飲用水微塑料檢測中濾膜的適用性

李 珊，邢方瀟，王 瑜，呂 佳，張 嵐，*

(1.中國疾病預防控制中心環境與健康相關產品安全所，北京 100050；2.天津市濱海新區疾病預防控制中心，天津 300457)

微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料碎片、顆粒或者纖維,按來源可分為初級微塑料和次級微塑料[1]。初級微塑料是指為滿足特定需求而生產的產品，如牙膏、洗面奶和肥皂等個人護理產品中的微珠[2-3]；次級微塑料是指暴露于環境中的大型塑料在機械磨損和光照、風力等自然力作用下逐漸降解形成的塑料碎片[4]。塑料制品以價格低廉、輕便易攜帶、易塑形、持久耐用等特性成為人類生活中必不可少的用具。截至2015年，全球共產生63億t塑料廢物，不足9%被回收，12%被焚化，約79%的塑料廢物進入垃圾填埋場或散落在環境中，成為次級微塑料的重要來源[5]。微塑料在自然環境(如水、土壤、空氣)中廣泛存在[6-8]，有報道稱在人為環境如食品[9-12]、衣物[13]、工業噴漆[14]、飲用水[10, 15-17]、茶包[18]中檢出微塑料，甚至從低級浮游生物到人的各級生物體中也有檢出[19-21]。微塑料粒徑小，不易分解，比表面積大，可吸附持久性有機污染物，對個體器官組織造成物理、化學損害，且通過食物鏈的層層富集，微塑料還會對整個生物圈造成不可避免的破壞[22-24]。世界衛生組織(WHO)對飲用水中微塑料的健康風險進行了首次審查，認為根據目前掌握的有限信息，當前飲用水中微塑料水平尚未構成健康風險[6,25]。而最近有研究顯示，在95 ℃熱水中浸泡一個塑料茶包可釋放出約116億個微塑料和31億個納米塑料[18]，顯著超過目前其他文獻中報道的飲用水中微塑料水平。實際上由于檢測方法的差異，相關研究之間的檢測結果缺乏可比性。鑒于飲用水中微塑料的存在水平，檢測過程主要包括富集和上機測定兩個步驟。本文主要針對富集過程中的濾膜選擇開展試驗研究。目前，文獻報道提取環境樣本中微塑料的濾膜主要有纖維素類濾膜[26-28]、聚碳酸酯濾膜[29]及不銹鋼濾膜[15]等。本文選擇了硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜這3種纖維素類濾膜，以及聚碳酸酯濾膜、不銹鋼濾膜、聚四氟乙烯濾膜作為研究對象，對6種濾膜在過濾、洗脫的富集過程中對飲用水中微塑料檢測的適用性進行探討。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

純水機(Milli-Q Integral 5，法國)，GM-0.5 A隔膜真空泵(天津津騰試驗設備公司)，ME104電子天平(感量0.000 1 g，瑞士Mettler公司)，超聲波清洗器(寧波新芝生物科技股份有限公司)，玻璃抽濾裝置(25 mm，亞邁)，9140MBE數顯不銹鋼鼓風干燥箱(上海博迅醫療生物儀器股份有限公司)，干燥器。

PVC微粒(Sigma-Aldrich，德國)，無水乙醇(北京化工廠)，異丙醇(北京化工廠)，HNO3(北京化工廠)，均為分析純，試驗用水為超純水。

硝酸纖維素濾膜(0.45 μm，millipore，美國)、聚碳酸酯濾膜(0.45 μm，whatman，美國)、聚四氟乙烯濾膜(0.45 μm，津騰)、混合纖維素濾膜(0.45 μm，安譜)、玻璃纖維素濾膜(0.7 μm，whatman，美國)、不銹鋼濾膜(4 μm，河北不銹鋼網廠)，鋁箔，玻璃培養皿，5 L細口玻璃瓶。

1.2 試驗方法

本研究采用加標方法測試過濾和洗脫過程中6種濾膜的適用性。

1.2.1 試驗準備

(1)不銹鋼濾膜：用異丙醇充分溶解不銹鋼濾膜上的油污，然后用超純水沖洗3次，烘干后保存在燒杯中，用鋁箔覆蓋杯口，隨取隨用。

(2)玻璃培養皿：用50%乙醇溶液、超純水各清洗3次，烘干后備用。

1.2.2 試驗操作

(1)將一張濾膜放置于洗凈的培養皿中，合蓋于40 ℃干燥箱烘烤20 min，之后迅速轉移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數，然后再次烘干、冷卻、稱量計數，重復此操作直至恒重(相鄰兩次稱量相差不超過0.000 4 g)，此質量為m1，放置于干燥器中備用。

(2)稱取一定質量的PVC微粒(質量為m)，添加到裝有5 L超純水的細口玻璃瓶中，制成加標樣。

(3)用(1)中已稱至恒重的濾膜過濾加標樣，玻璃瓶內壁及濾杯內壁用超純水涮洗3次，將過濾后的濾膜置于原培養皿中，合蓋于40 ℃干燥箱烘干，之后迅速轉移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數，重復上述操作直至恒重，此質量為m2。

(4)另取不銹鋼濾膜置于洗凈的培養皿中，合蓋于40 ℃干燥箱烘干20 min，之后迅速轉移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數，重復上述操作直至恒重，此質量為m3，置于干燥器中備用。

(5)將過濾后的濾膜置于裝有100 mL超純水的燒杯中超聲洗脫20 min(30 ℃)后取出，用超純水對濾膜正反面分別沖洗3次，將沖洗液與洗脫液混合；將混合液用按照(4)方法處理已稱至恒重的不銹鋼濾膜過濾，燒杯內壁及濾杯內壁用超純水沖洗3次，沖洗液同樣完成過濾，之后將過濾后的不銹鋼濾膜取出并置于原培養皿中，合蓋于40 ℃干燥箱中烘干，之后迅速轉移至干燥器，冷卻至室溫，稱量計數，然后再次烘干、冷卻、稱量計數，重復操作至恒重，此質量為m4。

(6)重復以上(1)～(5)操作，每種濾膜得到6個平行樣。

1.2.3 計算

通過計算過濾前后和洗脫前后濾膜重量變化評估6種濾膜對PVC微粒的過濾和洗脫效果，如式(1)～式(4)。

ΔRi=m2-m1

(1)

ΔEi=m4-m3

(2)

(3)

(4)

其中：ΔRi——截留量，g；

ΔEi——洗脫量，g；

m1、m2——過濾前后濾膜及培養皿的稱重，g；

m3、m4——洗脫前后濾膜及培養皿的稱重，g；

n——每種濾膜的平行樣數量，n=6；

m——PVC微粒加標量，g；

i——6組平行樣的排序，i=1、2、3、4、5、6。

1.3 質量控制措施

試驗操作中采用了以下質量控制措施：(1)為減少空氣沉降、衣物等外環境中微塑料污染及人體皮屑等可能帶來的污染，整個試驗過程均在通風柜中進行，試驗人員穿白色棉質工作服，戴丁腈手套；(2)所有器皿在第一次使用時、閑置一段時間后或接觸了微塑料后，均用2% HNO3充分灌洗、50%乙醇超聲清洗10 min，并用超純水清洗3次，器皿不使用時用鋁箔蓋住開口；(3)過濾實際樣品前，提前檢查過濾器的氣密性；(4)過濾過程中避免磨砂玻璃瓶蓋與樣品瓶瓶口反復接觸，以防帶入額外污染，如玻璃渣、空氣中的纖維等。

1.4 數據統計

試驗數據采用 SPSS 17.0 軟件進行統計分析。其中，不同濾膜對PVC微粒截留率采用單因素方差分析，不同濾膜過濾前后、洗脫前后PVC微粒的質量變化差異采用配對t檢驗，因素間的兩兩比較采用SNK法。P<0.05 認為差異有統計學意義。

2 結果與討論

2.1 濾膜的特點與使用感受

本研究的試驗對象為硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜，表1分別從濾膜孔徑、價格及使用感受等方面對6種濾膜的性能進行了比較。從價格上分析，聚四氟乙烯濾膜價格最低，硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜價格適中，聚碳酸酯濾膜和不銹鋼濾膜價格偏貴；從過濾效率上分析，相同孔徑的4種濾膜中，硝酸纖維素濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜過濾效率相當，聚碳酸酯濾膜過濾效率略低；從使用感受上分析，硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜平整服帖，但質地脆弱，烘干耗時久，超聲洗脫時破損嚴重；聚碳酸酯濾膜平整服帖，最輕薄，烘干耗時適中；聚四氟乙烯濾膜質地堅韌，烘干后濾膜彎曲弧度大，表面截留的物質易掉落；不銹鋼濾膜使用感受最佳，質地堅韌，易烘干，且材質不會干擾紅外光譜儀的定性分析。

圖1 不同濾膜對PVC微粒的過濾效果Fig.1 Filtration Effects of Different Membranes on PVC Microplastics

2.2 濾膜的選擇

2.2.1 過濾效果評估

按1.2試驗步驟分別對硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的過濾效果進行測試，每種濾膜平行測試6次，結果如圖1和表2所示。由圖1和表2可知：聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜及不銹鋼濾膜對PVC微粒的截留率較高，分別為89.1%、94.2%、97.1%，RSD分別為11%、9.4%、8.8%；硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜對PVC微粒的截留率相對較低，分別為61.9%、45.5%、61.9%，RSD分別為17%、7.9%、5.7%；硝酸纖維素濾膜重現性稍差，可能是由于濾膜易在過濾時發生破損且每次的破損程度不同。

經單因素方差分析，不同濾膜對PVC微粒的截留率存在差異(F=43.392，P<0.001)。經兩兩比較后發現，聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜及不銹鋼濾膜對PVC微粒的截留率高于3種纖維素濾膜的截留率(P<0.05)，該3組間無顯著性差異(P>0.05)。分別將6種濾膜的加標量和截留量進行配對t檢驗，發現硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜和玻璃纖維素濾膜對PVC微粒的截留量均顯著低于加標量(P<0.05)。造成這種差異的原因可能是硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜結構疏松，濾膜濕潤后孔徑發生改變；另一可能原因是其孔徑不均，標注的孔徑規格是平均孔徑而非實際孔徑。聚四氟乙烯濾膜、聚碳酸酯濾膜及不銹鋼濾膜3種濾膜對PVC微粒截留量與加標量無顯著性差異(P>0.05)。

表2 不同濾膜對PVC微粒的過濾/洗脫效果(n=6)Tab.2 Filtration/Elution Effects of Different Membranes on PVC Particles (n=6)

注：P值為配對t檢驗的概率值

圖2 不同濾膜經洗脫后的洗脫液(a)硝酸纖維素濾膜；(b)聚碳酸酯濾膜；(c)聚四氟乙烯濾膜；(d)混合纖維素濾膜；(e)玻璃纖維素濾膜；(f)不銹鋼濾膜Fig.2 Eluent of Different Filter Membranes after Elution(a)Cellulose Nitrate Membrane；(b)Polycarbonate Membrane；(c)Polytetrafluoroethylene Membrane；(d)Mixed Cellulose Membrane；(e)Cellulose Membrane；(f)Stainless Steel Membrane

2.2.2 洗脫效果評估

按1.2試驗步驟分別對硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的洗脫效果進行測試，每種濾膜平行測試6次，數據如表2所示。由表2可知：聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜及不銹鋼濾膜的平均洗脫率分別為95.9%、91.7%、94.2%，RSD分別為10%、15%、14%；硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜的平均洗脫率分別為397%、823%、190%，RSD分別為25%、42%、17%。

分別對硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的截留量和洗脫量進行配對t檢驗，發現硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜在洗脫前、后，PVC微粒質量有顯著變化，洗脫量明顯大于截留量(P<0.05)。肉眼觀察亦發現，硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜及玻璃纖維素濾膜經過洗脫后，洗脫液出現不同程度的渾濁(圖2)，說明硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜在洗脫時出現濾膜破損，這也導致3種纖維素類濾膜對PVC微粒的洗脫率超過100%，因此，這3種濾膜不適合用于飲用水中微塑料的檢測。聚四氟乙烯濾膜、聚碳酸酯濾膜及不銹鋼濾膜在洗脫前后，各自的截留量和洗脫量無顯著性差異(P>0.05)；經單因素方差分析，這3種濾膜對PVC微粒的洗脫率亦無顯著性差異(F=0.493,P=0.621)，可用于飲用水中微塑料的檢測。但因聚碳酸酯和聚四氟乙烯均是常用的工程塑料，已有文獻報道在飲用水中檢測到聚四氟乙烯[17]。如選擇這兩種濾膜，可能導致難以判斷檢測到的微塑料是水樣中固有的成分，還是來自濾膜脫落，加之使用感受上亦各有缺點，因此，最終選擇推薦不銹鋼濾膜。

3 小結

近年來，微塑料作為新型污染物受到了社會各界的廣泛關注，已有研究報道在飲用水中檢出微塑料，但國際上目前尚未建立標準化的檢測方法。目前，飲用水中微塑料檢測方法的研究主要集中在不同的有機質消解方式及不同的分析儀器對檢測結果的影響等方面，尚未有研究考慮濾膜性能對微塑料檢測的影響。

本研究以濾膜為切入點，從孔徑、價格、使用感受等方面綜合比較了硝酸纖維素濾膜、聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜及不銹鋼濾膜的性能，并通過純水加標試驗得到了6種濾膜對PVC微粒的平均截留率數據(依次為61.9%、89.1%、94.2%、45.5%、61.9%、97.1%，RSD分別為17%、11%、9.4%、7.9%、5.7%、8.8%)和平均洗脫率數據(依次為397%、95.9%、91.7%、823%、190%、94.2%，RSD分別為25%、10%、15%、42%、17%、14%)。經統計分析，發現硝酸纖維素濾膜、混合纖維素濾膜、玻璃纖維素濾膜的截留量低于加標量(P<0.05)，洗脫量高于截留量(P<0.05)，說明濾膜的過濾、洗脫效果均不佳。聚碳酸酯濾膜、聚四氟乙烯濾膜和不銹鋼濾膜的過濾、洗脫效果良好，且3種濾膜的平均截留率和洗脫率均無顯著性差異(P>0.05)。

聚碳酸酯和聚四氟乙烯為常用工程塑料，可能會對污染來源的判斷帶來困擾，因此，推薦將不銹鋼濾膜用于飲用水中微塑料檢測的富集過程。