环境中微塑料检测技术研究进展

2024-01-30孙彦敏高惠敏徐春祥颜春荣江苏省食品药品监督检验研究院江苏南京210008

生态与农村环境学报 2024年1期

孙彦敏,高惠敏,徐春祥,颜春荣 (江苏省食品药品监督检验研究院,江苏南京 210008)

微塑料被定义为粒径小于5 mm的塑料碎片、薄膜或者颗粒,而粒径为1～100 nm的微塑料则被称为纳米级微塑料。2004年,汤普森等首次提出“微塑料”的概念,发现微塑料在东北大西洋海域底泥、海水及海洋动物体内广泛存在,并指出对微塑料环境影响进行关注的必要性[1]。2016年,微塑料被联合国环境大会列为全球性重大环境问题之一[2]。根据材质划分,目前环境中检出的微塑料主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等[3]。根据微塑料来源可以将其划分为初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料主要指人们生产生活中直接排入环境中的微塑料颗粒;次生微塑料是指塑料垃圾在经物理、化学及微生物作用后发生分解而生成的微塑料颗粒。

与普通塑料相比,微塑料颗粒会造成土壤、水体、大气环境和食物链的污染,提高环境污染治理的成本和难度。微塑料由于具有较大的比表面积和亲脂性,易在环境中富集重金属和有机物。CHOUCHENE等[4]研究发现土壤中微塑料数量可达50～880个·kg-1,且成为土壤中重金属的重要载体。微塑料能够吸附三氯生等污染物,降低其生物可利用性[5]。地下水中微塑料丰度与地面人类工业活动具有相关性[6]。在水环境中,微塑料不仅为微生物提供良好载体,还增强对病原微生物的输送能力[7],促进抗性基因的水平转移[8]。研究者已在多种环境介质如农田土壤[4]、深海沉积物[9]、生物体[10]以及工业产品食盐[11]、瓶装水[12-13]中检测到微塑料。在多种鱼类肠道和消化腺[14]、双壳类动物软组织[15-18]、甲壳类动物肠道[19-20]、无脊椎动物海参的消化道[21]等海产品组织以及农作物中[22]都检出微塑料,这意味着微塑料可以进入生物体组织内部[23]。虽然微塑料的环境危害性尚不确定,但其广泛存在所带来的健康风险须引起足够重视。

高效、准确的微塑料检测方法,对于监测环境中微塑料的数量、分布和种类,进而采取措施降低其污染具有重要价值。HERMSEN等[24]对2010—2017年间发表的35篇关于微塑料摄取的研究论文进行赋分制比较,提出海洋生物样本中微塑料的检测方法应包括取样方案、样品大小、样品处理和储存、预处理、环境条件、阴性对照、阳性对照、目标物组成、前处理和鉴定10个要素,才能获得可靠的、具有比较价值的数据。但是目前环境中微塑料标准化和系统化的检测方法仍然处于缺位状态,不利于开展进一步的研究性工作。笔者对近年来环境中微塑料分析研究成果进行综述,以期为微塑料的检测技术研究提供更多的思路与方向。

1 样品前处理方法

1.1 消解

环境中的微塑料常与基质黏附在一起或被包裹在生物体内,需要对生物组织进行消解,使其充分游离出来。根据所用到的消解液不同,可分为碱消解[25-26](KOH、NaOH等)、氧化消解(H2O2、NaClO等)、酸消解(HCl、HNO3、HClO4等)、酶消解(蛋白酶K[27]、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胶原蛋白酶等)以及混合消解等。表1[28-33]显示,这些消解方法各有利弊,适用于不同样本的前处理。

1.1.1化学消解法

化学消解法是目前提取生物组织内微塑料的重要方法。国外学者系统比较了采用不同方法从海产品中提取15种类型微塑料的效果和提取效率,发现质量分数w=10% KOH在60 ℃条件下提取24 h可以得到比较理想的结果[28]。国内学者研究了从水生生物中提取微塑料的方法,根据不同消解试剂对微塑料荧光强度和表面形态的影响程度,评价了其对荧光聚苯乙烯微球提取的影响[29],发现100 g·L-1KOH溶液在60 ℃条件下处理72 h是最佳提取条件,其消解对荧光聚苯乙烯微球的荧光强度影响最小,消解后的微球分布均匀,没有明显表面损伤、团聚等现象。

对于从土壤这类复杂基质中提取微塑料,可利用15 mL HCl+5 mL HNO3+3 mL HF的酸体系将0.1 g土壤完全消解并从中提取微塑料。经过消解处理后的6种微塑料颗粒都呈现一定程度的破坏,但其特征峰仍然存在,不影响对微塑料的识别[30]。熊安琪等[31]研究了从食品材料(磨碎面饼、酱料包、蔬菜包和盐包)中提取微塑料的技术方案。采用消化率、膜堵塞率、对塑料形态的影响和回收率等指标,比较了氧化剂法(w=30% H2O2)、碱消解法(w=10% KOH)、芬顿法(w=0.2% FeSO4与w=30% H2O2体积比为1∶1)、硝酸-过氧化氢法(w=32.5% HNO3与w=30% H2O2体积比为4∶1)和酸消解法(w=65% HNO3)的提取效果。结果表明芬顿法对食品样品消解效果最好,该消解处理方法对塑料颗粒的质量和颜色影响较小。

1.1.2酶消解法

酶消解法可用于小型生物或机体组织中微塑料的提取,采用商业化蛋白酶Corolase可以实现对贻贝组织的完全分解和微塑料的高效提取[32]。酶法消解受到生物组织特性的影响较大,但其条件温和,不会破坏微塑料的结构和性质。酶法消解也可以与化学消解相结合,提高消解效率。李其沛[33]在对大型海藻中微塑料污染特征的研究中,采用纤维素酶消化藻类细胞壁,再添加碱性蛋白酶降解蛋白质,最后加入w=30% H2O2完成消解,消解后使用饱和氯化钠浮选塑料颗粒。基于此消解方法共观察到424个疑似塑料颗粒物,其中,通过仪器检测确定232个塑料颗粒,总体验证率是非消解法的2.7倍。

实际应用中由于样本基质复杂,消化试剂的类型与浓度需要根据消化样品特性进行选择[32]。如H2O2对塑料的腐蚀性小,能氧化褪色,但消化过程中易产生大量泡沫,带走部分微塑料,从而影响消化效果,使回收率降低[33]。HNO3有较强的腐蚀性和氧化性,能有效消解样品中有机质,但对脂类物质消解效果不好,消解后残留大量黄色脂肪颗粒,影响后续检测。KOH对有机质的腐蚀作用比HNO3小,但消解时间长[34]。芬顿试剂能有效去除样品中的有机质(甲壳素、木质素等),尤其对于H2O2难以消解的短足类动物甲壳消解效果较好,同时又避免了酸碱试剂容易对聚合物本身带来损伤的弊端[35]。因此,需要根据基质和目标物特点建立最适合的消解方法。

1.2 微塑料分离方法

1.2.1目视挑选法

目视挑选法[14,36]又称直接观察法,即通过肉眼直接对待测样本进行观察或者运用显微镜等放大工具观察生物组织中的微塑料,通过其大小、形状、外观及颜色等物理特征,实现微塑料与组织样本的分离,再对分离得到的微塑料根据其形态、结构等进行分类。但实际操作中,由于样本和微塑料类型复杂多样,甚至微塑料与其他碎片混合或被沉淀物颗粒覆盖,仅凭肉眼和显微镜难以完全挑出和准确识别出目标微塑料,甚至在有些情况下目视挑选的颗粒中仅1.4%是微塑料颗粒[37]。

1.2.2高密度溶液浮选法

密度分离法是利用沉积物样品中目标组分与杂质的密度差异实现轻组分微塑料与重组分杂质的分离,即如果消解后的溶液中含有未消解的高密度颗粒(如沙子、骨头、几丁质等),可用饱和氯化钠(NaCl)溶液进行分离[38]。但饱和NaCl溶液不能使高聚物完全脱离沉积物,在分离聚氯乙烯等高密度微塑料时会导致分析结果严重偏小。选用密度更大的碘化钠(NaI)溶液和(或)氯化锌(ZnCl2)溶液可提高对高密度组分的提取效率[38-39],但同时也带来了分析成本高的问题。研究人员又提出两步分选法,流化预提取既减少了对样品的需求量,同时也解决了大量使用NaI的成本难题[40]。章海波等[41]进一步建立了微塑料自动分离装置,包括浮选液存储部分、溢流部分和筛分回收部分,此装置通过浮选液和溢流液连续流动来完成,不需人为干预,最后在振动筛中收集筛分好的样品即可。

1.2.3过滤法

与密度分离法相比,微塑料在消解后经滤膜过滤法可有效节约时间并提高分离效率,尤其是消解后直接进行热过滤,可避免基质中的油脂冷凝,减少样品堵塞滤孔的情况。基质的不同对滤膜的选择也不同,目前常用的过滤膜有玻璃纤维滤膜(2.7 μm)[31]、醋酸纤维素滤膜[42]、硝酸纤维素滤膜[43]、混合纤维素滤膜(MCE,3 μm)[44]、聚四氟乙烯滤膜(PTFE,3 μm)[44]等。李珊等[45]从孔径、价格、使用感受等方面比较6种滤膜性能,并通过纯水加标试验分析6种滤膜对PVC微粒的平均截留率和平均洗脱率等数据,发现不锈钢滤膜可用于饮用水中微塑料检测过滤过程。除此之外,还有氧化铝膜或者添加金属镀层的滤膜,具有表面平整、不易变形弯曲且无红外光谱和拉曼光谱干扰的优点[44],可用于红外光谱和拉曼光谱测定,但成本昂贵,用于日常检测具有一定的局限性。

2 微塑料检测方法

目前,微塑料检测技术以红外光谱和拉曼光谱法为主,目视检测法和热分析技术具有一定的局限性,不同分析技术的优缺点和适用的检测对象见表2[27,46-52]。

表2 微塑料检测技术比较[27,46-52]Table 2 Comparison of detection methods for microplastics

2.1 热探针检测法

有研究提出用灼热的探针接触样品,基于微塑料与样品熔点不同所以受热后形变不同的原理,可利用“热探针法”来判断样品成分[46-47],但该方法不适用于热固性和尺寸很小的微塑料,只能作为辅助检测手段。

2.2 红外光谱法

红外光谱法是目前最常用的微塑料检测手段之一[53]。该方法利用微塑料粒子具有独特的红外光谱而能反映粒子特定的化学键信息的特点,将样品的特定红外光谱与已有的光谱库中物质的标准光谱进行匹配,从而确定微塑料类别,将塑料与其他有机和无机粒子区分开来。红外光谱法不仅可用于识别微塑料,还能鉴别特定的聚合物类型,可以为样品的来源及输入途径提供有效线索。红外光谱分析不会改变样品的化学结构,不会破坏样本,是一种无损的分析方法。

红外显微技术将红外光谱仪与显微镜结合,在无需复杂样品准备的情况下,可在单个平台上通过物镜和红外探测器之间的切换,实现同步可视化、样品成像以及光谱获取。红外显微技术可避免传统红外光谱分析中出现的外来污染物,节省分析时间,无需提前对微塑料粒子进行人工分类,也可避免少量小粒径微塑料的遗漏问题。红外显微主要有透射、反射和衰减全反射(attenuated total reflection,ATR)3种模式,可根据样品的形状、厚度、粒子数目选择不同测量模式。ATR模式通过ATR晶体直接与滤膜接触,采集接触面上的物质信息,对检测基底、样品厚度和透光性的要求较低,所能检测的物质粒径更小,因此,该模式在实际中应用较广泛。研究显示,传统的红外分析可识别粒径大于500 μm的微粒,红外显微分析法适用于粒径大于20 μm的微粒[48]。李珊等[54]建立了采用红外显微光谱法测定生活饮用水中微塑料的方法,前处理简单,操作方便,回收率为73.1%～92.0%。柴然等[55]利用激光红外成像技术对32份不同类型水源样品中微塑料的种类、数量和粒径进行分析,在其中25份中检出8个种类微塑料;LI等[56]采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)测定方法证明地膜覆盖不同时间后土壤中微塑料种类主要是PE,且PE微粒发生了氧化和降解。

2.3 拉曼光谱法

拉曼光谱法也是目前常用的微塑料检测方法之一[57-58],其原理是当激光束落在某个物体上时,由于分子和原子结构不同,产生不同频率的散射光,从而使得每一种聚合物产生特异性光谱。与红外光谱分析类似,拉曼光谱也可通过与光谱库比较来识别微塑料,鉴定微粒的聚合物成分。显微拉曼技术是将显微镜与拉曼光谱仪相结合,该技术可用于分析不透明和黑色的微塑料颗粒。LENZ等[59]最早将拉曼光谱技术用于海洋环境微塑料的可视化鉴别,PRATA等[60]运用显微拉曼技术成功识别出白葡萄酒中的微塑料颗粒。

与红外光谱不同的是,拉曼光谱使用单色激光源,其激光束可用于检测更小粒径的微塑料,是目前唯一能用于有效分析粒径低至1 μm微塑料的技术[49]。自动化显微拉曼技术能对大量样品进行快速分析,但部分有机或者无机颗粒会对微塑料的分析造成干扰,因此,显微拉曼技术对样品的前处理要求较高。样品表面存在的生物膜可能会导致荧光效应,添加剂和污染物产生的拉曼光谱与微塑料的光谱重叠,也会干扰微塑料的识别。显微拉曼技术对粒径为5～10 μm的粒子识别能力最高,可能会低估样品中微塑料丰度。目前出现的表面增强拉曼光谱,克服了常规拉曼光谱检测灵敏度低及共振拉曼光谱易受荧光干扰的缺陷,可用于分析粒径在1～100 nm之间的低浓度纳米微塑料[50],极大地提高了拉曼光谱的检测灵敏度。

2.4 热分析技术

热分析技术是在温度控制下研究聚合物物理化学性质变化的光谱分析替代方案。目前,国内外检测微塑料的热分析方法包括差示扫描量热法(DSC)、热重量分析结合差示扫描量热法(TGA-DSC)及热分解气相色谱质谱(Pyr-GC-MS)等,大多是不同仪器装置的联合使用。

DSC是研究聚合物材料热效能、相变温度和结晶度等参数的有效方法,聚合物由固态向液态或气态转变时会吸收大量热量,在特定温度下产生吸热峰值,DSC主要用于初级微塑料的检测,如聚乙烯等。TGA是利用热天平测量物质温度和质量变化关系的方法,待测样品在加热过程中会产生分解、升华气化现象使得质量发生变化,通过热重曲线分析其不同温度下的质量变化。在应用TGA-DSC对聚合物相变温度进行测定时发现只有聚乙烯和聚丙烯能被清晰识别,其他几种聚合物相变信号存在较大程度重叠,从而使得该方法在微塑料分析上的应用受到一定限制[51]。

Pyr-GC-MS原理是将微塑料样品加热处理后其会裂解为可挥发的小分子,通过GC-MS对微塑料的降解产物进行分析进而判断微塑料的化学组成,将样品谱图与已知聚合物谱图进行比对得到聚合物组成。整个过程不需添加溶剂,避免了背景污染。但该方法目前最大的应用难点在于缺乏微塑料专用的热裂解器,同时整个分析过程程序复杂,谱图解析对研究人员的要求较高。张向楠[61]研制开发了一款便携式Pyr-MS装置,为微塑料的检测分析提供了新的工具。余建平[62]建立了基于TGA-FTIR-GC/MS联机技术测定环境中微塑料的定量分析方法,根据不同种类微塑料热解产物的特异性和丰度,确定该方法的指示剂。该方法可以与显微红外光谱法和显微拉曼光谱法互补,在微塑料检测领域有较好的应用前景。

2.5 液相色谱-质谱法

塑料作为一类通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物,由合成树脂及填料、增塑剂、稳固剂、润滑剂、色料等添加剂组成。通过对解聚后单体成分的测定,可对微塑料性质进行评价。WANG等[52]在氢氧化钾和戊醇体系中通过加热将聚碳酸酯(PC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)化学解聚为各自的功能单体双酚A 和对苯二甲酸,经高效液相色谱串联质谱检测,建立了PC和PET微塑料液相色谱-质谱定量检测方法,最终回溯出微塑料的质量。但是,液相色谱-质谱法只适用于解聚后单体明确可测的聚合物,不适用于单体复杂、聚合度多变的塑料品种。

2.6 荧光测定法

微塑料荧光标记法在研究生物体内微塑料的原位分布及摄入规律中具有重要作用。结合荧光显微镜还可以对生物体内微塑料进行定量分析。田莉莉等[27]对比了荧光法和C-14同位素示踪法的检测限、灵敏度和定性定量等方面差异。荧光法可以直观观察,在研究生物体内微塑料分布和高浓度暴露时有一定优势,但检测灵敏度不如C-14同位素示踪法,不适用于复杂介质中低浓度微塑料的定量检测。

利用罗丹明B[63]等具有疏水性的荧光染色剂对微塑料进行染色,可以在荧光显微镜下用特定光束照射,通过图像分析对荧光粒子进行识别和计数。LUO等[64]通过溶胀法将稀土配合物掺杂到200 nm聚苯乙烯微球(PS-Eu)内部,利用稀土配合物的时间分辨荧光特性实现对植物(小麦和生菜)中吸收积累的PS-Eu颗粒的准确可视化追踪。该方法克服了微塑料传统荧光标记方法存在的背景荧光干扰、染料易泄露、难以同时进行精确定量等缺点,为微塑料在复杂生物介质中积累、传输和分布提供了一种崭新、简便、通用的研究方法。