浮選-消解法提取土壤中的微塑料

陳嫻 顧軒寧 包麗婧 馬璇 潘亞男 馬閃閃 穆瑛慧

摘? ? 要：土壤作為微塑料（MPs）最重要的“匯”開始逐漸受到關注，但是，由于土壤基質的復雜性，目前尚未建立土壤MPs監測的標準化方法。探討浮選-消解法提取土壤中兩種典型MPs-聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）的效果，重點考察5種消解體系： KOH、H2O2、HNO3、H2O2+H2SO4和H2O2+HNO3。結果顯示，H2O2的消解效果最佳，其他消解方法會造成土壤有機質去除不完全或引起MPs顆粒表觀形貌和表面微觀特征的變化。采用飽和NaCl溶液浮選和H2O2消解聯用，可有效提取土壤中兩種粒徑（0.85 mm和0.075 mm）的PE和PS，回收率在83%～94%，且大粒徑MPs的回收率更高。

關鍵詞：土壤;微塑料;浮選;消解;提取

中圖分類號：X55? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）04-0001-07

作為一種新型污染物，微塑料（MPs<5 mm，包含納米塑料NPs<0.1 μm）污染已成為第二大環境和生態問題。相比于海洋，目前對于土壤MPs的研究還很匱乏。事實上，土壤是一個比海洋更大的MPs“儲存庫”，也是海洋MPs的主要來源[1]。污泥施用、農用膜使用和土地填埋等造成了土壤中MPs的普遍污染。但是，目前僅有少數研究報道了土壤MPs的污染狀況，其顆粒豐度范圍在1.3～42 960個 /kg[2-6]，在工業區土壤中甚至檢出了高達7%的MPs[7]。有證據顯示，MPs能通過陸地食物鏈傳遞，從而增加人類暴露的風險[8]。因此，有必要開展對土壤MPs污染狀況的調查，以明確其潛在環境風險。

由于受到土壤質地、有機質及團聚體結構的影響，從土壤中分離和鑒定微塑料要比水和沉積物中更加困難，這也是限制土壤MPs污染研究的主要原因。由于MPs的密度較小，一般在0.8～1.4 g/cm3，所以密度分離法是最常用的提取方法。常用的浮選液有飽和NaCl （密度為1.2 g/cm3 ）、ZnCl2（1.5～1.7 g/cm3）和NaI（1.6 ～1.8 g/cm3）以及水[9-10]。因此，分離效果的好壞主要取決于MPs和雜質的密度差。但是，當從富含有機質的土壤中分離MPs時，由于土壤有機質和MPs的密度相近（1.0～1.4 g/cm3），所以采用密度提取無法有效分離出有機質，需要進一步去除有機質。在水、底泥和生物樣品中常用酸（如HNO3）、堿（如KOH）和氧化（如H2O2）及酶（如蛋白酶）進行消解[11]。對于這些技術的處理效率還沒有系統評價。相比于浮選-消解法，直接提取技術，如加壓液體萃取[7]、快速加熱法[5]和熱解[12]等雖然省略了分離等樣品前處理，卻破壞了MPs的顆粒信息[13]。因此，土壤MPs污染調查的首要問題是探索MPs的分析檢測方法，以保證較高的回收率和準確率。

筆者選用浮選-消解法分離和提取土壤樣品中的典型MPs，重點考察不同消解體系對土壤基質的去除效果和對MPs表觀特征的影響。擬探討一種操作簡單、經濟、準確度高且對環境影響小的土壤MPs提取方法。

1? ?材料和方法

1.1? 供試土壤

供試土壤采自常州市武進區農田表層（0～20cm），位于N31°41'26''、E119°51'37''。土壤經自然風干后，去除碎石、砂礫及動植物殘體等雜質，研磨后過10目（2 mm）孔徑尼龍篩。土壤基本理化性質如下：pH 6.53（0.01M CaCl2 ：土= 5 ： 1），陽離子交換量21.4 cmol（+） kg-1，有機質1.04%，壤土（黏粒、粉沙粒和沙粒含量分別為14.3%、42.3%和43.4%）。

1.2? 供試MPs

選擇了兩種類型的MPs，聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS），粒徑大小包括20目（0.85 mm）和200目（0.075 mm），均購自南京卡佛科學儀器有限公司。供試MPs的選擇依據是：土壤MPs污染調查發現，PE是土壤中最主要的MPs類型[2， 3， 14];PS占了塑料總需求量的90%，并且在環境中被普遍檢出，在很多研究中被用作MPs的代表[15];土壤中檢測到的MPs大小主要集中在<1 mm的范圍[2， 4， 14]。

1.3? 重力浮選

在50 mL離心管中加入0.1 g PE或PS和10.0 g土壤，混合均勻后加入40 mL的飽和NaCl溶液，超聲（40 kHz）10 min，室溫下以150 r/min振蕩30 min，5 000 r/min離心20 min后將上清液和懸浮物倒入燒杯中。將上述提取過程重復2次，合并提取液，真空抽濾至孔徑10 μm的尼龍膜上，并用去離子水沖洗燒杯內壁和布氏漏斗。

1.4? 消解

將濾渣轉移至50 mL的帶蓋消解管中，加入10 mL的消解液，將消解管置于SH230N石墨消解儀中進行消解，具體試驗條件見表1。消解后，用去離子水進行稀釋和沖洗管壁，真空抽濾至孔徑10 μm尼龍膜上，隨后將濾膜放入鋪有錫箔紙的玻璃培養皿中，于60 ℃烘箱中干燥。將消解后的MPs進行電鏡掃描（SEM，Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡），觀察MPs的表面微觀特征。消解體系對比實驗選用20目MPs作為研究對象。

1.5? 數據分析

回收率結果均用平均值 ± 標準偏差（n = 3）表示。采用獨立樣本t檢驗用于評價兩種粒徑MPs的回收率差異。顯著性水平P設定為0.05。所有統計分析在微軟IBM SPSS 19.0軟件上進行。

2? ? 結果與討論

2.1? 土壤中MPs的提取

浮選法被認為是分離MPs的有效方法，并且采用的鹽溶液度越高則可以收集的MPs種類范圍越廣，但也可能造成更多的土壤雜質被一起浮選出來。海洋戰略框架指令海洋廢棄物技術組推薦使用價格低廉且環境友好的NaCl作為MPs的浮選試劑[16]。同時，飽和NaCl溶液密度（1.2 g/cm3）大于PE（0.92 g/cm3）和PS（1.04 g/cm3），可以實現土壤中這兩種MPs的提取。為了提高回收率，將浮選過程重復3次，結果顯示，第3次浮選過濾后，濾膜上未見MPs，表明兩次浮選即能提取完全。浮選后的重要過程就是土壤和MPs的分離，通常采用靜置[2， 8， 17]或離心[4， 18]。為了達到較好的分離效果，靜置通常需要24 h以上，且密度較小的土壤組分難以分離;離心所需時間短，上清液澄清，但可能造成部分MPs沉淀。預試驗比較了靜置和離心對分離飽和NaCl溶液中PE或PS的效果，其中，PE經靜置和離心后均能完全分離，但PS易沾壁，經離心處理后沾壁現象消失，但靜置無法完全消除沾壁，見圖1。兩種分離方式均未見MPs沉淀。經比較，試驗選擇離心處理。經離心后，上清液中的MPs采用真空抽濾分離。但濾膜材質也會影響結果的準確度。Li等比較了石英、玻璃纖維、聚四氟乙烯（PTFE）和尼龍4種材質的濾膜，結果顯示，石英和玻璃纖維濾膜在沖洗過程中容易掉落纖維，PTFE膜因其疏水性難以過濾水相，尼龍膜效果最佳。因此，本試驗選擇了尼龍膜進行過濾。

2.2? ?不同消解體系的比較

土壤組成復雜，特別是含有各種有機質。一方面，MPs與有機質結合被包裹在土壤團聚體中，MPs難以從土壤顆粒中分離;另一方面，土壤有機質密度較小，浮選法無法將其和MPs分離。因此，浮選和消解聯用可以提高MPs的分離效率，但消解體系的選擇還應保證MPs的顆粒信息，如數量、形狀和大小不受影響。He等綜述了各種土壤有機質的去除方法，其中H2O2是最常用的消解液，但可能會輕微改變PE和PP的形狀，酸會消解塑料自身，堿會引起塑料表面降解。[11]但是消解的影響也與MPs的類型相關。Hurley等評價了4種主要的有機質去除方法（H2O2氧化、Fenton試劑、NaOH和KOH堿消解）對8種MPs顆粒完整性的影響，其中H2O2在70℃消解對多數MPs無影響[13]。筆者比較了5種消解體系對浮選后濾渣的消解效果，見圖2和圖3。消解前濾渣中存在大量雜質，主要為植物殘體，總體呈淡黃色（見圖2a和3a）。KOH的消解效果最差，仍殘留部分大顆粒有機質，對PS無顯著影響，但是PE變黃（見圖2b和3b）。H2O2和H2O2+H2SO4的消解效果最好，有機質消解完全，MPs表觀未見明顯變化（見圖2c、2e和3c、3e）。HNO3和H2O2+HNO3消解速度快且消解完全，但是造成了MPs不同程度的變黃，單一HNO3消解的影響大于二元體系，且對PS的影響大于PE（見圖2d、2f和圖3d、3f）。此外，HNO3和H2SO4對尼龍濾膜有腐蝕作用，會造成回收率的降低。

綜合上述分析，H2O2以及含有H2O2的二元消解體系（H2O2+H2SO4和H2O2+HNO3）的消解對MPs的整體表觀影響較小，為了進一步了解對MPs的表面微觀特征的影響，對這3種消解體系下的MPs進行電鏡掃描，其SEM圖見圖4和圖5。PE顆粒間會互相吸附，形成較大的團聚體，初始PE顆粒表面雖然不平整但較光滑（見圖4a）。與初始PE顆粒相比，H2O2消解損傷最小，無明顯腐蝕痕跡（見圖4b）。但H2O2與酸的混合體系造成PE顆粒表面出現了不同程度的損傷，H2O2+H2SO4消解后PE表面出現少量剝落及裂痕（見圖4c），而H2O2+HNO3的消解造成PE表面嚴重腐蝕甚至降解（見圖4d）。新鮮的PS表面較光滑，研磨過程造成了表面的輕微磨損（見圖5a）。而經消解后的PS仍處于均勻分散狀態，顆粒分明，未出現Claessens等研究中出現的融合現象（見圖5b、5c、5d）。這是由于本試驗消解溫度較低，未達到PS的玻璃化轉化溫度（95 ℃）。在含酸的消解體系中，PS顆粒表面損傷嚴重，特別是HNO3的存在造成了顆粒表面溶解而大量剝落（見圖5c、5d）。這可能是因為強酸具有強氧化性和腐蝕性。相比之下，單一H2O2消解后的PS與新鮮的PS沒有明顯差別（見圖5b）。Li等比較了這3種消解體系在70 ℃下對6種塑料（PE、PP、PS、PA、ABS和PET）的影響，發現H2O2+ H2SO4和H2O2+HNO3對PA表面有少量溶解，但未對其他塑料形態產生影響[14]，這可能是由于該文獻采用的是大顆粒（1～2 cm）塑料，并用體視顯微鏡在較大視野下觀察;并且還發現僅有H2O2+HNO3氧化改變了PE的FT-IR光譜[14]。雖然H2O2的氧化能力較弱，但是對本試驗中土壤有機質的去除效果良好，因此，采用該消解液用于后續試驗。

2.3? 不同粒徑MPs的回收

根據上述回收條件的優化結果，采用飽和NaCl溶液浮選、30%H2O2消解提取和分離土壤中不同粒徑的PE和PS，回收效率見圖6。PE和PS的回收率分別在83%～91%和90%～94%。之前的研究顯示，浮選法可以有效地分離MPs。采用不同分離裝置，如直接浮選法、分液漏斗法、容量瓶法和連續流動-氣浮法等對潮灘沉積物中MPs的回收率在60%～99%[20]。但很多回收試驗中采用了沙粒作為基質和大顆粒MPs作為研究對象，且未經過消解步驟[6，20]。本試驗采用真實土壤為基質，所選MPs粒徑在環境中MPs的主要粒徑范圍內，因此，所得結果具有較好的代表性。相對于PS，PE的回收率較低，這是由于PE顆粒具有較強的吸附性，易聚集成團并在轉移過程中粘附在瓶壁上，造成部分損失。從粒徑來看，200目的MPs回收率顯著（P<0.05）低于20目的MPs。由于對小粒徑MPs回收困難，在MPs的污染調查中可能會低估了MPs的污染程度。

3? ?結論

本試驗采用浮選-消解法提取土壤中的PE和PS。浮選采用飽和NaCl為浮選劑，并通過離心和尼龍膜過濾，實現MPs和土壤顆粒的分離。綜合比較了5種消解體系10%KOH、30%H2O2、65%HNO3、H2O2+HNO3（3：1）和H2O2+H2SO4（3：1）對土壤有機質的去除效果和對MPs的表觀影響。由于30%H2O2能完全消解土壤中的有機質，且對MPs的表面微觀特征無明顯影響，可作為消解液。采用本試驗的分離方法，MPs的回收率高達94%，其中，PS的回收效果優于PE，大粒徑（0.85 mm）比小粒徑（0.075 mm）MPs更易回收，是一種操作簡單、經濟、準確度高且對環境影響小的土壤MPs提取方法。在后續的方法優化中將考慮對更多MPs類型和土壤類型的適用性。

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責任編輯? ? 張志釗