海面微塑料采样方案及样品分析方法

摘要

以下方案描述了海面微塑料采样、微塑料分离及颗粒化学鉴定的方法。本方案符合海洋垃圾监测技术小组（MSFD技术小组）发布的微塑料监测建议。

摘要

近十年来，海洋环境中微塑料污染问题作为科学议题受到越来越多的关注。大多数科学出版物聚焦于海洋表层的微塑料污染。以下方案描述了微塑料颗粒的采样、样品制备、分离及化学鉴定方法。采样使用安装在船体侧面“A型架”上的曼塔网。通过肉眼识别并结合体视显微镜观察，将网具尾端收集的微塑料颗粒从样品中分离出来。利用图像分析程序测定颗粒的尺寸，并采用ATR-FTIR和显微FTIR光谱法分析其化学结构。本方案符合海洋策略框架指令（MSFD）海洋垃圾技术小组发布的微塑料监测建议。该文字方案配合视频指南，将为全球从事微塑料监测的研究人员提供支持。

引言

由于塑料产量持续增加，以及随之而来的处置和在海洋环境中的累积，海洋中的微塑料污染已成为当代社会日益关注的问题¹。即使大型塑料垃圾不再进入海洋，由于海水中已有塑料垃圾的不断破碎，微塑料污染仍将继续加剧²。大多数微塑料污染研究是在海洋和淡水生态系统中开展的，且主要关注海洋表层污染问题³。

微塑料是指尺寸小于5 mm的塑料颗粒⁴。该术语描述的是一类异质性混合颗粒，其大小（从数微米至数毫米）、颜色和形状（从各种形态的碎片到长纤维）各不相同。微塑料可分为原生来源和次生来源两类⁵。原生来源的微塑料是指在生产过程中直接制造的小颗粒，用于化妆品行业（如磨砂膏等）或作为化工行业的前体物质用于生产其他塑料制品（例如塑料工业中使用的塑料颗粒）。次生来源的微塑料则是由环境中较大的塑料碎片通过物理和化学作用降解形成，这些过程由光照、热量、氧气、水和生物体共同诱导⁶。2015年，确定了四类微塑料来源：较大的塑料垃圾、清洁产品、药品和纺织品⁶。其中，较大的塑料垃圾主要来源于陆地（占80%）⁷。来自化妆品、药品和纺织品的微塑料通过污水和雨水径流进入水生生态系统⁶。在水生生态系统中，最常见的微塑料类型是来自较大塑料垃圾的碎片和纺织纤维⁸。

微塑料对环境有多方面的负面影响。由于其体积微小，可通过海洋生物的摄食行为进入食物网^{9, 10}。摄入的微塑料颗粒可能对动物造成物理性损伤，或阻塞其消化系统¹¹。微塑料颗粒还可能成为持久性有机污染物（POPs）的载体。其疏水性表面以及较大的表面积与较小体积之比，有利于持久性有机污染物吸附在其表面¹²。在环境或摄食微塑料的动物消化系统中，持久性有机污染物及其他塑料添加剂可能从微塑料颗粒中浸出¹³。

先前的研究报道了微塑料在海洋环境中普遍存在³，从水体到海底沉积物均有发现。欧盟《海洋战略框架指令》已确认微塑料污染的威胁，并因此建议对微塑料进行强制性监测¹⁴。为此，欧盟海洋垃圾技术小组（TSG-ML）制定了在欧洲海域对微塑料进行监测的建议方案¹⁵。因此，微塑料采样的视频指南具有重要意义，可支持全球范围内具有可比性的监测工作以及协调一致的管理流程。

本方案是在DeFishGear项目中为亚得里亚海微塑料污染的首次监测而开发的，参考了TSG-ML¹⁵发布的文件《欧洲海域海洋垃圾监测指南》中的建议。本方案描述了海面微塑料采样、从样品中分离微塑料以及对微塑料颗粒进行化学分析的方法，以确认颗粒来源于塑料材料并鉴定塑料类型。采样使用曼塔网进行，这是在平静水域采样最合适的设备¹⁶。微塑料与样品的分离通过体视显微镜进行视觉识别完成。分离得到的颗粒随后采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和显微FTIR光谱进行化学鉴定。

方案

1. 海面微塑料采样

1. 使用球帆桁或“A形架”以及绳索和卡环，从船体侧面布放蝠鲼网。
2. 将蝠鲼网布放至尾流区以外（距离船体约 3 - 4 米），以避免采集到尾流区内受湍流影响的水体。
3. 在数据表中记录初始 GPS 坐标和起始时间。
4. 以约 2 - 3 节的速度沿直线航行 30 分钟，并开始计时。
5. 30 分钟后停止船只，在数据表中记录最终 GPS 坐标、航行距离（最准确的方法是根据 GPS 坐标计算距离）以及平均航速，并将蝠鲼网从水中提起。
6. 使用潜水泵或船上储水箱中的海水，从网的外侧彻底冲洗，冲洗方向应从蝠鲼网口部至集样端，以使附着在网上的所有颗粒物集中至集样端。
   注意：切勿通过网口冲洗样品，以防污染。
7. 安全取下集样端，并将集样端中的样品用孔径 ≤300 µm 的筛网进行过滤。
8. 从外侧彻底冲洗集样端，并将剩余样品倒入筛网中。重复此步骤，直至集样端内无任何残留颗粒。
9. 将筛网上所有材料集中至筛网的某一区域。
10. 使用漏斗，以 70% 乙醇将筛网中的样品冲洗至玻璃瓶或塑料瓶中。
11. 盖紧瓶盖， 用纸巾擦拭瓶身，并使用防水记号笔在瓶盖及瓶身外侧标注样品名称和日期（建议同时在瓶内放入一张用铅笔书写在描图纸上的标签，以防瓶身标签磨损导致样品信息丢失）。将已标记的塑料瓶放入冷藏箱中。
    采样条件一般注意事项：风速不应超过 2 级蒲福风力，否则波浪过高，导致蝠鲼网在海面不稳定。拖网过程中应保持稳定、匀速的直线航行。采样时蝠鲼网开口应有一半浸没于水中。采样时长应为 30 分钟（若自然物质含量较高，如浮游生物暴发期，可适当缩短采样时间）。避免使用塑料工具和容器。避免穿着合成纤维衣物（如抓绒衣）、使用合成绳索，以及蝠鲼网与船体接触，以防样品污染。布放和回收网具时，须格外小心，避免损坏蝠鲼网或船体。

2. 从海表面样品中分离微塑料

1. 如果样品中不含有大于25 mm的物体，且看起来较为洁净，则直接进入步骤3。
2. 将样品倒入筛网（孔径≤300 µm）中，通过目视识别并使用镊子去除样品中所有尺寸>5 mm的天然或人工垃圾物体（大尺度和中尺度垃圾）。注意用蒸馏水仔细冲洗每一个被移除的物体，以去除附着在其表面的任何微塑料垃圾。将所有天然和人工垃圾物体分别存放在不同的容器中。将所有天然和人工垃圾物体置于干燥器中（或在空气中干燥，但需放入密闭容器内）干燥后称重。根据《垃圾物品分类主清单》¹⁶，对所有尺寸>25 mm的垃圾物体（大尺度垃圾）进行分类鉴定。
3. 去除所有较大物体后，使用洗瓶或自来水将筛网上剩余的所有碎片集中至筛网的一侧。借助漏斗，用最少的70%乙醇将样品转移至玻璃容器中。
   注意：此步骤中使用70%乙醇对样品保存至关重要。在后续对样品进行目视检查时，乙醇有助于使生物组织褪色，从而使彩色塑料更易于识别。
4. 取少量样品（子样品）倒入玻璃培养皿中。使用体视显微镜（20–80倍放大）对样品进行分析，并搜寻微塑料颗粒。
5. 每颗微塑料颗粒应按照表1中列出的类别进行分类，并分别放入标记有类别名称的培养皿或其他玻璃小瓶中。培养皿必须始终保持密闭状态。
   注意：在从样品中分离微塑料时应持保守态度，宁可多选颗粒进入分析，也不要遗漏。颗粒的真实化学结构将在后续步骤中进一步确认。务必从各个角度检查较大物体，因为微塑料可能附着并隐藏在较大物体下方。将已分析过的物体移至培养皿的一侧也有助于提高效率。
6. 将培养皿置于配备测量装置的显微镜下（目镜标尺需通过微米尺玻片或图像分析软件校准），测量每颗颗粒的尺寸（测量其最长对角线），纤维状颗粒除外，并记录其颜色。每个子样品应由另一人复核。注意冲洗盛放样品的玻璃容器，确保附着在容器壁上的所有颗粒均被冲洗至培养皿中。
7. 使用分析天平分别称量各分类微塑料颗粒的质量。微塑料颗粒在称重前必须完全干燥。可将密闭的培养皿置于干燥器中，或在密闭容器中静置干燥，直至含颗粒的培养皿总质量保持恒定。
8. 识别微小垃圾。在分析样品以寻找微塑料时，请注意部分颗粒可能因颜色、形状或尺寸明显而易于发现，而另一些则较难识别。以下为样品中微塑料颗粒的一些典型特征：例如，无细胞结构、边缘不规则、尖锐或弯曲、厚度均匀、具有明显颜色（如蓝色、绿色、黄色等）。

3. 微塑料的化学鉴定

1. ATR-FTIR 光谱法
   1. 分析前，使用酒精和无绒布清洁检测系统。
   2. 记录背景光谱。将样品置于样品支架上，采集光谱。通过将所获光谱与数据库中的光谱进行自动比对，鉴定所得的 ATR-FTIR 光谱。
2. 显微 ATR-FTIR 光谱法
   1. 分析前，使用酒精和无绒布清洁检测系统。
   2. 将样品置于玻璃滤膜上。注意：可使用其他滤膜，但其聚合物性质可能干扰表征结果。
   3. 将带有样品的滤膜放置在自动扫描台上，使用操纵杆定位样品。
   4. 记录光学图像，并标记待表征样品的区域（例如 20 × 20 µm）。
   5. 记录背景光谱。
   6. 将样品置于样品支架上，在预设位置采集光谱。
   7. 通过将所获光谱与数据库中的光谱进行自动比对，鉴定所得的显微 ATR-FTIR 光谱。

结果

本方案描述的首个结果是将微塑料颗粒根据其形态特征分为六类（表1）。第一类为碎片（图1），通常也是最常见的一类。这类颗粒质地坚硬、较厚，具有不规则形状和尖锐弯曲的边缘，颜色多样。第二类为薄膜（图2），形状同样不规则，但与碎片相比更薄、更柔韧，通常呈透明状。第三类为塑料原粒（图3），通常来源于塑料工业，呈不规则圆形，尺寸通常较大，直径约5 mm，一般一侧较平坦，颜色多样。第四类为颗粒（图4），与塑料原粒相比，其形状更规则，呈圆形，尺寸通常较小，直径约1 mm，颜色多为自然色（白色、米色、棕色）。第五类为纤维（图5），是除碎片外最丰富的微塑料类型，可有长短不一、粗细和颜色各异的形态。最后一类为泡沫（图6），多来源于聚苯乙烯泡沫的大颗粒，质地柔软，形状不规则，颜色从白色至黄色不等。

微塑料采样与样品分析的主要结果是每份样品中微塑料颗粒的数量。这些数据可进一步标准化为每平方公里（km²）的颗粒数。用于标准化的公式如下：

每份样品/采样区域的微塑料颗粒数

其中采样面积通过采样距离乘以蝠鲼网开口宽度计算得出（表2、表3；图7）。此外，可使用图像分析软件对颗粒物进行分析，结果包括每个颗粒物的最大长度和面积（表4）。图8a显示图像分析前的颗粒物，图8b为图像分析后的结果，其中每个颗粒物已被测量并编号。最后，建议对每份样品中尽可能多的颗粒物进行化学分析。采用傅里叶变换红外光谱法获取所选颗粒物的光谱图，如图9所示。该光谱图随后与软件数据库中的光谱图进行比对（图10）。最终结果将判断特定颗粒物是否为塑料，并根据其化学结构确定塑料的类型。

1	碎片
2	薄膜
3	颗粒
4	丸粒
5	细丝
6	泡沫

表1：微塑料颗粒的分类。

图1：碎片类颗粒示例。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2：薄膜类颗粒示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3：颗粒类别“粪粒”（Pellets）的示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：颗粒类别“细粒”（Granules）的示例。 请点击此处查看此图的放大版本。

图5：纤维类颗粒示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6：泡沫类别的颗粒示例。 请点击此处查看此图的放大版本。

采样距离 [km]	2
曼塔拖网宽度 [km]	0.0006
采样面积 [km2]	0.0012

表2：用于计算每平方千米微塑料颗粒数的调查数据示例²。

	数量	数量/km2
碎片	301	250833
薄膜	45	37500
颗粒	15	12500
粒状物	8	6667
泡沫	33	27500
纤维	223	185833

表3：调查结果示例，其中将分类数据按每公里进行计数并归一化² （No——粒子数量）

图 7：颗粒目视分类后代表性结果示例（No - 颗粒数量）。 请点击此处查看该图的放大版本。

索引区域	面积 [mm²]	最大长度 [mm]
1	8.010	5.506
2	10.517	5.628
3	12.185	5.429
4	3.367	3.367
5	2.475	2.155
6	1.809	2.943
7	6.604	5.238
8	5.779	4.037
9	4.472	3.791
10	16.907	5.355
11	7.246	3.733
12	7.867	4.622
13	6.411	5.056
14	3.281	3.070
15	12.937	5.554
16	6.709	3.716

表4：颗粒物面积[mm²]和最大长度[mm]测量结果的图像分析示例。

图8：颗粒图像分析软件处理前后所获取图像的示例，a）处理前，b）处理后。 请点击此处查看该图的放大版本。

图9：在选定颗粒上测得的光谱示例，标出了特征峰及其波数 [cm^-1]。 请点击此处查看该图的放大版本。

图10：将选定颗粒的实测光谱与ATR-FTIR光谱库中最佳匹配光谱进行比对的示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

利用曼塔网对海面微塑料进行采样是目前广泛采用的海面微塑料采样方法，但迄今为止尚无统一的标准操作流程。曼塔网能够过滤大量海水，因而捕获较多数目的微塑料的可能性较高，结果被认为具有可靠性。通过归一化处理可确保不同样品间结果的可比性。在本研究中，通过将拖网距离乘以网口的水平宽度，将微塑料浓度与采样面积相关联。另一种方法是在网口处安装流量计。由于曼塔网具有侧翼结构，在海面上稳定性良好，几乎不会随波浪上下跳动，因此适合使用流量计。流量计可记录过滤水体的体积，从而实现以单位采样水体积为基础的结果归一化¹⁶。

最常用的曼塔网筛网孔径约为 300 µm，长度为 3 - 4.5 m。这些尺寸经过优化，旨在避免网具堵塞，并尽可能采集更大体积的水样。建议拖网速度保持在 2 - 3 节之间，但具体速度需根据波高、风速和海流情况进行调整。在整个采样过程中必须持续监控曼塔网，若发现网具出现跳跃现象，必须降低拖网速度。建议拖网时间约为 30 分钟，但实际时长应根据悬浮物浓度进行调整。有时悬浮物可能会堵塞曼塔网，此时必须立即停止拖网，否则微塑料颗粒可能丢失，且网具可能受损。曼塔网通常固定在船体侧面，这也是最合适的安装方式，可确保曼塔网完全处于船体尾流区之外。在某些调查中，曼塔网也曾固定于船尾^{17, 18}，但此时必须确保网具位于尾流区之外。拖网采样的设置距离应根据具体情况确定，因为船舶产生的湍流区范围取决于船体大小和航速^{19, 20}。

海面样品中微塑料颗粒的分离通常仅通过肉眼观察来完成²¹。大于1 mm的颗粒可用肉眼轻易识别，而小于1 mm的颗粒则需要使用体视显微镜进行观察。为降低将非塑料颗粒误判为塑料颗粒的可能性，建议在体视显微镜上使用偏振光。颗粒越小，塑料颗粒被误判的可能性越高。因此，仅能通过体视显微镜对>0.5 mm的颗粒进行视觉识别²¹。对于小于0.5 mm的颗粒，则需要采用更精确的附加方法，例如微区ATR-FTIR光谱法²¹。

在从样品中分离微塑料的过程中，样品极易受到空气中纤维的污染。因此，强烈建议将对照培养皿敞口放置在工作台上，以识别潜在的空气传播污染物颗粒。数据质量在很大程度上取决于以下因素：1）操作样品人员的精确性，2）体视显微镜的质量和放大倍数，以及3）样品中有机物的含量¹⁶。在完成肉眼识别后，强烈建议使用一种可用的技术对分选出的颗粒进行化学成分分析，以确定材料种类⁸。

现有的聚合物鉴定方法中，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱是最常用的方法²²傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱是互补的技术，二者的准确性相似。在本方案中，采用傅里叶变换红外光谱和显微傅里叶变换红外光谱 "衰减全反射" （ATR）被展示出来。它们使用简便，能够实现快速且准确的结果。塑料聚合物具有高度特异性的红外（IR）光谱和明显的谱带模式，因此红外光谱法是鉴定微塑料的理想技术。²¹红外辐射的能量在与样品相互作用时会激发特定的分子振动，从而实现对特征红外光谱的测量²²傅里叶变换红外光谱（FTIR）还可提供有关颗粒物的附加信息，例如氧化程度的强度²³ 降解程度²⁴虽然ATR-FTIR适用于较大颗粒的化学鉴定（>0.5 mm），微区ATR-FTIR光谱可提供颗粒化学结构的信息 <0.5 mm，因为它结合了显微镜和红外光谱仪的功能。

在使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和显微FTIR光谱之前，微塑料颗粒必须预先干燥，因为水会强烈吸收红外辐射²²，同时还需进行净化处理，以防其表面覆盖有生物膜和/或其他有机或无机附着物，这些物质可能会影响红外光谱。最温和的样品净化方法是用新鲜水搅拌并冲洗²⁵。如果该方法效果不足，建议使用30%过氧化氢。所有其他方法均可能对微塑料颗粒产生负面影响（例如超声清洗可能导致颗粒进一步破碎，强酸或强碱溶液可能破坏多种塑料聚合物等），因此不推荐使用。更有前景的方法是采用一系列酶解消化作为对塑料友好的净化步骤。使用不同技术酶（如脂肪酶、淀粉酶、蛋白酶、几丁质酶、纤维素酶、蛋白酶K）进行净化已在减少浮游生物等生物基质方面成功应用，从而证明该技术可有效降低FTIR光谱测量过程中的基质干扰²²。

通过肉眼识别分离微塑料，以及对选定颗粒进行化学鉴定，均为极为耗时的过程。该工作必须由具备体视显微镜使用经验、准确且耐心的人员完成，不仅需要能够识别塑料颗粒，还需能够识别生物物质。即使是经验丰富的操作者，也无法明确区分所有潜在的微塑料颗粒与几丁质或硅藻碎片²²。因此，目视分选的错误率范围为20%²⁶至70%²¹，且随着颗粒尺寸减小而升高。

材料

本文使用的材料清单

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本方案中未使用任何特定的仪器或试剂。