水环境悬浮颗粒物（SPM）检测、表征及环境意义的分析方法：一项范围综述

《Scientifica》：Analytical Approaches for Detection, Characterization, and Environmental Significance of Suspended Particulate Matter in Aquatic Systems: A Scoping Review

　　

悬浮颗粒物（SPM）是水生系统的组成部分，既作为污染物的载体，又作为塑造生态系统功能的因素。本综述总结了自然水体中SPM检测与定量方法的最新进展。传统重力分析（gravimetric analysis）提供基于质量的直接参考，而浊度法（turbidimetry）和散射测浊法（nephelometry）等光学方法可实现快速和自动化评估。粒度分析技术（granulometric techniques），包括沉降法（sedimentation）和激光衍射（laser diffraction），有助于理解粒径分布及其在输运、沉降和污染物相互作用中的作用。基于光谱法（spectroscopic）和质谱法（spectrometric）方法的化学表征（chemical characterization）可识别SPM的组成及其与重金属（HMs）、有机污染物（OPs）和微塑料（MPs）的关联。本文特别关注细颗粒物（fine particles）带来的生态风险，这类颗粒悬浮时间更长并增强污染物迁移性。本综述整合水化学（hydrochemistry）、分析化学（analytical chemistry）和环境监测（environmental monitoring）的研究结果，概述现有方法的优势与局限，并指出改进水质评估（water-quality assessment）和生态风险评估（ecological risk evaluation）的方向。

1. 引言（Introduction）
该部分将水生环境中的悬浮颗粒物（SPM）界定为由矿物、有机及人为杂质组成的混合颗粒体系，其来源包括土壤侵蚀、地表径流、生物活动以及工业排放、农业径流、废水排放和微塑料（MPs）污染等。SPM会降低水体透明度、干扰光合作用、促进病原体和毒物扩散，并增加水处理系统运行难度，因此其监测对水生态系统评估、饮用水质量控制、自然资源管理和环境退化防控具有重要意义。文章明确区分SPM、总悬浮固体（TSS）及悬浮沉积物等术语，并说明采用PRISMA-ScR框架开展范围综述，以Scopus为主要数据库，经系统检索、去重、标题摘要筛选、全文 eligibility 评估后纳入691项研究，最终按浓度与监测方法、粒径表征、化学组成与污染物分析、环境意义四个主题组织证据。该部分还指出SPM分析方法虽快速发展，但仍存在标准化不足、灵敏度与自动化程度不一、跨区域和跨实验室可比性有限等问题。

2. 影响SPM的因素（Factors Influencing SPM）
该部分强调SPM的生态影响不仅取决于浓度，还受粒径分布（PSD）、化学性质及在水环境中的稳定性共同控制，这些因素分别通过影响水体物理特征和生物生理生化过程发挥作用。

2.1 SPM浓度（SPM Concentration）
该小节指出总SPM浓度是悬浮颗粒污染常用指标，传统上通过过滤、干燥和称量获得TSS浓度，也可采用浊度法和散射测浊法等光学方法进行间接评估。透明度、浊度和TSS之间存在一定关系，但阈值受水体用途、生态系统类型、水文情势、物种敏感性和监管体系影响，不应视为普遍生态限值。文章给出欧洲环境署关于TSS约10 mg L^?1与良好生态状态、>25 mg L^?1与退化水体相关的示例，并提及世界卫生组织饮用水浊度建议值（不超过5 NTU，理想<1 NTU）及生态标准中>10–15 NTU指示过量负荷。该小节还强调滤膜材质与孔径、过滤体积、干燥温度与时间、样品保存及0.45 μm操作定义等均会影响测定结果，因此应明确报告操作条件和颗粒态操作定义，以提高研究与实验室间可比性。

2.2 粒径分布（PSD）
该小节说明SPM粒径决定其迁移性、沉降速率、生物可利用性和穿透生物组织的能力。细颗粒比例高会导致颗粒长时间悬浮、随水流迁移并进入水体下层，激光衍射等方法可用于粒度组成分析。细颗粒比表面积高，可增强对重金属（HMs）、磷酸盐和有机污染物（OPs）的吸附能力，并提高滤食生物吞噬和污染物生物累积风险。该小节还总结环境标准中关于悬浮颗粒相对背景值最大增量的示例，以及鱼类产卵基质中细颗粒比例限值，指出细分散组分（<50 μm）因比表面积高和吸附毒物能力强而增加生物累积风险并降低天然和人工生态系统过滤屏障的效率。

2.3 化学组成（Chemical Composition）
该部分指出SPM是矿物颗粒、有机质、生物残体、微生物及受污染体系中颗粒结合污染物的非均相集合体，其组成随水文条件、季节、流域特征、生物生产力和人为输入变化。化学表征应区分颗粒内在基质与表面结合或嵌入颗粒内的物质，因为污染物存在于颗粒相并不必然意味着相同化学形态、迁移性或生物可利用性；pH、氧化还原条件、离子强度、溶解有机质和水动力条件变化可改变颗粒—污染物结合并促进其在颗粒态与溶解态之间再分配。

2.3.1 天然矿物与有机基质（Natural Mineral and Organic Matrix）
该小节总结天然SPM基质主要由矿物和有机组分构成，矿物相包括铝硅酸盐、铁锰氧化物、二氧化硅和碳酸盐，有机组分包括腐殖质、动植物残体、碎屑、胞外有机物和微生物生物量。铝硅酸盐矿物和黏土类物质因比表面积和表面电荷较高而重要，铁锰氧化物表面可与溶解金属等反应，二氧化硅颗粒可来自风化、悬浮沉积物和生物源，碳酸盐则与流域地质和水体地球化学条件有关。有机质含量可随季节、生物生产力、水文条件和人为压力在约5%–40%范围内变化，并影响颗粒密度、聚集行为、表面性质及疏水性污染物在颗粒态与溶解态间的分配。微生物和碎屑聚集体可改变颗粒表面性质并参与物质转化，因此SPM基质应被视为动态的矿物—生物来源复合体，而非惰性矿物相。

2.3.2 颗粒结合无机污染物（Particle-Associated Inorganic Contaminants）
该小节指出与SPM相关的重要污染物包括Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Ni等潜在有毒微量元素，其结合方式包括矿物表面吸附、与铁锰氧化物作用、与有机质络合、难溶相沉淀及嵌入颗粒矿物结构。细颗粒因比表面积高而提供大量结合位点，铁锰氧化物涂层和富有机质表面可进一步增强SPM对微量元素的保留能力，使颗粒相成为河流、湖泊、水库和河口系统中金属的重要临时储库和输运相。颗粒结合金属的环境意义不仅取决于总量，还取决于化学结合态和后续迁移性；金属可随SPM向下游迁移并沉积于底泥，在环境条件改变时再迁移返回水柱，从而影响底栖生物接触、摄食及溶解态金属释放等暴露途径。

2.3.3 颗粒结合有机污染物（Particle-Associated Organic Contaminants）
该小节说明SPM也是颗粒结合有机污染物的重要载体，尤其对疏水性较强的化合物，如多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、农药、邻苯二甲酸酯等。这些物质可经工业与市政排放、农业径流、大气沉降、城市排水和污染材料降解进入水环境，其与SPM的结合受颗粒有机组分和化合物理化性质强烈影响。细颗粒和高比表面积可提供吸附表面，颗粒有机质可提供额外分配容量，因此颗粒相中有机污染物浓度会随粒径、有机碳含量、矿物组成及污染物性质变化。颗粒结合有机污染物可随悬浮物迁移并在流速降低时转入底泥，形成长期滞留和再悬浮释放的潜在机制。该小节还指出沉积物质量基准（SQGs）中的阈值效应水平（TEL）和可能效应水平（PEL）可用于解释颗粒物沉积后污染物潜在意义，但应视为沉积物质量基准而非水柱SPM的普遍浓度限值。

2.3.4 微塑料（MPs）作为人为颗粒物（MPs as Anthropogenic Particulate Matter）
该小节将微塑料（MPs）界定为小于5 mm的塑料颗粒，包括原生制造颗粒和由较大塑料破碎形成的次生颗粒。MPs的物理化学特征与天然矿物和有机颗粒显著不同，其输运行为取决于聚合物类型、粒径、形状、表面状态和密度；低密度聚合物可长时间悬浮或近表层滞留，高密度颗粒或与矿物/有机聚集体结合者更易沉降。MPs表征需综合考虑聚合物类型、粒径、形态、丰度、时空分布及与其他污染物的关联，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱可用于聚合物识别。MPs表面可吸附疏水性有机物和微量元素，风化表面和生物膜会改变其化学与生物学性质，因此MPs应作为SPM中的特定人为颗粒组分纳入监测与风险评估。

2.4 因素相互作用（Interaction of Factors）
该小节强调细粒径与吸附毒物共存的SPM环境风险最高，此类污染物在水环境中滞留更久、迁移更活跃、更易穿过过滤屏障并沿食物链累积，增加对水生动物威胁和长期累积效应。因此，环境监测和水体状态评估不仅应关注SPM质量浓度、浊度或透明度，还应考虑粒径相结构和化学特征，以识别污染来源、模拟污染物扩散路径并制定针对性修复策略。

3. 重量与光学定量分析方法（Gravimetric and Optical Methods of Quantitative Analysis）
该部分总结重量法通过过滤前后称量并在103°C–105°C干燥至恒重测定SPM，推荐使用玻璃纤维或膜滤器、控制干燥温度并使称量精度达到±0.1 mg或更优；样品通常保存于4°C且不迟于48 h分析。重量法重现性好、结果具有直接物理意义，但受湿度、温度、干燥条件和滤膜机械损伤影响。光学方法基于光与悬浮颗粒相互作用测定透明度和浊度，结果以NTU、FNU、%T、Snellen厘米、Secchi米或点值表示，不同单位间仅能在特定SPM类型校准曲线条件下转换。该部分系统比较浊度计、散射测浊计、激光/红外传感器、光度法、Secchi盘、Snellen筒和Kaolin比色尺的原理、单位、灵敏度与局限，并指出浊度应视为悬浮颗粒浓度的替代测量而非TSS直接测定，必须进行站点或基质特异性校准并报告不确定度，不能假定存在通用NTU—mg L^?1转换关系。

4. 粒度分析：沉降、沉降与粒径分布（Granulometric Analysis: Sedimentation, Settling, and PSD）
该部分说明天然和工程水生系统中颗粒跨越纳米级溶质到可见悬浮固体，SPM通常按0.45 μm膜截留操作定义，并可进一步分为可沉降固体和不可沉降悬浮固体，胶体则处于溶解态与颗粒态之间。粒度组成常用频率分布和累积分布表示，并采用d₁₀、d₅₀和d₉₀等特征直径描述迁移性、沉降潜力和吸附能力。粗颗粒如砾石和砂沉降快、输运距离短，粉砂沉降较慢，黏土因沉降极慢和胶体作用可长期悬浮，是微量金属和有机污染物的重要载体相。沉降行为通常用Stokes定律描述，层流条件下约至100 μm颗粒的沉降速度随粒径平方增加，但天然水体中有机涂层、离子强度、溶解物质、聚集与解聚会改变有效沉降速度。光学粒度方法如激光衍射和动态光散射（DLS）可快速重复测定，但多假定球形、均质和明确折射率，天然不规则颗粒、絮体和异质混合物会导致系统偏差；不同技术所得PSD不应直接互换，应报告测量原理、粒径定义、分散方案和数据处理假设。

5. 化学组成（Chemical Composition）
该部分总结SPM化学组成测定需考虑分离程序和分析技术。初始步骤通常采用特定孔径膜过滤、离心或沉降分离颗粒态；过滤因简便和重现性好而最常用，但可能存在滤膜吸附或颗粒损失，离心适合浓缩细颗粒和胶体。颗粒相分析前通常需酸消解，混合硝酸、盐酸、氢氟酸或高氯酸在控温加热下消解是最成熟方法，微波辅助消解因时间短、重现性好和试剂消耗低而日益常用，超声辅助提取适合松散结合元素但难消解难熔矿物。非破坏性方法如X射线荧光光谱（XRF）、扫描电镜—能谱（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）可直接或半定量表征固体颗粒元素与晶相，但痕量元素灵敏度通常低于溶液基技术。重金属定量常用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES），有机污染物常用溶剂提取结合气相色谱—质谱（GC-MS）或液相色谱—质谱（LC-MS）。该部分还强调动态吸附、解吸和再悬浮过程需要能够区分颗粒相及污染物形态/浓度变化的分析策略，并概括GIS和遥感在SPM时空监测与源区关联中的应用。

6. 综合概念框架与SPM多维风险评估（Integrated Conceptual Framework and Multidimensional Risk Assessment of SPM）
该部分提出SPM是高度非均相环境基质，任何单一分析技术均不能完整表征其性质与环境风险，方法选择应依据研究目标，包括浓度评估、粒径表征、元素组成、有机物和MPs识别。综合框架将来源、理化性质、转化过程和环境后果联系起来，强调SPM不是被动水质指标，而是控制污染物迁移、转化和生物可利用性的主动介质；吸附—解吸、聚集、沉降和再悬浮等过程直接影响污染物输运、暴露途径和生态效应。文章提出以TSS浓度、粒径（如d₅₀）和化学污染（HMs、OPs、MPs）构成多维风险空间，可区分低风险、输运主导和高风险区域，反映SPM影响的非线性与协同性。该部分还指出未来方法学应优先发展可靠实时监测、MPs与纳米塑料表征整合、实验室间标准化、多模态分析流程和高频观测的数据驱动解释。

7. 结论（Conclusions）
该部分总结SPM是影响水质和生态系统健康的主要因素之一，既指示人为压力，又作为污染物输运载体。重量法可提供稳健定量数据但劳动强度较高，光学仪器可连续测量但需针对当地条件仔细校准；粒度与化学分析揭示粒径、组成和污染物结合之间的相互作用，突出细颗粒和化学富集组分的生态意义。持续存在的问题包括方法学不统一、现场应用自动化不足以及MPs和纳米材料监测挑战。未来进展有赖于将成熟方法与先进分析和传感器技术结合，以获得更可靠和可比的数据；同时需协调操作定义与分级程序、改进光学测量的站点特异性校准和不确定度报告、系统验证粒度分析对颗粒形状/聚集/光学性质假设的敏感性，并改进MPs和纳米塑料的粒径与聚合物特异性信息整合。