土壤微塑料監測技術現狀及方法標準化建議

薛荔棟，張霖琳，于海斌，朱紅霞，袁 懋

中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

微塑料普遍被認為是環境中粒徑小于5 mm的顆粒或碎片[1]，按來源可分為初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料是人工生產過程中直接產生并最終釋放到環境中，如個人護理用品中的微珠等。次生微塑料是指大尺寸的塑料產品或塑料廢棄物經過物理、化學、生物等作用裂解形成的，如紡織品、涂料、輪胎等產品在使用過程中產生的微塑料等[2-3]。M?LLER等[4]按粒徑大小將微塑料劃分為大粒徑(500 μm～5 mm)和小粒徑(1～500 μm)。常見組分包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等。土壤微塑料主要來源于農膜殘留、污泥污水廢棄物等，可通過循環利用、垃圾填埋、大氣沉降等途徑進入環境，也可通過地表向河流、海洋和地下水傳輸。除自身高分子材料及常見改性添加劑(鄰苯二甲酸酯、聚溴二苯醚等)具有毒性外，微塑料還易吸附有機污染物及重金屬而形成復合污染，進而引發嚴重的生態環境問題和健康風險[5-9]。

《新污染物治理行動方案》明確要完善新污染物環境監測技術體系，開展新污染物環境調查監測和環境風險評估，加強微塑料等新污染物的生態環境危害機理研究和管控。目前，研究層面主要集中在沉積物、污泥和土壤介質中的微塑料采樣、樣品制備、分析和評價方法等環節[10]，國內外尚未建立國家級或國際統一的土壤微塑料監測標準，難以實現研究結果間橫向比較和生態風險的準確有效評估[11]。本研究在系統梳理土壤微塑料已有研究基礎上，明晰樣品采集、制備(分離、有機質去除)、識別與定量等環節各種方法優缺點，探討質量保證與質量控制(QA/QC)措施，對土壤中微塑料監測方法標準化提出分步實施建議，為土壤新污染物的監測與評估提供技術支撐。

1 土壤微塑料監測技術

1.1 樣品采集

與水體不同，微塑料在土壤或沉積物中的分布更加具有模塊性和不均勻性，選擇不同的采樣點位、深度等參數都會對監測數據的可比性產生影響[4]。因此，實現代表性采樣是土壤微塑料分析的重要步驟之一。

1.1.1 采樣布點

M?LLER等[4]針對不同研究目標將土壤微塑料采樣布點方法總結為經驗判斷布點、系統布點和隨機布點3類(表1)，可單點采集或多點混合[12]，采樣點數量通過統計分析確定。

表1 土壤微塑料采樣布點方法概述Table 1 Overview of soil microplastic sampling methods

1.1.2 采樣深度及采樣量

土壤表面微塑料采樣深度一般為 0～20 cm[13]，大多數研究集中于0～10 cm[12,14-16]，被認為是微塑料的主要分布范圍。采樣量目前尚未統一，但應超過后續制備和分析所需的樣品量(50 g ～4 kg)。國際標準化組織(ISO)[6]推薦采樣深度一般在1～5 cm，采樣面積為0.04～0.3 m2，樣品量(濕重)為2～70 kg。

微塑料樣品采集時需要注意避免采樣器具的污染。M?LLER等[4]提出采樣時應避免工具、衣服或存儲器具引入的微塑料污染，采樣工具根據監測目標可選擇金屬勺(鏟)、箱式采樣器、取土鉆或巖心取樣器等。

1.2 樣品制備

土壤中雜質顆粒、有機質、難熔態化合物以及不完全燃燒產生的黑炭等，均會對微塑料識別和定量產生干擾[17]。樣品制備可有效將微塑料從背景物質中分離出來。

1.2.1 分離

土壤微塑料分離以物理分離為主，可與化學方法結合使用[11]，主要包括篩分法、密度分離法、泡沫浮選法、磁性分離法、靜電分選法、油提法和加壓流體萃取法等(表2)。

表2 微塑料不同分離方法比較Table 2 Comparison of different microplastics separation methods

經過初步篩分分離，可在一定程度上簡化分析步驟。密度分離法利用微塑料密度(0.8～1.4 g/cm3)與土壤密度(2.6～2.7 g/cm3)差異，達到兩者快速分離的效果[18]，操作簡單而被廣泛使用，但并不適合分離粒徑<10 μm的微塑料顆粒[19]。目前最常用的分離液有氯化鈉(NaCl，1.2 g/cm3)、氯化鋅(ZnCl2，1.6 g/cm3)和碘化鈉(NaI，1.8 g/cm3)等[5,20-21]。NaCl成本低、無毒害，分離使用普通設備即可，但受到密度限制，只能提取聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等低密度微塑料[22]。VAN CAUWENBERGHE等[23]發現使用NaI和ZnCl2可以滿足微塑料分離液的最佳密度范圍(1.6～1.8 g/cm3)要求。NaI溶液密度高，所需體積(約40 mL)小，分離效果佳，但價格十分昂貴且受氧化條件等因素限制。CLAESSENS[19]等將淘析裝置與NaI密度溶液結合，一定程度上解決了分離成本問題。NaCl和NaI的混合溶液對各類微塑料分離效率為68%～99%[24-25]。ZnCl2溶液可分離各種微塑料，但對老化塑料的提取效果差(僅為13%～39%)[26]，使用時加入酸溶液后易形成致密的泡沫，影響后續分離過程。CaCl2溶液也是常用分離試劑之一，其分離效率較NaCl高，但Ca2+的存在可能會促進土壤有機質結塊，干擾后續分析[14]。由于有機質密度(1.0～1.4 g/cm3)與部分聚合物(如聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET)密度相近，因此密度分離法不足以去除全部有機質。

泡沫浮選法、磁性分離法主要利用顆粒疏水性特征將微塑料分離。泡沫浮選法能夠較好地去除低密度微塑料顆粒，但對高密度顆粒的回收率低[19]，浮選效果很大程度上受限于微塑料的物理特性[22]。磁性分離法的回收率為49%(PP)～90%(PE)[27]，但土壤中親脂性物質可能影響分離效果，且該方法會破壞微塑料的結構，鐵的存在也可能干擾后續微塑料的分析表征。靜電分選法基于導電性差異實現對微塑料的分離，對微塑料結構幾乎無破壞[28]，但分離過程無法去除有機物和粒徑較小的顆粒[4]。油提法利用微塑料的親油性實現分離，用蓖麻油、橄欖油提取，回收率可分別達到90%±2%和97%±5%[29-30]，但若油層去除不完全則會干擾后續測定，當含有較大顆粒時還可能會堵塞漏斗[31]。加壓流體萃取法(PFE)成本低、分離效率和自動化程度高，對城市垃圾和土壤中PE、PVC 和PP等聚合物組分的平均回收率為84.5%～94%，可有效分離粒徑<30 μm的微塑料，但萃取過程可能改變微塑料形態，影響后續分析和評估[32]。

1.2.2 有機質去除

有機質去除方法主要有酸消解、堿消解、氧化法及酶消解法等(表3)。根據樣品特性和監測目標，可在實際工作中優化組合來實現去除效率的最大化。

表3 微塑料有機質去除方法Table 3 Microplastic organic matter removal methods

酸消解常用HNO3、HNO3-HClO4等，消解效果好，但一定程度上會消解微塑料自身聚合物[22]。HNO3消解時會破壞丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺/尼龍(PA)、PS和PET等聚合物[33]。HClO4通常與HNO3按照1∶4(體積比)使用[34]，高溫高壓下會強化消解效果，縮減消解時間，同樣也會導致耐酸性差的聚合物降解[35]。堿消解法常用NaOH、KOH等，比酸消解溫和，但耗時較長(通常2～3周)，會破壞特定種類聚合物(PE、PET、醋酸纖維素CA等)結構[36]，也可能無法消除不溶于堿的有機物，故方法適用性還有待探索[22]。

氧化法多用于沉積物和土壤，常用的氧化劑為H2O2(體積分數30%)，也有H2O2與硫酸(H2S04)結合使用[11]。處理富含有機質的樣品時易形成致密的泡沫，造成回收率偏低[37]。降低H2O2濃度和提高消解溫度可達到相應消解效果，但易導致對溫度敏感的聚合物回收率降低。此外，關于H2O2處理是否會破壞微塑料結構尚存爭議[22]。

Fenton試劑使用Fe2+離子催化H2O2氧化，不改變PE、PP和PVC微塑料的表面[4]，可以有效縮短反應時間、降低反應溫度，其最適pH值為3～5[22]。處理有機質含量高的樣品時，應控制溫度(不超過60 ℃)避免發生熱解反應[38]。HURLEY等[39]發現Fenton試劑在室溫下對土壤和污泥的有機物去除率最高，但對某些生物質無法去除，可能需要增加額外去除步驟。有研究表明，Fenton試劑和特定酶的組合消解方式可以提高土壤有機質的消解效果[40]。

1.3 識別與定量

土壤中微塑料常用分析方法包括目視識別法、光譜法和熱分析法(表4)，目前主要局限于聚合物組分的識別定量。

表4 微塑料主要儀器分析方法Table 4 Main instrumental analysis methods of microplastics

1.3.1 目視識別法

目視識別法根據微塑料的大小、形狀和顏色特性進行初步鑒定，常與其他方法結合使用。借助光學顯微鏡等儀器軟件，可識別粒徑<1 mm 的微塑料，對粒徑<100 μm的微塑料不適用。該方法誤差隨顆粒粒徑減小而不斷增大[22]，錯誤率為20%～70%[11]。

1.3.2 光譜法

傅里葉紅外光譜法(FTIR)、拉曼光譜法(Raman)是目前微塑料研究中最常用最可靠的分析方法，能夠精確識別聚合物類型、豐度、形狀和大小，但無法確定土壤微塑料的質量濃度[22]。FTIR通過將目標聚合物的光譜與標準譜圖對比，可識別出特定微塑料類型，但此方法易受顆粒的形狀、大小、顏色以及聚合物產生的復雜吸收光譜等影響[8]。Raman很好地彌補了這一不足，通過光子散射技術，利用不同樣品分子結構和原子的差異，產生不同頻率反向散射光，從而獲得各聚合物獨有的光譜圖像和精確的測定結果[41]。該方法不受顆粒形狀、大小等因素干擾，但運行時間較FITR長，且易受土壤背景熒光光譜干擾[42]。上述2種光譜技術均較為耗時，在處理有機質含量高的土壤樣品時均存在一定困難[40]。Raman能更好地響應非極性對稱鍵，而FTIR可更清晰地鑒定極性基團[22]，兩種技術可互為補充。同時，將FTIR、Raman與其他方法聯用可提高微塑料的識別精度。例如，配備顯微鏡的FTIR可以使用衰減全反射(ATR-FTIR)技術識別粒徑>500 μm的顆粒[22]，與光學顯微鏡聯合使用(即μ-FTIR 和μ-Raman)，可以分別識別粒徑>10 μm和>1 μm 的微塑料[43]，與原子力顯微鏡(AFM)結合，可以識別粒徑<1 μm的納米級微塑料[44]。

高光譜成像是近年來出現的一種用于環境樣品中微塑料分析的非破壞性識別方法。SHAN等[45]利用高光譜成像原位技術識別土壤表面粒徑范圍在0.5～5 mm的微塑料。PRIMPKE等[46]利用基于量子級聯激光的高光譜紅外化學成像技術(LDIR)與自動數據分析相結合的方法，實現在36 min內快速測量144 mm2范圍內的微塑料，具有較高的數據質量和檢測效率，但該方法覆蓋光譜范圍相對較窄，設備普及率較低。

除上述方法外，掃描電子顯微鏡-X射線能譜(SEM-EDS)等快篩非破壞性方法，可識別目視法的漏檢顆粒[36]。近紅外光譜(NIR)分析與化學計量學結合，可快速識別土壤中微塑料的化學組成，無需前處理但方法精度低，檢出限高，應用效果有待進一步研究[47]。

1.3.3 熱分析法

熱分析法包括熱解氣相色譜質譜法(Py-GC-MS)、熱重分析法(TGA)及熱萃取-熱解氣相色譜質譜法(TED-GC-MS)等方法，主要根據特定的分解過程產物來分析樣品中的聚合物組成，但熱分析法會對微塑料的結構造成破壞。

Py-GC-MS主要通過分析聚合物的熱降解產物來表征和定量微塑料聚合物類型及其中的有機添加劑[22]，無需進行樣品預處理。STEINMETZ等[48]開發的Py-GC-MS方法用于土壤中PE、PP和PS組分定量分析，方法檢出限為1～86 μg/g,加標回收率為70%～128%。但受樣品量(5 ～200 μg)和操作溫度限制(250～300 ℃)[4,49]，該方法并不適合進行批量分析。

TGA可與差示掃描量熱法(DSC)、質譜(MS)等技術聯用，利用不同微塑料的質量損失與溫度或時間的關系來定量。DAVID等[50]應用TGA-MS方法對土壤中的PET進行定量分析，方法檢出限為0.07 %(質量分數，下同)，PET為1.72%。TGA與Py-GC-MS相比，更適用于大批量樣品，但難以分辨質量和降解特性相似的聚合物[51]。為克服上述缺點，DüMICHEN等[49]建立了熱萃取-熱脫附氣相色譜質譜法(TED-GC-MS)，將熱重分析和固相萃取熱脫附結合，對PE、PET、PP 和PS等組分精確定量，克服了TGA儀器運行引起的誤差問題，且分析時間較短(2～3 h)，方法檢出限為0.5 %～1 %。

1.3.4 其他方法

PEEZ等[52]研究證明核磁共振波譜技術(q NMR)對粒徑20～500 μm的3種微塑料顆粒(PVC、ABS、PA)具有很好的分析潛力。LI等[53]提出用總有機碳(TOC)作為定量微納塑料總量的通用指標，實現了基于TOC準確測定水體微納塑料總量，但該方法能否應用于土壤微塑料監測有待研究。

1.4 QA/QC

在微塑料采樣、制備和分析過程中，大氣沉降、設備或材料等極易引入污染，為保證數據的準確、有效和可比，急需在監測各環節建立QA/QC措施。MURPHY[54]列舉了微塑料監測過程中采樣、樣品制備與分析的QA/QC的需求。制定采樣方案時需依據研究目標和區域特點，確定最具代表性的采樣方法及參數并可重現[11]。微塑料采樣時應避免引入塑料污染，WOODALL等[55]建議所有采樣設備和材料應用去離子水和35%乙醇預處理，樣品保存在有蓋的玻璃或金屬容器內，同時對實驗人員著裝做出相關要求(天然纖維或棉質衣物)，避免交叉污染。采樣時通過添加現場空白、全程序空白等評估可能的污染。樣品制備和分析應在潔凈實驗室進行，最好置于層流柜內(天然纖維過濾)。評價前處理效果常通過加標回收實驗或替代物來實現[36]。預處理和分析過程需進行空白實驗，方法準確度(精密度、正確度)指標、干擾實驗等QA/QC措施也不可或缺。

以往研究普遍缺少QA/QC的原因之一是標準物質的缺失。大多數聚合物標準物質(標準尺寸或混合標準)由于無法購買，研究人員只能自行生產用于實驗的微塑料[4]。郝愛紅等[56]統計發現，大多數加標回收實驗結果較好是由于選擇了無污染的單一類型土壤或砂粒基質，實驗對象通常選擇易提取分析的mm級未老化塑料顆粒。微塑料的粒徑越小，加標越困難，而目前研究缺少對小粒徑顆粒的加標回收實驗，若選用基質不具有代表性，會導致加標回收率不能真實反映測定結果。因此，不同土壤類型、粒徑以及聚合物類型的土壤微塑料標準物質研制技術急需開發[11]。

2 土壤微塑料監測方法標準化建議

為有效支撐新污染物的風險管控需求，可借鑒沉積物和土壤等介質已有研究成果，結合國內現有監測能力現狀(方法適用性、可比性和監測成本等因素)，制定涵蓋樣品采集、制備、識別量化、QA/QC等環節的監測技術規范，有序制定不同監測對象的分析方法標準，以增強土壤微塑料監測數據的準確性、可靠性和可比性。建議：

1)對涉及土壤微塑料相關術語(尺寸、形狀、大小、聚合物類型等)進行統一和規范。

2)結合已有研究成果，參考《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)以及全國土壤污染狀況詳查相關規定編制樣品采集技術要求，以表層土壤(0～20 cm)為主，根據研究目的適當采集深層樣品。

3)推薦篩分(<5 mm)、密度分離法及氧化法的組合作為前處理方法，對試劑選擇、方法參數等開展條件實驗。

4)因大粒徑微塑料總量分析方法目前已相對成熟[57]，識別量化方面優先建立大粒徑總量分析方法標準，有利于初步形成土壤環境微塑料污染監測評估能力。以目視識別法結合光譜法(FTIR、Raman方法為主)進行識別和量化，后續可對LDIR等其他主流方法開展比對和適用研究，同時開展具體聚合物定量分析方法(熱分析法為主)研究，不斷完善土壤微塑料監測方法標準體系。

5)目前多以數量濃度(如“個/kg”)為單位進行總量表征，但微塑料老化破碎會導致數量濃度的變化。單一使用數量濃度或質量濃度單位均不能全面表征微塑料污染水平[58]。因此，建議統一以不同粒徑分布、豐度和土壤干重來表征微塑料數量濃度，盡快開展數量濃度與質量濃度間的換算關系研究，實現兩者相互轉化和結果表達的規范化。

6)現階段可針對大粒徑總量分析方法建立并完善統一、規范的全過程QA/QC，同時開展不同土壤類型樣品、不同粒徑范圍、不同組分的微塑料標準物質研制。

3 結語

《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》和“十四五”規劃綱要均對微塑料等新污染物治理做出明確部署，但目前由于土壤微塑料監測方法標準的缺失，無法有效支撐相關生態環境管控需求。通過梳理國內外土壤中微塑料監測現狀以及采樣、制備、識別與定量、QA/QC等方法研究進展，探討土壤中微塑料監測方法標準化措施：①統一土壤微塑料相關術語與結果表達方式，盡快制定涵蓋全流程的土壤微塑料監測技術規范；②綜合考慮現有監測能力，可分步實施標準化進程，優先考慮制定較成熟的大粒徑微塑料總量分析方法標準，后續加強具體聚合物分析方法標準研究，有序建立針對不同監測目標的分析方法標準體系；③完善土壤微塑料監測全過程的QA/QC，開展不同土壤類型樣品、不同粒徑范圍、不同組分的微塑料標準物質研制，為規范開展土壤微塑料調查監測提供關鍵技術支撐，確保數據的準確、有效、可比。