備破損與原料泄漏、海岸帶地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)等過(guò)程帶入自然環(huán)境的塑料顆粒原料、大塊塑料垃圾經(jīng)物理作用形成的塑料碎屑、洗面奶等日用品中的顆粒添加劑和工業(yè)使用的拋光料等。進(jìn)入環(huán)境中的微塑料由于粒徑小、密度低，能夠在風(fēng)力、河流、洋流等外力下進(jìn)行遷移。微塑料性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，可長(zhǎng)期存在于環(huán)境中，但其表面理化性質(zhì)會(huì)在陽(yáng)光、風(fēng)力、波浪等作用下發(fā)生變化。1972 年，Carpenter 在美國(guó)Florida 沿海**發(fā)現(xiàn)了微塑料。隨后，微塑料在**各地的水、沉積物、生物體中不斷被檢出，尤其是在人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)密集的港口及河流入海口、海岸帶等地區(qū)。例如，我國(guó)長(zhǎng)江入?？诩伴}江口水體的微塑料濃度分別達(dá)到4127 particles·m-3 和1170 particles·m-3。

 




微塑料尺寸較小、比表面積大、疏水性強(qiáng)，是眾多疏水性**污染物和重金屬的理想載體。微塑料易被浮游生物和魚(yú)類(lèi)等誤食，能長(zhǎng)時(shí)間滯留生物體內(nèi)，并在食物網(wǎng)中發(fā)生轉(zhuǎn)移和富集，對(duì)生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成威脅。2015 年4 月27 日，聯(lián)合國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)科學(xué)問(wèn)題聯(lián)合*組發(fā)布的《海洋中微塑料的來(lái)源、去向和影響：**評(píng)估》將微塑料對(duì)海洋生物的危害等同于大型海洋垃圾（如漁網(wǎng)、塑料袋等）。

 

經(jīng)Web of Knowledge 檢索顯示，微塑料相關(guān)論文主要發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域**期刊Environmental Science＆Technology 與Marine Pollution Bulletin，發(fā)表量近6 年一直呈指數(shù)增長(zhǎng)，僅2015 年一年就發(fā)表微塑料論文140 余篇。近兩年，Science 和Nature 兩大期刊均報(bào)道了微塑料的研究進(jìn)展，并呼吁社會(huì)各界關(guān)注海洋環(huán)境的微塑料污染問(wèn)題。

 




作為近年來(lái)備受矚目的新型環(huán)境污染物，微塑料在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化、歸趨和生態(tài)毒理效應(yīng)都值得深入研究，而建立準(zhǔn)確、高效的微塑料分析方法則是進(jìn)行上述研究的基礎(chǔ)。環(huán)境樣品中微塑料分析的典型過(guò)程如圖 1  所示。本文對(duì)微塑料分析的樣品采集、預(yù)處理和定性定量分析方法逐一詳細(xì)介紹，討論不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)的研究發(fā)展方向作了展望。

1、樣品采集

 

環(huán)境樣品中微塑料的采樣方法一般可分為3 種：直接挑選法（Selective sampling），大樣本法（Bulk sampling）和濃縮樣本法（Volume-reduced sampling）。直接挑選法是通過(guò)肉眼識(shí)別從環(huán)境樣品中直接挑取微塑料的方法。尤其是粒徑在1-6 mm 的塑料粒料，在樣品中較易辨認(rèn)。直接挑選法適用于沉積物特別是表層沉積物樣品中塑料粒料的采集。當(dāng)微塑料不具備特定形態(tài)結(jié)構(gòu)且與其他雜質(zhì)混合時(shí)，直接挑選法就難以挑取微塑料。大樣本法是指不在現(xiàn)場(chǎng)分離組分而保留全部樣品的采樣方法，常用于微塑料難以被肉眼識(shí)別的情況。例如，微塑料被沉積物顆粒覆蓋；環(huán)境樣品中微塑料豐度低，需經(jīng)過(guò)濃縮、富集等預(yù)處理方法才能被檢出；粒徑過(guò)小，無(wú)法被肉眼觀測(cè)等。濃縮樣本法是指在采樣現(xiàn)場(chǎng)立即對(duì)大量樣品進(jìn)行過(guò)濾、篩分等提取操作，保留目標(biāo)組分以便進(jìn)一步分析的方法。沉積物樣品的篩分操作可在采樣現(xiàn)場(chǎng)直接完成，而海水樣品的過(guò)濾操作通常在科考船上進(jìn)行。

 

目前沉積物和水樣中微塑料采集的裝置及方法尚未標(biāo)準(zhǔn)化。沉積物樣品常見(jiàn)的采樣工具有不銹鋼勺、不銹鋼鏟、箱式采樣器等。研究目的不同，選擇的工具及方法也有所差異。研究微塑料在沿海的帶狀分布可采用不銹鋼勺、鏟；研究微塑料的區(qū)域性分布需選擇樣方調(diào)查法；研究微塑料的空間分布需選擇箱式采樣器。采樣后可在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行初篩，隨后將過(guò)篩組分儲(chǔ)存在聚乙烯袋或干凈的玻璃瓶中，以便實(shí)驗(yàn)室的后續(xù)分析。評(píng)價(jià)某區(qū)域沉積物介質(zhì)中微塑料的豐度，采樣位點(diǎn)通常應(yīng)選擇在海岸帶的高潮線附近或大陸架區(qū)域。

 




水體中微塑料的采樣裝置根據(jù)水樣深度不同可大致分為4 類(lèi)：（1）表層水通常選用拖網(wǎng)式采樣裝置，例如Manta 拖網(wǎng)、Neuston 網(wǎng)等。采樣時(shí)需沿海水橫截面推拽采樣裝置，同時(shí)將拖網(wǎng)放置在船體的迎風(fēng)方向，避免船體對(duì)采樣的影響；（2）中層水常選擇Bongo 網(wǎng)；（3）底部深層水采用底棲拖網(wǎng)；（4）選擇大樣本法采集表、中層水時(shí)，一般使用水桶等容器。采樣篩網(wǎng)孔徑不同，獲得的微塑料質(zhì)量差異較大。目前較常見(jiàn)的采樣篩網(wǎng)孔徑在333-335 μm。為減少誤差，可在拖網(wǎng)的開(kāi)口處設(shè)置流量計(jì)，測(cè)定流經(jīng)篩網(wǎng)的實(shí)時(shí)水量。

 

微塑料的粒徑較小，*被浮游生物、濾食性生物、魚(yú)類(lèi)等所誤食，繼而在生物體內(nèi)引發(fā)一系列毒理效應(yīng)，因此研究微塑料在生物樣品中的分布十分必要。目前生物樣品的采集可分為浮游類(lèi)采樣法和大型生物采樣法。浮游類(lèi)采樣法又可分為兩種：一是直接采用垂直拖網(wǎng)，例如Bongo 網(wǎng)、捕蝦網(wǎng)攔截浮游類(lèi)生物，再選擇合適的淋洗液（常用10% 福爾馬林溶液）沖洗拖網(wǎng)獲得樣品；另一種方法是用潔凈容器采集一定體積水柱，再提取水柱中的生物體進(jìn)行后續(xù)分析。利用浮游類(lèi)采樣法采集的生物主要包括浮游生物、磷蝦和底棲類(lèi)生物等。大型生物采樣法則是通過(guò)解剖、組織切片等手段研究微塑料在生物體消化系統(tǒng)（消化管、胃部、腔腸道等部位）中的分布情況。 采用大型生物采樣法分析魚(yú)類(lèi)、水鳥(niǎo)類(lèi)、鯨類(lèi)等大型生物中的微塑料均有相關(guān)報(bào)道。

 

采樣全過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)操作人員都需穿著棉質(zhì)而非人工紡織布材質(zhì)服裝，減少對(duì)塑料纖維測(cè)定的影響。為防止大氣中微塑料的影響，宜采用聚乙烯袋、鋁箔紙等對(duì)樣品進(jìn)行密封保存，盡量避免直接暴露于大氣。

 




2、樣品預(yù)處理

 

由于微塑料顆粒尺寸小、不易觀測(cè)，一定程度上限制了直接挑選法的應(yīng)用。因此，微塑料采樣方法越來(lái)越多地選擇大樣本法和濃縮樣本法。如何從采集的樣品中分離識(shí)別微塑料組分是樣品預(yù)處理的關(guān)鍵。現(xiàn)階段較常見(jiàn)的預(yù)處理方法主要有目檢法、密度分離、過(guò)濾、篩分等。

 

2.1 目檢法

 

目檢法是微塑料分析**的預(yù)處理過(guò)程。目檢法是利用肉眼直接觀察或在顯微鏡的協(xié)助下，將微塑料從自然源及非塑料的人為源（動(dòng)植物殘骸、玻璃碎片等）中挑取，并根據(jù)微塑料形態(tài)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)予以分類(lèi)，能夠分析各種環(huán)境介質(zhì)中的微塑料。Faure 和Norén 等在雙筒顯微鏡等儀器的協(xié)助下，將被認(rèn)定為微塑料的顆粒用鑷子挑出，再以顆粒的較大內(nèi)徑作為顆粒尺寸，利用測(cè)微尺確定微塑料尺寸，最后進(jìn)行分級(jí)。通常目檢法選用的顯微鏡放大倍數(shù)在10 倍-16 倍范圍內(nèi)，但若顆粒過(guò)小則需要采用放大倍數(shù)較高的解剖顯微鏡或熒光顯微鏡。目檢法設(shè)備簡(jiǎn)便，但準(zhǔn)確度不高。Dekiff 等隨機(jī)挑選3 位實(shí)驗(yàn)員，讓他們以目檢法挑選沉積物樣品中的微塑料，發(fā)現(xiàn)操作人員的視覺(jué)差異會(huì)嚴(yán)重影響目檢結(jié)果。此外，目檢法的準(zhǔn)確性也受到微塑料顏色、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等特性的影響。為此，也有科研人員利用親脂類(lèi)著色劑（尼羅紅等）對(duì)微塑料染色來(lái)輔助識(shí)別。

 

由于誤判、遺漏等現(xiàn)象在目檢法中時(shí)有發(fā)生，目檢法操作時(shí)需注意以下事項(xiàng)：（1）排除所有生物、**組分存在的可能；（2）若觀察到的纖維為線狀，并未發(fā)生彎曲、纏繞，則可能是生物源纖維，應(yīng)予以剔除；（3）測(cè)量纖維長(zhǎng)度時(shí)，須確保各纖維厚度均一；（4）顆粒邊界必須清晰，整體色澤均勻，若顆粒為白色或透明則需利用較大的放大倍數(shù)或選用熒光標(biāo)記顯微鏡。由于環(huán)境中綠色素廣泛存在，在鑒定時(shí)需較加謹(jǐn)慎小心，需反復(fù)判斷再下結(jié)論。

 

2.2 密度分離法

 

密度分離法是利用沉積物樣品中目標(biāo)組分與雜質(zhì)的密度差異實(shí)現(xiàn)輕組分微塑料與重組分雜質(zhì)的分離。密度分離法的具體操作是：向沉積物樣品中加入飽和鹽水（溶質(zhì)一般為NaCl 或NaI），充分振蕩、攪拌使之混合均勻，隨后靜置沉淀直至重組分脫離水相體系重新沉降，而微塑料繼續(xù)保持懸浮狀態(tài)或漂浮于溶液表面，最后收集上層溶液中的微塑料。不考慮表面附著物的情況下，微塑料密度一般在0.8-1.4 g·cm-3，而沉積物密度通常為2.65 g·cm-3，因此利用密度分離法能有效提取沉積物樣品中的微塑料。

 

NaCl **易得，常選擇飽和NaCl 溶液（密度為1.2 g·cm-3）作為密度分離法的浮選液。 飽和NaCl 溶液不能使高聚物全部脫離沉積物，在分離聚氯乙烯等高密度微塑料時(shí)會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果嚴(yán)重偏小。與飽和NaCl 溶液相比，NaI 與ZnCl2 溶液的密度較大，分別為1.6-1.8 g·cm-3 和1.5-1.7 g·cm-3，能提高對(duì)高密度塑料組分的提取效率，因此有研究采用NaI 或ZnCl2 溶液對(duì)沉積物樣品進(jìn)行浸泡分離。

 

近年來(lái)，研究人員開(kāi)發(fā)出一些基于密度分離原理的微塑料分離裝置。Claessens 等設(shè)計(jì)了一套分離浮選裝置，利用上升氣體或液體使微塑料上浮，使微塑料從沉積物樣品中分離。Zhu 等針對(duì)上述裝置的相關(guān)設(shè)備、運(yùn)行等參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，在一定程度上提高微塑料的回收率，但和理想的分離效率仍有一定差距。Imhof 等也提出一種從水相、沉積相中分離微塑料的方法，其主要原理是采用連續(xù)、多次塑料浮選裝置來(lái)強(qiáng)化密度分離過(guò)程，以分離效果較佳的ZnCl2 溶液作為浮選液，對(duì)1-5 mm 和＜1 mm粒徑范圍的顆?；厥章史謩e達(dá)到**和95.5%。另外，Noik 等在Classens 和Imhof 裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)制作出一套低成本流化床密度分離系統(tǒng)，由供水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、淘洗管等組成，利用曝氣系統(tǒng)產(chǎn)生的上升氣體強(qiáng)化體系的攪動(dòng)，靜置后由供水系統(tǒng)推動(dòng)浮選液從上口溢出，提高了微塑料分離性能。

 

2.3 篩分和過(guò)濾法

 

篩分法和過(guò)濾法都是利用尺寸較小的細(xì)孔截留微塑料。采集的微塑料粒徑取決于采樣、分離過(guò)程使用的篩網(wǎng)、濾膜孔徑。若串聯(lián)使用系列不同孔徑的篩網(wǎng)，就可對(duì)微塑料的粒徑進(jìn)行分類(lèi)。通常情況下，篩分法的截留材料為不銹鋼或銅材料制成的篩網(wǎng)。篩分法是將水樣、沉積物樣品通過(guò)孔徑為5 mm 的篩網(wǎng)，去除粒徑較大的顆粒和其他雜質(zhì)，隨后再通過(guò)一系列不同孔徑的篩網(wǎng)而實(shí)現(xiàn)微塑料按粒徑大小的分級(jí)，最后用濾膜或篩網(wǎng)過(guò)濾過(guò)的海水將截留在篩網(wǎng)上的目標(biāo)顆粒沖洗下來(lái)，保存于玻璃試管中。

 

過(guò)濾法與篩分法的提取過(guò)程大同小異，但過(guò)濾法截留材料為濾膜，其孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于篩網(wǎng)，一般在0.45-2 μm 左右。由于孔徑較小，過(guò)濾法一般在減壓條件下進(jìn)行。減壓操作雖然提高微塑料的分離效率，但會(huì)使微塑料與濾膜結(jié)合過(guò)于緊密而難以洗脫。為解決這個(gè)問(wèn)題，Hoffman 等嘗試了多種沖洗溶劑，發(fā)現(xiàn)異丙醇溶液（50%，V/V）具有良好的洗脫效率。

 

2.4 消解法

 

為了減少環(huán)境樣品基底干擾，通常采用酸性消解、堿性消解或酶消解等對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。消解法主要應(yīng)用于生物樣品的預(yù)處理。

 

酸性消解是利用酸溶液對(duì)樣品進(jìn)行消解處理，常用的酸包括HCl、HNO3、HClO4 及混合酸等。Deforges 等用12.1 mol·L-1 HCl、15.9 mol·L-1 HNO3、0.9 mol·L-1 H2O2、HCl：HNO3（1∶ 1 V/V）、HCl：H2O2（1：1 V/V）對(duì)磷蝦樣品進(jìn)行消解，結(jié)果表明，60 ℃條件下消解30 min，HNO3 能夠完全消解生物樣品，而HCl：HNO3 消解樣品中仍存在部分**顆粒。不同類(lèi)型微塑料的化學(xué)耐受性有所差異。Deforges 的研究表明，采用酸性消解處理聚苯乙烯及尼龍釣魚(yú)線等回收率在90%-98%之間，而尼龍纖維的回收率則幾乎為零。不僅如此，消解程度也受溫度、時(shí)間及消解液組成等因素影響。目前采用消解預(yù)處理生物樣品，溫度不**過(guò)90 ℃，消解時(shí)間較短，在消解樣品基質(zhì)的基礎(chǔ)上盡可能減少微塑料的損失。

 

Nuelle 等利用35% H2O2 溶液對(duì)沉積物樣品連續(xù)消解7 d，結(jié)果顯示大部分生物**組分被消解殆盡，為后續(xù)研究分析提供了便利。此外，Cole 等比較了3 種消解方法對(duì)海洋生物的消解效果。HCl 消解時(shí)，在濾液中發(fā)現(xiàn)大量目標(biāo)物質(zhì)，表明酸性消解在消解生物樣品的同時(shí)也會(huì)消解部分類(lèi)型的微塑料，因此酸性消解不適用于海洋生物樣品的預(yù)處理。1 mol·L-1 NaOH 溶液在室溫條件下對(duì)樣品雜質(zhì)的消解率可達(dá)到90%，而且隨著溫度和消解液濃度的提高消解率還會(huì)進(jìn)一步提高，但當(dāng)NaOH 濃度達(dá)到10 mol·L-1時(shí)，會(huì)損壞部分微塑料。最后，他們利用蛋白酶（K 酶）消解相同生物樣品，結(jié)果表明酶消解技術(shù)在不破壞任何微塑料碎片的情況下，能夠消解海水樣品中**過(guò)97%的浮游生物。







3、微塑料的定性、定量分析

 

微塑料不僅在形狀、顏色和組成等方面與環(huán)境介質(zhì)中其他組分都有所不同，而且由于其來(lái)源廣泛，不同微塑料也存在顯著差異。因此，微塑料的定性、定量分析難度較大?，F(xiàn)行分析方法大致可分為3 個(gè)方面：物理形態(tài)表征、化學(xué)組分鑒定和定量分析。







4、展望

 

微塑料污染及其生態(tài)效應(yīng)已成為**環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)。微塑料隨海流漂流無(wú)國(guó)界，溯源追責(zé)非常困難。因此，建立高效的微塑料分析監(jiān)測(cè)方法不僅能為我國(guó)的微塑料污染研究提供技術(shù)支持，也有助于我國(guó)在今后相關(guān)**法規(guī)的制定處于有利地位。雖然已有學(xué)者在微塑料的樣品采集、預(yù)處理、定性和定量分析方面做了廣泛研究，但仍有很多問(wèn)題需要解決。

 

總體而言，環(huán)境樣品中微塑料分析在以下4 個(gè)方面亟待加強(qiáng)與完善：

 

（1）建立微塑料的樣品采集和預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)方法。由于采樣方法不同，很多研究結(jié)果濃度單位表示截然不同，難以橫向比較不同地區(qū)的微塑料污染程度。另外，不同分析方法在樣品預(yù)處理過(guò)程的回收率亦有所差異，導(dǎo)致相同樣品以不同方法分析獲得的結(jié)果偏差較大。出臺(tái)不同環(huán)境介質(zhì)中的微塑料采集、預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)方法，加強(qiáng)分析方法全過(guò)程的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制，以提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性與可比性。

 

（2）目前微塑料分析技術(shù)包括SEM、Pyr-GC-MS、FI-IＲ 等，但這些方法只能分析一種或幾種參數(shù)。針對(duì)上述方法多具有破壞性，環(huán)境樣品中微塑料含量有限的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)復(fù)雜基底的低樣品量、多參數(shù)分析方法會(huì)具有較廣闊的應(yīng)用前景。

 

（3）POPs、全氟類(lèi)化合物、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥等**污染物易富集在微塑料表面，而其復(fù)合毒理效應(yīng)尚未可知。同時(shí)微塑料類(lèi)型、成分、粒徑大小以及表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性等都是影響其表面結(jié)合痕量污染物的影響因素，研發(fā)微塑料結(jié)合其他痕量污染物后的測(cè)定方法未來(lái)會(huì)成為微塑料分析方法的研究方向。

 

（4）推進(jìn)納米級(jí)微塑料監(jiān)測(cè)、分析方法的研究。微塑料在環(huán)境外力作用下持續(xù)破碎，較終會(huì)形成納米級(jí)塑料。由于尺寸的差異，現(xiàn)行微塑料分析方法并不完全適用于納米級(jí)微塑料，亟待根據(jù)納米級(jí)微塑料特性建立與之匹配的監(jiān)測(cè)分析方法。




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