微塑料在水土環境中的來源、危害及其檢測方法評述

潘偉亮，羅玲利，敖良根，謝會敏，蒲麟鑫，王書敏，2

(1.重慶交通大學 環境水利工程重慶市工程實驗室，重慶 400074；2.重慶文理學院 化學與環境學院 環境材料與修復技術重慶市重點實驗室，重慶 402160)

微塑料(MPs)的普遍定義為小于5 mm的聚合物顆粒，于2004年被湯普森首次提出。塑料行業自1950年以來增長迅猛，2019年全球塑料產量幾乎達到3.7億t，而到2050年可能達到330億t[1-2]。據了解，微塑料可被水生和陸生生物吸收和攝入，隨即作為食物轉移到人體內，進而可能構成潛在的健康風險[3-4]。

有研究表明，水土環境中的微塑料主要來源為人類活動[5-7]。累積在不同環境中的微塑料，由于其體積小，容易被許多生物誤食[8]。故此，本文綜述了微塑料在水土環境中的來源及危害，并對現已有的檢測方法進行歸納，總結出微塑料對環境的潛在風險，以期對微塑料的未來研究提供方向。

1 水土環境中微塑料的來源

水土環境中微塑料來源廣泛，但最主要的來源是人類生活產生的塑料垃圾。塑料最先由人類為生活便利發明創造，而后隨著塑料的廣泛應用，產生塑料衍生物污染。微塑料在人類日常生活[5-6，9]、工業生產[5，10]、農業薄膜及水產養殖[10-13]、污水污泥排放[10，13]等過程中產生，見表1。微塑料來源包括直接來源和間接來源。直接來源主要是人類生活、工業生產和農業水產養殖；間接來源主要是直接來源的衍生物，如大型塑料垃圾填埋分解、污水廠排放以及污泥利用等，了解微塑料在不同環境中的差異將有助于更好評估微塑料的風險[11]。

表1 水土環境中微塑料的來源及其主要形狀Table 1 Sourles and main characters of microplastics in soil and water environment

2 水土環境中微塑料的危害

據估計，到達海洋的塑料有70%～80%是由河流輸送的，主要輸入物來自制造和使用過程中處理不當的廢棄物、農業和土地以及WWTP的污水[15]。由于塑料聚合物表現出最小的生物降解性，因此在環境中可保留數百到數千年，在此期間會因為紫外線輻射、物理力和水解而分解成更小的碎片[16-17]。水土環境中的微塑料通過污水回用、土壤地下水滲透等途徑相互污染，而后通過較低營養級的生物轉向較高營養級的生物，進而最終回到人類身體中，造成危害。

研究表明，小的微塑料更容易在生物體內積累，一般認為微塑料的粒徑越小，對生態系統的危害越大[6，11，18-19]。微塑料對生物的危害多種多樣，見表2。

目前已在女性胎盤發現微塑料，而對胎盤中微塑料顆粒的分析表明，有3種被鑒定為熱塑性聚合物，其他9種聚合物可能來自人造涂料、油漆、聚合物、化妝品和個人護理產品等[20]。來自意大利的研究調查到意大利的東南部的一條河流Ofanto，每立方米的水體里有0.9～14個微塑料顆粒[20]。事實上，已有多個國家的河流、湖泊里，甚至在大海中，都檢測出了這樣的微顆粒[4，21-24]。2020年，香港的一份研究表明，在對110份地表自來水樣本的檢測中，有86份樣本里都檢測到了微塑料顆粒，比例為78.2%，每個有問題的自來水樣本中，平均有大約3個微塑料顆粒[25]。在食物、食鹽中，也有檢查出微塑料顆粒的報道[26]。有學者在墨西哥發現了從土壤到雞的微觀和宏觀彈性轉移的證據，評估了土壤、蚯蚓糞、雞糞、作物和小發明(用于人類消費)中的微觀和宏觀塑料，確認微型和大型塑料能夠進入陸地食物網[27]。

表2 微塑料對水土環境中生物的危害Table 2 Hazards of microplastics to biology in water and soil environment

3 水土環境中微塑料的檢測方法

水土環境中微塑料的來源和危害表明，微塑料對人類生活影響巨大[33]。為避免潛藏的健康風險，了解并掌握怎樣檢測水土環境中微塑料的含量非常必要。

微塑料的檢測方法多種多樣，但目前對不同環境中微塑料的檢測方式已逐漸趨向一種較為統一的方法。從采集樣品到鑒別出水土環境中微塑料的含量，一般先經前處理，用不同物理化學處理環境中的樣品，待消解掉盡可能多的干擾物質后，采取紅外光譜等方式進一步分析內部聚合物。

3.1 水土環境中微塑料的采樣方法

不同水土環境，采樣方法、樣本量不同。首先，采樣點在采樣區域要盡可能均勻分布，并考慮地理環境的差異[6，8，10]。其次，為避免二次污染，通常采用不銹鋼采樣工具，采取的樣本盡量放在玻璃瓶、錫箔紙等不含微塑料或者形態極其穩定的實驗塑料密封袋中[6，8，10，34-35]。最后，采取樣本在運往實驗室過程需做相應處理，水樣、土樣一般不做特殊處理，而生物樣本則需要做處理以防腐壞[8，18，20]。微塑料樣品采集方式見表3。

表3 水土環境中微塑料的采集方式Table 3 Collection methods of microplastics in water and soil environment

3.2 水土環境中微塑料的提取方法

為更好的減免微塑料所處環境中其他物質的干擾，通常分為以下步驟。首先是通過加入浮選劑(飽和狀態)浮選，目的是浮選篩分，萃取、分離密度不同的污染物。其次是將浮選后的樣本的上清液過濾，目的是將微塑料聚集在一起，便于進一步處理。最后是將濾膜及其富集的微塑料物質放置相應容器中，加入消解劑消解，最后再次過濾得到待測目標物。見表4，水土環境中微塑料分離的浮選劑多種多樣，通常可一種單獨使用也可多種串聯使用[32，35]。濾膜則可使用尼龍濾膜、纖維素濾膜等穩定性好的濾膜，濾膜孔徑可根據實驗需求選擇[38-40]。消解劑則使用過氧化氫和芬頓試劑居多，實驗過程中常常根據不同情況調節消解劑濃度及濾膜種類[3，38]。

表4 微塑料顆粒提取步驟中的相關試劑用品Table 4 Related reagents in the extraction steps of microplastics particles

3.3 水土環境中微塑料的檢測方法

水土環境中微塑料的檢測方式通常分為兩個步驟。一是用顯微鏡等較直觀的儀器觀察記錄微塑料物理特征，如微塑料的形態(碎片、顆粒、纖維)、顏色(彩色、白色、黑色)和粒徑(0～5 mm)等[3，5-6，8-11]。微塑料形態通常分為碎片、顆粒和纖維狀等，表1梳理了部分文獻的微塑料形態結果。二是使用紅外光譜、拉曼光譜等精密儀器測量微塑料內部聚合物種類[8-10，48]。這也是目前研究者最常用的檢測方法。表5列出了使用顯微鏡和拉曼、傅里葉紅外光譜檢測微塑料內部聚合物種類的結果。由表5可知，目前檢測出的微塑料內部聚合物種類多是聚乙烯、聚丙烯等，不同環境間聚合物種類差異大。微塑料聚合物之間的差異和環境中微塑料來源有著密切關系。

研究者發現，觀察微塑料形狀及粒徑大小，多數實驗者會優先選擇掃描電鏡、立體顯微鏡等儀器，這主要是因為個別微塑料在光學顯微鏡下會變得難以觀察和識別，而在掃描電鏡下通過金字塔坑標記法可以展現出來，利于進行下一步光譜分析[3]。在光譜分析微塑料聚合物階段，多以紅外光譜及拉曼光譜分析聚合物種類，進一步確認微塑料聚合物種類及其豐度。

表5 水土環境中微塑料的檢測方式Table 5 Detection method of microplastics in water and soil environment

3.4 當前檢測方式技術難點

目前為止，關于水土環境中微塑料的檢測方法雖然多種多樣，且逐漸形成相似步驟，但仍未形成統一。查閱到的微塑料測量結果，單位多種多樣，如microplastics/g w.w.、microplastics/shrimp、items/kg dry weight等，沒有相對統一標準。而對于納米級別的微塑料，目前報道的檢測方法仍不能準確檢測出來。塑料聚合物光譜檢測方法干擾嚴重，目前手段尚未找出完全將微塑料從水土環境中提取出來的方法，也沒有光譜能將微塑料所有內部聚合物種類檢測分辯出來。梳理相關文獻不難發現，在微塑料從環境中提取出到最后鑒別出其濃度含量，存在許多問題。

在樣本采取階段，如何通過以部分取樣樣本表示整個區域的樣本微塑料含量是個難點，目前已有方法如查找典型水樣和土樣、科學計算劃分典型區域等以確定一定范圍內的微塑料濃度。采集到的樣本，經研磨篩分等初步處理步驟后，得到待處理樣本。篩分過程中，尤其是土樣，為使得土壤分析結果均勻性，選擇過篩目數需滿足土壤樣本幾近全部過篩。浮選階段是當前技術的一大難點，通常浮選一次難以達到理想效果，為此有研究者發明循環浮選裝置，以減少浮選誤差，提高微塑料回收率。消解階段的技術難點則在于如何將微塑料從環境中完全剝離，光譜檢測等確定聚合物的技術難點則在于光譜識別。

4 結論與展望

微塑料來源多種多樣，河道海洋等水環境中微塑料來源多以間接來源污水廠排放為主，水中微塑料形態多為纖維狀。然而，土壤環境來源較為復雜，主要的來源雖多以間接來源污水灌溉、農業薄膜等分解產生。水土環境中微塑料內部聚合物多以聚乙烯和聚丙烯為主，其他聚合物為輔，但不同環境中微塑料聚合物種類差異大，主要與其來源有關。

在檢測方法研究中，微塑料的提取方式目前多以密度分離為主，但分離后微塑料上的其他附著物質消除情況仍不理想，可多開發研究循環裝置、尋找合適試劑提取微塑料，尤其是針對粒徑微納米級的。密度分離、浮選消解后的定量分析，可考慮多種技術手段聯用，目前雖有學者在這方面有研究，但整體看仍舊不足。

未來研究中，既需要制定相關法律法規從源頭上管控使用塑料制品以及廢水中微塑料排放量，也需研發新型易降解、可循環、生態或無危害型產品替代塑料制品。此外，為了解微塑料對人類生活及生存環境的潛在威脅，可追蹤微塑料在環境及食物鏈中的轉移情況或培育以微塑料為食的微生物，逐漸解決微塑料污染。