淡水环境中微塑料采样及预处理方法研究进展

　　摘要：微塑料是一种广泛存在的新型环境污染物，它几乎存在于任何环境介质中，在海洋、河流、陆地、大气、土壤中均有发现微塑料污染。为更好地了解微塑料在淡水方面的研究情况，本文详细介绍了淡水系统的微塑料采样和预处理方法，并探讨了其发展方向。其中，采样方法涉及水体、沉积物及水生生物方面;在微塑料的提取方面比较了不同提取溶液和提取方法的优缺点;在样品消解方面分析了不同消解液和消解方法的优缺点。最后针对现阶段微塑料分析方法存在的不足，提出了今后的发展趋势及工作展望，以期为淡水环境中微塑料的采样及预处理技术发展提供参考。

　　关键词：新型污染物;淡水水体;微塑料;采样;预处理

　　1.研究背景

　　微塑料是一种全球新兴的污染物，目前对于微塑料(Microplastics)的广泛定义是：小于5mm的塑料微粒[1,2]。淡水微塑料来源分为初生微塑料及次生微塑料。初生微塑料指生产的微小颗粒、微珠等以小颗粒的形式直接排放到环境中的塑料(如洗化用品中具有磨砂功能的洗面奶、沐浴露及具有摩擦作用的牙膏等)。次生微塑料指由大型塑料垃圾经过物理、化学和生物过程造成分裂和体积减小而成的塑料颗粒。

　　水域环境论文范例：怎样有效解决淡水渔业养殖生产带来的污染

　　微塑料的危害主要有以下三点：①微塑料可释放出有毒有害物质。在塑料制品的制作过程中往往会添加许多添加剂，以提高其物理性能。如着色剂和阻燃剂，其中一些是众所周知的内分泌干扰化合物，它们可以从塑料碎片中释放到水系统，并进一步进入食物链，导致生物体内毒素的积累[3]。②微塑料比一般塑料更容易吸附有毒有害物质。由于其表面积大及固有的疏水性[4]，可作为重金属和持久性有机污染物等化学污染物的重要载体，对环境造成严重污染[4-7]，甚至可能会给人类带来严重的健康问题。③对水生生物有毒害作用从而影响生态环境及人类健康。

　　对鱼类的一些研究表明，微塑料和相关毒素在生物体是有累积效应的，会引起肠道损伤和代谢改变等问题[3]。2004年Tompson[2]第一次提出“微塑料”(Microplastics)这一术语，开始引起了科学界的重视，起初研究主要集中在海洋领域，2012年后淡水中微塑料的研究得到了越来越多的关注，最近几年有关淡水微塑料来源和丰度的研究更是以指数形势大幅增加，但淡水微塑料研究技术还不够成熟。

　　用于淡水微塑料研究的相关技术和理论大多是基于海洋微塑料研究的技术及理论，研究时需注意这两种环境的差异性：淡水与海水的密度不同，海水密度值为1.02～1.07g/cm3，淡水含盐量低，密度在1.0g/cm3左右，相较于海洋，淡水中微塑料垂直分布位置可能会更偏低一些;微塑料在淡水与海水中受到的物理力程度不同：如海洋系统中经常出现大的波浪与风速，淡水系统中的塑料也会经历物理作用，但相较于海洋，淡水环境的风浪会弱很多，所受物理力较小;其次环境条件也有巨大差异：如太阳辐射、降雨、酸碱度和温度，这些外部条件对微塑料有较大影响[8]。如Freeetal.[9]表明，在极度缺乏营养的湖泊中，由于缺少生物浮体导致高紫外线渗透，塑料碎片容易经历相对强烈的风化。

　　目前微塑料研究的最大问题是需要协调方法建立标准。有关淡水微塑料的研究文章虽已有一定基数，但不同研究之间从采样到样品预处理，至最后的仪器检测，所采取的方式都不一致，未形成一套统一标准，不仅影响了研究结果的可靠性，也给不同文章之间结果的分析比较带来很大困难。如采样方面，部分研究对于采样技术的介绍较为简单，未对外部条件(如天气、水流、时间等)进行描述或控制，选取的采样工具不同，使得采样结果缺乏代表性与重现性，方法学的缺陷被进一步放大。样品分离方面，需不断开发新技术来提高分离效率，确定微塑料的最低粒径以统一滤膜孔径。

　　样品的提纯方面，需找寻高效的消解技术，确定消解液类型与最佳反应条件。本文基于国内外淡水水体微塑料的相关研究，选取34篇典型文章(参考文献[10-43])，对淡水水体微塑料的采样及预处理方法进行分析和比较，讨论了不同方法的优缺点，针对目前存在的问题提出了未来研究展望。以期使读者对目前淡水环境中微塑料的采样和预处理方法研究有较为系统的了解，并推动淡水水体微塑料采样和预处理技术迈向标准化。

　　2.淡水水体微塑料的赋存状况

　　研究者在欧洲、澳洲、北美、亚洲的淡水中都检测到了微塑料。从国外淡水环境的数据来看，微塑料已经遍布各国的江河湖泊等淡水水域。无论是人口密集还是位置偏远地区的淡水水域都有大量的微塑料被检测出。在我国，淡水微塑料的丰度在不同地区差异较大。

　　污染水平最高的地方是城市河段以及大城市附近的湖泊或水库。从地理位置看，位于人口密集、城市化程度高的内陆水域微塑料污染更严重，如长江流域、珠江三角洲和三峡水库的上游等[44]。然而，微塑料污染也发生在偏远、人口稀少地区的地表水，如青藏高原的河流和湖泊[45]。这表明缺乏有效的防控措施时，在径流、季风等因素的影响下，微塑料可能会迁移并扩散到各种类型的水域，最终对淡水环境和人类健康造成风险。淡水水体分为河流、湖泊、水库等形式。

　　(1)河流：河流是微塑料最终归趋的重要接纳体，同时也是海洋微塑料的一个重要陆源输入，其微塑料污染情况直接影响了近海海岸的微塑料污染程度。因此，近年来河流中微塑料的污染逐渐成为研究热点[46]。河流也是微塑料研究最多的淡水水体，在国外，英国的泰晤士河，巴黎大城市中的地表水，西班牙的埃布罗河，加拿大的圣劳伦斯河，澳大利亚布里斯班河及维多利亚州的地表水，韩国的汉江及那东河等河流中都有大量微塑料被检测出。在中国，珠江、渭河、海河、黄河下游地表水、长沙和武汉的城市地表水也有着不同程度的微塑料污染。

　　(2)湖泊：湖泊是一个具有不同水文条件的半封闭系统，由于水动力学相对稳定，可能作为大量微塑料的汇集地。例如在加拿大的温伯尼湖中检测出了较高的微塑料，最低值为入流处的53,000n/km2，最高值为出水口附近的748,000n/km2[29];中国洞庭湖中微塑料的浓度范围为900～2,800n/m3，洪湖为1,250～4,650n/m3[36]。

　　(3)水库：水库是一种介于河流和湖泊间的半人工半自然水体，又被称为“人工湖泊”，这反应了水库与自然湖泊具有一定相似性，但在某些方面仍有较明显差异。如湖泊水力滞留时间长，几何形态为U形，水动力学比较规律;而水库水力滞留时间短，几何形态为V形，水动力学变化大[47]。目前对于水库的研究不多，国内最大的水库三峡水库和丹江口水库均有微塑料方面的研究报道。从现有研究数据来看，水库中也含有大量微塑料，污染水平较高。三峡水库中水体微塑料范围为1,597～12,611n/m3，沉积物每千克湿重中微塑料含量在25～300个[35]。丹江口水库中水体微塑料丰度为467～15,017n/m3，沉积物每千克湿重中微塑料含量在15～40个[17]。

　　3.微塑料样品采集

　　微塑料在淡水环境中的迁移、溯源、归宿、分布和生态毒理效应等方面的研究都涉及到多种介质，主要介质有水体、沉积物及生物体。样品的采集方法很大程度上取决于取样环境和微塑料的最小尺寸。

　　3.1水样采集

　　微塑料在水体中的分布取决于其性质，如密度、形状、大小、化学物质的吸附和生物絮凝，以及水的密度、风、水流和波浪等环境条件[7]，因此采集的微塑料数量和质量很大程度上取决于取样的位置和深度。由于微塑料在水体中丰度低、尺寸小等原因，通常采用浓缩样本和大体积采样两种方法。浓缩样本法指采样过程中样品体积会减小的方法，主要通过拖网采集。海洋微塑料采样网可以应用于淡水水体微塑料的采样中。从现有报道来看，目前淡水环境使用的拖网类型主要有蝠鲼网(Mantanet)、漂浮生物网(Neustonnet)和浮游生物网(Planktonnet)。

　　不同类型的采样网特征不同，采样位置也不同。蝠鲼网前端有一对像翅膀的金属箱，这使其能够漂浮在水面上，漂浮生物网连接在一个大的矩形框上，这两种采样网可用于表层水样的采集。浮游生物网的头部是圆柱形的，身体呈圆锥形，常用于中层水取样。采用拖网采样的优点主要有：易于使用;可以对大量的水取样;可以覆盖较大的采样区域，提取大量微塑料样品，且减少了采样体积[48]。缺点主要有：设备昂贵;需要船;样品可能受船只及拖缆污染;网孔孔径大，较小的微塑料会通过网格被漏掉[49]。已有文献报道中拖网孔径在112～333μm不等。

　　4.微塑料样品分离

　　在微塑料个体的分离过程中，部分研究采用直接挑选法，但由于肉眼识别率低、类型难以分辨等原因，此方法得到的结果往往受到质疑。因此，如何从样品中将微塑料分离出来并进行定量分析和表征是样品处理非常重要的一个环节[51]。目前较为常见的微塑料分离方法主要有过滤、筛分及密度分离法。

　　5.微塑料样品消解

　　环境样品中含有生物物质常与塑料混淆(如颜色较深的藻类碎片)，导致对微塑料浓度的过高估计，并增加了需要进一步分析的颗粒数量。因此，有必要创造一种简单的消解方法，能够在不影响聚合物结构或化学完整性的情况下减少有机物含量。目前，国内外常用的消解方法主要分为4种：酸消解(HCl、HNO3)、碱消解(NaOH、KOH)、氧化剂消解(H2O2、芬顿试剂)和酶消解。选定消解方式后还需选择合适的消解时间与温度才能达到较好的消解效果。

　　如Joanaetal.[7]比较了H2O2(30%)、HNO3(35%)、KOH(10%)、十二烷基磺酸钠(SDS，10%)、芬顿试剂(Fe(II)+30%H2O2)等五种消解液的消解效果，证明芬顿试剂与KOH最适合用于有机物的消解，在50℃下消解1h的条件下消解效率最高，不会导致合成聚合物的失重和视觉变化(硝酸纤维素除外)，不会影响对聚合物类型的红外识别。

　　6.质量保证和控制措施

　　在对微塑料进行监测时，在整个简单的过程中采取严格的质量保证和质量控制措施(QA/QC)，以提高数据质量至关重要[66]。在现场采样中，获得具有代表性的样品对于准确评估研究区域的微塑料丰度显得尤为关键。这需要合适的采样工具，设计和实施精准的采样策略[67]，还可通过重复采样来提高监测数据的可靠性。为避免样品在环境中交叉污染，采样工具在使用前或使用后都应用采样点处的水润洗三遍，在每个样品采集完后都应立即装入容器密封保存，并在采样结束后立即运回实验室进行后续处理。

　　在实验室工作期间，背景污染(如空气中的纤维)会对环境样本的定量结果造成偏差[68]，应采取措施检查和减少背景污染，例如，在真空条件下，通过滤纸对工作场所的空气进行一定时间的过滤，以检测潜在的空气污染;保持一个干净的实验环境避免外界污染，最好能在通风柜中进行实验;实验人员使用乳胶手套和棉质实验服[11-13]，实验设备使用钢或玻璃设备，塑料设备更换为非塑料材料或尽量避免接触塑料设备;减少通风和样品暴露时间，样品未使用时用铝箔覆盖表面防止与空气接触[18];用去离子水仔细清洗设备和容器。

　　7.结论与展望

　　目前微塑料研究的主要问题之一是使用的采样和预处理方法不一致，研究缺乏一致性，阻碍了对现有及今后数据进行大规模的比较。

　　(1)采样方面，拖网法因其涵盖区域广，采样体积大，节省人力等诸多优点而被广泛使用在水体采样，但现有研究采取的网孔大小、拖网速度和拖网时间不同，降低了数据的可比性。此外，有研究比较了不同采样方式采集的微塑料平均丰度值，结果显示拖网所采集样品的丰度明显低于泵式和取水器，但泵式和取水器取样也有其难以避免的固有缺点。未来研究人员需思考如何开发出一种标准化的取样方法，既简单又能有较高的代表性和重现性，以调查更大范围内微塑料的赋存状况。沉积物采样没有因为采样工具的不同而造成丰度值上的明显差异，但在描述微塑料丰度时应标注好干重或湿重以免描述不清造成歧义。

　　(2)分离方面，不同提取方式的提取效率不同，如何优化提取方式，提高微塑料提取效率值得研究者思考。NaCl因为其廉价无污染等优势成为了目前使用最多的分离溶液，但其密度较低，对高密度聚合物的提取效果较差。其他密度大的盐溶液又因为价格昂贵或者易造成污染而无法大量使用，因此建议使用双密度分离法，先用NaCl将轻质塑料提取出，再用密度大的盐溶液(如ZnCl2，NaI)提取剩余的重质塑料，使用后的盐溶液应重复利用以节约成本和减少污染。除现有分离技术外，未来研究人员还应着力于开发出其他高效而简单的提取方式。

　　(3)消解方面，目前已使用的消解剂对聚合物都有着不同程度的影响，消解过程中所采用的反应温度与时间也都不一致。酶的影响程度最低但因其消解速率慢、成本高的缺点而无法大规模运用，未来应创新高效的消解方案，既可以大规模使用又不对有机物造成损害。

　　参考文献(References)：

　　[1]ArthurC,BakerJ,BamfordH,InProceedingsoftheInternationalResearchWorkshopontheOccurrence,Effects,andFateofMicroplasticMarineDebris[J].NOAATechnicalMemorandumNOS-OR&R,2009,30:7-17.

　　[2]TompsonRC,OlsenY,MitchellRP,etal.Lostatsea:whereisalltheplastic?[J].Science,2004,304(5672):838.

　　[3]LiJ,LiuH,ChenJ,Microplasticsinfreshwatersystems:Areviewonoccurrence,environmentaleffects,andmethodsformicroplasticsdetection[J].WaterResearch,2018,137:362-374.

　　[4]JoanaCP,JoãoPDC,ArmandoCD,etal.Methodsforsamplinganddetectionofmicroplasticsinwaterandsediment:acriticalreview[J].TracTrendsinAnalyticalChemistry,2019,110:150-159.

　　[5]TurnerA,HolmesL,Occurrence,distributionandcharacteristicsofbeachedplasticproductionpelletsontheislandofMalta(centralMediterranean)[J].MarinePollutionBulletin,2011,62:377-381.

　　作者：李丹文1,2，林莉1,，潘雄1，吴晓晖2