本文介绍了一种从土壤中提取微塑料并鉴定其聚合物类型的方法。该方法在操作性、适用性和成本效益方面均经过优化,为标准化土壤中微塑料分析方法奠定了科学基础。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文介绍了一种从土壤中提取微塑料并鉴定其聚合物类型的方法。该方法在操作性、适用性和成本效益方面均经过优化,为标准化土壤中微塑料分析方法奠定了科学基础。
过去十年中,陆地环境中的微塑料(MPs)污染日益受到关注,越来越多的研究描述了不同土壤系统中微塑料的数量和类型及其对土壤和作物健康的影响。然而,由于目前采用的微塑料提取与分析方法各不相同,限制了研究结果之间的比较,也难以为产业界建议和政策制定提供可靠的科学依据。本文提出了一种标准化操作流程,用于微塑料的采样、分离及化学鉴定方法。 从土壤中提取。该方法成本低廉,材料易于获取,从而提高了操作便利性,并有助于广泛推广。本方案详细说明了使用无塑料器具采集土壤表层0-30 cm样品的方法;通过使用不同固体培养基(如膨润土黏土、二氧化硅和未受污染的土壤)模拟多种土壤类型,并添加相同质量的物质 聚乙烯(PE)微塑料的后续定量;利用饱和氯化钠(NaCl)溶液进行塑料颗粒的密度分离,以及使用4 M氢氧化钠(NaOH)溶液消化上清液中的有机杂质;经尼罗红染色后通过荧光显微镜定量颗粒;以及采用微区 傅里叶变换红外光谱(μ-FTIR)或激光直射红外(LDIR)光谱。上述介质中微塑料的回收率范围为83%–90%。本方案提供了一种高效分析土壤中微塑料的方法,在可行性、适用性和成本效益方面均经过优化。此外,配套视频可对土壤微塑料分析过程进行逐步虚拟指导。本研究致力于标准化土壤微塑料分析方法,增强测量结果的连通性与可比性,为更标准化和科学化的研究奠定基础。
据估计,每年有480万至1270万吨的塑料通过陆地来源进入海洋1,2。这些塑料颗粒在紫外线照射、机械磨损和生物降解的作用下逐渐分解成更小的碎片3,4。土壤中的微塑料(MPs)污染(指直径小于5 mm的塑料颗粒)正日益引起关注,尤其是在其对土壤和作物健康潜在影响方面。这一问题主要源于塑料产量的持续增加以及塑料废弃物妥善处置所面临的挑战5,6。
土壤中微塑料(MPs)的累积可归因于多种外部因素。土壤中微塑料的潜在来源复杂多样,包括农用塑料技术的使用(如地膜、灌溉管道、温室薄膜及相关基础设施)7,8,9,以及有机改良剂的施用(如污泥施用、农业堆肥和有机肥料)10。此外,塑料垃圾的不当处置11、食品塑料包装残留物在消化后产生的食物废弃物的分解12、包膜肥料的使用13、橡胶轮胎的磨损14以及大气沉降15也被证实是土壤中微塑料的来源。中国是农业塑料特别是地膜的生产和使用大国,据估计,在大量使用地膜的农田中,微塑料的平均丰度约为 4231 个 kg-1(干土)16。2018年,中国农田土壤(0–10 cm 深度)中微塑料的总量估计在 4.9 × 106 至 1.0 × 107 吨之间,其中农业地膜贡献显著17。在欧洲和北美,农业土壤中施用污泥每年可能分别输入超过 63,000 吨和 44,000 吨微塑料18。德国的一项研究表明,向耕地施用堆肥也会导致每年向耕地输入大量塑料颗粒(>1 mm)。堆肥施用导致每年输入 350 亿至 2.2 万亿个塑料颗粒10。大气微塑料对土壤的贡献仍不明确,尚需进一步量化研究15。例如,中国大气微塑料的年均输入量估计为 7.9 × 104 个 m-2 yr-116。由于土壤中微塑料来源极为广泛,已引起众多研究人员的关注,但由于采样、提取及分析检测方法的多样性,不同研究之间的结果难以整合与比较。
来自多种来源的微塑料(MPs)在环境中的累积对全球土壤构成了潜在威胁16,凸显出开展土壤中微塑料研究的迫切需求。一些研究表明,微塑料对农业土壤的影响包括改变土壤理化性质、阻碍植物和土壤生物的生长发育,以及影响土壤微生物活性19,20。另有研究发现,微塑料可在食物链中较高营养级的生物体内累积21,从而对人类健康构成潜在风险22。为了明确微塑料对土壤环境的影响,首先必须了解其污染现状,包括丰度、聚合物类型鉴定及分布特征。因此,对土壤中微塑料进行准确识别与检测至关重要。
目前,越来越多的研究文章正在探讨土壤中微塑料(MPs)的全球分布情况,在提取和检测方法上观察到显著差异23。在仔细采集样品(以尽量减少微塑料污染)后,微塑料分析的实验流程通常包括三个关键步骤。第一步是密度分离法,广泛用于将微塑料颗粒从土壤基质中分离出来。该过程通常使用蒸馏水(DI水,1.0 g cm-3)、氯化钠(NaCl,1.2 g cm-3)或氯化锌(ZnCl2,1.6 g cm-3)等试剂。第二步是去除微塑料表面有机杂质的方法,包括使用酸性或碱性溶液、其他氧化剂进行清洗,以及酶解法24。对土壤基质中的有机质或附着在微塑料颗粒上的有机物的消解,通常采用30%过氧化氢(H2O2)、65%硝酸(HNO3)或50%氢氧化钠(NaOH)进行25。在完成密度分离和有机质消解之后,需对微塑料样品进行显微观察,以确定颗粒数量。该观察还需结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱或其他近红外光谱技术,对聚合物的化学成分进行分析26。
然而,微塑料(MPs)提取与检测过程中的每一步都可能导致对MPs丰度的高估或低估。例如,尽管去离子水(DI水)因成本低廉且无毒害特性而被广泛用作密度分离的试剂,但它可能导致密度较高的MPs颗粒无法被有效提取27。相反,高密度试剂的广泛应用可能受到环境危害和成本增加的限制28。此外,某些用于有机质消解的试剂可能对MPs颗粒造成损伤29。再者,利用光学显微镜、体视显微镜和解剖显微镜进行的视觉分类也存在诸多挑战26,30。MPs颗粒的判定在很大程度上依赖于分析人员的专业经验与操作水平,以及仪器参数的设置。这些发现凸显了在采用不同方法学时实现结果一致性和准确性的困难,从而增加了不同研究之间数据比较的复杂性。
为确保不同研究之间数据的可靠性和可比性,必须建立土壤中微塑料(MPs)提取与检测的标准化方案。这种标准化不仅将提高微塑料赋存评估的准确性,还将促进对土壤生态系统中微塑料环境影响的更全面、统一的认识。为克服现有提取与检测方法的局限性,所选标准化方法的试剂应易于获取,不破坏微塑料颗粒的完整性或化学组成,并尽可能降低对环境的风险。此外,标准化方法应在回收微塑料和去除土壤基质中有机质方面均表现出高效率。
一种易于遵循的实验方案对于在不同研究环境中广泛采用至关重要。综合考虑微塑料(MPs)的回收率和成本效益,饱和NaCl溶液是大规模土壤样品密度分离的最佳选择。对于有机质的消解,采用NaOH,因为初步分离实验表明,4 M NaOH溶液能有效分解土壤样品中的杂质(如植物残体),同时不会对微塑料造成明显损伤。总体而言,该实验方法使用易得且成本较低的材料,操作复杂度低,并能确保可靠的提取效率。
我们推荐采用中国农业科学院提出的快速且经济的分离方法,用于测定在农田中采集的微塑料(MPs)31。在执行以下所有步骤时,确保所有容器、仪器和玻璃器皿在使用前均用去离子水清洗,以尽量减少污染。同时,务必在样品处理过程中同步进行常规空白实验,以校正采样和提取过程可能引入的污染。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
注意:以下溶液需在提取过程开始前于室温下配制:1)饱和 NaCl 溶液(5.7 M)——将 1 kg NaCl 溶解于 3 L 去离子 H2O 中;2)4 M NaOH——将 480 g NaOH 溶解于 3 L 去离子 H2O 中;3)尼罗红(100 µg mL-1)——将 10 mg 尼罗红溶解于 100 mL 适当的溶剂中(如甲醇、丙酮)。
1. 土壤采样与制备
2. 密度浮选
3. 杂质消化
4. 用尼罗红溶液染色
5. 真空过滤
6. 通过荧光显微镜对微粒(MPs)进行颗粒定量
7. 使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)或激光直接红外光谱(LDIR)进行微塑料聚合物鉴定
8. 使用 ImageJ 对荧光膜图像进行颗粒定量分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
为验证该方法的回收率,选取了三种不同的固体基质(二氧化硅(SD)、膨润土(BT)和土壤)样品,每种设置三个重复。样品分别在添加与不添加0.04% w/w 白色聚乙烯(PE)微塑料(粒径范围40–48 µm)的条件下进行分析。土壤样品采自中国北京海淀区(中国农业大学西校区),土壤类型为棕壤。此外,设置了三个空白对照重复,以排除提取和分析过程中可能引入的任何污染。
BT、SD 和土壤中微塑料的平均回收率分别为 84%、83% 和 90%。平均而言,在 20–500 µm 的设定尺寸范围内,86% 的聚乙烯(PE)颗粒成功被回收。空白样品的干扰以及化学鉴定结果的干扰已被排除。颗粒损失可能源于上清液转移、过滤过程或误判识别。回收率的差异可能受到盐溶液种类、消解溶液类型和反应时间等因素的影响33,34。此外,一项全球性荟萃分析指出,土壤中微塑料提取实验的回收率通常介于 71% 至 93% 之间35。因此,本研究...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
野外土壤采样策略,包括简单随机采样或系统网格采样等方法,以及采样区域和深度,必须根据具体的研究问题进行定制,并在样品采集前明确定义。一些研究聚焦于0–10 cm的表层土壤34,37,而另一些研究则采集深度为0–40 cm的土壤样品38。由于微塑料(MPs)的尺寸和丰度在不同土壤深度中存在差异,因此有必要统一土壤采样的深度。我们建议将0–30 cm的深度作为农业田地采样的适宜且实用的标准,因为这代表了典型的耕作深度39,40。此外,研究目标、采样方法和采样区域的设计必须能够回应预设的研究问题。另外,在样品采集和运输过程中,应尽一切努力避免塑料制品带来的污染,建议使用铝盒、纸袋或纸板容器等合适的采样容器予以替代。
选择最合适的密度分离和有机消化溶液是本实验方案中的关键步骤,因为它们会影响微塑料(MPs)的提...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本项目得到中国鄂尔多斯市科技重大专项[ZD20232320]、英国研究与创新署全球挑战研究基金(GCRF)以及自然环境研究理事会项目的支持; "农业微塑料是否会削弱经济欠发达国家的粮食安全与可持续发展?" 在资助号[NE/V005871/1]下由资助;国家自然科学基金委员会资助号[42277097];中国农业大学高层次团队项目、中国农业大学教授工作站与山西省忻州市疾病预防控制中心及忻州市基础研究计划[20230515] 中国国家自然科学基金委员会国际合作与交流项目资助 [NSFC-UNEP: 32261143459]。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 两位小数天平 | n/a | n/a | 标准两位小数天平 |
| 40 °C 烘箱 | n/a | n/a | 标准大型鼓风烘箱,温度设定为 40 °C |
| 8700 LDIR | Agilent Technologies | n/a | 用于识别颗粒的 LDIR |
| 铝制容器 | n/a | n/a | 标准铝制食品外带容器 |
| 铝箔 | n/a | n/a | 标准重型铝箔 |
| Axioplan 2 | Zeiss | n/a | 荧光显微镜用于观察处于荧光状态的微塑料颗粒 |
| 膨润土黏土 | Sigma Aldrich | 285234 | 用于回收率测试的膨润土黏土 |
| BX53 | Olympus | n/a | 荧光显微镜用于观察处于荧光状态的微塑料颗粒 |
| 玻璃烧杯(600 ml) | n/a | n/a | 标准玻璃烧杯 |
| 玻璃瓶(1 l) | n/a | n/a | 标准玻璃瓶 |
| 玻璃磁力搅拌子 | n/a | n/a | 标准玻璃包覆磁力搅拌子 |
| 玻璃量筒(500 ml) | n/a | n/a | 标准玻璃量筒 |
| 玻璃移液管(10 ml) | |||
| 玻璃真空过滤装置 | Pyrex(通过 Sigma Aldrich 购买) | SLW5809/KIT | 包含 500 ml 漏斗、多孔板和 1 l 收集烧杯的玻璃过滤装置 |
| LUMOS Alpha II | Bruker | n/a | 用于分析可疑微塑料的傅里叶变换红外光谱仪(FTIR) |
| 磁力搅拌器 | n/a | n/a | 标准磁力搅拌板 |
| MCE 滤膜 | 津腾公司 | JTMF0441/0442 | 白色 MCE 膜,孔径 0.2 µm,直径 50 mm,适用于 FTIR 方法 |
| 尼罗红 | Fisher Scientific | 10464311 | 尼罗红粉末,用于使用适当溶剂(如丙酮)配制尼罗红染料储备液 |
| PCTE 滤膜 | Sterlitech Corporation | 1270060 | 黑色 PCTE 膜,不含聚乙烯吡咯烷酮(PVP),孔径 0.2 µm,直径 47 mm,适用于 LDIR 方法 |
| 二氧化硅 | Sigma Aldrich | 18649 | 用于回收率测试的二氧化硅 |
| 氯化钠 | Sigma Aldrich | S9888 | 用于密度分离的氯化钠 |
| 氢氧化钠 | Fisher Scientific | 10675692 | 用于有机质消解的氢氧化钠 |
| 土壤钻 | n/a | n/a | 长度 30 cm;直径 2 cm;材质为不锈钢 |
| 超高分子量聚乙烯微塑料粉末 | Sigma Aldrich | 434272 | 用于掺入二氧化硅、膨润土黏土和土壤样品以进行回收率测试的聚乙烯微塑料 |
| 真空泵 | Vacuubrand GmBH Co KG | ME 2C NT | 用于真空过滤的真空泵 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。