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塑料人时代何以为家? 四种武器解构新“灭霸”

仪器信息网 2019/05/22 16:30:42 点击 1175 次
默克工艺
[导读] 据预测,全球50%人口体内都能找到塑料微粒。这是美丽的代价更是滥用的惩罚,何为微塑料?危害千万怎解?红外光谱、色质联用、拉曼、扫描电镜等分析检测联盟引领“新灭霸”抗击战。

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或许若干年后,能够将人类与人工智能区别开来的,将不再是大脑,而是人类体内的微塑料含量。那些我们以为大自然会免费埋单的塑料垃圾,如今又将轮回为人类自己背负的十字架。据一项最新的研究报告预测,全球约50%人口的体内都能找到塑料微粒,《复仇者联盟》中灭霸历尽万劫却枉费心机的“理想”,竟被微塑料在悄无声息中打了响指,塑料人时代已经来临。

虽然该预测仍有待证实,但是微塑料对人类社会的大范围入侵却已是不争事实。2015年联合国首次将微塑料污染列为新型环境污染的一大类型,与全球气候变化、臭氧污染、海洋酸化并列为全球重大环境问题。那么微塑料到底是何方神圣?小小的它能对自然和人类造成怎样的危害?又有哪些分析方法可以帮我们应对这个敌人,保护我们的家园呢?

美丽的代价 滥用的惩罚

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微塑料的概念首次出现在2004年的美国《science》期刊上,英国纽卡斯尔大学海洋污染研究团队在其关于海洋水体及沉积物塑料碎屑污染的研究论文中对之进行了描述。根据其定义,微塑料是指直径小于5mm的塑料纤维、颗粒与薄膜。海洋是微塑料的主要囤积场所,目前,海洋中微塑料垃圾大约有 10.5 万吨,甚至在北极,每立方米海冰中含有的微塑料颗粒都多达240个,因此微塑料也得到“海中PM2.5”的形象称呼。

微塑料的诞生可以毫不夸张地说基本是人类活动的产物。与神话传说的分类方式类比,微塑料也大致可以分为两类,一类是初生微塑料,一类是次生微塑料。初生微塑料的主要来源也可一分为二,一类是化妆液、防晒霜、剃须膏、牙膏等个人护理、清洁用品中的柔珠,用以加速人体皮肤角质祛除,增加人体皮肤光滑度,进而达到深度清洁的目的。这种“柔珠”就是典型的微塑料。特别是打着“深层护理、深度清洁”招牌的护理用品,基本上都是依靠微塑料来满足人类爱美、爱干净的天性。另一类初生微塑料来源于洗衣机产生的超细纤维碎屑。据统计,一个10万人口规模的小城市,每天经过洗衣机向水体中排放的细小纤维就会达到110千克,大部分属于微塑料,其污染程度相当于向自然水体中扔掉1.5万个塑料袋所造成的污染。

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相当一部分的初生微塑料可以通过政策法律等措施进行有效限制,比如美国政府就在20165月颁布了全国首个微塑料禁用立法,明确禁止在个人护理用品、化妆品中使用微塑料,英国也紧随其后颁布了相似法律。但是次生微塑料却复杂难办得多,次生微塑料的来源主要是塑料垃圾和浮渣在水环境中破碎而产生的碎屑。塑料经过物理、化学、生物的分解作用,可以从大塑料变小,由小变微产生的碎屑,形成各种尺寸和形状的微塑料。次生微塑料具有更大的生态危险,由于塑料用品已经渗透到人类生活的方方面面,想要令行禁止,短期之内基本等于天方夜谭。

“幽灵”消失之谜 两大危害足以撬动地球?

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来无影去无声,除了纤细无声地潜入外,微塑料竟然也能像幽灵蜃景一样悠忽间消失,最近一项研究结果显示,大洋海水中测到的小于 4.75 mm的微塑料数量比预测的要少 90% 左右。如此庞大的微塑料群体都去了哪里呢?一种假说是微塑料被海洋生物吞食了。细思极恐的是,这个假说已在多项研究中得到了证实,数百种海洋鱼类、藤壶、牡蛎等海洋生物的消化道内都发现了微塑料。

大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,随着食物链层层传递,这些微塑料最终会随着食物链进入人类体内。事实上,越来越多的研究表明,除了海洋外,越来越多的微塑料已经进入了陆地食物链,土壤里、蚯蚓体内、母鸡粪便和胃里、城市自来水系统、食盐、蔬菜、海盐、啤酒、蜂蜜等产品中都发现了微塑料的痕迹,这也是为什么微塑料最终会进入人体的重要原因。

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微塑料主要会带来四大环境效应,上述讲到的食物链效应首当其冲。生物摄食微塑料后,首先会由于其难以消化降解在体内累积,可造成生物的肠道堵塞、消化不良、体重减轻、行为迟钝、生长生殖速率减慢等短期不良效应。最终这些随着食物链从餐桌进入人体的微塑料,也会对人体的健康带来危害,不少微塑料在生产中会加入阻燃剂、增塑剂等含有氯化烃类、邻苯二甲酸酯类等毒性物质,大量摄入可能影响生殖发育,干扰内分泌等,更恐怖的是微塑料对重金属和有机污染物具有吸附作用,这些具有显著生物毒性的物质,难以被生物降解,富集在生物体内,容易造成蛋白质的失活或者引起慢性中毒。而纳米尺度的微塑料甚至可以穿过生物细胞膜,对人体造成物理性的危害。

除了对人类的伤害外,微塑料对整个生态系统也有巨大的破坏作用,一方面,微塑料的生物吸附作用可使得水体中的微塑料作为微生物和藻类提供附着位点,形成生物膜,并提供较稳定的微生物居住环境。由于微生物的附着,可能会改变塑料颗粒的某些物理性质如密度等,影响其迁移,并影响当地生物的生存状况,一些致病性的有害微生物可给所入侵的生态系统带来巨大的危害。另外,微塑料可向周围环境中释放毒性物质,这些毒性物质经常能与周围环境发生一系列的反应,通过吸附或者其他表面相互作用结合周围环境中的污染物,产生具有更大危害毒性的复合污染物,对生物产生复合毒性效应。

蛮荒之地 四大分析仪器开路

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微塑料的提出已经有十多年的时间,但是真正作为重大污染源进行系统研究,也就在近几年才刚刚热了起来。因此关于微塑料的分析检测还基本是一片蛮荒之地,有大量的工作亟待开展。目前在微生物的分析检测中主要用到的仪器有非破坏性分析仪器和破坏性分析仪器两种,仪器信息网编辑对之进行了不完全的整理,汇总如下,以飨读者:

非破坏性分析方法

1扫描电子显微镜分析(SEM

在微塑料的物理性质中,颗粒粒径与微塑料在环境中的迁移行为有密切关系,目前微塑料颗粒检测的常用方法为筛分法,但实际上,相当一部分微塑料的粒径范围在激光粒度仪和纳米粒度仪的射程范围之内,该市场或许将成为激光粒度仪发展的又一片黄金沃土,在此先按下不表。而对微塑料另外一种重要物理性质——腐蚀性的分析,则需要用到扫描电子显微镜。

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SEM-EDS

微塑料的腐蚀主要是由生物降解、光降解、化学风化等环境外力造成的。腐蚀作用会在塑料表面产生裂缝,导致塑料断裂成更细小的碎片,对微塑料表面形貌的表征需要再较高放大倍数下进行,因此研究中多以SEM为辅助,如扫描电镜-能量色散 X 射线联用分析技术(SEM-EDS),环境扫描电子显微镜-能量色散 X 射线联用分析技术(ESEM-EDS)等。这种方法可在进行形态表征的同时,分析微塑料的元素组成,此外还能利用元素指纹排除采样过程引入的微塑料,但该检测方法的成本较高。

事实上,目前在微塑料的物理性质表征的领域,颜色、形状等大部分参数尚需要依靠目检法完成。随着人们对分析表征结果要求的提高,立体显微镜等高分辨率仪器也开始被用来确定微塑料的形态特征。

2、红外光谱分析

红外光谱分析同样是一种非破坏性的检测分析手段,此外还可以用未知样品的红外谱图可与标准谱图进行比对鉴定。目前傅里叶变换-红外光谱分析法(FT-IR)可以说是微塑料界最常用的化学组分鉴定方法之一。

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FTIR

FTIR 的衰减全反射(ATR)、透射与反射等3种模式在微塑料分析领域均有所应用,但应用范围有所差异。ATR模式适用于不规则微塑料的鉴定;透射模式能够提供高分辨图谱,但分析材料需足够透明、轻薄,确保能被红外线穿透;发射模式则可以完成厚、不透明材料的分析。FTIR法仅需通过过滤等简单的预处理操作即可直接分析样品中的微塑料,但该方法的鉴定结果受被测微塑料不均匀性、材料老化、环境尘埃等严重干扰,需要进一步完善以更好地适应环境样品分析。

随着研究的不断深入,基于焦平面阵列(FPA)的显微 FTIR (Micro FTIR)也开始应用于微塑料的鉴定。Micro FTIR法充分结合了显微镜与 FTIR的优点,即在采集视场内的景物图像的同时也能获得视场内每一个像元对应的红外谱图。Micro FTIR 法分析迅速,仅数分钟即可完成一次全面测试,再结合FPA就能满足小粒径微塑料检测及区域范围检测的要求。

3、显微拉曼

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Micro Raman

拉曼光谱法被应用于微塑料的化学组分鉴定。拉曼光谱-显微镜联用技术(Micro Raman)不仅能够获得表面官能团的信息,还可以观测到局部的微观形貌。然而显微拉曼主要的狩猎范围为10um以下的微塑料,而如何从环境中分离到10um以下的塑料进行实验是一大挑战,因此该分析方法,并没有得到大范围的应用。

4.红外成像系统

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红外显微成像系统

红外显微成像系统将傅里叶变换红外光谱与红外显微镜及微区成像技术有机结合,已被广泛应用于微塑料的定性检测,可测量尺寸小至约 10 µm 的微粒。目前知名仪器厂商如安捷伦、珀金埃尔默等都有丰富的微塑料红外成像解决方案。

破坏性分析方法

热解吸-气相-质谱联用技术(Pyr-GC-MS)&热重-气相-质谱联用技术(TGA-GC-MS

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TGA-GC-MS

Pyr-GC-MS是不断升高样品池温度,使得高聚物在特定温度发生裂解,释放短链小分子单体,再进入GC-MS 测定质荷比,从而推断高聚物类型的一种方法。而TGA-GC-MS只是热解的方法有所变化,后续分析过程与前相同。所有微塑料的热解过程均为一步热解,且所有微塑料均完全热解。如果仅通过TGA 识别聚合物,则结果容易受到其他因素的影响导致假阴性或假阳性.因此,为了准确的量化微塑料,必须对热分解产物进行GC-MS化学结构解析。虽然该方法对实验条件要求较高,但具有样品用量小、可定性定量分析、无需额外投加试剂等优点。做微塑料吸附实验时,用这种方法比较多。

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在上述几种分析方法中,目前最受学界依赖的还是红外光谱分析方法。另外,根据微塑料的颗粒大小,上述四种方法也有不同的适用范围。由上图可知,FTIR-ATR适用的微塑料粒径范围大概在数百um-5mm的范围内,显微红外光谱的适用范围在10um-数百um之间,而显微拉曼的范围则在1um-10um之间。Pyr-GC-MS TGA-GC-MS则适用于1um以上的全尺寸微塑料。另外,上图没有显示的扫描电镜-能量色散X射线联用分析技术(SEM-EDS)以及环境扫描电子显微镜-能量色散 X 射线联用分析技术(ESEM-EDS)适用的微塑料粒径范围一般需要大于20um

微塑料的复杂性决定了其研究方法的千差万别,目前,在微塑料的分析研究中,有三大问题是研究中遇到的难点:首先横亘在研究者面前的就是分离前处理微塑料的环境来源千差万别,可以是垃圾场、垃圾渗出液或者污水厂等,如何在某个场景下的进行完善的分离和前处理是一个难点。其次,如前所述对小粒级的微塑料鉴定也非常棘手,因为样品很难得到,直接从矿泉水样品中过滤有可能得不到微塑料,而野外样品中如何分离出10um以下的微塑料又难以解决。除此之外,在进行红外光谱分析时,如何快速计数滤膜上的微塑料颗粒也是研究者之殇,现有的很多研究都需要一个个遴选样品颗粒并上机检测,效率较低。

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    知己知彼方能百战不殆,如何解决微塑料分析研究中遇到的难点,关系着人类对微塑料的研究可以深入到什么程度,在这场人类与微塑料的战役中,我们需要更多、更有效的分析仪器和检测手段来扮演钢铁侠的角色。毕竟人类自己孕育的新“灭霸”,需要整个人类联盟共同去抵抗,而科技和智慧就是我们自我救赎最好的武器。

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[来源:仪器信息网]
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编辑: 李易明
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最新评论:
  • 是好文章,错别字不少
    05月23日 09:09:37

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