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方法文章

在悬浮沉积物含量高且漂浮碎屑较多的水生环境中采样、分选与表征微塑料

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DOI：

10.3791/57969

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2018年7月28日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physical and Environmental Sciences, Texas A&M University-Corpus Christi, 2Department of Earth and Atmospheric Sciences, Saint Louis University, 3Department of Oceanography and Coastal Sciences, Louisiana State University, 4Department of Biology, University of Central Florida

本文内容

摘要

迄今为止，大多数微塑料研究集中在悬浮固体含量相对较低的海洋系统中。目前研究重点正转向可能含有高沉积物负荷和漂浮碎屑的淡水系统。本方案针对含有高浓度悬浮固体的水生环境中微塑料样品的采集与分析。

摘要

海洋中塑料碎屑的普遍存在已广受公众、科学界和政府机构的关注。然而，直到最近，河流和湖泊等淡水系统中的微塑料才得以被定量研究。通常，表层水体的微塑料采样依赖于在静止或移动的船只后方布放拖曳网，这种方法仅适用于悬浮沉积物和漂浮或 submerged 碎屑含量较低的环境。以往使用拖曳网采集微塑料的研究通常采用网孔尺寸 ≥300 µm 的网具，导致小于该尺寸的微塑料（颗粒和纤维）穿过网眼而未被计入，从而难以准确量化。本文详述的方案可实现：1）在悬浮物负荷高且存在漂浮或 submerged 碎屑的环境中进行样品采集；2）捕获并定量微塑料颗粒与纤维。 <300 µm。使用蠕动泵将水样采集至低密度聚乙烯（PE）容器中，待运回实验室后进行过滤和分析。过滤采用自制的微塑料过滤装置，该装置包含可拆卸的接头，用于固定尼龙筛网和混合纤维素酯膜过滤器。使用体视显微镜检查筛网和滤膜，以定量并分离微塑料颗粒和纤维。随后利用显微衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪（micro ATR-FTIR）对这些材料进行分析，以确定微塑料的聚合物类型。通过向样品中添加蓝色聚乙烯颗粒和绿色尼龙纤维进行加标实验以评估回收率，结果显示颗粒的回收率为100%，纤维为92%。本方案可为在高流速、高沉积物浓度河流中开展类似的微塑料研究提供指导。通过对蠕动泵和过滤装置进行简单改装，使用者可采集和分析不同体积的样品及不同粒径的微塑料。

引言

早在20世纪30年代，海洋中就已首次发现塑料1。近年来对海洋塑料垃圾的估算显示，海洋表面的塑料垃圾总量超过243,000公吨（MT），而每年从陆地来源进入海洋的塑料垃圾则高达480万至1270万公吨2,3。早期关于海洋塑料垃圾的研究主要集中在大型塑料（>5 mm直径），因为它们易于观察和量化。然而，最近的研究发现，按数量计算，大型塑料仅占海洋塑料垃圾的<10%，这表明绝大多数塑料垃圾为微塑料（<5 mm直径）2。

微塑料分为两类：初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料指直接以直径<5 mm 生产的塑料，包括用于制造消费品的原料颗粒（如塑料原粒）、用作个人护理产品中去角质成分的微珠（例如，洁面乳、身体磨砂膏、牙膏），以及工业中的研磨剂或润滑剂。次级微塑料则是在环境中由较大塑料碎片经光解、磨损和微生物降解作用破碎而形成的4,5。合成纤维也属于次级微塑料，且日益引起关注。单件衣物在家庭洗衣机洗涤过程中每次可释放超过>1,900 根纤维6。这些微纤维以及来自个人护理产品的微珠会随排水系统进入污水管网，最终到达污水处理厂。Murphy（2016）研究发现，一家服务65万人口的污水处理厂可将进水到出水的微塑料浓度降低98.4%，但每天仍有6500万颗微塑料残留在出水和污泥中7。尽管处理过程可去除大部分微塑料，但每天仍有数百万甚至可能数十亿颗微塑料通过污水处理厂进入地表水体6,8,9,10,11。

由于被释放到环境中，微塑料已在所有营养级海洋生物的消化道和呼吸组织中被发现12,13,14,15。微塑料被生物摄取后的影响各不相同，一些研究未观察到危害，而另一些研究则表明其可导致多种效应，例如对组织造成物理和化学损伤4,6,14,15。由于这些发现，过去五十年来人们对这一领域的兴趣日益增加。然而，直到最近，才开始有研究对河流和湖泊等淡水系统中的塑料碎屑，特别是微塑料进行定量分析，或评估其对栖息于这些生境中生物的影响12,16,17,18。河流是海洋中塑料碎屑的主要来源之一，因其接收含有微塑料和大塑料的废水排放和地表径流。

本文所述方案可用于在无法使用漂流网的情况下采集微塑料样品；具体适用于悬浮沉积物浓度较高且存在大量漂浮碎屑的水体环境，例如密西西比河。密西西比河流域是世界上最大的流域之一，拥有庞大的人口数量 >9000万人，这可能使其成为海洋塑料垃圾的最大来源之一19,20每年，密西西比河平均排放 735 km³ 的水量。3 淡水注入墨西哥湾，同时伴有高浓度的悬浮沉积物（约60至 >800 mg/L）和大型碎屑13,21. 在两个深度采集了水样（即， 在密西西比河及其支流的多个地点，使用蠕动泵将表层和0.6米深度的水样采集至透明的1升低密度聚乙烯（PE）容器中。在实验室中，使用尼龙网筛和混合纤维素酯膜过滤器，同时结合自制的63.5毫米（2.5英寸）聚氯乙烯（PVC）圆筒（带接头以安装筛网和滤膜）对样品进行过滤处理22PVC接头的使用使得过滤装置可根据需要灵活选择过滤的颗粒尺寸分级数量。此外，在研究合成纤维时，该装置还可结合膜过滤器捕获小至亚微米级别的微塑料碎片。过滤后，样品经干燥处理，在体视显微镜下对筛网和膜过滤器上疑似塑料的颗粒进行识别与分拣。随后利用显微衰减全反射傅里叶变换红外光谱法（micro ATR-FTIR）对疑似塑料进行检测，以排除非合成材料并确定聚合物类型。鉴于微塑料颗粒和纤维尺寸微小，污染问题普遍存在，可能的污染来源包括大气沉降、衣物、野外及实验室设备，以及去离子水（DI水）系统。本实验方案在各研究阶段均设置了多项措施，以尽可能降低来自不同来源的污染。

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方案

1. 水样采集

  1. 乘船采集河流充分混合区域的水样及相关水质数据，理想情况下应在已知河流水位或流量的位置进行例如， 美国地质调查局（USGS）水文监测站20 为确保水体充分混合，使用浸入河中的手持式电导率仪引导船只，移动至电导率保持相对稳定的区域。
  2. 在采样点记录位置坐标和水深。为确定0.6倍水深处，只需将总水深乘以0.6。测量感兴趣的水质参数（例如， 浊度、温度、电导率、pH 和溶解氧（DO）使用手持式仪表进行测定。测量时，利用蠕动泵将目标深度的水样抽入广口容器中，并立即进行各项参数测定（步骤 1.5）。
  3. 使用带有管路的蠕动泵从水面和0.6倍水深处采集样品。根据指定深度，将相应长度的管路连接至泵上。
    1. 由于河流系统中水流强劲，需使用扎带将一条6.4 mm焊接链条固定在泵管上，以增加管道的重量。在链条末端放置一个重物或水泥块，进一步加重链条和管道组件。
      注意： 切勿将重物或水泥块直接连接到泵的管路上。
  4. 将管路的出水端置于船缘外侧，远离可能脱落纤维的衣物。缓慢将管路的进水端下放至所需深度（即， 表面或0.6深度）。然后反转泵的方向，用空气冲洗管路至少30秒。空气冲洗后，再次反转泵的方向，从目标深度抽取样品水冲洗管路，同时将水排入船外或废液容器中。管路冲洗至少30秒后停止泵运行。
  5. 用水样将用于水质测量的容器润洗三次，每次润洗后均将润洗液倒掉。润洗完成后，向容器中加入水样，并使用便携式测定仪测量目标水质参数（步骤1.2）。
  6. 将管道出水转移至已用去离子水预清洗三次（每次至少250 mL）并贴有标签的1 L容器中，以采集微塑料子样品。随后，再用待测水样对容器额外冲洗三次，每次冲洗后弃去冲洗液。完成容器冲洗后，用样品水样充满该容器。
  7. 使用与步骤1.6中所述相同的蠕动泵方法，采集总悬浮物（TSS）子样品，收集至已用去离子水预冲洗至少100 mL、重复三次的带标签250 mL瓶中。再用待测水样冲洗该瓶三次，每次冲洗后弃去冲洗液。完成TSS容器的冲洗后，用样品水充满该瓶。
  8. 每天至少在野外采集一次现场三份平行样和空白样，采集方法同1.6–1.7步骤所述，用于质量保证/质量控制（QA/QC）目的。采集空白样时，将两个装有1 L去离子水的容器带至野外。在用空气冲洗泵管后，打开第一个去离子水容器，按照步骤1.4所述方法冲洗泵管。冲洗完毕后，打开第二个去离子水容器，将其中的水分别泵入一个空的1 L容器和一个250 mL瓶子中，作为微塑料和总悬浮固体（TSS）空白样。
  9. 将微塑料和总悬浮物（TSS）子样品置于冰上保存，直至返回实验室后于-20°C 直到处理前。
    注意： 确保样品容器中留有部分顶部空间，以免冷冻时因冰膨胀而损坏容器。
    注意： 此处可暂停该实验方案。

2. 总固体含量测定

  1. 采用美国环境保护署（USEPA）方法160.2，测定野外采集的250 mL子样品中的总悬浮固体（TSS）23。将计算得到的TSS值与检测到的总塑料含量进行比较。

3. 微塑料过滤装置组装

  1. 彻底冲洗过滤装置和尼龙网筛（图1) 用去离子水冲洗至少 250 mL，重复三次。放置具有所需孔径大小的网筛（例如， 50 µm, 100 µm, 300 µm, 500 µm）进入每个接头，滤器装置从上到下孔径逐渐减小（图1A)。将每个接头紧密密封，以防泄漏。
  2. 折叠所需孔径的混合纤维素酯膜滤器（直径142 mm）（例如， 0.45 µm) 捻成圆锥形并放入过滤装置中：
    注意： 折叠膜滤器可增加表面积，防止滤器堵塞。
    1. 用去离子水润湿膜滤器。在滤膜仍处于湿润状态时，将其折叠成圆锥形，直径大小需适合放入过滤装置中。同时，在圆锥边缘折叠出一个小边，使其能够覆盖在接头顶部图1B).
      注意： 滤膜在折叠前必须润湿，以防止撕裂。
    2. 将不锈钢网篮放入最后一个接头中（图1C）。小心地将锥形膜滤器放入篮状物中（图1D将膜滤器的边缘翻折至接头边缘。
      注意： 网篮将支撑滤膜，并在施加真空后减少破损。
  3. 放置一个具有所需最小孔径的金属筛网（例如， 50 µm) 位于最后一个接头内膜过滤器上方 图1.
    注意： 这将为膜过滤器在过滤过程中提供额外支撑，以确保其位置固定。
  4. 所有接头均紧密密封后，将过滤瓶顶部的管路连接至过滤装置底部。然后将过滤瓶侧面的管路连接至真空泵，如图所示。 图2.

过滤系统设置示意图；包括筛网孔径、膜的成型、组装步骤、真空适配器。
图1：过滤装置的组装。（A）通过将所需孔径的金属筛网放入上部接头中来组装过滤装置。（B）混合纤维素酯膜滤器需折叠成圆锥形，以适配过滤装置的直径；圆锥应带有小翻边，可覆盖在接头边缘上，以固定滤膜位置。（C）将金属网篮放入接头中，以增强膜滤器的稳定性。（D）将折叠好的膜滤器放入金属网篮中，并在膜滤器顶部放置最小孔径的金属筛网。（E）完全组装好的过滤装置。请点击此处查看该图的放大版本。

用于液体分离的真空过滤装置，包括泵和烧瓶；科学实验室设备。
图 2：过滤烧瓶与泵的组装。 使用透明乙烯基管将过滤烧瓶连接至过滤装置的真空接头，再将过滤烧瓶与真空泵相连。请点击此处查看该图的放大版本。

4. 样品过滤

  1. 每次组装设备进行过滤前，均需采集设备空白样。在采集空白样之前，先用至少 250 mL 去离子水彻底冲洗设备三次。空白样的采集步骤按照 4.2–4.4 所述进行。
  2. 开启真空泵。确保真空泵的压力不得超过 127 mm Hg，否则膜滤器可能破裂。
    注意：根据样品过滤的流速，若沉积物堵塞筛网或膜滤器，过滤装置内部压力可能上升。即使压力读数尚未达到 127 mm Hg，也可能导致膜滤器破裂。因此，需密切观察压力变化，并根据具体样品情况将压力调整至低于 127 mm Hg。
  3. 使用已用至少 250 mL 去离子水反复冲洗三次的 500 mL 量筒，测量样品的总体积。记录体积后，将样品从量筒转移至过滤装置。
    注意：根据水样体积和抽滤瓶的容量，在样品过滤过程中可能需要多次清空抽滤瓶。
    1. 清空抽滤瓶时，先关闭泵，然后将连接在瓶上的两根软管拆下，将瓶内液体倒入单独的废液容器中。
      注意：请保留滤后的样品水，直至整个样品完成过滤，并确认膜滤器完好无损。
    2. 如需继续过滤，按照步骤 3.4 所述重新连接软管至抽滤瓶，并开启泵。
  4. 当整个样品过滤完成后，用至少 250 mL 去离子水将样品容器和量筒各冲洗三次。每次冲洗后，将冲洗用水也通过膜滤器过滤，以确保所有颗粒物均已被收集。

5. 微塑料过滤装置拆卸

  1. 用至少 250 mL 去离子水冲洗过滤装置内壁三次，确保所有颗粒物均已过滤，且装置上无残留。
  2. 关闭真空泵，小心拧开并取下第一个接头。重新启动泵，使用去离子水冲洗瓶冲洗接头连接处边缘。将滤网筛片边缘的颗粒物冲洗至中心，以确保完全收集。
  3. 关闭泵，用洁净镊子小心取下滤网筛片，注意不要触碰筛片表面的颗粒物。将滤网筛片放入带盖培养皿中，在 60 ᵒC 下干燥 24 小时。干燥后，样品可保存至开始分析。
  4. 对每个装有滤网筛片的接头重复步骤 5.1 - 5.3。
  5. 对于最后一个装有滤网筛片和膜滤器的接头，先对滤网筛片重复步骤 5.1–5.3。
    注意：冲洗滤网筛片时需格外小心，若冲洗液进入膜滤器下方，可能导致样品损失。
  6. 开启真空泵，使用去离子水冲洗瓶冲洗膜滤器边缘，将膜滤器边缘的颗粒物冲洗至中心，以确保样品完全过滤。在取下膜滤器前，确保所有液体均已通过滤膜，且其表面无液体积聚。
    注意：再次提醒，冲洗膜滤器时需小心，若冲洗液进入膜滤器下方，可能导致样品损失。
  7. 用镊子小心取下并展开膜滤器，将其放入与其直径匹配的培养皿或铝箔袋中。
    注意：操作过程中膜滤器必须保持湿润，以防撕裂。
  8. 将带盖的膜滤器置于烘箱中，在 60 ᵒC 下干燥 24 小时。干燥后，保存样品至可开始分析。
    注意：本实验流程可在此处暂停。

6. 颗粒物分析

  1. 将筛网或膜滤器留在培养皿中，仅移开盖子，开始检查样品中的微塑料。这样可确保若有任何颗粒从筛网或膜滤器上脱落，仍会保留在培养皿内，可在所有颗粒从筛网或膜滤器上移除后进行分析。
  2. 在体视显微镜（14–90倍放大）下检查筛网或膜过滤器，以识别疑似塑料微粒和纤维。识别疑似塑料时采用以下标准：无细胞结构、纤维 throughout 厚度均匀、颗粒无光泽24.
  3. 将所有疑似塑料物从筛网或膜滤器上移除，并放入含有70%乙醇的收集管中。记录其颜色和形状（例如， 颗粒物、纤维、薄膜 等等。每种疑似塑料的）
  4. 在将所有疑似塑料从筛网或膜过滤器上移除并计数后，按照步骤6.2–6.3检查培养皿的盖子和底部。
  5. 在检查筛网或膜滤器及培养皿并移除和量化所有疑似塑料后，将收集瓶中的微粒或纤维置于12孔铝镀膜载玻片上，用于微区ATR-FTIR分析。
    注意： 在微型ATR-FTIR上检测每一种可疑塑料并不总是可行的。因此，应“有策略地选择”足以实现研究目标并解决可疑塑料中异常情况的样本数量。例如， 大量相似的纤维或颗粒25一般情况下，应尽可能测试所有可疑的塑料样品，但测试比例不得低于20%。
    1. 一旦疑似塑料样品经微区ATR-FTIR分析后，利用光谱数据库判断该样品是否为塑料；若确认为塑料，则进一步确定其聚合物类型。

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结果

为验证本方案的回收率，选取三个样本（V1- V3) 来自德克萨斯州科珀斯克里斯蒂的奥索湾（毗邻德克萨斯A&M大学科珀斯克里斯蒂校区）中加入10粒蓝色聚乙烯颗粒（大小范围为50-100 µm 直径）和50根不同长度的绿色尼龙纤维（图3）。样品的总悬浮固体（TSS）已计算（第2节），随后使用第3-5节所述方法对样品进行过滤。然后分离并定量蓝色聚乙烯颗粒和绿色尼龙纤维（表1）。在筛网和膜过滤器上还观察到其他纤维和微粒，可能来源于Oso湾水样。平均而言，92%的尼龙纤维和100%的聚乙烯微粒被回收。纤维的损失可能源于过滤过程中少量样品的丢失或鉴定错误。

通过过滤1000 mL去离子水，从过滤装置中采集了一个设备空白样。该空白样使用100 µm和50 µm孔径的筛网以及0.45 µm膜过滤器进行分析。在设备空白样中总共...

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讨论

在海洋等沉积物和塑料浓度较低的环境中，使用拖网收集微塑料是传统方法，因此需要采集大量样品。然而，在沉积物含量高且存在大量漂浮或 submerged 杂物的河流中，拖网并不总是实用或安全的。此外，当需要全面捕获并量化微塑料材料（尤其是纤维）时，使用拖网并不可行，因为用于塑料调查的大多数网具的孔径尺寸均≥300 µm。本文所述方案可在含有高浓度沉积物的水体中进行采样，同时能够捕获直径<300 µm的微塑料。该方法及其配套过滤装置具有良好的适应性，可根据具体项目需求进行调整。此外，采用本方案获得的数据将有助于制定减缓策略以改善水质，并评估这些策略的有效性，例如最近实施的微珠禁令26。

该方法能够控制样品采集深度、进样体积，并将微塑料按尺寸分级，同时考虑了多种污染来源。使用蠕动泵可让用户通过调节泵管长度，在任意所需深度采集样品。利用过滤装置，用户可轻松控制样品体积，而可拆卸的接头配件则允许调整滤膜材料和孔径大小，以适应不同直径和浓度的塑料颗粒。我们发现，1 L 的样品体积在密西西比河流域微塑料定量分析中具有多重优势，是理想选择。首先，...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本方案所依托的项目由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋垃圾项目资助（编号：NA16NO29990029）。感谢伊利诺伊州奥尔顿市国家大河流域研究与教育中心（NGRREC）的 Miles Corcoran 在选址和船只操作方面提供的帮助。野外和实验室工作得到了 Camille Buckley、Michael Abegg、Josiah Wray 和 Rebecca Wagner 的协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1L 立方容器，低密度聚乙烯VWR89094-140用于采集和储存样品的容器。
2-1/2" 透明 Schedule 40 刚性 PVC 管United States Plastic Corporation34138用于制作装置的 PVC 管为 2.43 m 长的管材。随后根据由接头分隔的各段长度要求进行切割。各段长度的设定依据是预测较小孔径的滤网会更快堵塞装置。较长的管段置于较小孔径滤网的上方，用于收集和存水，以避免在装置内仍有样品时需拆卸装置更换滤膜。每个过滤装置需要一段 18 英寸、一段 12 英寸和两段 6 英寸的管材。
2-1/2" PVC SCH 40 插口式活接头 Supply House457-025将活接头用胶粘接至 PVC 管上，以容纳尼龙筛网和混合纤维素膜。
尼龙 6 编织网片，不透明乳白色，12" 宽，12" 长，500 微米网孔尺寸，38% 开孔面积（每包 5 片）Small Parts via AmazonCMN-0500-C/5PK-05将网片裁剪成圆形，使其直径与 PVC 管的外径相匹配。边缘需用胶固定，以防止脱线。胶水的涂抹范围不应延伸至 PVC 管的内径，以免在过滤过程中受到影响。 
尼龙 6 编织网片，不透明白色，12" 宽，12" 长，100 微米网孔尺寸，44% 开孔面积（每包 5 片）Small Parts via AmazonB0043D1TB4将网片裁剪成圆形，使其直径与 PVC 管的外径相匹配。边缘需用胶固定，以防止脱线。胶水的涂抹范围不应延伸至 PVC 管的内径，以免在过滤过程中受到影响。 
尼龙 6 编织网片，不透明白色，12" 宽，12" 长，50 微米网孔尺寸，37% 开孔面积（每包 5 片）Small Parts via AmazonB0043D1SGA将网片裁剪成圆形，使其直径与 PVC 管的外径相匹配。边缘需用胶固定，以防止脱线。胶水的涂抹范围不应延伸至 PVC 管的内径，以免在过滤过程中受到影响。 
混合纤维素酯膜，0.45 µm，142 mm，25 片/包VWR10034-914使用孔径为 0.45 µm 的混合纤维素膜作为最后一级滤膜。采用大直径滤膜可将其折叠成锥形，以增加过滤表面积，防止堵塞。 
金属网篮茶叶过滤器茶壶滤网，76 mm 直径，3 个装Uxcell via Amazona15071600ux0260使用该网篮为膜滤器提供额外支撑，防止在真空泵施加压力时滤膜撕裂。
1/2" PVC 卡套式插入式外螺纹接头Supply House1436-005添加真空接头，以便在因沉积物浓度较高导致过滤速度较慢时进行真空过滤。
外径 1/2 英寸 × 内径 3/8 英寸 × 长 10 英尺的透明 PVC 乙烯基软管Home Depot702229用于连接真空泵与过滤装置的软管。
YSI Professional Plus 多参数水质测定仪（配备 Quatro 电缆）YSI6050000手持式仪表，用于测量其他水质参数（如浊度、温度、电导率、pH 值和溶解氧（DO））。
2100P 便携式浊度计Hach4650000手持式仪表，用于测量浊度。
FEP 衬里聚乙烯软管Geotech87050529与蠕动泵配合使用，用于从目标深度采集水样。
Geopump II 系列蠕动泵Geotech91350123用于采集水样的泵。
MeiJi Techno EMZ-8TR 显微镜Microscope.comEMZ8TR-PLS2显微镜用于分析网筛和膜滤器，以定量可疑微塑料。
Nicolet iS10 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）Thermo Electron North America912A0607使用 FTIR 分析可疑微塑料。
Nicolet iN5 FTIR 显微镜Thermo Electron North America912A0895使用 FTIR 显微镜分析可疑微塑料。
锗（Ge）ATR 晶体Thermo Electron North America869-174400使用锗 ATR 附件配合 Nicolet iN5 FTIR 显微镜分析可疑微塑料。
铝制 EZ-Spot 微型载物片（每包 5 片）Thermo Electron North America0042-545与 Nicolet iN5 FTIR 显微镜配合使用的显微镜载片，用于分析可疑微塑料。
镀铝玻璃样品载片Thermo Electron North America0042-544与 Nicolet iN5 FTIR 显微镜配合使用的显微镜载片，用于分析可疑微塑料。

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