矿化垃圾中微塑料成分和特性分析*

2023-09-23孟昱州杜俊杰

环境污染与防治 2023年9期

侯棻孟昱州李甜杜俊杰

(1.山西财经大学公共管理学院, 山西太原 030006;2.山西师范大学生命科学学院, 山西省微生物应用技术工程研究中心, 山西太原 030031)

塑料是工业文明的重要产物, 人类通过利用塑料制品获得了极大的便利, 塑料制品已成为人类生活和生产中不可缺少的一部分[1]206。但是, 塑料废弃物也成为了环境污染的一个源头。世界塑料产量和用量处于持续增长的态势, 预计到2050年将产生7.3×108t塑料废物, 其中, 79%将不经回收进入自然环境或填埋场[2-3]。

考虑到填埋场成本低、管理技术难度小, 卫生填埋是我国垃圾处理的主要方式, 大量的塑料废物随垃圾堆积在填埋场[4]。在长期的填埋过程中, 塑料废弃物受到物理、化学、生物等各种因素的共同作用, 最终碎解成微塑料(粒径<5 mm)。卫生填埋场随即成为微塑料的主要储存库。相比于塑料, 微塑料的尺寸小、比表面积大、迁移率高, 对生态环境毒理效应更强, 对人类的健康风险更高[5]388。如今, 塑料垃圾和微塑料的危害引起了广泛的国际关注。

随着社会和经济的发展, 垃圾堆积问题也日益凸显, 但是, 大部分的填埋场都已达到其设计容量。所以, 探寻循环利用填埋场垃圾的方法是非常必要的[6]。据报道, 填埋场封场10年后将趋于稳定, 易降解物质接近于完全降解, 不再产生渗滤液, 产气量极少, 此时的垃圾已腐化为矿化垃圾[7]。矿化垃圾可被认为是类土壤物质, 具有松散的结构、高效的肥力、丰富的降解性微生物、较好的水气传导和阳离子交换能力[8]。所以, 矿化垃圾可以作为一种潜在的资源被利用。同时, 腾出的空间又将用于存放新的垃圾, 这样就延伸了填埋场的使用期限[9]。利用矿化垃圾作为栽培土壤或者用作贫瘠土壤的改良剂都是具有可行性的[10-11]。此外, 研究人员还发现矿化垃圾可以用于土壤和水体修复[12-15]。

虽然经过多年的矿化作用, 但垃圾中的微塑料仍有余存, 微塑料在土壤中还存在纵向或横向迁移的风险, 微塑料对土壤理化性质和作物生长存在不利的影响, 微米甚至更小尺度的微塑料经由食物链可能对人体健康构成威胁[16]。目前, 关于矿化垃圾中微塑料的存量情况和特性的研究仍相对匮乏, 制约了矿化垃圾资源化利用的风险评估。本研究分析了太原市新沟垃圾填埋场矿化垃圾及其周边土壤中微塑料的丰度和特性, 旨在为矿化垃圾的污染评价和资源化利用风险评估提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 矿化垃圾和普通土壤前处理

矿化垃圾采集于山西省太原市东部的新沟垃圾填埋场(37.50°N, 112.38°E, 海拔890 m), 该填埋场于1987年开放, 2007年关闭, 最大容量为3.5×106m3。按照“随机、多点、均匀”的原则, 从蛇形的15个点采集样本, 将5个点的样本混合为1个样品。采样前清除采样点表面杂物, 挖深15 cm的坑, 用土铲从垂直坑壁上均匀地切出5 cm厚的土片。除去垃圾中的石块、玻璃瓶和大块塑料等物质。普通土壤采集于距离填埋场2 km以内的无污染无施肥天然表层土, 采样方法和深度与矿化垃圾的采样相同。样品采集时间为2022年5月。样品的基本理化特征见表1。

表1 矿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 样品中微塑料的分离与分析方法

(1) 样品冷冻干燥(冻干机, FDU-1200 EYELA)14 d以上至完全干燥, 称取100 g干燥样品进行前处理。

(2) 选择氯化锌作为浮选剂, 在干燥好的样品中加入饱和氯化锌溶液, 持续搅拌12 h, 转移至改装分液漏斗中, 静置24 h, 弃去底层沉淀, 上层液体经10 μm不锈钢滤膜过滤。滤膜反冲并超声, 反复3次, 淋洗液合并后加过氧化氢与芬顿试剂恒温消解12 h, 重复消解步骤直至溶液澄清, 采用10 μm不锈钢滤膜过滤, 待镜检。

(3) 利用体式显微镜(Leica LAS X)全量挑取样品中的微塑料, 显微镜下把微塑料从滤膜上转移至金刚石压池, 并标记位置防止漏检。

(4) 装有微塑料的金刚石压池在傅立叶变换红外光谱仪(Nicolet iN 10, Thermo Scientific)下检测获得图谱, 再进行谱库检索, 匹配度超过80%可确认微塑料的成分。

1.3 数据处理

样品中微塑料的丰度为每千克干质量样品微塑料个数, 单位为个/kg。通过独立样本t检验比较矿化垃圾和普通土壤之间微塑料丰度的差异性。

2 结果与讨论

2.1 矿化垃圾及普通土壤中微塑料的丰度

矿化垃圾和普通土壤中均检测到微塑料, 其丰度分别为(2 113±172)、(172±48)个/kg, 差异显著(见图1)。

注:小写字母不同表示差异显著(P<0.001)。图1 矿化垃圾和普通土壤中微塑料的丰度Fig.1 Abundance of microplastics in aged refuse and ordinary soil

普通土壤中的微塑料有多种来源, 包括:大气沉降、肥料施用、农膜使用、污水灌溉、填埋场垃圾外散等。据研究报道, 上海市郊土壤(0～3 cm深度)中的微塑料平均丰度为78个/kg[17]。武汉市郊土壤(0～5 cm深度)中的微塑料平均丰度为2 450个/kg[18]。云南省滇池河岸林区和农作区土壤中微塑料的平均丰度达到18 760个/kg[19]。由此可见, 不同地区土壤中的微塑料丰度差异明显。本研究中的普通土壤虽然地处垃圾填埋场周边, 但与武汉市郊和云南滇池周边的土壤相比, 其微塑料丰度并不高。

生活垃圾在填埋场中经过多年的矿化, 易降解物质已接近完全降解;塑料类物质难以完全分解, 一部分会在风化、光照、生物降解和热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会随渗滤液流走, 剩下的部分继续存在于矿化垃圾中。HE等[20]研究了我国多个地区12个垃圾填埋场的渗滤液, 其中的微塑料丰度达到0.42～24.58个/L。WAN等[21]的研究报道了广东省东南部某垃圾填埋场垃圾中的微塑料丰度为590～103 080个/kg。SU等[22]研究发现上海市老港垃圾填埋场不同矿化时间(>20年、约10年、<3年)的垃圾中微塑料平均丰度分别为3 600、6 800、8 300个/kg;随着垃圾矿化度的增加, 微塑料的丰度在下降。相比于以上的研究报道, 新沟垃圾填埋场中的垃圾经过近20年的矿化作用, 其微塑料丰度相对较低。

2.2 矿化垃圾及普通土壤中微塑料的特性

本研究所检出的微塑料, 按照形状接近归为一类的原则可以归类为纤维状、颗粒状、片状和薄膜状。由图2可知, 不同形状的微塑料在普通土壤中的丰度占比表现为:颗粒状(40.0%)>纤维状(35.0%)>片状(20.0%)>薄膜状(5.0%), 在矿化垃圾中的占比表现为:片状(37.7%)>颗粒状(23.0%)>薄膜状(21.3%)>纤维状(18.0%)。由此可见, 普通土壤和矿化垃圾中微塑料的形状组成类似, 但各形状的占比不同。其他相关研究与本研究所检出的微塑料形状类型大致相同[23]。纤维状微塑料通常来源于化纤类织物、绳索等;薄膜状微塑料较多来源于日常生活中保鲜膜、包装膜等;碎片状微塑料较多由购物袋、编织袋等生活或农用废弃物的风化和碎解产生;颗粒状微塑料可能来源于塑料残屑的碎解和大气沉降等[5]386,[24]。

图2 普通土壤和矿化垃圾中微塑料的形状占比Fig.2 Shape proportion of microplastics in aged refuse and ordinary soil

本研究所检出的微塑料颜色主要包括透明、黑色、黄色、蓝色、白色和红色。如图3所示, 黑色微塑料在普通土壤和矿化垃圾中占比均最高, 分别为57.9%和40.0%;矿化垃圾中没有检出白色和红色微塑料, 普通土壤中没有检出黄色和蓝色微塑料。微塑料的颜色来源于塑料制品的生产过程。塑料制品以合成树脂为主要原料, 根据需要添加不同颜色的染料与树脂结合[25]。微塑料的来源有时候也与其颜色有关系。例如, 黑色、红色、蓝色和黄色等彩色的塑料制品通常不与食品直接接触[26]。

图3 普通土壤和矿化垃圾中微塑料的颜色占比Fig.3 Color proportion of microplastics in aged refuse and ordinary soil

如图4所示, 不同粒径的微塑料在普通土壤中的占比由高到低为:>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%);在矿化垃圾中的占比由高到低为:>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%)粒径的微塑料占比相同, 均为最低;可以看出, 矿化垃圾中的微塑料粒径范围较普通土壤更广, 矿化垃圾中大粒径的微塑料比普通土壤中多, 普通土壤中的微塑料小粒径占比较高。综合形状分析和粒径分析的结果可以发现, 普通土壤中以小粒径的颗粒状和纤维状微塑料最为丰富, 占比超过70.0%。这些纤维或小颗粒状的微塑料更容易通过大气传播途径从污染源(如垃圾填埋场)传播而来[27]。

图4 普通土壤和矿化垃圾中微塑料的粒径占比Fig.4 Particle size proportion of microplastics in aged refuse and ordinary soil

通过红外光谱分析鉴定, 在匹配度不低于80%的条件下, 所检出的微塑料主要包括6种成分(见图5):人造丝、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酯纤维、丙烯酸纤维、聚乙烯醇。聚对苯二甲酸乙二酯(37.5%)、人造丝(25.0%)在普通土壤微塑料中的占比最高, 聚丙烯(12.5%)、聚酯纤维(12.5%)、丙烯酸纤维(12.5%)占比相同。人造丝(45.5%)、聚丙烯(27.3%)在矿化垃圾微塑料中的占比最高, 聚对苯二甲酸乙二酯(9.1%)、聚乙烯醇(9.1%)、丙烯酸纤维(9.0%)占比相似。由此可以看出, 普通土壤和矿化垃圾中的微塑料以人造丝、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二酯为主要成分, 但其组成略有不同。另外, 聚乙烯醇在矿化垃圾中单独检出, 聚酯纤维在普通土壤中单独检出。人造丝、聚酯纤维和丙烯酸纤维均是人造纤维, 利用小分子有机化合物通过缩聚或加聚反应而合成, 是日常生活中用到的各种纺织品的原材料[28]。人造纤维本身的横截面直径微小, 在纤维两端稍微施加外力就容易断裂, 最终形成微塑料, 又因其重量小, 所以易随大气传播[29]。聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚乙烯醇制品是生产日常生活所需塑料用品的主要原料, 很多废弃的塑料制品在环境中不断释放此类微塑料。有研究发现, 不同国家瓶装水的瓶子所释放的微塑料成分中, 含量最高的就是聚丙烯(54.0%)[30]。此外, 废弃的奶瓶、手套、个人护理品等也在释放聚丙烯;废弃的编织袋、购物袋、垃圾袋、食品保鲜膜等在不断释放聚乙烯醇;废弃的纺织品、茶包、外卖餐盒、湿巾等在不断释放聚对苯二甲酸乙二酯[1]207。