水體微塑料采樣及檢測方法研究

中圖分類號：X321 文獻標志碼：A

人類當前生活的時代可被稱為“塑料時代”。1950年起塑料工業開始大力發展，至2018年，全球塑料產量高達3.59億 t^[1] ，而據聯合國環境規劃署最新消息，全球每年生產的塑料已超過4億t[2]。塑料產量逐年增加且應用廣泛，但由于其難以揮發、降解的特性，導致形成大量的塑料垃圾并進一步演變為更加嚴重的環境問題。在紫外線輻射、物理化學作用及微生物等自然條件的作用下，塑料產品以及塑料垃圾會被分解為粒徑很小的顆粒微塑料（MPs）。微塑料，簡單來說是指尺寸非常小的塑料顆粒或碎片，通常直徑小于 5mm ，甚至小到幾微米[3]。微塑料的存在極具廣泛性，從表層海水到深海沉積物，從極地到赤道地區，在河流、湖泊、水庫等淡水環境中也有大量微塑料的蹤跡[46]。此外，土壤中同樣存在著微塑料[4]，并且它們可以隨著土壤的遷移而擴散，甚至在大氣中也能檢測到微塑料的存在[7-8]。微塑料對生態環境甚至人類健康都造成了一定的影響。例如，水生生物可能會誤食微塑料，導致消化系統堵塞、營養不良等問題，影響其生長發育和繁殖；一些微塑料還可能釋放出有害物質，進一步危害生物健康[9-10]；微塑料甚至可以沿著食物鏈進行傳遞和富集，最終可能對人類健康產生潛在威脅[11]。微塑料對生態環境以及生物健康的影響引起全球關注，因此對微塑料檢測分析的需求日益增加。現有的微塑料檢測方法包括傳統目測法、顯微鏡法、紅外光譜分析法、拉曼光譜分析法以及熱分析法[12-16]。但截至目前沒有統一的采樣及檢測方法和標準。因此，如何對現有的采樣及檢測方法進行比較分析值得進一步研究。本文通過現場采樣、樣品前處理后利用生物顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉曼光譜研究微塑料的采樣及檢檢測方法，旨在為微塑料準確檢測提供一定的數據支撐和經驗借鑒。

1 材料與方法

1. 1 樣品采集

本次研究以貴州大學校園內閱湖為采樣點，選取閱湖橋中心點位置為樣品采集點。利用不銹鋼水采樣器（5L）采集采樣點的表層水。不同的研究人員對樣品體積有不同的選擇，范圍從 100mL～30L 不等。本研究采用兩種體積采樣方法，一種樣品體積為 100mL ，另一種樣品體積為 10L 。采集到的水樣裝入玻璃樣品瓶中。兩種采樣方法均設置三個平行樣品，分別標記為C01、C02、C03和EC01、

EC02、EC03，密封保存后立即帶回實驗室對采集的樣品進行預處理。不銹鋼水采樣器和玻璃樣瓶在使用前用純水清洗。

1. 2 實驗室樣品前處理

水樣樣品前處理包括初篩分、消解、過濾、浮選、抽濾等步驟[17-18]

（1）初篩分：將帶回實驗室的水樣分別過 5mm 孔徑和 0.048mm 孔徑的不銹鋼篩進行初篩分，用不銹鋼鑷子挑出大顆粒塑料及其他雜物。隨后用純水反復沖洗不銹鋼篩兩面至 500ml 燒杯。

（2）消解：將沖洗得到的水樣按照水樣：過氧化氫 ?：1 （體積比）的比例加入 30% 過氧化氫和濃度為 0.05mol/L 的Fe（II）溶液，做好標記用錫箔紙密封避光消解 24h 。

（3）浮選：如果消解后的溶液仍有很多肉眼可見的雜質，可加入固體氯化鈉充分攪拌溶解至飽和，靜置 24h 后等待抽濾。

（4）抽濾：利用真空泵系統將上清液過濾至玻璃纖維濾膜（ 47mm× 0.45μm） 抽濾，抽濾完成后用不銹鋼鑷子將每張濾膜放入清潔的玻璃培養皿中避光密封保存，自然干燥后以備后續分析使用。

1.3 儀器檢測與鑒定

制備好的微塑料樣品膜片經過 5mm 孔徑和0.048mm 孔徑的不銹鋼篩進行了初篩分且抽濾到孔徑為 0.45μm 的玻璃纖維濾膜上，故傳統目測法只能觀測到粒徑較大或纖維較長的微塑料形態，仍需要借助其他技術手段才能檢測到顆粒較小、肉眼難以分辨的微塑料。

本次研究將制備好的微塑料樣品膜片置于正置熒光生物顯微鏡 + 成像系統（奧林巴斯，日本）鏡頭下，放大 40～200 倍觀測膜片上微塑料的顏色、形態并拍照，標記好微塑料所在位置后再將膜片置于高分辨環境掃描全自動礦物分析系統（QuattroS，德國）掃描電鏡下，觀察鑒定濾膜上的微塑料并拍照，可進一步識別微塑料的形狀、尺寸等物理特征。掃描電鏡可以提供微塑料的高分辨率表面形貌信息，甚至可以觀察到微塑料的紋理和結構[19]。根據此前標記好的微塑料或者疑似微塑料的位置，用激光顯微共焦拉曼光譜儀（HORIBA-JobinYvon，法國）檢測其化學成分并以此確定是否是微塑料顆粒，再通過對拉曼光譜中特征峰的位置、強度和形狀進行分析，與已知微塑料標準物質的拉曼光譜進行對比，準確地識別和鑒定微塑料[20]。水體微塑料的豐度計量方式采用每升水樣含有微塑料的個數，單位記作 。

1.4 安全與質量控制

為保障安全，采樣人員在采樣過程中需全程穿戴救生衣。樣品預處理過程中使用到的 30% 雙氧水具有一定的刺激性和腐蝕性，操作人員需在通風櫥操作且全程穿戴口罩、手套等防護措施，對于產生的廢水按照實驗室相關規定處理。

為保證最終檢測數據的準確性，減少環境對試驗結果的影響，樣品在運輸過程中全程密封保存。試驗過程需減少空氣流動，實驗人員穿著棉質試驗服，使用丁腈手套，試驗過程中靜置消解等過程需對樣品密封保存。整個采樣、試驗過程中用到的設備、容器均用純水反復沖洗過后方可使用，盡量避免人為產生的微塑料對試驗數據造成誤差。

2 結果與討論

2.1 熒光生物顯微鏡檢測結果

利用正置熒光生物顯微鏡 + 成像系統檢測樣品膜片發現，樣品體積為 100mL 的C01、C02、C03膜片上未檢測到微塑料顆粒。而樣品體積為 10L 的EC01、EC02EC03膜片上共檢測到的微塑料形態包括微塑料碎片、薄膜、微珠和纖維。如圖1所示，微塑料碎片多為黑色、褐色，薄膜多為黑色、半透明，微珠多為半透明，纖維為深色。其中，微塑料碎片的長度在 1～400μm 范圍內，薄膜的大小在5～1000μm 范圍內，微珠的直徑在 5～100μm 范圍內。EC01、EC02、EC03 樣點最終檢測結果如表1所示，其中，EC01共檢測到微塑料碎片7個、薄膜3個、纖維1個、微珠1個；EC02共檢測到微塑料碎片4個、薄膜2個；EC03共檢測到微塑料碎片10個、薄膜3個、纖維2個，微珠6個。綜上，通過正置熒光生物顯微鏡 + 成像系統得到研究樣點的微塑料豐度為 1.3n/L 。由圖2可知，研究樣點水體微塑料類型以碎片為主，占比 54% ，其次為薄膜，占比 20% ，微珠、纖維狀微塑料占比分別為18% （204號 .8% 。

2.2掃描電鏡檢測結果

利用全自動礦物分析系統（QuattroS，德國）中的掃描電鏡對樣品膜片進行掃描并拍照發現，碎片狀、薄膜狀微塑料的邊緣破損明顯、凹凸不平（圖3（a）一（d）），而微珠狀微塑料的表面也呈現開裂不光滑的狀態（圖3（e）一（f）；纖維狀微塑料一般長度大于其他形態的微塑料，表面多呈絲狀且末端有分支（圖3（g）—（h））。

2.3激光顯微共焦拉曼光譜儀檢測結果

生活中常見的微塑料聚合物包括聚乙烯（PE）聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），其標準樣品反應到拉曼特征峰值如表 2^[19] 所示。其中，PE的拉曼特征峰主要在1060?1130?1295?1440?2890cm^-1 附近;PP的拉曼特征峰主要在 805、860、1 000、1 106、1 300， 1450、2890cm^-1 附近;PS 的拉曼特征峰主要在8 0 0 附近；PET的拉曼特征峰主要在 1725.2890cm^-1 附近。檢測樣品可通過與微塑料標準樣品特征峰值的鍥合度判斷對應的微塑料聚合物成分。

本研究利用激光顯微共焦拉曼光譜儀得到的特征峰值圖如圖4所示。由圖4（a）可知，EC01微塑料的拉曼特征峰主要集中在 810，1106，1390. 1500，1630，1810cm^-1 附近，與PP標準樣拉曼特征峰接近，故可認為EC01微塑料聚合物類型為聚丙烯（PP）。由圖4（b）可知，EC02樣品中有一部分微塑料的拉曼特征峰主要集中在810、1100、1400…1650…2900cm^-1 附近，與PP的特征峰規律更為接近，故可認為EC02微塑料聚合物類型為聚丙烯（PP）。由圖4（c）可知，EC03微塑料的拉曼特征峰主要集中在 675.880.1 285.1 580.1 680. 2900cm^-1 附近，與PET的特征峰規律更為接近，故可認為EC03微塑料聚合物類型為聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

2.4 討論與分析

本文通過多種檢測方法的聯合使用，最終確定研究樣點的微塑料豐度為 1.3n/L ，低于國內多數淡水湖泊，如李文剛等[18測得鄱陽湖水體微塑料豐度最低值為 32.1n/L ，ZHANG等[2測得太湖水體微塑料的豐度為 1.8～18.2n/L ，WANG等[22]測得洪湖水體微塑料豐度為 ，李大鳳[23]研究得到滇池表層水體微塑料平均豐度為2.9n/L 。主要原因是貴州大學閱湖的水源為學校附近的地下巖溶涌泉，除流經一居民安置房小區外，無其他污染源匯入。微塑料類型以碎片為主，粒徑較小，顏色多為深色且表面開裂破碎可能是因為大塊塑料在物理、化學、生物作用下的破碎或降解形成的次生微塑料。而微塑料聚合物類型主要為PP、PET，較大可能是流經居民區有部分生活用水匯人的原因。

本文在判斷微塑料聚合物成分方法使用的是激光顯微共焦拉曼光譜儀，單一儀器的判定可能對最終結果的精確性有一定的影響，建議后續研究可以聯合使用紅外光譜、熱分析等技術手段，增加檢測結果的精確性。

同時，本研究在采樣及試驗過程中發現，為使微塑料檢測結果準確有效，需要采集大量的水體樣本。有研究發現海水樣品的體積大于 8m³ 后其微塑料的豐度趨于穩定[24]。但大量的水體樣本不易于采集、保存和運輸，如何在原位采集水體中的微塑料是研究微塑料污染的關鍵步驟。因此，本研究提出“一種原位采集水體微塑料的裝置及方法”的發明專利，目前已受理（申請號：202411438273.4），以期為后續微塑料采樣及檢測系統方法的研究提供一定的支撐。裝置示意圖如圖5所示。

當取樣點位于河湖或濕地中部時，需在船只上完成水體微塑料采集過程。首先，在組裝好整體裝置后，應當進行抽水，檢查裝置的密閉性。其次，依照所需采樣深度，按照尺度繩上的刻度并放下潛水泵，若水深較大，裝置本身重量小于該點浮力，需在潛水泵底部加壓載物；開啟電源進行取水，時刻觀察流量計數值，及時通過閥門進行水量控制；水樣通過閥門進入進口瓶，由于濾膜孔徑很小，水樣不能順利流出，此時便可利用真空泵將出水瓶中的空氣抽空，濾膜上下兩側形成較強的壓強差，水分子便可在壓力的作用下順利流出，從而將水樣中的微塑料留在濾膜上，同時由于出水瓶容積遠遠小于所需采集的水樣量，需陸續通過出水瓶右側面下部出水口放出，但為避免過濾后的水體放回對原水體中的微塑料含量造成影響，每次采樣后的水需在采樣完成后放回，保證研究的準確性。最后，只需取出濾膜并進行密封保存帶回實驗室進行進一步檢測即可，大大減輕了研究過程中的采樣及運輸任務。

3結論

本研究測得研究樣點水體微塑料的豐度為1.3n/L ，微塑料形態包括碎片、薄膜、纖維、微珠，且以碎片形態為主;聚合物類型以PP、PES為主，表明人類活動對微塑料的產生有重要影響。微塑料檢測需要多種檢測方式聯合使用才能更有效地提高測量準確性和測量精度，而對于采樣方法的改進及先進檢測技術的使用值得進一步研究和推廣。

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（責任編輯：于慧梅）

Research on Sampling and Detection Methods of Microplastic in Water

LI Bin，SHI Lin，ZHAO Ping*，LIU Tianqi，WANG Chun （College ofCivil Engineering，Guizhou University，Guiyang 55oo25，China）

Abstract：The harm of microplastics to the ecological environmentand organisms hasatracted widespread attention from the world，but there are currentlyno unified and systematic detection methods and standards.In order to explore a convenient and efective method for sampling and detecting microplastics，this paper adopts onsite sampling and sample pretreatment， combined with traditional eyepiece method，scanning electron microscopy and Raman spectroscopy analysis to study the systematic method of sampling and detection of microplastics in water. The results show that the abundance of microplastics in|the water of the study area is 1.3n/L ，and the main form of microplastics is fragments. It is recommended to ensure suficient volume of water samples when conducting water microplastic detection，and to use multiple detection methods incombination to improve the accuracy of the detection data.The sampling method proposed in this article provides certain data support and experience reference for the accurate detection of microplastics.

Keywords：microplastics；water；sampling；detection；analysis