《Science of The Total Environment》：Progressive exploration of the four municipal solid composting phases for microplastics pollution: Extraction, abundance, and distribution
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本研究评估了ZnCl?和CaCl?在 spiked和non-spiked堆肥中的密度分离效率，发现ZnCl?的提取回收率达99.9%，显著优于CaCl?的95%。通过湿筛分、有机消化和密度分离三步法，系统追踪了堆肥过程中微塑料（MPs）的丰度、尺寸分布及化学组成，发现MPs丰度随堆肥阶段线性增加。ATR-FTIR光谱分析表明PE、PP和PS为主，而PVAc和烟灰滤纸较少。研究强调需改进有机废弃物堆肥中的微塑料管理，并验证了ZnCl?作为高效、低成本分离试剂的可行性。
阿德奥拉·阿德卢格巴（Adeola Adelugba）|梅森·麦克唐纳（Mason MacDonald）|塞缪尔·阿西埃杜（Samuel Asiedu）|洛德·阿比（Lord Abbey）|奇乔克·埃梅尼克（Chijioke Emenike）
加拿大新斯科舍省特鲁罗市达尔豪斯大学（Dalhousie University）农业学院植物、食品与环境科学系，邮编B2N 5E3
摘要
关于农业中微塑料（MP）污染的研究有限，尤其是关于城市固体废物（MSW）堆肥的研究。城市固体废物堆肥常用于改善土壤质量，但可能会将微塑料引入农业系统。本研究评估了ZnCl?和CaCl?在添加了微塑料和未添加微塑料的堆肥中的密度分离效率，并跟踪了微塑料在堆肥过程中的丰度和大小分布——包括中温阶段、高温阶段、固化阶段和成熟阶段。研究采用了三种提取方法：湿筛分、有机消化和密度分离。结果表明，在添加了微塑料的实验中，ZnCl?的提取回收率约为99.9%，优于仅使用CaCl?的约95%的回收率。在未添加微塑料的实验中，ZnCl?从湿堆肥中回收了242个微塑料颗粒/千克，而CaCl?仅回收了138个微塑料颗粒。此外，微塑料的丰度在整个堆肥过程中有所增加，显示出微塑料大小与其丰度之间存在线性关系。通过ATR-FTIR光谱分析发现，聚乙烯（polyethene）、聚丙烯（polypropylene）和聚苯乙烯（polystyrene）是最常见的微塑料类型，而聚氨酯（polyurethane）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride）和香烟过滤纸则较少见。这些发现强调了改进有机堆肥中微塑料管理的必要性，因为它们可能对植物健康产生影响。此外，这项研究为堆肥中的微塑料研究提供了更有效且经济可行的提取方法。
引言
塑料在受到物理、化学和生物因素的影响时会分解成更小的颗粒（Rani等人，2023年）。环境中微塑料的增加及其通过有机废物堆肥进入土壤系统，继续引发人们对农业产量安全性的担忧。城市固体废物（MSW）堆肥是一种广泛采用的废物管理方法，通过不同微生物的作用和不同的温度将有机废物转化为富含养分的堆肥。堆肥通过缓慢释放有机形式的养分来改善土壤水分保持、植物生长和健康。然而，由于有机废物中塑料废物的不当管理，这一过程会积累微塑料。由于微塑料的类型或疏水性以及碳键的存在，这些塑料颗粒在堆肥的四个阶段中难以降解（Liu等人，2022年）。微塑料带来了挑战，例如作为将其他污染物转移到土壤中的载体，并影响土壤质量，从而违背了堆肥的应用目的。例如，研究表明，铯（cesium）、锶（strontium）、镉（cadmium）、砷（arsenic）、铅（lead）和铜（copper）等无机化学物质可以通过Langmuir和Freundlich等温模型被各种类型的微塑料吸附（包括聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯）。同样，持久存在于环境中的有机污染物（如杀虫剂、碳氢化合物和药物）也可能被微塑料吸附。已经研究了氨基甲酸酯类杀虫剂、抗生素和苯类物质在微塑料上的吸附能力（Kinigopoulou等人，2022年）。这些污染物的吸附可以通过弱范德华力发生，也可能涉及离子键和共价键、空间效应以及π-π相互作用；这些作用取决于微塑料的疏水性和表面积（Hartmann等人，2017年）。研究表明，土壤中存在聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）会影响土壤的容重、pH值、总碳含量、阳离子交换容量和某些酶的活性（Li等人，2023年）。此外，微塑料与这些污染物的协同效应可能对任何农业基质中的毒性、生物累积、生物放大作用和微生物群落变化产生负面影响（Fang等人，2025年）。
将堆肥施用于土壤可能会引入或增加土壤中的微塑料含量。这些颗粒可以进一步分解成更小的塑料颗粒（纳米塑料），据报道这些纳米塑料会被植物的根、茎、叶和可食用部分吸收（Sahai等人，2024年），最终可能进入水体并对水生生物（如鱼类）造成负担（Deswati等人，2025年）。鉴于堆肥在农业中的使用日益增加，了解微塑料污染的程度及其在堆肥不同阶段的分布至关重要。
然而，全球微塑料研究面临的一个重大挑战是缺乏提取、表征和鉴定农业系统中微塑料的标准程序和方法（Rani等人，2023年）。虽然有多种从土壤中提取微塑料的技术，但从更复杂的基质（如MSW堆肥）中提取微塑料需要进一步的步骤来提高提取效率（Sharma等人，2022年）。提取效率取决于所采用提取方法的有效性。氧化技术因能有效去除有机物并减少对塑料颗粒的损害而被证明更有效。此外，高密度盐溶液也被证明可以提高密度分离的效果（Monteiro和Pinto da Costa，2022年）。
有三种策略可以从各种环境基质（包括陆地和海洋环境）中去除微塑料：物理或机械分离、化学消化和密度分离。这些方法在微塑料提取研究中经常被使用（Adelugba和Emenike，2024年；Deswati等人，2023年）。物理分离方法使用湿筛分和目视检查来回收微塑料，但由于其提取效率低，特别是对于环境样本中小于2毫米的微塑料，这种方法并不可靠（Piehl等人，2018年）。然而，这种方法简单、经济、几乎不需要专业知识且速度快（Adelugba和Emenike，2024年）。因此，需要对样品进行预处理并采用额外的提取方法来提高效率（M?ller等人，2022年）。有机消化可以去除有机物和非塑料有机物质，从而避免干扰后续的目视或光谱检查。例如，在水沉积物研究中使用过氧化氢进行氧化处理，在土壤研究中使用芬顿试剂（Hurley等人，2018年）。作为微塑料提取策略的密度分离的有效性尚未得到验证。这种方法在盐溶液的选择和密度方面也缺乏标准化。例如，Wang等人（2018年）使用了1.6克/升的盐浓度，Edo等人（2022年；M?ller等人，2022年）在农业基质中使用了1.7克/升和1.8克/升的ZnCl?。然而，由于ZnCl?被认为成本更高且更具毒性（Radford等人，2021年），因此CaCl?（1.46克/升）被认为是从水样中提取微塑料的更安全、更经济的替代品（Crichton等人，2017年）。只有少数研究针对MSW堆肥中的微塑料进行了提取和分析（Fowzi等人，2025年）。一项中国研究平均每千克堆肥中提取了2400个微塑料颗粒（Gui等人，2021年），另一项中国研究则提取了6615个微塑料颗粒（Zhang等人，2023年）。在印度尼西亚，商业来源的堆肥中发现了每克160个微塑料颗粒（Iswahyudi等人，2024年）。这些研究指出了一些常见的微塑料类型，包括聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PE/PET）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）和聚氯乙烯（PVC）（Iswahyudi等人，2024年；Vithanage等人，2021年）。因此，本研究旨在结合现有的提取方法来设计一种提取MSW堆肥中微塑料的方案，并比较两种盐的提取效率。这将有助于标准化堆肥和其他含有大量有机物的农业基质中微塑料的提取过程。此外，收集的微塑料在堆肥不同阶段的分布和丰度数据将有助于更好地理解微塑料在堆肥过程中的降解情况。此外，该研究还将强调需要改进废物管理策略以减轻农业土壤中的微塑料污染。本研究假设，在前三个阶段微塑料颗粒会增加，而在最终堆肥阶段会减少，考虑到固化阶段进行的双重筛选。
材料与试剂
使用了实验服、手套、金属铲子、轨道振荡器、磁力搅拌器、搅拌棒、铝箔、镊子/钳子、玻璃器皿（玻璃瓶/烧杯/埃伦迈耶烧瓶）、装有蒸馏水的喷瓶、超纯水、玻璃漏斗、滤纸、不同孔径的筛子（0.5、1、2、3、4、5、6毫米）。其他使用的材料包括用于样品储存的冷冻箱（-80°C）、培养皿、干燥箱、手持放大镜、分析实验室天平、铲子和抹刀。使用的化学试剂包括...
使用三步提取方案评估盐的效果
表1显示了CaCl?（1.6克/升）和ZnCl?（1.9克/升）在提取堆肥中添加的微塑料方面的提取效率比较。结果表明，密度分离方法不适用于这两种盐溶液提取聚苯乙烯（PS）和聚丙烯（PP），因为在洗脱步骤中所有添加的微塑料颗粒都被成功提取出来（表A1）。统计分析显示，两种盐溶液在提取效果上没有显著差异（p > 0.05）
ZnCl?作为有效的密度分离溶液
比较研究表明，ZnCl?和CaCl?在提取添加的微塑料方面都有效，因为两者之间没有显著差异（p > 0.05）（表1）。这两种盐都成功提取了添加到堆肥中的所有聚苯乙烯和聚丙烯微塑料。相反，在未添加微塑料的对比实验中，两种盐溶液之间存在显著差异（p < 0.05）（图4）。这种差异可能是由于添加到实验中的塑料类型的不同年龄、颜色和密度造成的。
结论
本研究证实了ZnCl?溶液在三步提取方案中用于MSW堆肥中微塑料的密度分离的有效性。该提取方法结合了现有的用于土壤和富集堆肥的提取方法。该方法用于提取微塑料并分析其在整个堆肥阶段的大小和分布。
为了开发这种方法，对CaCl?和ZnCl?进行了比较分析，以确定哪种盐是更有效的密度分离剂
CRediT作者贡献声明
阿德奥拉·阿德卢格巴（Adeola Adelugba）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、数据可视化、软件使用、项目管理、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。梅森·麦克唐纳（Mason MacDonald）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件使用、项目管理。塞缪尔·阿西埃杜（Samuel Asiedu）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理。洛德·阿比（Lord Abbey）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源调配、项目管理。
资助
本研究由达尔豪斯大学资助 [资助编号：GR39364]
致谢
我们感谢新斯科舍省Colchester Balefill & Composting设施的管理人员和工作人员在样本收集过程中提供的支持和合作。同时，感谢Raphael Ofoe博士在统计分析方面的帮助，以及Qiucheng Jiang在整个研究过程中提供的后勤支持。
