三种化学试剂对生物组织和塑料聚合物的消解效果研究

李游，孙一鑫，李瑾祯，庞智予，张涛,2,3，冯志华,2,3

(1.江苏海洋大学 江苏省海洋生物资源与环境重点实验室，江苏 连云港 222005；2.江苏海洋大学 江苏省海洋生物技术重点实验室，江苏 连云港 222005；3.江苏海洋大学 江苏省海洋生物产业技术协同创新中心，江苏 连云港 222005)

微塑料广泛存在于自然界[1-3]，研究微塑料来源与环境行为需要对其正确定量。当样品为生物或有机质时，需要消解后再对微塑料进行收集。目前实验方法有酸处理[4-5]、碱处理[6-7]、氧化处理[8]、酶消解等[9]。考虑到成本、消解率等原因，化学消解是现今应用最广泛的处理方法。此外，由于消解试剂的不同，各研究采用的消解时间从1 h[9]到24 h[4]或48 h[6]不等，对塑料的损坏程度也不同。因此，选用合适的消解试剂，采用适当的消解时间和温度对于从生物组织中分离微塑料意义重大。本研究以10%KOH、35%HNO3和30%H2O2溶液，在40 ℃条件下消解1 h和24 h，探究其对生物组织和塑料的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

30%过氧化氢、硝酸、氢氧化钾均为分析纯；塑料微球，平均粒径(3.73±0.92) mm，染色后进行回收实验，属性见表1。六丝钝尾鰕虎鱼(Amblychaeturichthyshexanema)，采自连云港海州湾；去离子水。

BS124S型电子天平；SMZ1500型体视显微镜；DKZ-3型恒温水浴振荡器；DHG-9240A型电热鼓风干燥箱；8 μm孔径玻璃纤维滤膜。

塑料微球平均粒径为(3.73±0.92) mm，属性见表1。

表1 微塑料材质、颜色和密度Table 1 Components,color and density arrange of microplastics

1.2 生物组织消解

将30 mL消解液或者对照液添加到玻璃烧杯中，从六丝钝尾鰕虎鱼体表取出肌肉组织(组织包含皮肤组织)，以精密电子天平称量5 g生物样品,根据先前的研究确定暴露温度40 ℃[6,10-13]，设置1 h 和24 h两个暴露时长。消解液放置于40 ℃、60 r/min 环境下振荡培养箱中。反应后，将混合溶液通过8 μm的玻璃纤维滤膜(使用前先称重)，放置于培养皿中，于40 ℃烘干、称重，计算生物组织消解率。

式中m1——消解前50片滤膜的平均重量，g;

m2——消解后的滤膜重量，g;

W——样品湿重，g。

1.3 塑料消解

分别称取定量微塑料，分别暴露在10 mL消解液和对照液中，置于40 ℃、60 r/min环境下振荡培养箱中，待满足相应时长后，将混合溶液通过8 μm 的玻璃纤维滤膜(使用前先称重)，放置于培养皿中，于40 ℃烘干、称重，并观察聚合物的颜色的变化，计算微塑料回收率。

2 结果与讨论

2.1 生物组织消解

生物组织的消解率见表2。

表2 生物组织的消解率Table 2 Digestion rate of biological tissue

由表2可知，在40 ℃的温度下，时长1 h的4种试剂之间的消解率存在显著差异(F=128.133，df=1，P<0.01)，35%HNO3溶液消解率最高，为(77.05±2.86)%，其次为10%的KOH溶液,消解率为(76.45±3.61)%，30%的H2O2溶液消解率最低，为(73.76±0.63)%，对照试剂水对生物组织消解率为(0.04±0.06)%。在40 ℃的温度下，时长24 h的4种试剂对生物组织的消解率存在显著差异(F=1 349.444，df=1，P<0.01)，10%的KOH溶液消解率最高，为(98.64±0.38)%，其次为30%的H2O2溶液,消解率为(94.40±3.28)%，35%HNO3溶液消解率最低，为(89.98±7.25)%，对照试剂水对生物组织消解率为(0.96±0.63)%。3种化学试剂中，暴露时长24 h处理的平均消解率均显著高于暴露时长1 h的处理。

2.2 塑料的消解率

在温度40 ℃，暴露时长24 h情况下，5种塑料的消解率见表3。

表3 塑料的消解率Table 3 Digestion rate of plastic material

由表3可知，空白对照中，H2O的消解率均为0，3种试剂对PE的消解率之间存在显著差异(F=18.771，df=3，P<0.01)，10%的KOH溶液的消解率最高，为(0.15±0.03)%，其次为35%HNO3溶液，消解率为(0.09±0.04)%，消解率最低的是30%的H2O2溶液，消解率为(0.08±0.02)%。3种试剂对PP的消解率之间存在显著差异(F=39.102，df=3，P<0.01)，其中消解率最高的是10%的KOH溶液，消解率为(0.05±0)%;其次为35%HNO3溶液，消解率为(0.03±0.01)%;消解率最低的是30%的H2O2溶液，消解率为(0.02±0)%。3种试剂对PA的消解率之间存在显著差异(F=65.497，df=3，P<0.01)，其中消解率最高的是35%HNO3溶液，消解率为(0.09±0.01)%;其次为30%的H2O2溶液，消解率为(0.08±0.02)%;消解率最低的是10%的KOH溶液，消解率为(0.06±0)%。3种试剂对PVC的消解率之间存在显著差异(F=708.529，df=3，P<0.01)，消解率最高的是30%的H2O2溶液，消解率为(0.56±0.02)%;其次为35%HNO3溶液，消解率为(0.53±0.02)%;消解率最低的是10%的KOH溶液。3种试剂对PS的消解率之间存在显著差异(F=220.643，df=3，P<0.01)，消解率最高的是10%的KOH溶液，消解率为(0.38±0.01)%，其次为35%HNO3溶液，消解率为(0.32±0.03)%，消解率最低的是30%的H2O2溶液，消解率为(0.27±0.01)%。

2.3 讨论

Mohsen等研究表明，在40 ℃的情况下，化学试剂并未让塑料产生形态或者颜色上的变化，在60 ℃的温度下，塑料出现了颜色和形态上的变化[14]。Karami等研究表明，10%KOH在40 ℃的温度下48～72 h即可有效消解鱼组织[5]，而吴文楠等发现，在温度50 ℃下，10%KOH溶液、30%H2O2溶液和蛋白酶K对PA有3.74%～10.02%的影响[15]。因此，本研究选取40 ℃作为对生物组织和塑料的消解能力的温度是恰当的。

时间是影响消解率的重要因素，在本研究中，3种化学试剂消解1 h处理组显著低于消解24 h处理组。Dehaut等比较了几种试剂的消解效果，结果表明10%KOH于60 ℃ 消解24 h效果较好[16]。吴文楠等在10%KOH、50 ℃条件下，只用了6 h消解率就达到97%[15]。但是，有研究表明，当消解温度超过40 ℃时，会对塑料颜色等特征产生影响。本研究发现，10%KOH溶液在40 ℃的温度下，消解24 h后，消解率为(98.64±0.38)%。

本研究发现，在时长1 h的处理中，35%HNO3溶液消解率最高，其次为10%的KOH溶液，30%的H2O2溶液消解率最低，而在时长24 h的处理中，10%的KOH溶液消解率最高，其次为30%的H2O2溶液，35%HNO3溶液消解率最低。相关研究[15]发现，KOH在50 ℃的温度下，能够消解实验用各种生物组织，平均消解率高达(97.63±4.09)%，对部分组织的消解率更是高于99%，消解后无明显残留，消解液过滤时也无明显堵塞滤膜，与本研究一致。

本研究发现3种化学试剂在温度40 ℃，暴露时长24 h的情况下，消解率都在1%以内。对PVC和PS的消解率在0.3%～0.6%。对PP、PE和PA的消解率都在0～0.3%。表明所选的3种化学试剂在40 ℃，消解24 h的情况下，不会对塑料重量产生大的影响。但值得注意的是，35%HNO3溶液和30%H2O2溶液会引发塑料颜色的改变，使得塑料由透明变黄。与之相比，10%KOH溶液并不会使得塑料产生颜色改变和形变，且对生物的消解率比较高。

3 结论

选取40 ℃作为对生物组织和塑料的消解能力的温度是恰当的。3种试剂消解24 h的消解率高于消解1 h的消解率。1 h的暴露时长下，35%HNO3溶液最高，30%的H2O2溶液消解率最低。暴露时长24 h下，10%KOH溶液消解率最高。3种试剂在40 ℃ 暴露24 h的条件下，对塑料的消解率在1%以内，并不会对塑料产生太大影响。10%KOH溶液可作为生物组织中微塑料提取的理想试剂。