淡水环境中微塑料采样及预处理方法研究进展
发布时间：2020-12-31
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。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。三种不同类型的拖网外观见图1。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。
大体积采样法指不减少水的体积，一般用散装取水器(包括取水容器)或用泵采集淡水水样。使用散装取水器采完样后需立即送入实验室进行筛分。其优点主要有：不需要专门的设备和船;易于收集样品;样品大小齐全，可用于收集较小的微塑料。缺点主要有：费时费力;需将水桶人工转移到实验室;采样水样量较小;所涵盖的取样区域有限，数据可能不具有代表性，因为微塑料的空间分布是高度可变的。泵送样品优点主要有：可对大量的水取样;省力;允许选择取样时过滤筛网大小。缺点主要有：需要设备;工作时需要能量;仪器可能造成污染。
不同的采样方法会造成样品代表性的不同，在选取的34篇文献中，涉及水体采样的文献共有28篇，其中，用拖网采集的共有9篇，泵采样的有8篇，采水器采样的有8篇，泵和采水器结合的有1篇，有2篇文献将拖网和泵结合使用，目的是为了采集不同深度的水样。不同采样方式优缺点比较见表1。目前，拖网法[22-24,35]、散装取水器采样法[11-12,20-21,28,33]、泵采样法[13-14,16-17,34,36-37]在国内均有普遍应用。具体采样方法的选择主要受采样区域与已有设备限制，实验人员可根据客观条件来灵活选择自己的采样方式。
3.2沉积物样品采集
沉积物在淡水水体污染中同时扮演着“源”和“汇”的角色。一方面，微塑料表面的静电力易吸附水体悬浮颗粒物，并通过物理、化学和生物沉降作用随着颗粒物进入沉积物;另一方面，在环境条件发生变化时，沉积物中的微塑料会通过絮凝、沉降、解吸等过程再次释放到水体中。一旦进入沉积物，微塑料就会经受低温和低氧，避免了紫外线的破坏和机械风化，从而促进了其在水环境中的持久性，增加了在水环境中的污染程度。在全世界范围内，每公斤干重或每平方米的淡水沉积物中微塑料含量在几十到几千个不等，如葡萄牙的Antua河，每千克干重的沉积物中有56～1,265个微塑料[18]，甚至在圣劳伦斯河中微塑料丰度最高的采样点达到了7,562n/kg干重[15]。
沉积物中微塑料的分布是不均匀的，会受微塑料自身性质和环境因素的影响，且由于局部区域可能含有较高浓度的微塑料，实验结果很大程度上取决于采样区域和深度，因此，在取样时应保证随机性，从而使得取样具有代表性。沉积物的采集由于采样位置的不同，使用的工具也有所不同。河底沉积物一般选择岩心取样器、抓斗或箱式采泥器。岸边泥土可采用镊子、不锈钢采样铲或不锈钢勺采样。采集后的样品需用铝箔包裹放入塑封带运回实验室，在4℃下保存。以上采样工具都得到了普遍应用，目前国内应用最多的为VV抓斗式采样器。
3.3生物样品采集
塑料的粒径较小，容易被水中生物误食，继而在其体内引发一系列毒理效应，因此研究微塑料在生物样品中的分布十分必要。虽然水生生物摄入微塑料在世界范围内已被广泛报道，但这些研究大多集中在海洋生物上，而淡水生物摄入微塑料的信息较为匮乏。在世界范围内，淡水生物和海洋生物中微塑料的含量每个个体从数个到几十个不等[44]。例如太湖中蛤蜊的微塑料含量为0.2～12.5n/g软组织[22];澳大利亚古尔本河的淡水虾中，36%的个体含有微塑料，平均丰度为24n/g[27]。
微塑料生物样品采集种类主要有浮游生物、底栖生物及鱼虾类。浮游生物的采样可分为两种：一是直接采用垂直拖网，例如先用Bongo网拦截，再选择合适的淋洗液(常用10%福尔马林溶液)冲洗拖网获得样品;另一种方法是用洁净容器采集一定体积水样，再提取水样中的生物体进行后续分析。底栖生物可以通过拖网采集。大型生物类如鱼类通常是利用渔网直接采集或从当地市场进行购买，也有部分研究是从当地渔民或垂钓爱好者处购买[50]。
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。
4.1过滤或筛分
过滤或过筛是分离水样中微塑料的最常用方法，也是分离沉积物样品上清液的常用方法。筛分可使微塑料从环境基质中提取出来，并细分成不同大小的类别。它通常作为一个初始提取步骤，在此步骤中，样品可以湿筛或干燥后筛，以减少后续处理的体积。筛孔尺寸的选择，决定了要定量的微塑料的尺寸范围。过滤是一种固液分离技术，可通过该技术将微塑料从初始水样、密度分离或消化溶液的上清液中分离出来[52]。使用最广泛的滤纸是玻璃纤维滤纸，其次是硝酸纤维素滤纸和尼龙网。
滤纸的孔径或筛孔可以有很大的变化，其决定了检测到的微塑料的最小尺寸。然而，较小的孔径或筛孔也可能导致有机和矿物质快速阻塞。本文选取的34篇文献中，孔径或者筛网的大小各不相同，从0.22～1600μm不等，有1份文献缺少该信息，1份未采用该步骤。可以看出，由于研究对象的目标尺寸不同，不同研究对滤纸孔径的选择差异也较大，所以应该定义一个标准化的孔径或网孔大小，以便于不同文章之间结果的比较。——论文作者：李丹文1,2，林莉1,，潘雄1，吴晓晖2
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