孫彥敏,高惠敏,徐春祥,顏春榮 (江蘇省食品藥品監(jiān)督檢驗研究院,江蘇 南京 210008)

微塑料被定義為粒徑小于5 mm的塑料碎片、薄膜或者顆粒,而粒徑為1～100 nm的微塑料則被稱為納米級微塑料。2004年,湯普森等首次提出“微塑料”的概念,發(fā)現微塑料在東北大西洋海域底泥、海水及海洋動物體內廣泛存在,并指出對微塑料環(huán)境影響進行關注的必要性[1]。2016年,微塑料被聯合國環(huán)境大會列為全球性重大環(huán)境問題之一[2]。根據材質劃分,目前環(huán)境中檢出的微塑料主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等[3]。根據微塑料來源可以將其劃分為初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料主要指人們生產生活中直接排入環(huán)境中的微塑料顆粒;次生微塑料是指塑料垃圾在經物理、化學及微生物作用后發(fā)生分解而生成的微塑料顆粒。

與普通塑料相比,微塑料顆粒會造成土壤、水體、大氣環(huán)境和食物鏈的污染,提高環(huán)境污染治理的成本和難度。微塑料由于具有較大的比表面積和親脂性,易在環(huán)境中富集重金屬和有機物。CHOUCHENE等[4]研究發(fā)現土壤中微塑料數量可達50～880個·kg-1,且成為土壤中重金屬的重要載體。微塑料能夠吸附三氯生等污染物,降低其生物可利用性[5]。地下水中微塑料豐度與地面人類工業(yè)活動具有相關性[6]。在水環(huán)境中,微塑料不僅為微生物提供良好載體,還增強對病原微生物的輸送能力[7],促進抗性基因的水平轉移[8]。研究者已在多種環(huán)境介質如農田土壤[4]、深海沉積物[9]、生物體[10]以及工業(yè)產品食鹽[11]、瓶裝水[12-13]中檢測到微塑料。在多種魚類腸道和消化腺[14]、雙殼類動物軟組織[15-18]、甲殼類動物腸道[19-20]、無脊椎動物海參的消化道[21]等海產品組織以及農作物中[22]都檢出微塑料,這意味著微塑料可以進入生物體組織內部[23]。雖然微塑料的環(huán)境危害性尚不確定,但其廣泛存在所帶來的健康風險須引起足夠重視。

高效、準確的微塑料檢測方法,對于監(jiān)測環(huán)境中微塑料的數量、分布和種類,進而采取措施降低其污染具有重要價值。HERMSEN等[24]對2010—2017年間發(fā)表的35篇關于微塑料攝取的研究論文進行賦分制比較,提出海洋生物樣本中微塑料的檢測方法應包括取樣方案、樣品大小、樣品處理和儲存、預處理、環(huán)境條件、陰性對照、陽性對照、目標物組成、前處理和鑒定10個要素,才能獲得可靠的、具有比較價值的數據。但是目前環(huán)境中微塑料標準化和系統(tǒng)化的檢測方法仍然處于缺位狀態(tài),不利于開展進一步的研究性工作。筆者對近年來環(huán)境中微塑料分析研究成果進行綜述,以期為微塑料的檢測技術研究提供更多的思路與方向。

1 樣品前處理方法

1.1 消解

環(huán)境中的微塑料常與基質黏附在一起或被包裹在生物體內,需要對生物組織進行消解,使其充分游離出來。根據所用到的消解液不同,可分為堿消解[25-26](KOH、NaOH等)、氧化消解(H2O2、NaClO等)、酸消解(HCl、HNO3、HClO4等)、酶消解(蛋白酶K[27]、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、膠原蛋白酶等)以及混合消解等。表1[28-33]顯示,這些消解方法各有利弊,適用于不同樣本的前處理。

1.1.1化學消解法

化學消解法是目前提取生物組織內微塑料的重要方法。國外學者系統(tǒng)比較了采用不同方法從海產品中提取15種類型微塑料的效果和提取效率,發(fā)現質量分數w=10% KOH在60 ℃條件下提取24 h可以得到比較理想的結果[28]。國內學者研究了從水生生物中提取微塑料的方法,根據不同消解試劑對微塑料熒光強度和表面形態(tài)的影響程度,評價了其對熒光聚苯乙烯微球提取的影響[29],發(fā)現100 g·L-1KOH溶液在60 ℃條件下處理72 h是最佳提取條件,其消解對熒光聚苯乙烯微球的熒光強度影響最小,消解后的微球分布均勻,沒有明顯表面損傷、團聚等現象。

對于從土壤這類復雜基質中提取微塑料,可利用15 mL HCl+5 mL HNO3+3 mL HF的酸體系將0.1 g土壤完全消解并從中提取微塑料。經過消解處理后的6種微塑料顆粒都呈現一定程度的破壞,但其特征峰仍然存在,不影響對微塑料的識別[30]。熊安琪等[31]研究了從食品材料(磨碎面餅、醬料包、蔬菜包和鹽包)中提取微塑料的技術方案。采用消化率、膜堵塞率、對塑料形態(tài)的影響和回收率等指標,比較了氧化劑法(w=30% H2O2)、堿消解法(w=10% KOH)、芬頓法(w=0.2% FeSO4與w=30% H2O2體積比為1∶1)、硝酸-過氧化氫法(w=32.5% HNO3與w=30% H2O2體積比為4∶1)和酸消解法(w=65% HNO3)的提取效果。結果表明芬頓法對食品樣品消解效果最好,該消解處理方法對塑料顆粒的質量和顏色影響較小。

1.1.2酶消解法

酶消解法可用于小型生物或機體組織中微塑料的提取,采用商業(yè)化蛋白酶Corolase可以實現對貽貝組織的完全分解和微塑料的高效提取[32]。酶法消解受到生物組織特性的影響較大,但其條件溫和,不會破壞微塑料的結構和性質。酶法消解也可以與化學消解相結合,提高消解效率。李其沛[33]在對大型海藻中微塑料污染特征的研究中,采用纖維素酶消化藻類細胞壁,再添加堿性蛋白酶降解蛋白質,最后加入w=30% H2O2完成消解,消解后使用飽和氯化鈉浮選塑料顆粒。基于此消解方法共觀察到424個疑似塑料顆粒物,其中,通過儀器檢測確定232個塑料顆粒,總體驗證率是非消解法的2.7倍。

實際應用中由于樣本基質復雜,消化試劑的類型與濃度需要根據消化樣品特性進行選擇[32]。如H2O2對塑料的腐蝕性小,能氧化褪色,但消化過程中易產生大量泡沫,帶走部分微塑料,從而影響消化效果,使回收率降低[33]。HNO3有較強的腐蝕性和氧化性,能有效消解樣品中有機質,但對脂類物質消解效果不好,消解后殘留大量黃色脂肪顆粒,影響后續(xù)檢測。KOH對有機質的腐蝕作用比HNO3小,但消解時間長[34]。芬頓試劑能有效去除樣品中的有機質(甲殼素、木質素等),尤其對于H2O2難以消解的短足類動物甲殼消解效果較好,同時又避免了酸堿試劑容易對聚合物本身帶來損傷的弊端[35]。因此,需要根據基質和目標物特點建立最適合的消解方法。

1.2 微塑料分離方法

1.2.1目視挑選法

目視挑選法[14,36]又稱直接觀察法,即通過肉眼直接對待測樣本進行觀察或者運用顯微鏡等放大工具觀察生物組織中的微塑料,通過其大小、形狀、外觀及顏色等物理特征,實現微塑料與組織樣本的分離,再對分離得到的微塑料根據其形態(tài)、結構等進行分類。但實際操作中,由于樣本和微塑料類型復雜多樣,甚至微塑料與其他碎片混合或被沉淀物顆粒覆蓋,僅憑肉眼和顯微鏡難以完全挑出和準確識別出目標微塑料,甚至在有些情況下目視挑選的顆粒中僅1.4%是微塑料顆粒[37]。

1.2.2高密度溶液浮選法

密度分離法是利用沉積物樣品中目標組分與雜質的密度差異實現輕組分微塑料與重組分雜質的分離,即如果消解后的溶液中含有未消解的高密度顆粒(如沙子、骨頭、幾丁質等),可用飽和氯化鈉(NaCl)溶液進行分離[38]。但飽和NaCl溶液不能使高聚物完全脫離沉積物,在分離聚氯乙烯等高密度微塑料時會導致分析結果嚴重偏小。選用密度更大的碘化鈉(NaI)溶液和(或)氯化鋅(ZnCl2)溶液可提高對高密度組分的提取效率[38-39],但同時也帶來了分析成本高的問題。研究人員又提出兩步分選法,流化預提取既減少了對樣品的需求量,同時也解決了大量使用NaI的成本難題[40]。章海波等[41]進一步建立了微塑料自動分離裝置,包括浮選液存儲部分、溢流部分和篩分回收部分,此裝置通過浮選液和溢流液連續(xù)流動來完成,不需人為干預,最后在振動篩中收集篩分好的樣品即可。

1.2.3過濾法

與密度分離法相比,微塑料在消解后經濾膜過濾法可有效節(jié)約時間并提高分離效率,尤其是消解后直接進行熱過濾,可避免基質中的油脂冷凝,減少樣品堵塞濾孔的情況?；|的不同對濾膜的選擇也不同,目前常用的過濾膜有玻璃纖維濾膜(2.7 μm)[31]、醋酸纖維素濾膜[42]、硝酸纖維素濾膜[43]、混合纖維素濾膜(MCE,3 μm)[44]、聚四氟乙烯濾膜(PTFE,3 μm)[44]等。李珊等[45]從孔徑、價格、使用感受等方面比較6種濾膜性能,并通過純水加標試驗分析6種濾膜對PVC微粒的平均截留率和平均洗脫率等數據,發(fā)現不銹鋼濾膜可用于飲用水中微塑料檢測過濾過程。除此之外,還有氧化鋁膜或者添加金屬鍍層的濾膜,具有表面平整、不易變形彎曲且無紅外光譜和拉曼光譜干擾的優(yōu)點[44],可用于紅外光譜和拉曼光譜測定,但成本昂貴,用于日常檢測具有一定的局限性。

2 微塑料檢測方法

目前,微塑料檢測技術以紅外光譜和拉曼光譜法為主,目視檢測法和熱分析技術具有一定的局限性,不同分析技術的優(yōu)缺點和適用的檢測對象見表2[27,46-52]。

表2 微塑料檢測技術比較[27,46-52]Table 2 Comparison of detection methods for microplastics

2.1 熱探針檢測法

有研究提出用灼熱的探針接觸樣品,基于微塑料與樣品熔點不同所以受熱后形變不同的原理,可利用“熱探針法”來判斷樣品成分[46-47],但該方法不適用于熱固性和尺寸很小的微塑料,只能作為輔助檢測手段。

2.2 紅外光譜法

紅外光譜法是目前最常用的微塑料檢測手段之一[53]。該方法利用微塑料粒子具有獨特的紅外光譜而能反映粒子特定的化學鍵信息的特點,將樣品的特定紅外光譜與已有的光譜庫中物質的標準光譜進行匹配,從而確定微塑料類別,將塑料與其他有機和無機粒子區(qū)分開來。紅外光譜法不僅可用于識別微塑料,還能鑒別特定的聚合物類型,可以為樣品的來源及輸入途徑提供有效線索。紅外光譜分析不會改變樣品的化學結構,不會破壞樣本,是一種無損的分析方法。

紅外顯微技術將紅外光譜儀與顯微鏡結合,在無需復雜樣品準備的情況下,可在單個平臺上通過物鏡和紅外探測器之間的切換,實現同步可視化、樣品成像以及光譜獲取。紅外顯微技術可避免傳統(tǒng)紅外光譜分析中出現的外來污染物,節(jié)省分析時間,無需提前對微塑料粒子進行人工分類,也可避免少量小粒徑微塑料的遺漏問題。紅外顯微主要有透射、反射和衰減全反射(attenuated total reflection,ATR)3種模式,可根據樣品的形狀、厚度、粒子數目選擇不同測量模式。ATR模式通過ATR晶體直接與濾膜接觸,采集接觸面上的物質信息,對檢測基底、樣品厚度和透光性的要求較低,所能檢測的物質粒徑更小,因此,該模式在實際中應用較廣泛。研究顯示,傳統(tǒng)的紅外分析可識別粒徑大于500 μm的微粒,紅外顯微分析法適用于粒徑大于20 μm的微粒[48]。李珊等[54]建立了采用紅外顯微光譜法測定生活飲用水中微塑料的方法,前處理簡單,操作方便,回收率為73.1%～92.0%。柴然等[55]利用激光紅外成像技術對32份不同類型水源樣品中微塑料的種類、數量和粒徑進行分析,在其中25份中檢出8個種類微塑料;LI等[56]采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測定方法證明地膜覆蓋不同時間后土壤中微塑料種類主要是PE,且PE微粒發(fā)生了氧化和降解。

2.3 拉曼光譜法

拉曼光譜法也是目前常用的微塑料檢測方法之一[57-58],其原理是當激光束落在某個物體上時,由于分子和原子結構不同,產生不同頻率的散射光,從而使得每一種聚合物產生特異性光譜。與紅外光譜分析類似,拉曼光譜也可通過與光譜庫比較來識別微塑料,鑒定微粒的聚合物成分。顯微拉曼技術是將顯微鏡與拉曼光譜儀相結合,該技術可用于分析不透明和黑色的微塑料顆粒。LENZ等[59]最早將拉曼光譜技術用于海洋環(huán)境微塑料的可視化鑒別,PRATA等[60]運用顯微拉曼技術成功識別出白葡萄酒中的微塑料顆粒。

與紅外光譜不同的是,拉曼光譜使用單色激光源,其激光束可用于檢測更小粒徑的微塑料,是目前唯一能用于有效分析粒徑低至1 μm微塑料的技術[49]。自動化顯微拉曼技術能對大量樣品進行快速分析,但部分有機或者無機顆粒會對微塑料的分析造成干擾,因此,顯微拉曼技術對樣品的前處理要求較高。樣品表面存在的生物膜可能會導致熒光效應,添加劑和污染物產生的拉曼光譜與微塑料的光譜重疊,也會干擾微塑料的識別。顯微拉曼技術對粒徑為5～10 μm的粒子識別能力最高,可能會低估樣品中微塑料豐度。目前出現的表面增強拉曼光譜,克服了常規(guī)拉曼光譜檢測靈敏度低及共振拉曼光譜易受熒光干擾的缺陷,可用于分析粒徑在1～100 nm之間的低濃度納米微塑料[50],極大地提高了拉曼光譜的檢測靈敏度。

2.4 熱分析技術

熱分析技術是在溫度控制下研究聚合物物理化學性質變化的光譜分析替代方案。目前,國內外檢測微塑料的熱分析方法包括差示掃描量熱法(DSC)、熱重量分析結合差示掃描量熱法(TGA-DSC)及熱分解氣相色譜質譜(Pyr-GC-MS)等,大多是不同儀器裝置的聯合使用。

DSC是研究聚合物材料熱效能、相變溫度和結晶度等參數的有效方法,聚合物由固態(tài)向液態(tài)或氣態(tài)轉變時會吸收大量熱量,在特定溫度下產生吸熱峰值,DSC主要用于初級微塑料的檢測,如聚乙烯等。TGA是利用熱天平測量物質溫度和質量變化關系的方法,待測樣品在加熱過程中會產生分解、升華氣化現象使得質量發(fā)生變化,通過熱重曲線分析其不同溫度下的質量變化。在應用TGA-DSC對聚合物相變溫度進行測定時發(fā)現只有聚乙烯和聚丙烯能被清晰識別,其他幾種聚合物相變信號存在較大程度重疊,從而使得該方法在微塑料分析上的應用受到一定限制[51]。

Pyr-GC-MS原理是將微塑料樣品加熱處理后其會裂解為可揮發(fā)的小分子,通過GC-MS對微塑料的降解產物進行分析進而判斷微塑料的化學組成,將樣品譜圖與已知聚合物譜圖進行比對得到聚合物組成。整個過程不需添加溶劑,避免了背景污染。但該方法目前最大的應用難點在于缺乏微塑料專用的熱裂解器,同時整個分析過程程序復雜,譜圖解析對研究人員的要求較高。張向楠[61]研制開發(fā)了一款便攜式Pyr-MS裝置,為微塑料的檢測分析提供了新的工具。余建平[62]建立了基于TGA-FTIR-GC/MS聯機技術測定環(huán)境中微塑料的定量分析方法,根據不同種類微塑料熱解產物的特異性和豐度,確定該方法的指示劑。該方法可以與顯微紅外光譜法和顯微拉曼光譜法互補,在微塑料檢測領域有較好的應用前景。

2.5 液相色譜-質譜法

塑料作為一類通過加聚或縮聚反應聚合而成的高分子化合物,由合成樹脂及填料、增塑劑、穩(wěn)固劑、潤滑劑、色料等添加劑組成。通過對解聚后單體成分的測定,可對微塑料性質進行評價。WANG等[52]在氫氧化鉀和戊醇體系中通過加熱將聚碳酸酯(PC)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)化學解聚為各自的功能單體雙酚A 和對苯二甲酸,經高效液相色譜串聯質譜檢測,建立了PC和PET微塑料液相色譜-質譜定量檢測方法,最終回溯出微塑料的質量。但是,液相色譜-質譜法只適用于解聚后單體明確可測的聚合物,不適用于單體復雜、聚合度多變的塑料品種。

2.6 熒光測定法

微塑料熒光標記法在研究生物體內微塑料的原位分布及攝入規(guī)律中具有重要作用。結合熒光顯微鏡還可以對生物體內微塑料進行定量分析。田莉莉等[27]對比了熒光法和C-14同位素示蹤法的檢測限、靈敏度和定性定量等方面差異。熒光法可以直觀觀察,在研究生物體內微塑料分布和高濃度暴露時有一定優(yōu)勢,但檢測靈敏度不如C-14同位素示蹤法,不適用于復雜介質中低濃度微塑料的定量檢測。

利用羅丹明B[63]等具有疏水性的熒光染色劑對微塑料進行染色,可以在熒光顯微鏡下用特定光束照射,通過圖像分析對熒光粒子進行識別和計數。LUO等[64]通過溶脹法將稀土配合物摻雜到200 nm聚苯乙烯微球(PS-Eu)內部,利用稀土配合物的時間分辨熒光特性實現對植物(小麥和生菜)中吸收積累的PS-Eu顆粒的準確可視化追蹤。該方法克服了微塑料傳統(tǒng)熒光標記方法存在的背景熒光干擾、染料易泄露、難以同時進行精確定量等缺點,為微塑料在復雜生物介質中積累、傳輸和分布提供了一種嶄新、簡便、通用的研究方法。

3 展望

微塑料污染已引起全球越來越多的關注。研究人員圍繞微塑料的種類、分布、遷移和檢測等做了大量工作。微塑料檢測技術作為研究和評價的重要手段,尚缺少成熟、統(tǒng)一的方法,建議微塑料檢測技術研究還應從以下方面進行加強和完善:

(1)建立快速高效、操作方便的微塑料檢測方法。環(huán)境中的微塑料樣品批量通常較大,步驟復雜的方法會給檢測工作帶來很多局限性。針對野外環(huán)境現場調查狀況,可以建立快檢方法進行實時準確定性檢驗。

(2)建立微塑料檢測方法標準。從取樣方案、樣品前處理方法、定性檢測、定量檢測和檢測結果評價體系等方面進行研究,建立具有廣泛適用性的標準方法,為環(huán)境管理和科學研究提供具有比較價值的數據。