浮选-消解顺序对土壤中微塑料提取效率的影响

赵 媛, 盖一丹, 聂子宜, 于 艺, 甘延东

(曲阜师范大学生命科学学院,273165,山东省曲阜市)

0 引 言

微塑料是指环境中粒径小于5 mm的塑料碎片、纤维、颗粒、泡沫或者薄膜等[1]. 微塑料具有粒径小、数量多、比表面积大、疏水性强、难降解等特点,更容易吸附有机污染物以及重金属微粒形成复合污染,进而对生态环境构成威胁[2,3]. 因此,微塑料成为一种备受关注的新型污染物. 近些年来,有关水体中微塑料的研究较多,而陆地生态系统中的微塑料则是最近才开始受到关注,特别是土壤和沉积物中微塑料的相关研究仍然存在较大空白[4]. 已有研究表明,陆生环境是微塑料的源头,陆地存在的微塑料丰度远高于水体,并且每年进入农业用地中的微塑料数量也在逐年上升[5],土壤中微塑料的污染问题亟待解决. 对土壤生态系统中微塑料的来源、分布、提取和检测,以及其对于生态环境的影响已经逐渐成为新的研究热点[6,7].

随着微塑料的环境影响备受关注,关于土壤微塑料分离和检测的研究也随之增多,现有研究中已经提出了不少土壤微塑料的分离提取方式[8,9]和检测方法[10,11];但微塑料的种类繁多复杂,仍然没有建立从环境样品中提取和量化微塑料的标准方法[12,13]. 目前通常采用的是密度分离法,即利用浮选液从较重的土壤或沉积物颗粒中分离出相对较轻的微塑料[14],不同密度的盐溶液(如氯化钠NaCl、氯化锌ZnCl2、碘化钠NaI、氯化钙CaCl2等)常用作浮选液分离微塑料[15]. 当从富含有机质的土壤或沉积物中分离微塑料时,由于有机质和部分微塑料的密度接近,将会导致浮选液中有机质含量较高,需要进一步去除[16,17]. 通常使用过氧化氢H2O2或芬顿试剂(H2O2+FeSO4)进行消解,较大程度地去除环境样品中的有机质[18,19]. 但是,消解是在浮选之前还是之后并没有具体规定,浮选-消解的先后顺序对土壤中微塑料提取效率的影响尚不清晰.

针对上述提取方法的不确定性,本文通过对比ZnCl2溶液(1.6 g/cm3)与NaCl溶液(1.2 g/cm3)作为浮选液对微塑料的回收效果,以及浮选-消解的先后顺序对微塑料提取效率的影响,探寻一种适用于大多数土壤和沉积物样品和较大密度范围微塑料的通用提取方法.

1 材料与方法

1.1 浮选液与微塑料颗粒

通过现有的研究得知,选用密度浮选法对微塑料进行分离时,最常用的浮选液为ZnCl2和NaCl[4],为了进一步比较二者的区别,选用分析纯ZnCl2和NaCl于磁力搅拌器上配制成近饱和溶液,利用比重计测量调节密度至1.6 g/cm3和1.2 g/cm3作为浮选液. 将聚酰胺(PA)轻质尼龙绳、聚丙烯(PP)移液器吸头、聚氯乙烯(PVC)文件夹抽拉杆3种塑料产品剪切成尺寸分别为<1 mm、1～2 mm、2～4 mm的小段,用于微塑料回收实验. 供试微塑料类型、尺寸、颜色、来源、密度等基本信息见表1.

表1 塑料颗粒基本信息

1.2 土壤样品

实验土壤:于校园树林中同一采样点采集表层土壤,80 ℃烘干后研磨混匀,过80目标准筛,去除大尺寸塑料,置于纸袋中备用.

验证土壤:分别选取露地蔬菜农田、高层住宅小区绿化带土壤作为验证土壤,采集0～20 cm表层5点混合土样,风干后进行微塑料的提取测定,用于检验提取方法的可行性和准确性.

1.3 实验方法

1.3.1 实验设计

按照塑料密度和材料的不同,将实验分为PA、PP、PVC 3组,每组设计A(ZnCl2浮选,先浮选后消解)、B(NaCl浮选,先浮选后消解)、C(ZnCl2浮选,先消解后浮选)、D(NaCl浮选,先消解后浮选)4个处理,每个处理分别加入<1 mm、1～2 mm、2～4 mm尺寸塑料各5粒,共15粒,重复3次. 同时设置试剂对照和空白对照各2次,以消除实验误差. 具体实验设计见表2.

表2 实验设计

1.3.2 先浮选后消解方法

取25.0 g实验土壤样品和15粒塑料样品放入平底玻璃试管内混合均匀,加入50 mL浮选液,超声震荡30 min. 置于试管架上静置36 h,使水土分离. 将试管放于烧杯内,在试管中缓慢加入浮选液,使微塑料全部溢出试管到烧杯中,并用少量超纯水冲洗试管外壁. 在烧杯中加入5 mL 0.05 mol/L FeSO4溶液和5 mL 30% H2O2,60 ℃下消解至无肉眼可见的有机体. 用超纯水将烧杯内样品全部转移到滤膜上抽滤. 滤膜在洁净环境下晾半干后,利用OLYMPUS SZX16电子显微镜进行目检计数. 试管上部液体及滤液回收利用.

1.3.3 先消解后浮选方法

将土壤和塑料样品放入三角瓶内混合均匀,缓慢加入10 mL 0.05 mol/L FeSO4溶液和10 mL 30% H2O2,震荡30 min后加上小漏斗,60 ℃下消解至半干. 再加入50 mL浮选液,震荡、静置、溢出、抽滤、晾干、计数,方法同上.

1.3.4 验证实验

基于不同提取方法的实验结果,分别对农田、小区绿化带2个土样进行微塑料的提取,以验证提取方法的普适性与可行性.

1.4 数据处理

实验得到的数据使用IBM SPSS Statistics 26进行统计分析,不同处理间进行单因素ANOVA分析,并检验组间的显著性差异(P<0.05认为差异显著). 使用OriginLab Origin 2021进行可视化绘图.

2 结果与分析

2.1 两种浮选液的提取效果

通过实验发现,ZnCl2和NaCl两种浮选液对不同类型微塑料的回收有所差异(图1).

图1 不同浮选液对不同类型微塑料的回收率

在先浮选后消解条件下,PA和PP均可使用NaCl或ZnCl2进行分离提取,其平均提取效率在88%左右,最高可达95%,且2种浮选液之间无显著性差异;而PVC类塑料密度高于NaCl浮选液[20],只能使用ZnCl2进行分离提取,平均回收率可达95.56%. 在先消解后浮选条件下,ZnCl2对3种类型微塑料的回收率均可达到80%以上,显著高于NaCl. 综合看来,对于密度较低的PA和PP类塑料,ZnCl2与NaCl均可起到分离提取作用,而对于密度较高PVC类塑料只能使用ZnCl2进行提取;ZnCl2在每组实验中均保持较高的回收率,是一种合适的浮选液. 但是,实验过程中发现,ZnCl2溶液粘度比较高,抽滤速度较慢,不如NaCl流畅. 更重要的是,ZnCl2具有一定环境毒性[21,22],实验过程要注意浮选液的回收再利用. 因此,寻找密度适宜、绿色环保的微塑料浮选液也是当前研究的重要内容[4].

2.2 浮选-消解顺序对微塑料提取的影响

从实验结果可以看出,使用ZnCl2作为浮选液,先浮选后消解所得到的微塑料回收率稍高与先消解后浮选得到的回收率(图2A);但不论是先浮选还是先消解,微塑料的平均回收率均在80%以上;经过差异性分析得出,在此条件下浮选与消解的先后顺序对微塑料的提取没有显著性影响. 使用NaCl作为浮选液,先浮选所得到的回收率显著高于先消解的回收率(图2B),说明在此条件下,浮选与消解的顺序对微塑料的提取产生了显著影响. 由此可以得出,不论使用ZnCl2还是NaCl作为浮选液,先浮选后消解所得到的回收率要优于先消解后浮选的回收率. 这一结论需要在实际土壤的检测中加以进一步验证.

2.3 消解液对微塑料提取的影响

在使用NaCl作为浮选液的实验过程中,先浮选后消解更有利于微塑料从土壤中的分离,消解后还可以进行多次浮选,能够提高微塑料的回收率[23]. 以ZnCl2作为浮选液时,我们同时比较了芬顿试剂和H2O2的消解效果. 使用芬顿试剂作为消解液,先浮选后消解的样品会产生大量铁盐沉淀,干扰微塑料的提取. 一方面微塑料被形成的铁盐络合物包裹,不易分离出来;另一方面络合物聚集之后会大大减慢抽滤速度(图3A),相比于先消解后浮选得到的样品(图3B),分离难度增加. 当选用H2O2来代替芬顿试剂进行消解时,加入H2O2后,消解液上层容易出现白色絮状物质Zn(OH)2,需要加酸消除影响. 使用这种方法得到的回收率维持在较高水平,组间差异较小,操作过程中微塑料损失较少,适用于实际土壤的微塑料检测. H2O2+HCl组合也可以作为消解试剂,其微塑料的提取效果还需进一步设计实验加以验证.

图3 ZnCl2浮选与消解不同先后顺序抽滤得到的样品

2.4 不同类型、尺寸微塑料的提取效果

单因素方差分析结果显示,选用ZnCl2作为浮选液时,先浮选后消解和先消解后浮选方法对不同类型(PA、PP、PVC)、不同尺寸(<1 mm、1～2 mm、2～4 mm)微塑料的回收效果没有造成显著性差异(图4). 而从回收率比较上发现,先浮选得到的微塑料回收率略高于先消解的回收率,并且对于不同尺寸和类型微塑料都能得到较高且较稳定的回收率. 从经济、节约、环保的角度进一步看,先浮选所使用的消解试剂是先消解所使用的一半,先浮选的优势较为明显. 由此可以得出,当以ZnCl2作为浮选液时,对于不同类型、不同尺寸的微塑料都能得到稳定的提取效率,方法更为环保且高效.

图4 以ZnCl2为浮选液提取顺序对不同尺寸的微塑料回收率

2.5 方法验证

为进一步探究浮选与消解先后顺序对土壤中微塑料提取效率的影响,选取露地蔬菜农田和高层住宅小区绿化带土壤以ZnCl2作为浮选液进行微塑料的分离提取,利用OLYMPUS SZX16电子显微镜进行微塑料颜色、尺寸、形状、数量等方面的观察统计.

从颜色上看,2种土壤中的微塑料主要为绿色为主(图5A),其他颜色占比较低. 从尺寸上分析,两种土壤含有的微塑料粒径范围主要分布于100～500 μm之间,<50 μm的微塑料所占比例较低(图5B),说明所选的验证土壤中微塑料的破碎和老化程度较低,这与露地蔬菜机械化程度不高、住宅小区较新、绿化带受外力作用不强的现状相符合. 从形状上看,2种土壤含有的微塑料形状多为纤维、碎片、泡沫和颗粒,而以纤维、碎片为主(图5C),这同样是大量人为活动造成的结果[24,25].

图5 验证土壤的微塑料颜色、尺寸、形状、丰度及显著性差异分析结果

从2种验证土壤中提取的部分微塑料样品见图6. 2种验证土壤提取到的微塑料丰度结果表明,蔬菜农田土壤的微塑料丰度低于住宅小区绿化带土壤,主要原因是住宅区土壤更靠近人类活动密集区,受人为丢弃塑料制品的影响较大[26,27]. 研究还发现,先浮选得到的微塑料丰度普遍高于先消解的微塑料丰度,可能的原因是在先消解的过程中土壤胶粒与微塑料发生结合,阻碍了微塑料的浮选过程;而先浮选则可有效避免这种情况. ZnCl2与先浮选的组合对不同形状的微塑料都能起到较好的分离提取效果,并且使用这种方法得到的微塑料丰度和稳定性均较高,这与实验土壤得到的结果保持一致.

图6 验证土壤中微塑料的显微照片

3 结 论

本研究对土壤微塑料的分离和提取方法进行了探究,验证了密度分离提取微塑料的方法,比较了2种浮选液、浮选-消解顺序对微塑料提取效率的影响,结论如下:

(1)ZnCl2与NaCl作为浮选液对微塑料的提取效率有所差异. NaCl浮选液不适用于提取密度大于1.3 g/cm3的微塑料,ZnCl2浮选液则对各种类型的微塑料都能起到较好的浮选效果.

(2)浮选与消解的先后顺序对微塑料的提取效率也有明显影响. 在供试土壤实验和实际土壤验证的应用中,先浮选后消解的微塑料丰度明显高于先消解的丰度.

(3)权衡提取效果、适用范围、经济便捷、环保高效等多方面综合看来,以ZnCl2作为浮选液,采用先浮选后消解的方法,适用于从大部分土壤和沉积物中提取较大密度范围的微塑料. 当然,ZnCl2的环境毒性、芬顿试剂与ZnCl2络合物的干扰等仍是影响微塑料分离和提取的重要问题,更是未来探究的主要方向. 本研究的结论也为土壤中微塑料的分离提取方法提供了科学依据.