一次性塑料口罩的紫外降解与微纳颗粒释放：多分析方法揭示环境行为与污染风险

本刊推荐：为探究COVID-19疫情期间广泛使用的一次性塑料口罩（DPFMs）的环境降解行为及污染物释放风险，研究团队通过长期紫外（UV-B）老化实验模拟自然环境暴露，结合FTIR、SEM、XRD、DSC、Py-GC/MS、ICP-MS等多维度分析技术，系统揭示了DPFMs在老化过程中发生的结构弱化、微纳米塑料（MPs/NPs）释放及重金属溶出规律。结果表明，经过一年紫外老化后，DPFMs质量损失达2.46%，碳释放量（NPOC）高达50 mg C/L，并检测到钡（67.2 μg/L）、锌（14.1 μg/L）等金属渗出。该研究为评估废弃口罩的长期环境风险提供了关键数据支撑，对完善塑料废弃物管理策略具有重要意义。

　　

在COVID-19全球大流行的背景下，一次性塑料口罩（Disposable Plastic Face Masks, DPFMs）已成为个人防护装备中不可或缺的组成部分。据估算，全球每年使用量高达15万亿只，产生约200万吨塑料废弃物。尽管口罩在阻断病毒传播中发挥关键作用，但其大量使用和不当处置也引发了严峻的环境问题。这些废弃口罩进入环境后，经过紫外线辐射、机械磨损和微生物作用等过程，会逐渐降解并释放微塑料（Microplastics, MPs）、纳米塑料（Nanoplastics, NPs）及多种化学添加剂，对水体、土壤生态系统及人体健康构成潜在威胁。

为系统研究DPFMs在环境中的降解行为与污染物释放机制，来自希腊亚里士多德大学的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了一项综合研究。该工作通过模拟长达一年的紫外-水环境老化实验，结合材料表征与浸出液分析，全面评估了DPFMs在老化过程中的物理化学变化及污染物释放规律。

研究采用了多种关键技术方法：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析化学结构与结晶性变化；利用差示扫描量热法（DSC）评估热学性质；扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察表面形态与纳米颗粒释放；热裂解-气相色谱/质谱联用（Py-GC/MS）鉴定聚合物降解产物；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）量化金属溶出；非可吹脱有机碳（NPOC）分析评估碳释放。所有实验均使用市售外科手术口罩（符合EN14683标准，BFE ≥ 98%），并将其分解为外层、中层、内层和耳带四个部分进行独立分析。

3.1. 老化对DPFMs的影响

研究通过质量损失和NPOC测定发现，随着老化时间延长，DPFMs降解程度显著加剧。一年紫外老化后，材料质量损失达2.46%，NPOC值升至50 mg C/L，表明有机碳持续释放。水接触角测试显示，材料表面由疏水性转变为亲水性，证实了紫外引发氧化反应导致表面极性增加。力学性能测试表明，拉伸强度和断裂伸长率均随老化时间下降，其中耳带部分力学性能退化最为明显。

FTIR光谱显示，所有层均以聚丙烯（PP）为主，耳带部分还含有聚乙烯（PE）。老化过程中在1722 cm^–1和1608 cm^–1处出现新的吸收峰，分别对应C=O和C=C基团，表明Norrish I和II型光氧化机制的发生。XRD结果表明，老化初期晶体结构发生重组，α晶型向β晶型转变，长期老化后结晶度下降。DSC热分析显示熔融温度逐渐降低，熔融峰变宽，表明分子量降低和晶体缺陷增加。

SEM图像直观展示了纤维结构的退化过程：初期纤维表面光滑完整，老化后出现明显裂纹、粗糙化和断裂现象。外层纤维在老化10天后即出现微裂纹，30天后表面严重蚀刻，一年后纤维结构完全崩塌。Py-GC/MS分析进一步证实了氧化产物的形成，包括酮类、醛类、羧酸和芳香族化合物，且长链烃类与短链烃类的比例显著下降，表明链断裂反应持续进行。

3.2. DPFMs在紫外老化过程中的颗粒释放

SEM在滤膜表面观察到两类颗粒：微纤维（长度可达500 μm，直径10–15 μm）和球形微颗粒（5–6 μm）。老化50天的样品中微纤维和颗粒数量显著增加，且颗粒易聚集成团；而老化一年后滤膜上颗粒数量减少，表明进一步破碎为纳米级颗粒或完全降解。

AFM分析在浸出液中检测到聚集态和单个纳米颗粒，形貌包括不规则状、球形和碎片状，高度分布在-54.6 nm至125.6 nm之间。这些结果表明，DPFMs在老化过程中不仅释放微米级纤维和颗粒，还会持续破碎生成纳米级塑料碎片。

3.3. DPFMs在紫外老化过程中的化学释放

ICP-MS分析检测到多种金属元素的释放，包括钡(Ba)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、锡(Sn)和锌(Zn)。其中Ba浓度最高，在一年老化浸出液中达67.18 μg/L，主要来自耳带部分（可能含BaSO₄或BaCrO₄）和蓝色外层中的颜料添加剂。Zn浓度达14.1 μg/L，与其它研究中口罩金属释放量一致。尽管绝对浓度较低，但这些金属与微纳米颗粒结合后可能增强生物可利用性和毒性。

3.4. DPFMs在紫外老化过程中的聚合物释放

Py-GC/MS分析确认浸出液中的聚合物成分主要为PP，其特征裂解产物2,4-二甲基-1-庚烯（保留时间6.2分钟）和分子离子126 m/z被清晰鉴定。定量分析显示，PP释放量随老化时间增加而上升，空白样品中PP浓度为0.78 mg/L，老化20天后开始显著增加，最高浓度达33 mg/L。这一结果与NPOC分析相互印证，表明Py-GC/MS是评估聚合物释放的可靠手段。

该研究通过多分析方法系统揭示了一次性塑料口罩在环境老化过程中的降解机制和污染物释放规律。研究结果表明，DPFMs在紫外-水环境下会发生显著的结构降解，产生微米和纳米级塑料颗粒，并释放多种重金属添加剂。其中外层材料降解最为严重，耳带部分则因含有PE组分和更多添加剂而表现出不同的老化行为。

这些发现具有重要的环境意义：首先，DPFMs的长期老化会持续向环境中释放微纳米塑料，成为水体中塑料污染物的潜在来源；其次，释放的重金属和有机添加剂可能通过食物链积累，对生态系统和人体健康产生复合影响；第三，研究结果为评估口罩废弃物的环境行为提供了科学依据，对完善废弃物管理政策和开发可环境降解口罩材料具有指导意义。

未来的研究需要结合多因素老化条件（如机械磨损、微生物作用）和生态毒理学实验，更全面评估DPFMs的环境风险。同时，开发新型可降解口罩材料和建立有效的回收体系，是从源头解决这一环境问题的关键方向。