淡水环境沉积物中微塑料的密度分离方法研究

张耀丹，李欣桐，李 永，王 昊，李克锋，梁瑞峰

1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130 2.四川大学，水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065

塑料因其质轻、化学性质稳定的优点，自20世纪初被成功合成后就广泛应用于日常生活、农业、工业上，并且已经逐渐发展成为人类生产生活不可或缺的部分[1-2]。塑料在自然环境中不易分解或只能进行极其缓慢降解[3]，例如日常使用的聚乙烯塑料袋在环境中自然分解大约需要200 a[4-5]。据估计，至今为止，人类共产生了91亿t以上的塑料垃圾，而这些塑料垃圾的回收利用率不足10%[6]。除回收利用的部分塑料垃圾进入了垃圾填埋场或焚烧场，剩余的塑料垃圾则是被丢弃在环境中，其中部分随意倾倒或填埋的塑料垃圾最终会进入水体。进入水体的这些塑料垃圾短时间内无法降解，在水力、化学以及生物的作用下将会分解成更小的塑料碎片，当塑料碎片尺寸小于5 mm时一般可认为是微塑料[7]。我国现有研究中监测到的微塑料种类有农业、工业和制造业中常见的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)及用于衣物、织物纺织的人工合成纤维类微塑料，如涤纶(PET)、尼龙(PA)、人造丝(RA)等[8-11]。

通常，学者们将水环境中的微塑料研究分为水样、沉积物或潮滩中的研究[12-16]，如何有效地将微塑料从背景物质中分离出来是研究中必不可少的一步[17-18]。但是，现有的微塑料分离方法暂无统一的系统程序和检测标准[17,19-20]。通常水样经过消解预处理后能大大降低微塑料样品中杂质的量，因而对微塑料的后续分析影响不大[21]，而沉积物或潮滩样品中掺杂的泥沙和其他杂质颗粒会严重影响对其中微塑料的实验分析。密度分离法可以有效地提取目标组分，分离效率高，利用微塑料和杂质的不同密度将目标微塑料样品从沉积物(包含颗粒碎屑及有机植物残枝、生物残体等)中分离出来。各种类型塑料的密度通常为0.8～1.4 g/cm3[22]，而沉积物的主要组成成分泥沙的密度通常大于2.5 g/cm3，有机植物残枝密度一般小于0.7 g/cm3，因此可以使用不同密度的溶液将目标组分从沉积物中提取出来[23]。

目前，最常用的提取溶液是廉价易得的饱和NaCl溶液，也有学者使用饱和NaI溶液、多钨酸钠溶液和ZnCl2溶液对密度为1.2 g/cm3以上的微塑料进行提取，且提取效率更高[24-25]。但这几种化学药品单价高，废液处理不当将对环境造成负担。基于不同的提取溶液，使用密度分离法提取微塑料的同时还需辅以不同的实验仪器和操作方法[23,26-27]，如离心机离心、分液漏斗分液、流化床分离等，同样暂无统一公认的高效提取方法。

本研究在选择相对经济环保的饱和NaCl溶液为提取溶液的前提下，选取和改进了直接浮选法(方法一)、容量瓶浮选法(方法二)和离心法(方法三)3种典型的沉积物微塑料分离方法，成功应用于岷江成都段沉积物中微塑料的分离，研究比较了其对不同成分和形态的淡水环境沉积物微塑料的分离效果，旨在为今后沉积物中微塑料检测中的分离措施提供参考及应用实例，尤其是在淡水环境沉积物微塑料污染的定量分析方面，为未来我国淡水环境微塑料污染的标准化和系统化检测提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用沉积物样品采用2019年11月在岷江成都段“内江-府河”段上的N1、N2、N3和N4 4个点位(图 1)所采集的沉积物样品。样品密封后带回实验室，放置在阴凉处自然风干及保存。每次分析取约200 g沉积物样品密封后放入烘箱中设置50 ℃干燥24 h。实验所使用的器材包括各型号玻璃烧杯、1 L容量瓶、50 mL离心管和离心机(cence TGL-16M)等。实验所使用的试剂包括饱和NaCl溶液、30% H2O2试剂和光谱级溴化钾，均购于成都科隆化工试剂厂。

图1 采样点位置示意图Fig.1 Location of sampling points

1.2 实验方法

1.2.1 分离方法

研究采用直接浮选法(方法一)、容量瓶浮选法(方法二)和离心法(方法三)这3种微塑料密度分离方法进行比较。其中方法一最为简单，即将样品和溶液在烧杯中直接混合，静置后收集上层溶液中的疑似微塑料样品；方法二是将溶液和沉积物样品在容量瓶中充分混合后静置，其间利用容量瓶上小下大的特点充分分离目标样品和沉积物，改进常规的直接倾倒法，使用橡胶管使饱和NaCl溶液匀速通入，借助液体流动态提取上层溶液和悬浮物；离心法则是将沉积物样品和溶液在离心管内混合，同时利用振荡搅拌器充分混合后再放入离心机离心分离并提取上层溶液中的悬浮物。

方法一：取烘干后样品50 g于250 mL烧杯中，加入150 mL饱和NaCl溶液充分搅拌均匀后静置10 min。静置后将含有目标悬浮物的上层液体收集到干净烧杯中。将浮选剩下的沉积物再次加入适量饱和NaCl溶液充分搅拌均匀，重复静置分离操作3次。将操作得到的含有目标悬浮物的上层液体收集到一起，通过抽滤装置将溶液中的固体悬浮物收集到孔径10 μm、直径50 mm的滤膜上，再使用少量的去离子水将滤膜上的样品冲洗到烧杯中。将收集的样品转移到250 mL三角烧瓶中，加入150 mL 30% H2O2溶液，并将烧瓶放置到摇床中，设置摇床参数20 ℃、100 r/min消解24 h，以消解沉积物中植物残枝等[24]。将消解后的溶液再次通过抽滤装置，用去离子水将样品冲洗到孔径10 μm、直径50 mm的滤膜上的同时也冲洗掉表面残留的H2O2溶液，最后保存在滤膜盒中并编号。

方法二：取烘干后的样品50 g，使用漏斗将样品转移至1 L容量瓶中，加入饱和NaCl至容量瓶刻度线，将样品充分混合均匀后静置10 min。将容量瓶放置在1 000 mL烧杯中，将一根橡胶管由上至下伸入容量瓶内部大约2/3深度位置，使用虹吸的方法让饱和NaCl溶液匀速地注入容量瓶，使上升的液体流带动悬浮在容量瓶细口部位的悬浮物，使其溢出并收集到烧杯中。将容量瓶外壁以及橡胶管管壁上附着的悬浮物冲洗进烧杯中一同收集起来。用同样的方法对下层沉积物再次进行浮选，共浮选3次。后续抽滤、收集和消解有机物后再抽滤收集的操作方法与方法一相同。

方法三：取烘干后的样品50 g，平均分成5份，将每份(10 g)分别置于50 mL离心管中，用移液管吸取30 mL饱和NaCl溶液于每支离心管中，放置在振荡搅拌机上充分振荡，并调整各离心管质量，尽可能保证质量相等。将装有样品的离心管放入离心机，设置参数5 000 r/min，离心5 min。将离心后的含疑似微塑料样品的上层溶液分离收集，下层沉积物继续加入适量饱和NaCl溶液，重复离心分离共3次。后续抽滤、收集和消解有机物后再抽滤收集的操作方法与方法一相同。

以上3种方法每个样品均取3个平行样进行分析，分析结果取平均值。

1.2.2 成分分析方法

从每组通过分离操作得到的疑似微塑料样品中随机选取40～50片，通过傅里叶变换红外光谱法进行成分鉴定，以确定各方法检出的准确率。当样品足够大，可以被光谱仪探针接触识别时，直接将该样品放置到光谱仪样品仓中通过探针固定后进行扫描。当样品不能被探针直接识别时，需要先将样品进行压片处理。压片步骤：取一个待测样品于玛瑙研钵中，加入适量在100 ℃下干燥3 h的光谱纯溴化钾，混合后在玛瑙研钵中研磨10 min，使用TN-PC-15FS压片机压片。将压片样品或直接样品放置到IRAffinity-1S傅里叶变换红外光谱仪样品仓中扫描，储存输出的光谱信息，分析微塑料样品的成分。将输出的图谱与数据库中标准图谱进行匹配，匹配度在70%以上视为匹配成功。

1.3 回收率实验

用于回收率实验的微塑料颗粒(PP、PE、PA、PVC、PET)购于深圳广全塑料厂。将其切割成尺寸为1 mm以内的颗粒后混入烘干好的干净土样中。实验过程中所用的已知成分的微塑料颗粒的类型、颜色、数量等情况见表1。

表1 回收率实验相关参数表Table 1 Related parameters ofrecovery rate experiment

利用3种不同分离方法进行分离操作，对分离方法的准确率进行补充验证，重复操作3次。微塑料回收率计算公式：

1.4 数据处理

由于方法三使用的离心机转子和离心管有容量的限制，在方法三中将50 g沉积物样品平均分成5份，每份10 g，进行微塑料分离实验。而方法一、方法二每个实验组取50 g沉积物样品，因此在进行实验数据统计时应在原实验数据的基础上统一计量单位。本研究对于微塑料样品使用丰度计量，单位统一为“个/kg”。

采样点示意图为采样时使用奥维互动地图读取采样点现场GPS坐标后，利用ArcGIS 10.2进行绘制所得。结果中数据及所使用的表格、柱状图等均使用Excel软件进行处理和绘制。

2 实验质量保证与控制

为避免分析过程中潜在的背景污染，采取了以下预防措施。在整个取样和分析过程中，参与实验的人员均穿着非纺织布材质的实验服。样品一经收集，立即存放在密封的铝箔样品袋中。所有材料和容器在使用前用蒸馏水冲洗3次，每一步操作后用铝箔纸覆盖[28-29]。在分析样品前对使用立体显微镜的工作场所进行了仔细清洁。

样品在实验室干燥及分析过程中的潜在污染(如实验室空气中的污染物)应通过空白实验进行检查。用孔径10 μm滤膜纸，抽真空过滤1 h，检测工作场所空气中潜在的颗粒物，进行3次重复实验。显微镜下平均检出(0.67±0.47)个颗粒物，与沉积物样品中微塑料丰度相比极小，因此实验室分析过程中的污染可以忽略不计。

3 结果与讨论

3.1 不同方法微塑料分离效果

3种实验方法均分离出了大量疑似微塑料的颗粒，经过傅里叶变换红外光谱仪鉴定后，其中部分颗粒被鉴定为微塑料。通过鉴定确认为微塑料的颗粒个数与疑似微塑料的颗粒个数的比例为准确率。方法一随机选取的43个疑似微塑料样品中有32个通过鉴定确认为微塑料，即准确率74%。方法二准确率64%，方法三准确率88%。

方法二分离出的疑似微塑料样品数量最多，但分离准确率最低，仅64%。在未被成功确认为微塑料的16个样品中，有2个疑似样品被鉴定为硫酸镁，3个被鉴定为二氧化硅，其余成分有低密度砂石和硅酸铝等。这可能是由于浮选时使用动态流带动目标样品上升过程中无差别地带动了其余密度略大的杂质，并随动态流上升从而被选出。方法一分离准确率为74%，但分离出的微塑料样品数量少于其他2种方法，这是由于方法一简单的操作无法使沉积物与溶液充分混合并被提取溶液分离出来，且分离上层溶液及悬浮物时采用手动操作，实验误差较大，导致分离准确度低。而方法三使用了振荡搅拌器充分混合溶液与沉积物，并使用离心机充分离心，分离效率及准确性高。方法三手动操作较少，较其他2种方法可有效降低实验误差。按照准确率折算后，同一样品方法三分离出的微塑料样品数量相对最多，且准确率最高。3种方法对微塑料的分离结果如图2所示。

3.2 不同方法对微塑料成分的分离结果

研究共随机选取了133个疑似微塑料样品进行鉴定，其中有101个样品通过傅里叶红外变换光谱图的匹配，成功确认为塑料成分。它们的尺寸为66～4 770 μm，其中有90.4%的微塑料的尺寸在1 000 μm范围内。实验鉴定出了PP、PE、RA、PA、PET、PS、PVC、聚乙烯-聚丙烯共聚物(PP-PE)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共计9种成分的微塑料(图3)。

图3 不同方法对各种成分微塑料的分离结果Fig.3 Results of the various microplasticcomponents separated by different methods

3种方法均分离出了PP、PE、RA、PA、PET和PVC 6种塑料成分。其中，方法一虽操作简单但分离的微塑料种类最多，共8种，且能对纤维状、密度低的RA进行高效提取。方法二分离出了7种微塑料成分，较其他2种方法在提取较高密度的塑料[如PVC和PET(1.33～1.38 g/cm3)]等方面表现出优势，但方法二准确率最低，可能由于NaCl溶液对密度较高的微塑料颗粒提取效果一般较差。方法三分离出了7种微塑料，对PP、PE和RA 3种成分的微塑料提取效率最高，同时对PS的提取效果相较于其他2种方法好。

3.3 不同方法对微塑料形态的分离结果

根据已有研究，微塑料的形态学分类通常有片状、纤维状、薄膜状、颗粒状、小球状、发泡状等[30-31]。经过对本研究中分离出的确认为微塑料的样品仔细观察后发现，采集到的样品中未发现薄膜状微塑料，未观察到纯粹为圆球形状的微塑料，仅有部分颗粒状接近球形但表面并不光滑的微塑料颗粒，因此本研究中不将“小球状”单独设为一类，并将接近小球状的微塑料颗粒记为“颗粒状”。研究中得到的微塑料样品中未发现明显“发泡类”微塑料颗粒，推测样品本身无“发泡类”微塑料颗粒，或是由于其破碎为更小的粒状而目检分辨时无法明确判断而被归入颗粒类，或是由于发泡类塑料易被染色而在目检分辨时不能明确将之分类，所以本次研究也不设置“发泡类”这一类型。综合考虑，本研究设置颗粒状、片状、纤维状3种微塑料形态类型。

3种方法分离后确认为微塑料的总计101个样品中纤维状、片状、颗粒状微塑料分别占36%、54%、10%。每种方法分离出的确认为塑料成分的样品的形状类型占比见图 4。3种方法分离出的微塑料中片状微塑料占比均最大，颗粒状占比最小。对于纤维状微塑料，发现其占比与RA、PA和PET 3种成分的总占比大致相同，这是由于它们大多为衣物、织物类纺织用纤维，绝大多数为纤维状[16,32-33]。

进行组间比较时发现，方法一对分离纤维状微塑料较另外2种方法占优势，方法二对分离颗粒状微塑料较另外2种方法占优势。组内比较，方法二分离出的片状微塑料最多，这是由于塑料表面一般具有疏水性且与表面积呈正相关，片状微塑料颗粒表面积更大，由疏水性产生的浮力更大，而方法二使用的动态上升液体流对提取表面积相对较大的颗粒更占优势。方法二对提取颗粒状微塑料较另外2种方法占优势同样是因为动态液体流无差别浮选对颗粒状微塑料提取效率更高，但也因为这一特点造成了方法二误检率高的问题。方法三对片状微塑料的提取率高于其他2组可能是由于在总量中占比高的PE、PP 2种成分的微塑料多以片状存在，因此片状微塑料占比高是样品的真实反映。

图4 不同方法对各种形态微塑料的分离结果Fig.4 Results of microplastics invarious shapes separated bydifferent methods

3.4 回收率实验结果

3种方法回收率实验结果见图5，回收率实验中的微塑料见图6。结果表明，3种方法对PP的回收率均为100%。其中，方法三对PE、PA、PET的回收率高于其他2种方法，方法一对高密度的PET提取效率明显低于其他2种方法，而方法二对分离密度较大的PVC较其他2种方法占优势，但对PA的分离效果差。总体来看，含相同丰度及组成成分的微塑料的样品，方法三的分离效果最佳，这验证了前面利用3种方法分离岷江沉积物中微塑料的实验结果的正确性。

图5 回收率实验结果Fig.5 Results of recoveryrate experiment

图6 回收率实验中的微塑料Fig.6 Microplastics used in the recovery experiment

4 结论

a)相同特征的样品，方法三较其他2种方法有优势，分离出的微塑料样品数量最多，且准确率最高。

b)方法一分离出的成分不同的微塑料种类最多，方法二对PP和PVC 2种成分的微塑料分离效率较高，方法三对PP、PE和RA 3种成分微塑料分离有优势。

c)3种方法分离出的微塑料的各种形状占比均为片状>纤维状>颗粒状，方法三的分离结果最好地还原了这一形状占比结果。

d)回收率实验结果表明，含相同丰度及组成成分的微塑料的沉积物样品，方法三的分离效果最佳，验证了利用3种方法分离岷江沉积物中微塑料的实验结果的正确性。