地下水中微塑料的采样和鉴定

近年来，微塑料（MP）已被确定为一种重要的环境污染物。由于 MP 有可能进入大气层，因此它们是水循环¹ 的一部分。大气沉积和地表径流是 MP 进入地表水的主要途径²。MP 来自各种陆地和水生来源，陆地来源占其总数量的 80%³。进入水生生态系统后，大多数陆地 MP 通过河流被运送到海洋。其余的 MP 持续存在于淡水环境中，人口稠密和城市化地区的地表水具有水停留时间长和显着的人为影响的特点，表现出较高水平的 MP 污染。地表水还可以与河床、洪泛区、湿地和泉水中的地下水相连⁴.

尽管 2018 年在淡水栖息地进行的研究占现有文献的不到 4%^5，但人们越来越认识到需要更好地了解水生环境中的 MP 来源，此后推动了以淡水系统为重点的研究显着增加⁶。虽然关于地下水的研究数量仍然有限，但地下水中存在 MP 的证据已经有据可查。由于地下水是世界上最重要的淡水来源，为超过 20 亿人提供了安全饮用水、家庭、农业和工业用水⁷，地下水中的 MP 的存在引发了有关 21^世纪地下 水安全的新问题⁸。

MP的陆地来源可能非常多样化，来自纺织品洗涤的纤维MP约占水生系统中检测到的MP的35%⁹。环境中不同类型 MP 的其他重要来源包括个人护理和化妆品、轮胎、农用塑料薄膜、人造草坪和道路涂料、垃圾填埋场、处置不当的塑料、包装和建筑业污染物 ^9,10。

由于其许多不同的来源，MP在化学成分、颜色、形状、密度、大小和其他特性方面可能存在很大差异¹¹。国际标准 ISO 24187：2023 将 MP 分为两类：“大微塑料”：尺寸在 1 毫米到 5 毫米之间的固体、不溶于水的塑料颗粒，以及 2）“微塑料”：任何不溶于水的固体塑料颗粒，尺寸在 1 μm 到 1 毫米之间。小于 1 μm 的颗粒被认为是纳米颗粒¹²。最常以 MP 形式发现的聚合物材料是聚乙烯 （PE） 和聚丙烯 （PP），是生产最广泛的聚合物材料¹³。

MPs可以通过与地表水和海水的相互作用以及通过补给/排放过程从土壤和沉积物输送到地下水中。在这些过程中，MP可以输送到地下水中或从地下水中输送¹⁴。低流带（HZ）是河流与浅层地下水系统之间交换的重要界面¹⁵。MPs通过HZ的传输受到各种颗粒特性（尺寸、形状、材料成分）以及某些水文和地球化学因素的影响，包括河床形态和流动湍流¹⁵。孔径和MP尺寸之间的关系是这些过程中的另一个关键因素¹⁶，因为尺寸较小的MP更容易从表面穿过孔隙空间进入地下层^15,16。

MP可以通过不饱和区进入地下水¹⁷。不饱和区代表了地表和地下水之间的重要联系¹⁸。MPs在不饱和区的运输和保留过程取决于颗粒性质、土壤性质和环境因素17,19,20。蚯蚓、跳虫和螨虫等土壤生物可以通过位移、摄入、吞噬和粘附等各种机制影响MPs从土壤表面到更深层的运输^21,22。无脊椎动物可以通过在土壤中形成大孔来间接影响微塑料的运输，这些大孔是微塑料通过浸出运动的途径²¹。

关于地下水中 MP 存在的主要担忧是它们的持久性与大表面积、不太环保的降解过程（导致微米甚至纳米级颗粒的形成）和强疏水性有关¹⁷。从化学和生物角度来看，它们的持久性会造成影响地下水质量的潜在风险。MPs可以通过浸出未结合的单体和添加剂以及环境中的吸附化学物质（例如疏水持久性有机污染物）来化学污染地下水²³。MP还可以作为生物膜形成的底物，影响地下水的微生物学。MP上的生物膜也可能含有自由生活的微生物和病原体²³。如果摄入，颗粒本身就会造成物理危害。粒径越小，它们被细胞吸收或越过生物体生物屏障的可能性就越大²³.

由于地下水中 MP 对人类健康构成潜在风险，对地下水中 MP 的研究越来越被认为是至关重要的。因此，修订后的衡量国会议员的饮用水指令于 2021 年 1 月生效。欧盟成员国有义务在 2023 年 1 月 12 日之前将该指令转化为国家法律，并确保遵守其规定。然而，迄今为止对国会议员进行的研究数量仍然有限。目前没有对地下水中的 MP 进行采样和分析的标准程序。评估地下水中 MP 发生的研究很难比较，因为它们使用不同的采样和分析方法。因此，最近的研究强调迫切需要标准化MPs采样和分析的方案，以确保收集高质量的样本并获得可比较的结果12,17,24,25。

迄今为止，基于过滤的采样和抓取采样是 MP 研究中收集地下水样本的两种常用方法。过滤涉及在现场通过网状过滤器（不锈钢滤芯²⁶ 或筛子²⁷）以捕获 MP 颗粒。使用滤芯和筛子的一个主要缺点是难以彻底清除残留颗粒，这损害了确保完整样品分析的能力并增加了交叉污染的风险。取样在许多研究中经常使用 28,29,30，是一种更简单的方法，无需预处理即可直接使用瓶子或容器收集水。虽然适合探索性研究，但由于样品量小，取样不能准确反映 MP 浓度。

本研究介绍了一种新开发的地下水中 MP 采样系统（图 1），该系统基于使用可定制孔径的市售过滤器进行现场过滤。该系统可同时过滤多个样品，并支持级联过滤。它设计为全封闭装置，可有效防止样品受到环境污染。提供了详细的采样方案，并附有视频指南，以及对检测到的 MP 的化学成分和其他特性进行后续分析的程序。该系统旨在提高该领域未来研究的质量、一致性和可比性。

1. 准备钻孔取样

注意： 为防止现场污染，请保持过滤系统关闭，除非插入过滤器或取样。避免使用塑料工具和容器。避免穿合成服装（例如羊毛）;穿一件白色的棉质实验室外套。

1. 打开钻孔并移除所有采样器（如果有）。使用水位计测量地下水位。
2. 在数据表上记录钻孔的 GPS 坐标、采样日期、水位和其他采样详细信息（表 1）。

2. 设置取样设备

1. 组装并小心地将潜水泵放入井中至所需深度。确保泵进水口位于过滤网顶部上方约 1 m 处，以防止沉积物进水并保持最佳水流。
   注意： 在安装过程中，请小心处理泵，以防止损坏其接线或机械部件。
2. 设置没有过滤器支撑屏和过滤器的过滤系统，并将其水平放置。
3. 关闭主阀并打开旁通阀。
4. 连接供水软管。

3、清理钻孔

1. 启动潜水泵，让水流过旁路，清理井眼。抽取至少 3 倍于钻孔中存在的水量，或继续抽水直到物理化学参数稳定，以确保对新鲜地下水进行采样。

4. 取样前清洁过滤系统

1. 打开采样支路的阀门和过滤系统的主阀。然后，关闭旁通阀。
   注意： 让水流过过滤系统足够长的时间，以确保有效冲洗，这可能取决于抽水率。在清洗过程中，必须拆除过滤器支撑网和过滤器。

5. 插入过滤器

1. 先打开旁通阀，然后关闭主阀。
2. 打开过滤室并检查过滤室是否清洁。如有必要，用超纯水冲洗。
3. 插入过滤器支撑屏幕。
4. 用超纯水冲洗所需孔径的过滤器，并将其放在过滤器支撑屏上。
5. 关闭过滤室。
6. 对所有分支重复该过程。
   注意：可以按顺序插入多个孔径减小的过滤器以进行级联过滤。随后可以安装额外的过滤室，其过滤器的孔径与采样过滤器相同。 这是 2024 年 3 月 11 日委员会授权决定 （EU） 2024/1441 的附件所要求的，该决定补充了欧洲议会和理事会关于对饮用水中 MP 进行采样的指令 （EU） 2020/2184 ，该指令要求使用 100 μm 和 20 μm 过滤器，然后使用另一组 100 μm 和 20 μm 过滤器（作为质量控制目的的空白）。

6. 样品采集

1. 读取并记录水表或将其重置为零。
2. 打开主阀，关闭旁通阀，并标记采样的开始时间。
3. 取样时监控压力表，确保压力不超过四巴，以免损坏设备并最大限度地减少 MP 碎片。
4. 当计划的水量被过滤或过滤器开始堵塞时停止取样，表现为压力增加或流量显着减少。
5. 停止采样，先打开旁通阀，然后关闭主阀和过滤支路上的阀门。
6. 关闭泵。
7. 记录水表的时间和最终读数。
   注意：为了在采样点获得具有代表性的地下水样品，建议对较大的水进行采样，例如，至少1 m³/重复。
   在整个采样过程中，必须持续监控整个采样系统，特别是水表和压力表。压力增加伴随着水流量减少表明过滤器开始堵塞。发生这种情况时，建议停止系统并更换用过的过滤器。通过以这种方式跨多个过滤器收集样品，仍然可以有效地获得所需过滤水量。

7. 收集过滤器

1. 用超纯水冲洗玻璃培养皿。
2. 打开过滤室，小心地将保持在水平位置的过滤器转移到干净的培养皿中。
3. 用密封膜密封培养皿，并在其上贴上样品名称和取样日期的标签。
4. 对所有过滤室重复此过程（图 2）。
5. 样品采集后，拆卸系统。存放前务必用淡水冲洗系统并干燥。
   注意：或者，将过滤系统的整个过滤室组件存放在实验室中进行进一步处理。

8. 从样品中分离微塑料

注意：为防止实验室污染，在开始分析样品之前，请确保实验室内没有灰尘，关闭窗户，并使用带有HEPA过滤器的空调。避免使用塑料工具和容器。玻璃器皿在使用前必须用超纯水冲洗并在显微镜下检查。使用非合成服装。穿白色棉质实验室外套以尽量减少污染。

注意：体视显微镜必须配备相机和图像分析软件，以实现准确的粒度测量。

1. 撕下密封膜，打开培养皿。
2. 将培养皿转移到至少30倍放大倍率的立体显微镜下，并寻找潜在的塑料颗粒，重点关注颜色，形状和其他可见特征等特征。
3. 转移每个看似塑料的颗粒，拍照并测量其大小。评估每个MP颗粒的以下特性：尺寸（颗粒：feretmax或面积当量直径;纤维：宽度和长度），形状（颗粒：碎片，薄膜，泡沫，颗粒，颗粒;纤维），颜色和化学成分（方法如下所述）（图3）。
   注意：请记住，有些议员可以通过颜色和形状轻松识别，而另一些议员可能更具挑战性。
   海面 MP 采样和样品分析协议²⁶ 中描述了 MP 鉴定的主要参数。偏振光对于将 MP 与沉积物和有机颗粒分离非常有帮助。从样品中分离潜在的 MP 时，选择保守的方法，选择更多而不是更少的颗粒进行详细分析。

9. 微塑料的化学鉴定

注意：可以使用ATR-FTIR对大MP（1-5 mm）进行化学分析，使用micro-FTIR对小MP（<1 mm）进行电位mp的化学分析。拉曼光谱等替代方法也是可能的。
FTIR仪器软件应支持测量参数的精确控制和实时光谱数据采集，以及背景校正和平滑等高级处理工具。它必须包括一个全面的聚合物库，并通过光谱库比较能够可靠地鉴定物质，以支持对环境样品中的微塑料进行准确分析，特别是在地下水等复杂基质中。

1. ATR-FTIR 光谱
   1. 在开始分析之前，使用 70% 的酒精和无绒布彻底清洁 ATR 晶体和样品加压器。
   2. 将测量设置配置为通常 16 次扫描，波数范围为 4000 至 450 cm ^-1 ，分辨率为 4 cm ^-1。然后，收集背景光谱。将颗粒一个接一个地放在 ATR 晶体上，施加压力，然后开始测量。
   3. 将采集的红外光谱与参考库中的红外光谱相匹配，以确认颗粒为MP。通常，与文库谱图的 70% 相关性被认为足以进行阳性鉴定（图 4）。
   4. 导出获得的数据以进行进一步分析和报告。
2. 显微 FTIR 光谱
   1. 在分析之前，确保仪器的所有相关部件（例如载物台）都用酒精和无绒布清洁。
   2. 如果未直接在适合所选测量模式的表面（例如 ATR 或反射）上进行采样，请将潜在的塑料颗粒放置在适当的反射表面上，例如镀金或镀铝膜或显微镜载玻片。
   3. 选择会话的测量设置，包括扫描次数、光谱范围、分辨率和会话名称。找到样品并捕获所有颗粒所在区域的马赛克图像。
   4. 对于反射测量，首先测量背景，然后再测量潜在塑料颗粒的红外光谱。
   5. 识别并标记将测量所选颗粒的红外光谱的点。如有必要，在每个粒子上选择多个点。选择所有点后，开始测量。
      注意：获得更大感兴趣区域的红外图像也是可行的，特别是如果样品直接在合适的红外测量表面上收集。
   6. 将收集到的红外光谱与参考库中的红外光谱进行比较。选择一个阈值来确定 MP 的存在。通常，70% 的匹配足以进行阳性识别。
   7. 导出获得的数据以进行进一步分析和报告。

该协议的第一个结果是在每个样品中发现的所有MP的数据库（表2），可用于进一步分析MP的数量及其特性（材料成分中的颜色，大小，形状）。

MP采样和样品分析的主要目的是确定每个样品的MP颗粒量（图5）。这些数据随后可以按立方米 （m3） 进行归一化。归一化公式如下：
每米3 个样品的 MP 颗粒 = N / V

哪里：
N = 每个样品的 MP 颗粒总和
V = 样品体积 （m 3）

图 1：协议中使用的采样系统示意图。取样系统由具有三支腿的进水管组成，其中一条腿用于连接泵，第二条腿用于连接分配单元，第三条腿用于确保水通过采样单元。所述分配单元具有四个对称设置的分支，用于连接相应的采样单元，所述分配单元的中心安装有压力测量装置。每个采样单元都配有一个阀门、三个过滤器支架和一个安装在过滤器支架下游的流量计，以防止样品污染。 请点击此处查看此图的大图。

图 2：对地下水进行 1 m3 采样后的过滤器示例。 左：孔径为100μm的尼龙网过滤器，右：孔径为20μm的尼龙网过滤器。过滤器的沉积物和有机颗粒的数量可能有所不同，具体取决于采样位置。 请点击此处查看此图的大图。

图3：各种形状的代表性颗粒的例子。（A）碎片; （B）纤维。比例尺显示在图像中。颗粒可以有许多不同的颜色、形状和大小。碎片的大小以 Feret 直径或面积当量直径来测量，而纤维则以长度和宽度来测量。请点击此处查看此图的大图。

图 4：在具有标记峰及其波长 [cm-1] 的选定颗粒上测量的光谱示例，与光谱库进行比较。 样品光谱应与库中的参考光谱显示至少 70% 的相关性。 请点击此处查看此图的大图。

图 5：每个采样地点每m 3 微塑料数量的示例结果。请点击此处查看此图的大图。

表 1：示例采样数据表，包括位置、日期、环境条件和与水过滤相关的数据等参数。

表 2：每个采样的所有分离微塑料颗粒的示例数据库，包括每个颗粒的形状、大小、颜色和材料等参数。

作者没有需要披露的利益冲突。