水和沉积物中微塑料的取样和分析研究进展

龚为进， 张京京，， 王 俊， 冀 岳，任远林， 田振邦， 黄做华

（1.中原工学院能源与环境学院，郑州 451191； 2.河南省科学院化学研究所有限公司，郑州 450002）

塑料因其廉价性与普适性在日常生活中被广泛使用，据统计，2019年全球塑料生产总量高达3.68亿t，中国作为塑料生产大国，年产量占全球生产总量的31%［1］. 塑料是一类持久性有机聚合物，化学性质稳定，难降解，可在环境中存在数百年甚至更久［2］. 微塑料这个概念于2004年第一次提出，指粒径小于5 mm的塑料微粒［3］. 微塑料可分为初级微塑料和次级微塑料，初级微塑料指个人护理产品和工业生产中使用的原始尺寸小于5 mm的塑料微粒，如磨砂洗面奶、牙膏中添加的研磨粒子等；次级微塑料是指大塑料经过风化、紫外线照射等物理化学作用破碎形成的粒径小于5 mm的塑料微粒，如化纤衣物洗涤过程中产生的纤维碎片等［4-5］.微塑料粒径小，具有较强的疏水性和较大的比表面积，吸附有毒有害物质的能力较强. 与大塑料造成的“白色污染”相比，微塑料能造成更严重的生态风险. 水体中的微塑料易被水生生物误食，对生物的消化器官等造成机械损伤［6-13］，且微塑料吸附的有毒有害物质在生物体内解吸，会对生物体产生化学毒害作用，被称为水中的“PM2.5”. 据报道，摄入了微塑料的水生生物超过690种［14］，进入生物体内的微塑料通过食物链的传递威胁整个生态系统，并最终在人体内富集，严重威胁人类健康. Ansari等［15］发现高密度聚乙烯对斜纹微藻有较强的生长抑制效果，且随着微塑料浓度增加，斜纹微藻的光合效率降低；Sussarellu等［16］发现长牡蛎滤食微塑料后，胰岛素信号通路相关基因表达下调，对生殖细胞增殖和成熟产生负面影响.

微塑料污染已被联合国环境规划署列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题. 近年来，微塑料成为一个研究热点，然而微塑料的取样、检测方法复杂多样，目前还没有关于微塑料取样、预处理及检测方法的统一的、规范化的标准，各个研究中使用的方法不尽相同，检测结果也差别较大. 本文对比研究了水和沉积物中微塑料取样、预处理及检测的常用方法及其优缺点，并在此基础上，提出了减少交叉污染的建议.

1 样本采集

微塑料的分布受天气、时间和地理等因素的影响较大，因此取样区域、取样深度等因素都会对检测结果产生影响. 另外，取样装置和取样量对检测结果也有一定影响，取样装置的选择取决于可选用的设备和取样的目的，取样量决定了检测结果的代表性. 为了提高研究的再现性与参考性，研究结果不仅要包含微塑料的总量，还应包括微塑料的种类、颜色、尺寸等信息. 由于没有统一的标准，目前大多数关于微塑料环境浓度的研究具有时间和空间上的局限性，这限制了相关研究之间的横向分析.

1.1 水体取样

微塑料在水体中的分布取决于它们的性质，如密度、形状、大小、对化学物质的吸附和生物附着的类型以及水的密度、风速、水流和波浪等环境条件，因此微塑料的回收率与取样深度密切相关. 为了形成标准化的取样方法，淡水和海水样品的取样和处理方法应是相似的，然而不同水体的密度不同，这可能会导致微塑料在不同水体中有着明显不同的分布（一般来说，微塑料在淡水系统中的分布会更深）. 因此，取样深度需要根据取样水体的密度进行调整.

水体取样可采用简易自动采样装置［17］、容器收集装置［18］、拖网取样装置［19］、泵抽吸原位过滤装置等. 简易自动采样装置效率高、易操作、取样快速，但与容器收集装置一样，取样体积有限，检测结果缺乏代表性. 检测结果的代表性与取样量有关，对大量水体进行取样常采用拖网取样或泵抽吸原位过滤装置，如曲玲等［20］通过拖拽网眼尺寸为330 μm的Manta网收集渤海锦州湾表层海水中的微塑料. 拖网网眼大小决定了截留物的尺寸和取样量. 如浮游生物网具有较小的网眼尺寸（约100 μm），回收浓度比Manta网高30倍［21］；对于纤维状微塑料，网眼尺寸为80 μm的取样网，其过滤纤维状微塑料的能力是330 μm取样网的250倍以上［22］，但是网眼尺寸越小拖网堵塞风险也越高. 拖网取样法只能在水体表面进行取样，无法满足取样深度的要求，可能造成对检测水体中微塑料浓度的低估，特别是高密度的微塑料. 水泵抽吸原位过滤装置可以通过调整水泵吸水口深度满足不同的取样深度，但是水泵及输水管可能造成样本污染. 因此，不同方法具有的局限性可能导致在满足代表性和避免潜在污染之间的困难选择. 为了改善这一缺陷，并减轻取样的工作量，应在实验前确定满足代表性的最小样品容量.

1.2 沉积物取样

微塑料在沉积物中的分布是不均匀的，主要受其性质和环境因素的影响. 因此检测结果将很大程度上取决于取样区域和深度. 例如，在微塑料积聚较多的潮汐线上收集沉积物，可能会导致微塑料数量的高估［23］. 取样量一般在数百至数千克，取样深度在2.5 cm 到30 cm 不等［24-25］. 各研究中采用的样本质量或体积差异较大，这也会对检测结果的代表性产生影响. 根据MSFD技术亚组［26］和NOAA（美国国家海洋和大气管理局）的建议，每组实验至少使用5个平行样，每个平行样品质量为400 g.

针对沉积物，一般使用不锈钢勺、不锈钢铲、抓斗取样器、箱式或柱状取样器［27］进行取样. 抓斗取样器下沉时会扰乱沉积物，只适用于表层沉积物取样；箱式或柱状取样器可同时采集表面和不同层次的样品，且不会扰乱沉积物，但取样量较少.

2 样品预处理

2.1 微塑料的提取

2.2.1 过滤

过滤是分离水样和由密度分离法得到的沉积物样品上清液中微塑料最常用的方法. 将样品直接通过单个或层叠的多个不同目数的不锈钢筛，以获得不同粒径的微塑料. 过滤器孔径的大小决定了检测到的微塑料的最小尺寸，孔径的尺寸也并非越小越好，孔径过小时会导致有机物和矿物质等快速阻塞过滤器.

2.2.2 密度分离

利用密度差异可从沉积物中分离微塑料，通常将沉积物与饱和盐溶液混合，收集含有微塑料的上清液进行过滤［28-29］. NaCl［2］、ZnCl2［30］、NaI［24］的饱和溶液是常用的密度分离试剂. NaCl易得、价格便宜、对环境友好，是密度分离中最常用的盐类之一. 试剂级NaCl具有更高的密度，对于密度较大的聚合物具有较高的萃取效率［31］. 然而，Quinn等［32］发现NaCl以及NaBr 回收率较低（＜90%），特别是对高密度的微塑料，并且误差较大，而NaI和ZnCl2在分离较重的聚合物时具有良好的回收率（99%）和较小的误差. 另外，NaI也能回收疏油纤维（93.3%），回收率优于CaCl2（69%）［33］，但是NaI价格昂贵且能与纤维素过滤器发生反应［34］，使其变黑，增加目检的难度，而ZnBr2对环境有害. 因此NaCl适用于低密度微塑料，ZnCl2适用于高密度微塑料，NaI适用于绝大多数微塑料的分离. 综合考虑回收率与成本，当回收的微塑料密度较大时可使用NaI或ZnCl2作为分离试剂，密度较小时使用NaCl.

对于亲油性微塑料的提取可以油作为分离试剂，油黏附在微塑料表面使其上浮到油层，其他杂质保留在原溶液中，从而实现微塑料的分离. 油萃取的微塑料回收率＞90%. Imhof等［35-36］使用菜籽油对微塑料的回收率为96.1%，取样时间较饱和盐溶液缩短约2 h，有机物残留较少. 在饱和盐溶液中加入一滴橄榄油，可以帮助收集上清液中的塑料颗粒，将回收率从64%提高到82%［37］. 尽管油在分离微塑料方面有局限性，并且需要使用洗涤剂进行清洗，但它可以与饱和溶液结合使用以提高回收率.

2.2 消解

水样和沉积物中含有有机物、非塑料成分（如植物种子、玻璃碎片、木屑）等，而微塑料由于自身结构特性，易吸附环境中的有机物，这会对检测分析产生干扰. 例如，Crichton等［38］报告说，来自海滩的沉积物中含有0.5%～7.0%的有机物质. 适当的消解方法可以去除样品中大部分的有机物和生物材料，使塑料微粒从污泥团聚体中释放出来［35，39-40］，并减少生物材料产生的干扰. 因此，有必要探索出一种简单的消解方法，能够在不影响聚合物结构和化学完整性的情况下去除有机物，是否需要进行消解取决于样品中有机物的浓度.当使用目检法鉴定时，应当对样品进行消解处理.

消解样品中有机物常用的方法有酸消解、碱消解和氧化剂消解. 酸碱可用于消解有机物，但是一些耐酸性、耐碱性较低的聚合物类微塑料可能会被降解，特别是在高温、高浓度下. 因此，酸碱消解必须控制在适宜的温度和浓度下进行. 例如，Naidoo等［41］发现，加热硝酸（HNO3，55%）到80 ℃可以使鱼组织的消解速度提高26倍，而当消解液温度超过60 ℃就有可能会破坏微塑料. 相比于酸、碱消解，氧化剂消解被认为是一种较为温和的消解方式，氧化剂消解法包括湿式氧化（WPO）法、芬顿氧化法、过氧化氢氧化法等. 大多数微塑料经WPO法处理后被认为其结构与化学性质不发生改变，除了聚乙烯和聚丙烯颗粒的尺寸略有变化［42］. 芬顿试剂能够快速消解有机物［43］，具有较强的氧化能力，因而可无选择地氧化水中的大多数有机物，适用于难生物降解或一般化学氧化难以奏效的有机物的氧化处理. 过氧化氢（H2O2，30%）是一种常用的消解剂，能够有效地消解有机物，除对PP和PE的结构完整性略有破坏［44］，其他聚合物几乎不会被降解［45-46］. 反应温度是H2O2消解效率的决定因素，例如Cole等［47］报道，样品在室温下与H2O2（30%）反应7 d，仅降解了25%的有机物，在50 ℃反应一夜能更有效地去除有机物，并且微塑料的傅里叶红外变换光谱不变. H2O2消解较为温和，与酸碱消解相比反应时间较长. 为了缩短消解时间而又不破坏微塑料结构性质，也可采用30%V（H2O2）∶V（H2SO4）=1∶1混合液进行消解. 虽然H2O2消解对微塑料结构完整性影响较小，但是反应过程中会产生大量泡沫，使溶液外溢或样品附着在反应器内壁，造成微塑料数量的低估［48-49］.

3 微塑料的定量分析和检测方法

微塑料的定量分析和检测方法有目检法、光谱法和热分析法等. 光谱法包括傅里叶变换红外光谱法（FTIR）、拉曼光谱法（Roman）等；热分析法有热解-气质联用法（Pyro-GC-MS）、热萃取-解吸-气质联用法（TED-GC-MS）、热重-差示扫描量热法（TGA-DSC）等. 单一方法不能满足要求时，通常会采用多种技术联用进行鉴定.

3.1 目检法

目检法是检测者使用立体显微镜，根据微塑料的物理特征，凭借自身经验判断对样品中微塑料特性和丰度进行记录的方法. 这是目前最常用和使用最广泛的塑料颗粒识别和定量方法之一，甚至在进行化学表征时被用作预先选择. 但是，目检法十分耗时耗力，检出率不高，无法确定微塑料的成分，并且这种方法是主观的，不同检测者之间的检测数据可能会相差很大，随个体、经验、疲劳程度的不同而变化，并导致对某些类型和颜色的微塑料的高估（如将生物物质混淆为黑色碎片）或低估（如白色碎片）以及将其他材料误分类为塑料.

3.2 光谱法

多元红外光谱技术已经用于鉴定塑料微粒的特性. FTIR利用分子选择性吸收样品红外波长，激发振动跃迁，得到样品的红外吸收光谱，再将样品光谱与标准谱库的谱图进行对比，从而获得样品信息［50］. FTIR有衰减全反射（ATR）和焦平面阵列（FPA）两种模式，可根据待测样品特性进行选择.X射线电子能谱可以获得样品的元素组成，与FTIR联用可以进一步判断微塑料的种类. FTIR是目前鉴定微塑料最佳的技术之一，但样品中的水分会对检测产生干扰，对黑色和不透明的微塑料分析困难，且只能检测粒径＞20 μm的颗粒，对更小的和没有标准谱图的颗粒无法识别. 拉曼光谱（Raman）弥补了FTIR的缺点，它具有更高的分辨率，可以识别粒径＜20 μm的颗粒，但易受到背景杂质、微塑料颜色、添加剂和其他污染的干扰，不能检测荧光样品，检测时间较长［51］. 光谱法是非破坏性检测.

3.3 热分析法

热分析法利用的是不同聚合物在热稳定上的差异性，与光谱法相比，此方法是破坏性的，对于需回收的样品不可使用. 在热解-气质联用（Pyro-GC-MS）中，微塑料在惰性条件下热分解（热解）形成的气体被低温捕获并在色谱柱上分离，然后通过质谱进行鉴定［52-53］. 这种方法适用于单一颗粒的鉴定，对样品纯度要求较低，无须预选择［54］，灵敏度高、特异性强，可以提供单个微塑料或大量样品的化学特征，但这种检测方法不能提供微塑料数量、大小或形状的信息，并且受操作温度（温度上限250～300 ℃）和样品量（5～200 μg）的限制.热萃取-解吸-气质联用（TED-GC-MS）相对于热解-气相色谱质谱的优势是可以使用相对高的样品质量和能够测量复杂的非均质矩阵，允许鉴定和定量环境样品中的聚合物，无须预先选择. 热重-差示扫描量热法（TGA-DSC）通过升温使聚合物发生相变，根据聚合物固液相转变时的热容量差异鉴别聚合物，成本低、易操作，但不同聚合物过渡温度存在重合现象，所以并不是所有聚合物都能使用此方法鉴定.

对样品中所有颗粒进行鉴定成本高且耗时耗力，为减轻鉴定工作量，可用目检法进行预选择，再对可疑颗粒进行化学表征. MSFD技术小组［26］建议，对尺寸在100～5000 μm范围内10%的微塑料和20～100 μm范围内的所有可疑颗粒采用这些方法进行表征.

表1 微塑料常用检测方法及其优缺点Tab.1 Common detection methods for microplastics and their advantages and disadvantages

续表

4 减少交叉污染的措施

由于微塑料在环境中广泛存在，包括空气、水体、土壤及物体表面. 因此取样时应采取措施，尽量减少周边环境对样品的污染. 减少微塑料样品交叉污染可采用的措施包括：①用玻璃或金属设备代替塑料设备；②在取样或处理样品时避免使用合成纺织品，尽量使用100%全棉实验室工作服；③用70%乙醇和纸巾清洗实验台，先用酸清洗设备，再用超纯水清洗设备；④利用开放培养皿、设置空白对照减少空气污染的影响；⑤实验过程中尽量减少样本在空气中的暴露时间，用铝箔纸覆盖样本容器.

5 结论

目前关于微塑料取样和分析的各个步骤都没有明确的规定和统一的标准，不同的取样、预处理及样品检测方法都会直接影响检测结果. 因此迫切需要制定相对统一的、规范的取样及分析方法，使各研究之间可以进行横向对比分析. 就水和沉积物中微塑料的取样及分析，建议采用以下方法：

1）取样. 水体取样的取样量较少时可使用简易自动采样或容器收集装置；对表层或大量水体采样时可使用拖网过滤装置；对不同深度水体进行取样且取样量较大时可使用泵抽吸原位过滤装置. 针对沉积物，不锈钢勺、不锈钢铲适用于少量样品采集，抓斗取样器适用于表层样品采集，对不同深度沉积物取样时可使用箱式或柱状取样器.

2）预处理. 水样经过滤或筛分后，截留物使用30%H2O2在60 ℃下进行消解，反应温和几乎不会破坏微塑料的完整性，且消解效果较好；沉积物样品中有机物含量高，且沉积物形成的团聚体阻碍提取过程. 针对沉积物样品可先消解后提取，消解方法与水样相同. 消解后用饱和NaCl、饱和ZnCl2溶液进行密度分离，分离过程重复三次，其中，前两次使用饱和NaCl溶液作为分离试剂，第三次使用饱和ZnCl2溶液作为分离试剂. 饱和ZnCl2溶液对高密度微塑料的提取效果较好，但价格昂贵、对环境有害. 这种采用两种分离试剂进行提取的方法，既弥补了饱和NaCl溶液对高密度微塑料提取率低的缺陷，又减少了ZnCl2的使用量，经济、环保、高效.

3）检测方法. 对预处理后的样品，采用FTIR进行化学表征效果较好，但对提取出的微塑料样品，如直接选用FTIR进行化学表征，工作量大，耗时耗力. 可选用目检法结合FTIR法，有效提高检测效率. 具体方法为：先用目检法进行初检，确定微塑料总量，挑选出可疑颗粒，再对可疑颗粒用FTIR进行化学表征.