土壤微塑料监测技术现状及方法标准化建议

薛荔栋，张霖琳，于海斌，朱红霞，袁 懋

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

微塑料普遍被认为是环境中粒径小于5 mm的颗粒或碎片[1]，按来源可分为初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料是人工生产过程中直接产生并最终释放到环境中，如个人护理用品中的微珠等。次生微塑料是指大尺寸的塑料产品或塑料废弃物经过物理、化学、生物等作用裂解形成的，如纺织品、涂料、轮胎等产品在使用过程中产生的微塑料等[2-3]。MÖLLER等[4]按粒径大小将微塑料划分为大粒径(500 μm～5 mm)和小粒径(1～500 μm)。常见组分包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等。土壤微塑料主要来源于农膜残留、污泥污水废弃物等，可通过循环利用、垃圾填埋、大气沉降等途径进入环境，也可通过地表向河流、海洋和地下水传输。除自身高分子材料及常见改性添加剂(邻苯二甲酸酯、聚溴二苯醚等)具有毒性外，微塑料还易吸附有机污染物及重金属而形成复合污染，进而引发严重的生态环境问题和健康风险[5-9]。

《新污染物治理行动方案》明确要完善新污染物环境监测技术体系，开展新污染物环境调查监测和环境风险评估，加强微塑料等新污染物的生态环境危害机理研究和管控。目前，研究层面主要集中在沉积物、污泥和土壤介质中的微塑料采样、样品制备、分析和评价方法等环节[10]，国内外尚未建立国家级或国际统一的土壤微塑料监测标准，难以实现研究结果间横向比较和生态风险的准确有效评估[11]。本研究在系统梳理土壤微塑料已有研究基础上，明晰样品采集、制备(分离、有机质去除)、识别与定量等环节各种方法优缺点，探讨质量保证与质量控制(QA/QC)措施，对土壤中微塑料监测方法标准化提出分步实施建议，为土壤新污染物的监测与评估提供技术支撑。

1 土壤微塑料监测技术

1.1 样品采集

与水体不同，微塑料在土壤或沉积物中的分布更加具有模块性和不均匀性，选择不同的采样点位、深度等参数都会对监测数据的可比性产生影响[4]。因此，实现代表性采样是土壤微塑料分析的重要步骤之一。

1.1.1 采样布点

MÖLLER等[4]针对不同研究目标将土壤微塑料采样布点方法总结为经验判断布点、系统布点和随机布点3类(表1)，可单点采集或多点混合[12]，采样点数量通过统计分析确定。

表1 土壤微塑料采样布点方法概述Table 1 Overview of soil microplastic sampling methods

1.1.2 采样深度及采样量

土壤表面微塑料采样深度一般为 0～20 cm[13]，大多数研究集中于0～10 cm[12,14-16]，被认为是微塑料的主要分布范围。采样量目前尚未统一，但应超过后续制备和分析所需的样品量(50 g ～4 kg)。国际标准化组织(ISO)[6]推荐采样深度一般在1～5 cm，采样面积为0.04～0.3 m2，样品量(湿重)为2～70 kg。

微塑料样品采集时需要注意避免采样器具的污染。MÖLLER等[4]提出采样时应避免工具、衣服或存储器具引入的微塑料污染，采样工具根据监测目标可选择金属勺(铲)、箱式采样器、取土钻或岩心取样器等。

1.2 样品制备

土壤中杂质颗粒、有机质、难熔态化合物以及不完全燃烧产生的黑炭等，均会对微塑料识别和定量产生干扰[17]。样品制备可有效将微塑料从背景物质中分离出来。

1.2.1 分离

土壤微塑料分离以物理分离为主，可与化学方法结合使用[11]，主要包括筛分法、密度分离法、泡沫浮选法、磁性分离法、静电分选法、油提法和加压流体萃取法等(表2)。

表2 微塑料不同分离方法比较Table 2 Comparison of different microplastics separation methods

经过初步筛分分离，可在一定程度上简化分析步骤。密度分离法利用微塑料密度(0.8～1.4 g/cm3)与土壤密度(2.6～2.7 g/cm3)差异，达到两者快速分离的效果[18]，操作简单而被广泛使用，但并不适合分离粒径<10 μm的微塑料颗粒[19]。目前最常用的分离液有氯化钠(NaCl，1.2 g/cm3)、氯化锌(ZnCl2，1.6 g/cm3)和碘化钠(NaI，1.8 g/cm3)等[5,20-21]。NaCl成本低、无毒害，分离使用普通设备即可，但受到密度限制，只能提取聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等低密度微塑料[22]。VAN CAUWENBERGHE等[23]发现使用NaI和ZnCl2可以满足微塑料分离液的最佳密度范围(1.6～1.8 g/cm3)要求。NaI溶液密度高，所需体积(约40 mL)小，分离效果佳，但价格十分昂贵且受氧化条件等因素限制。CLAESSENS[19]等将淘析装置与NaI密度溶液结合，一定程度上解决了分离成本问题。NaCl和NaI的混合溶液对各类微塑料分离效率为68%～99%[24-25]。ZnCl2溶液可分离各种微塑料，但对老化塑料的提取效果差(仅为13%～39%)[26]，使用时加入酸溶液后易形成致密的泡沫，影响后续分离过程。CaCl2溶液也是常用分离试剂之一，其分离效率较NaCl高，但Ca2+的存在可能会促进土壤有机质结块，干扰后续分析[14]。由于有机质密度(1.0～1.4 g/cm3)与部分聚合物(如聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET)密度相近，因此密度分离法不足以去除全部有机质。

泡沫浮选法、磁性分离法主要利用颗粒疏水性特征将微塑料分离。泡沫浮选法能够较好地去除低密度微塑料颗粒，但对高密度颗粒的回收率低[19]，浮选效果很大程度上受限于微塑料的物理特性[22]。磁性分离法的回收率为49%(PP)～90%(PE)[27]，但土壤中亲脂性物质可能影响分离效果，且该方法会破坏微塑料的结构，铁的存在也可能干扰后续微塑料的分析表征。静电分选法基于导电性差异实现对微塑料的分离，对微塑料结构几乎无破坏[28]，但分离过程无法去除有机物和粒径较小的颗粒[4]。油提法利用微塑料的亲油性实现分离，用蓖麻油、橄榄油提取，回收率可分别达到90%±2%和97%±5%[29-30]，但若油层去除不完全则会干扰后续测定，当含有较大颗粒时还可能会堵塞漏斗[31]。加压流体萃取法(PFE)成本低、分离效率和自动化程度高，对城市垃圾和土壤中PE、PVC 和PP等聚合物组分的平均回收率为84.5%～94%，可有效分离粒径<30 μm的微塑料，但萃取过程可能改变微塑料形态，影响后续分析和评估[32]。

1.2.2 有机质去除

有机质去除方法主要有酸消解、碱消解、氧化法及酶消解法等(表3)。根据样品特性和监测目标，可在实际工作中优化组合来实现去除效率的最大化。

表3 微塑料有机质去除方法Table 3 Microplastic organic matter removal methods

酸消解常用HNO3、HNO3-HClO4等，消解效果好，但一定程度上会消解微塑料自身聚合物[22]。HNO3消解时会破坏丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺/尼龙(PA)、PS和PET等聚合物[33]。HClO4通常与HNO3按照1∶4(体积比)使用[34]，高温高压下会强化消解效果，缩减消解时间，同样也会导致耐酸性差的聚合物降解[35]。碱消解法常用NaOH、KOH等，比酸消解温和，但耗时较长(通常2～3周)，会破坏特定种类聚合物(PE、PET、醋酸纤维素CA等)结构[36]，也可能无法消除不溶于碱的有机物，故方法适用性还有待探索[22]。

氧化法多用于沉积物和土壤，常用的氧化剂为H2O2(体积分数30%)，也有H2O2与硫酸(H2S04)结合使用[11]。处理富含有机质的样品时易形成致密的泡沫，造成回收率偏低[37]。降低H2O2浓度和提高消解温度可达到相应消解效果，但易导致对温度敏感的聚合物回收率降低。此外，关于H2O2处理是否会破坏微塑料结构尚存争议[22]。

Fenton试剂使用Fe2+离子催化H2O2氧化，不改变PE、PP和PVC微塑料的表面[4]，可以有效缩短反应时间、降低反应温度，其最适pH值为3～5[22]。处理有机质含量高的样品时，应控制温度(不超过60 ℃)避免发生热解反应[38]。HURLEY等[39]发现Fenton试剂在室温下对土壤和污泥的有机物去除率最高，但对某些生物质无法去除，可能需要增加额外去除步骤。有研究表明，Fenton试剂和特定酶的组合消解方式可以提高土壤有机质的消解效果[40]。

1.3 识别与定量

土壤中微塑料常用分析方法包括目视识别法、光谱法和热分析法(表4)，目前主要局限于聚合物组分的识别定量。

表4 微塑料主要仪器分析方法Table 4 Main instrumental analysis methods of microplastics

1.3.1 目视识别法

目视识别法根据微塑料的大小、形状和颜色特性进行初步鉴定，常与其他方法结合使用。借助光学显微镜等仪器软件，可识别粒径<1 mm 的微塑料，对粒径<100 μm的微塑料不适用。该方法误差随颗粒粒径减小而不断增大[22]，错误率为20%～70%[11]。

1.3.2 光谱法

傅里叶红外光谱法(FTIR)、拉曼光谱法(Raman)是目前微塑料研究中最常用最可靠的分析方法，能够精确识别聚合物类型、丰度、形状和大小，但无法确定土壤微塑料的质量浓度[22]。FTIR通过将目标聚合物的光谱与标准谱图对比，可识别出特定微塑料类型，但此方法易受颗粒的形状、大小、颜色以及聚合物产生的复杂吸收光谱等影响[8]。Raman很好地弥补了这一不足，通过光子散射技术，利用不同样品分子结构和原子的差异，产生不同频率反向散射光，从而获得各聚合物独有的光谱图像和精确的测定结果[41]。该方法不受颗粒形状、大小等因素干扰，但运行时间较FITR长，且易受土壤背景荧光光谱干扰[42]。上述2种光谱技术均较为耗时，在处理有机质含量高的土壤样品时均存在一定困难[40]。Raman能更好地响应非极性对称键，而FTIR可更清晰地鉴定极性基团[22]，两种技术可互为补充。同时，将FTIR、Raman与其他方法联用可提高微塑料的识别精度。例如，配备显微镜的FTIR可以使用衰减全反射(ATR-FTIR)技术识别粒径>500 μm的颗粒[22]，与光学显微镜联合使用(即μ-FTIR 和μ-Raman)，可以分别识别粒径>10 μm和>1 μm 的微塑料[43]，与原子力显微镜(AFM)结合，可以识别粒径<1 μm的纳米级微塑料[44]。

高光谱成像是近年来出现的一种用于环境样品中微塑料分析的非破坏性识别方法。SHAN等[45]利用高光谱成像原位技术识别土壤表面粒径范围在0.5～5 mm的微塑料。PRIMPKE等[46]利用基于量子级联激光的高光谱红外化学成像技术(LDIR)与自动数据分析相结合的方法，实现在36 min内快速测量144 mm2范围内的微塑料，具有较高的数据质量和检测效率，但该方法覆盖光谱范围相对较窄，设备普及率较低。

除上述方法外，扫描电子显微镜-X射线能谱(SEM-EDS)等快筛非破坏性方法，可识别目视法的漏检颗粒[36]。近红外光谱(NIR)分析与化学计量学结合，可快速识别土壤中微塑料的化学组成，无需前处理但方法精度低，检出限高，应用效果有待进一步研究[47]。

1.3.3 热分析法

热分析法包括热解气相色谱质谱法(Py-GC-MS)、热重分析法(TGA)及热萃取-热解气相色谱质谱法(TED-GC-MS)等方法，主要根据特定的分解过程产物来分析样品中的聚合物组成，但热分析法会对微塑料的结构造成破坏。

Py-GC-MS主要通过分析聚合物的热降解产物来表征和定量微塑料聚合物类型及其中的有机添加剂[22]，无需进行样品预处理。STEINMETZ等[48]开发的Py-GC-MS方法用于土壤中PE、PP和PS组分定量分析，方法检出限为1～86 μg/g,加标回收率为70%～128%。但受样品量(5 ～200 μg)和操作温度限制(250～300 ℃)[4,49]，该方法并不适合进行批量分析。

TGA可与差示扫描量热法(DSC)、质谱(MS)等技术联用，利用不同微塑料的质量损失与温度或时间的关系来定量。DAVID等[50]应用TGA-MS方法对土壤中的PET进行定量分析，方法检出限为0.07 %(质量分数，下同)，PET为1.72%。TGA与Py-GC-MS相比，更适用于大批量样品，但难以分辨质量和降解特性相似的聚合物[51]。为克服上述缺点，DÜMICHEN等[49]建立了热萃取-热脱附气相色谱质谱法(TED-GC-MS)，将热重分析和固相萃取热脱附结合，对PE、PET、PP 和PS等组分精确定量，克服了TGA仪器运行引起的误差问题，且分析时间较短(2～3 h)，方法检出限为0.5 %～1 %。

1.3.4 其他方法

PEEZ等[52]研究证明核磁共振波谱技术(q NMR)对粒径20～500 μm的3种微塑料颗粒(PVC、ABS、PA)具有很好的分析潜力。LI等[53]提出用总有机碳(TOC)作为定量微纳塑料总量的通用指标，实现了基于TOC准确测定水体微纳塑料总量，但该方法能否应用于土壤微塑料监测有待研究。

1.4 QA/QC

在微塑料采样、制备和分析过程中，大气沉降、设备或材料等极易引入污染，为保证数据的准确、有效和可比，急需在监测各环节建立QA/QC措施。MURPHY[54]列举了微塑料监测过程中采样、样品制备与分析的QA/QC的需求。制定采样方案时需依据研究目标和区域特点，确定最具代表性的采样方法及参数并可重现[11]。微塑料采样时应避免引入塑料污染，WOODALL等[55]建议所有采样设备和材料应用去离子水和35%乙醇预处理，样品保存在有盖的玻璃或金属容器内，同时对实验人员着装做出相关要求(天然纤维或棉质衣物)，避免交叉污染。采样时通过添加现场空白、全程序空白等评估可能的污染。样品制备和分析应在洁净实验室进行，最好置于层流柜内(天然纤维过滤)。评价前处理效果常通过加标回收实验或替代物来实现[36]。预处理和分析过程需进行空白实验，方法准确度(精密度、正确度)指标、干扰实验等QA/QC措施也不可或缺。

以往研究普遍缺少QA/QC的原因之一是标准物质的缺失。大多数聚合物标准物质(标准尺寸或混合标准)由于无法购买，研究人员只能自行生产用于实验的微塑料[4]。郝爱红等[56]统计发现，大多数加标回收实验结果较好是由于选择了无污染的单一类型土壤或砂粒基质，实验对象通常选择易提取分析的mm级未老化塑料颗粒。微塑料的粒径越小，加标越困难，而目前研究缺少对小粒径颗粒的加标回收实验，若选用基质不具有代表性，会导致加标回收率不能真实反映测定结果。因此，不同土壤类型、粒径以及聚合物类型的土壤微塑料标准物质研制技术急需开发[11]。

2 土壤微塑料监测方法标准化建议

为有效支撑新污染物的风险管控需求，可借鉴沉积物和土壤等介质已有研究成果，结合国内现有监测能力现状(方法适用性、可比性和监测成本等因素)，制定涵盖样品采集、制备、识别量化、QA/QC等环节的监测技术规范，有序制定不同监测对象的分析方法标准，以增强土壤微塑料监测数据的准确性、可靠性和可比性。建议：

1)对涉及土壤微塑料相关术语(尺寸、形状、大小、聚合物类型等)进行统一和规范。

2)结合已有研究成果，参考《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)以及全国土壤污染状况详查相关规定编制样品采集技术要求，以表层土壤(0～20 cm)为主，根据研究目的适当采集深层样品。

3)推荐筛分(<5 mm)、密度分离法及氧化法的组合作为前处理方法，对试剂选择、方法参数等开展条件实验。

4)因大粒径微塑料总量分析方法目前已相对成熟[57]，识别量化方面优先建立大粒径总量分析方法标准，有利于初步形成土壤环境微塑料污染监测评估能力。以目视识别法结合光谱法(FTIR、Raman方法为主)进行识别和量化，后续可对LDIR等其他主流方法开展比对和适用研究，同时开展具体聚合物定量分析方法(热分析法为主)研究，不断完善土壤微塑料监测方法标准体系。

5)目前多以数量浓度(如“个/kg”)为单位进行总量表征，但微塑料老化破碎会导致数量浓度的变化。单一使用数量浓度或质量浓度单位均不能全面表征微塑料污染水平[58]。因此，建议统一以不同粒径分布、丰度和土壤干重来表征微塑料数量浓度，尽快开展数量浓度与质量浓度间的换算关系研究，实现两者相互转化和结果表达的规范化。

6)现阶段可针对大粒径总量分析方法建立并完善统一、规范的全过程QA/QC，同时开展不同土壤类型样品、不同粒径范围、不同组分的微塑料标准物质研制。

3 结语

《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》和“十四五”规划纲要均对微塑料等新污染物治理做出明确部署，但目前由于土壤微塑料监测方法标准的缺失，无法有效支撑相关生态环境管控需求。通过梳理国内外土壤中微塑料监测现状以及采样、制备、识别与定量、QA/QC等方法研究进展，探讨土壤中微塑料监测方法标准化措施：①统一土壤微塑料相关术语与结果表达方式，尽快制定涵盖全流程的土壤微塑料监测技术规范；②综合考虑现有监测能力，可分步实施标准化进程，优先考虑制定较成熟的大粒径微塑料总量分析方法标准，后续加强具体聚合物分析方法标准研究，有序建立针对不同监测目标的分析方法标准体系；③完善土壤微塑料监测全过程的QA/QC，开展不同土壤类型样品、不同粒径范围、不同组分的微塑料标准物质研制，为规范开展土壤微塑料调查监测提供关键技术支撑，确保数据的准确、有效、可比。