典型土壤中微塑料的测定方法研究

李雯星,吴亚梅,王 康,陈 伟,田佳宇,徐 笠②

1.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430078;2.北京市农林科学院质量标准与检测技术研究所,北京 100097;3.农产品产地环境监测北京市重点实验室,北京 100097〕

微塑料作为一种新兴污染物,近年来受到科学界和社会的广泛关注[1]。微塑料是粒径<5 mm的塑料污染物[2],包括碎片、薄膜、纤维、颗粒和泡沫等不同形状,广泛分布在水生和陆地生态系统以及大气中。相比较于海洋等水环境,目前对于土壤环境微塑料的研究还很匮乏。事实上,大多数海洋塑料垃圾来源于陆地环境,土壤是一个巨大的微塑料储存库[3-4]。有研究表明积累在土壤中的微塑料会破坏土壤结构完整性,使土壤理化性质发生改变,进而影响整个土壤生态系统健康[5-7]。同时,微塑料也会直接或间接地影响植物生长发育,通过食物链传递进入人体,不利于人类健康发展[8-9]。随着人们对微塑料来源及生态效应的认识日益加深,微塑料对生态环境的潜在风险也在增加。可降解塑料作为减轻当前不可降解塑料污染的解决方案之一,是塑料可能的工业发展方向[10],但可降解塑料在自然和受控条件下降解速率依旧较慢[11-15]。因此,开展可降解塑料等各种微塑料检测对土壤微塑料引起的潜在生态和健康风险具有重要意义。

与水样、沉积物和大气等介质相比,土壤是一种非均相复杂介质,微塑料进入土壤环境后会与土壤中有机物结合形成土壤团聚体,微塑料可能被包裹在土壤团聚体中,且土壤类型、土壤有机质(SOM)含量和pH的不同增加了土壤微塑料分离难度[16-18]。学者们做了很多尝试来改善将微塑料与土壤分离的方法,如基于洗脱原理提取微塑料的装置[19]、利用空气诱导溢流(AIO)开发两步提取的浮选装置[20]和再连续流动-气浮分离一体化装置[21],然而这些方法都存在一定缺点,如提取效率不高、未考虑可降解塑料和提取过程比较繁琐等。能否从土壤中高效分离微塑料,有效去除土壤有机质和从土壤中提取各种类型微塑料[22-23]这两点非常重要。不同土壤的理化性质不同,微塑料检测尚缺乏统一标准方法,如何有效分离、纯化不同土壤类型中微塑料是提高微塑料回收率的重要一步,也是检测土壤微塑料的关键。

目前微塑料化学组分鉴定普遍采用的方法是傅里叶变换红外光谱(FTIR)法,采用FTIR可以得到目标聚合物光谱图像,通过与光谱库中标准图谱进行对比,识别出微塑料化学组分。FTIR有透射、反射和衰减全反射(attenuated total refraction, ATR)3种模式,操作简单,谱图特征性强。但水分的存在会干扰FTIR检测结果,因而要保证样品在检测前进行充分干燥。此外,是否有效去除土壤SOM也会影响FTIR技术在土壤上的应用效果[24]。有研究[25]表明FTIR对环境中微塑料的检测准确率可达86.00%以上。将密度分离法与FTIR结合使用,是目前比较优选的土壤微塑料提取与鉴定分析方法。

我国地域辽阔,土壤种类丰富,目前对于不同土壤类型中各种微塑料,特别是可降解微塑料的分离提取方法并没有形成统一标准[26]。选取湖南红壤、北京褐土和东北黑土作为研究对象,设置前消解、后消解和前后消解3种不同处理方法,评估不同方法对9种不同种类不同密度的可降解和不可降解微塑料的分离效果及微观形貌的影响,以及去除土壤有机质的效果对比。旨在通过总结中国不同典型区域土壤适宜的微塑料提取方法,探究不同提取方法对不同种类微塑料特别是可降解塑料提取效果的差异,建立一种操作简单、准确度高、适用于各种类型土壤的微塑料提取方法,以期为土壤微塑料测定进一步发展提供支撑,为土壤微塑料提取与检测方法相关标准制定提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 土壤来源及微塑料的选材

选取3种代表性土壤类型,分别为江西鹰潭红壤、北京房山褐土和黑龙江齐齐哈尔黑土(表1)。红壤和黑土呈弱酸性,褐土呈弱碱性。红壤有机质含量偏低,而褐土和黑土有机质含量偏高,3种土壤有机质含量为黑土>褐土>红壤。红壤颗粒机械组成主要集中在0～0.2 mm,褐土和黑土主要集中在0.002～0.05 mm。

表1 3种类型土壤理化性质

选取生活中使用较广泛的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺树脂(PA)、聚氯乙烯(PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)6种不可降解微塑料以及聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)和聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)3种可降解微塑料作为典型微塑料样品[27]。供试微塑料样品相关性质见表2。

表2 微塑料相关性质

1.2 实验设计及过程

对添加微塑料的湖南红壤、北京褐土和东北黑土3种土壤采用饱和ZnCl2溶液进行密度浮选,并设置H2O2前消解、后消解和前后消解3种处理方法。前消解是对土壤样品先进行消解,再进行密度浮选;后消解是先进行密度浮选,再进行消解;前后消解是先进行消解,再进行密度浮选,之后再次进行消解。3种土壤共有9种消解组合,每组设平行3次,共27组试验。最后,采用ATR-FTIR方法检测微塑料化学成分。ATR-FTIR方法能够吸收化合物中特定官能团的红外光,引起基团振动能级跃迁,产生红外吸收光谱,将所得红外光谱图与标准谱图进行对比,从而计算出微塑料回收率。具体操作步骤见图1。

图1 前后消解条件下土壤微塑料分离鉴定流程

(1)准备土壤:将土壤样品放置在电热恒温鼓风干燥箱中60 ℃条件下烘至恒重,待干燥后,磨碎,分别过5和2 mm孔径不锈钢筛,去除小石头、树枝等杂质。用电子天平称取10 g干土倒入烧杯(前消解和前后消解处理)或锥形瓶(后消解处理)中。

(2)添加微塑料:向装有土样的烧杯和锥形瓶中分别添加180个微塑料(每种微塑料20个),并用玻璃棒搅拌混合均匀。

(3)前消解:向烧杯中增量添加w为30%的100 mL H2O2,放置于石墨电热板上消解至土样干燥,之后磨碎倒入锥形瓶中。

(4)密度浮选:加入ZnCl2溶液至锥形瓶瓶颈处,置于智能磁力搅拌器上持续搅拌30 min,静置24 h,然后使用微塑料分离装置(图2)打开真空泵进行鼓气,鼓出上清液约50 mL至烧杯中,重复操作3次。

①玻璃盖;②玻璃漏斗;③锥形瓶;④烧杯;⑤真空泵。

(5)过滤:将上清液用真空过滤装置进行过滤,滤膜选择5 μm孔径硝酸纤维素滤膜。用超纯水多次反复冲洗烧杯、分离提取装置和滤器内壁,将冲洗液一并过滤,减少物质残留,使目标物全部富集至滤膜上。

(6)后消解:将滤膜上的物质全部转移至200 mL烧杯中,加入w为30%的100 mL H2O2,用铝箔密封烧杯,设置石墨电热板温度为70 ℃,消解3 d。消解完成后将烧杯中溶液再次进行真空抽滤,用超纯水反复冲洗烧杯、过滤装置内壁,将冲洗液一并过滤。最后,用无齿不锈钢镊子将滤膜小心取下,放置在直径为60 mm的洁净玻璃培养皿中,室温干燥后取出,待分析。

(7)微塑料数量观测和光谱检测:对滤膜上微塑料进行目视观测并对不同种类微塑料进行分类计数,用ATR-FTIR检测目视观测不能确定种类的微塑料,并将图谱与标准品谱库(萨特勒谱库)进行比对,得到微塑料回收率。

1.3 数据分析

采用Excel 2016进行数据统计,采用Origin 2021绘图。

1.4 质量保证和控制

采取充分预防措施避免样品污染。所有采样仪器(包括不锈钢铲子和不锈钢网筛)在使用前均用蒸馏水冲洗干净,避免土壤样品交叉污染。所有玻璃器皿(包括玻璃烧杯、锥形烧瓶、培养皿和过滤装置)在使用前均用蒸馏水冲洗干净,并放入恒温鼓风干燥箱(60 ℃)中干燥。实验过程中人员穿棉质实验服、戴口罩和手套(丁腈),玻璃器皿覆盖铝箔以避免造成污染。设置大气空白。

2 结果与分析

2.1 不同处理不同土壤微塑料回收率

不同处理条件下3种土壤微塑料回收率见图3。红壤在前后消解处理下微塑料回收率最好,为(100.00±0.45)%,在前消解、后消解处理下微塑料回收率分别为(102.41±4.29)%和(99.63±0.52)%。褐土在后消解处理下微塑料回收率最好,为(99.63±1.89)%,在前消解、前后消解处理下微塑料回收率分别为(96.85±0.69)%和(99.07±1.59)%。黑土在前后消解处理下微塑料回收率最好,为(100±0.79)%,在前消解、后消解处理下微塑料回收率分别为(99.07±1.39)%和(98.89±2.36)%。

图3 不同处理不同土壤中微塑料总回收率

不同处理3种土壤中不同微塑料回收率见图4。如图4所示,红壤在3种消解处理下微塑料回收率均达到95%以上,其中,PE回收率均超过100%,前消解处理下回收率最高,为(121.67±34.24)%。前后消解处理下PP、PS、PA、PVC、PET、PLA和PBAT这7种微塑料回收率均为(100.00±0.00)%。褐土在前消解处理下PE和PP回收率分别为(76.67±2.36)%和(93.33±6.24)%,与红壤结果类似,其他微塑料回收率均达到95%以上。黑土中微塑料回收率与红壤和褐土类似,除后消解处理下PA回收率为(93.33±6.24)%之外,3种处理下微塑料回收率均达到95%以上。前后消解处理下黑土中PE和PP回收率均为(100.00±4.08)%,PS、PA、PVC、PET、PLA、PHA和PBAT这7种微塑料回收率均为(100.00±0.00)%。

各微塑料种类名称中英文对照见表2。

2.2 不同土壤不同处理下微塑料提取效果

分别采用3种消解处理对3种土壤中微塑料进行提取,3种消解处理后滤膜上其他自然环境物质均有明显减少。其中,前消解处理下3种土壤滤膜上的残留物质比后消解和前后消解处理多,而后消解与前后消解处理差异较小。

2.3 不同处理下聚合物颗粒的表面微观特征

为进一步了解后消解对微塑料表面微观特征的影响,以红壤中微塑料为例,对微塑料标准品及其经过后消解的微塑料进行扫描电镜检测(图5)。如图5所示,微塑料标准品颗粒表面虽然不平整,但是较为光滑,经后消解处理后,微塑料表面仅仅出现轻微磨损,后消解处理对聚合物颗粒表面几乎没有造成影响。

各微塑料种类名称中英文对照见表2。

3 讨论

3.1 不同消解处理方法对不同土壤中微塑料回收率的影响

微塑料提取方法能影响微塑料回收率[28],此外,不同地区的土壤类型不同,土壤pH、有机质含量和土壤颗粒机械组成等理化性质具有较大差异,也会影响微塑料提取效果。在笔者研究中,除前消解处理下褐土中PE和PP回收率分别为(76.67±2.36)%和(93.33±6.24)%,后消解处理下黑土中PA回收率为(93.33±6.24)%之外,3种土壤中9种微塑料回收率均达到95%以上。3种消解处理下红壤中PE回收率均超过100%,这可能是由于红壤中有机质含量较少,微塑料在土壤中的吸附点位较少,消解较为充分。其中,前消解条件下PE回收率达到最高,为(121.67±34.24)%,这可能是由于H2O2溶液对红壤中原本含有的PE存在轻微消解作用,也可能是由于实验操作过程中仪器设备的磨损,导致添加塑料产生破裂,PE数量增多,回收率超过100%。前消解处理下褐土中PE回收率为(76.67±2.36)%,在不同土壤不同处理中为最低,这可能是由于褐土中有机质较多,而有机质含量增多会增加微塑料在土壤中的吸附点位,从而减弱微塑料解吸能力[29]。另外,加入H2O2溶液时反应剧烈,H2O2可能对PE表面造成轻微破损[30],导致PE回收率过低。因此,分离提取红壤和褐土中微塑料不适宜采用前消解处理方法,而适宜采用后消解或前后消解处理方法;对于黑土中微塑料,3种消解处理方法均可行。不同处理方法下红壤、褐土和黑土中微塑料总回收率均超过96%,整体来看,3种处理方法对3种土壤中微塑料分离提取效果的影响差异不大。

已有研究表明,采用不同提取方法微塑料回收率也有所差异,但这些研究大多针对某种土壤中几种不可降解塑料进行实验,未对不同土壤类型进行研究(表3[30-34])。

表3 不同提取方法下土壤中微塑料回收率[30-34]

PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯,HDPE为高密度聚乙烯,PVC为聚氯乙烯,LDPE为低密度聚乙烯,PP为聚丙烯,PS为聚苯乙烯,PA为聚酰胺,PC为聚碳酸酯,POM为聚甲醛,ABS为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯,PE为聚乙烯,PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯,EPS为聚苯乙烯泡沫。

RADFORD等[31]在自制土壤中加入6种微塑料,采用NaCl、ZnCl2和菜籽油作为分离试剂条件下微塑料回收率分别为59%、80%和84%,与之相比,笔者研究结果中微塑料回收率均较高。LIU等[32]采用自制循环分离装置(由分离、过滤和循环系统3个部分组成),以CaCl2和NaBr溶液作为分离提取试剂,回收率为95%～100%,但CaCl2溶液具有高粘度,过滤十分缓慢,而NaBr溶液存在一定毒性。HAN等[33]采用对浮选、过滤等流程进行优化的自制提取装置后发现,NaCl溶液不能用于提取PET和PVC等高密度微塑料,而V(NaCl)∶V(NaI)=1∶1的混合溶液对PP、PET、PVC、PS和EPS这5种微塑料回收率均达到90%以上,其中PE回收率最低,只有(78±16)%。对江西南昌红土和湖北武汉壤土中微塑料进行分离时发现,采用NaCl溶液浮选时回收率最低,采用NaCl+油混合溶液浮选时回收率最高,分别为85.82%和(94.2±1.44)%[34-35]。这些研究均未考虑环境介质中可能存在的PLA、PHA和PBAT等可降解微塑料。因此,笔者研究中特别选择3种不同性质土壤,对可降解及不可降解共9种微塑料进行提取,微塑料回收率范围为96%～102%,表明笔者采用的提取方法能高效回收不同类型土壤中的微塑料,方法是可行的。

3.2 不同处理方法对消解效果的影响

土壤组成复杂,富含各种有机质。不同处理方法因消解顺序不同,去除土壤有机质的效果也不同。不同地区土壤类型不同,pH、有机质含量和土壤颗粒机械组成也不同,一方面,微塑料与有机质结合,被包裹在土壤团聚体中,难以从土壤颗粒中被分离出来[36];另一方面,土壤有机质密度范围通常为1.0～1.4 g·cm-3,与PET等高密度微塑料接近[3],因此,简单的密度分离法并不能很好地分离土壤基质中微塑料与有机质,还需要增加去除有机物的步骤,将浮选和消解联用可以提高微塑料分离效率。笔者研究中,经消解处理的滤膜上有机质及其他杂质含量明显少于未消解处理,这表明采用H2O2消解去除土壤有机质这一步骤在分离提取土壤微塑料的过程中很有必要。同样消解处理下,不同性质土壤之间的提取效果没有明显差异,但是前消解处理下红壤、褐土和黑土的滤膜上残留物质相对于后消解和前后消解处理较多,后消解和前后消解处理下红壤、褐土和黑土的滤膜上残留物质差异较小。在试验条件允许及时间充分的情况下,可以选择前后消解处理去除土壤有机质,以提高土壤微塑料分离效果。另外,后消解处理也是可行方案,不仅能高效去除土壤有机质,还能节约时间成本。

在综合考虑去除土壤有机质效果和实验效率的基础上,对后消解处理下微塑料进行扫描电镜检测,结果发现,与未经消解的微塑料标准品扫描电镜图相比,后消解对聚合物颗粒表面微观特征几乎没有造成破坏。综合考虑SOM去除效果和对微塑料表面破坏程度,土壤中微塑料提取的最优方案是对样品进行后消解处理。

3.3 浮选试剂与消解试剂的选择

密度浮选法被认为是分离提取微塑料的有效和常见方法,同时使用的盐溶液密度越高,可以收集的微塑料种类范围就越广,但也可能造成更多的土壤杂质被一起浮选出来。为了提高微塑料回收率,将浮选过程重复3次。浮选的重要过程为土壤与微塑料的分离,通常采用静置分离,为达到较好的分离效果,静置时间通常为24 h以上。相较于其他常用高密度盐溶液,采用ZnCl2溶液具有一定优越性,如:蒸馏水密度为1.0 g·cm-3,只能浮选PE和PP等低密度微塑料[37];常用作密度浮选液的饱和NaCl溶液(密度为1.2 g·cm-3)密度相对较低,无法有效分离提取高密度聚合物[20];CaCl2溶液会促进土壤有机质结块,干扰微塑料识别[6];NaI溶液密度相对较高,为1.6～1.8 g·cm-3,能够提高高密度微塑料提取效率,但是NaI溶液具有一定氧化性,且价格昂贵[20]。ZnCl2溶液密度为1.5～1.7 g·cm-3,可分离提取到的微塑料密度范围较大,且不具有氧化性,目前被不少学者作为土壤微塑料污染研究中的密度分离试剂,如对德国西南部斯图加特试验农田[38],北京防尘网覆盖土壤[39],以及墨西哥热带雨林、草原、松树种植园和牧场土壤[38]的微塑料污染研究中均选择ZnCl2溶液用于分离微塑料。因此,从浮选液密度和经济角度出发,结合应用广泛性,笔者选择ZnCl2溶液用于土壤微塑料的分离提取。

选择消解试剂时需要保证SOM去除效果,还需要尽量保证微塑料数量、形状和大小等性质不受影响。H2O2被广泛用于去除环境基质中有机物[40-41]。HE等[30]综述了各种土壤有机质去除方法,其中H2O2是最常用消解试剂,但可能会轻微改变PE和PP形状。HURLEY等[22]评价了4种主要有机质去除方法(H2O2氧化、芬顿试剂、NaOH和KOH碱消解)对8种微塑料颗粒完整性的影响,其中H2O2在70 ℃条件下对多数微塑料无影响。陈娴等[42]比较了5种消解试剂(KOH、H2O2、HNO3、H2O2+H2SO4和H2O2+HNO3)对浮选后滤渣的消解效果,发现w为30%的H2O2能完全消解土壤中有机质,且对微塑料表面微观特征无明显影响。笔者研究结果表明,与未经消解的微塑料标准品扫描电镜图相比,采用w为30%的H2O2在70 ℃条件下对土壤样品进行后消解处理仅仅导致微塑料表面轻微磨损,对微观表面特征几乎没有造成破坏。

4 结论

基于密度分离土壤微塑料的方法,采用饱和ZnCl2溶液对3种我国典型土壤中PE、PP、PS、PA、PVC、PET、PLA、PHA和PBAT这9种微塑料进行浮选,并采用w为30%的H2O2在70 ℃条件下消解以去除土壤中有机质。结果表明:(1)不同消解处理下3种土壤中微塑料总回收率范围在96%～102%,整体来看,3种消解方法对典型土壤中微塑料的分离提取效果影响的差异不大。(2)综合考虑去除基质效应以及对目标物微塑料的破坏程度,最优消解方案是对土壤进行后消解处理提取微塑料。(3)最优土壤微塑料提取方法:在微塑料分离装置基础上采用饱和ZnCl2溶液进行3次密度浮选,选择5 μm孔径硝酸纤维素滤膜进行真空抽滤,然后采用w为30%的H2O2在70 ℃条件下消解去除土壤基质中SOM,消解完成后再次进行真空抽滤,待样品干燥后用于后续微塑料定量定性分析。