《Molecules》：Tracking Small Microplastics and Plastic Additives in Freshwater: An Integrated Analytical Approach
编辑推荐：
淡水系统中微塑料（MP）与塑料添加剂（PA）污染威胁饮用水安全。本研究提出一种一体化多分析策略，用于表征某供水至饮用水处理厂的运河中粒径小于100 μm的小型微塑料（SMPs < 100 μm）、PAs及其他微米级微 litter 组分（MLCs）。该方
淡水系统中微塑料（MP）与塑料添加剂（PA）污染威胁饮用水安全。本研究提出一种一体化多分析策略，用于表征某供水至饮用水处理厂的运河中粒径小于100 μm的小型微塑料（SMPs < 100 μm）、PAs及其他微米级微 litter 组分（MLCs）。该方法将用于颗粒态SMP与MLC识别的Micro-FTIR光谱与用于溶解态PA非靶向筛查（NTS）及疑似筛查分析（SSA）的HPLC-Orbitrap相结合。结果显示，SMP丰度以秋季最高（10,116 SMPs L?1），共鉴定出20种聚合物类型。聚四氟乙烯（PTFE）丰度最高，其次为高密度聚乙烯（HDPE）；轮胎磨损颗粒（TWPs）亦被检出。Micro-FTIR鉴定出抗静电剂、填料和润滑剂为主要颗粒态PAs。SMPs平均长度为57 μm、宽度为32 μm。HPLC-Orbitrap显示增塑剂和阻燃剂占优势，具体为邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、磷酸二丁酯（DBP）、磷酸三丁酯（TBP）和磷酸三（2-氯乙基）酯（TCEP）。尽管欧盟法规强调监测MP的必要性，但具体监管限值和标准化处理去除效率仍未明确。该对颗粒相与溶解相的综合评估建立了方法学框架，可为未来安全标准的制定及水处理工艺优化提供指导。
研究背景与问题：微塑料（MPs）是一类尺寸介于1 μm至5 mm、形态高度异质的颗粒，按来源可分为原生与次生两类。粒径小于100 μm的小型微塑料（SMPs）是环境中的主导组分，具有高迁移性，易被无脊椎动物摄食并进入食物网，构成人体健康风险。塑料相关化学品超过13,000种，其中有意添加的塑料添加剂（PAs）涵盖阻燃剂、增塑剂、填料等功能类别，占年添加剂产量约75%，单一塑料制品可含多达20种添加剂、占总重量可达70%。由于PAs与聚合物基质结合作用强弱不一，其以不同速率浸出进入水环境，可能产生毒性效应或降解为有害转化产物。非塑料人为颗粒（如天然与人工纤维）与PAs共同构成更广义的微米级微 litter 组分（MLCs）。尽管MPs已在包括自来水与瓶装水在内的多种基质中被广泛调查，但在饮用水中仍缺乏有效监管：Directive (EU) 2020/2184提供了MP监测的法律框架，Decision (EU) 2024/1441建立了统一测量方法，但可执行的阈值限值仍缺失；且聚合物表征受到较多关注，而颗粒相与溶解相中MPs及其相关化学添加剂的联合时间尺度评估仍很稀缺。基于此，研究人员针对为意大利威尼斯供水的水处理厂、从Sile River引水的人工运河开展研究，该水源受区域土地利用影响显著。
研究开展与结论：研究人员开展了为期一整年的逐月监测，采用Micro-FTIR解析MPs与MLCs的时间动态及聚合物组成；同时以三个月采样窗口开展HPLC-HRMS非靶向筛查作为概念验证性试点，测试颗粒相与溶解相PA全面谱图分析的可行性。研究证实该运河中MPs（含TWPs）全年存在，秋冬达峰，PTFE、HDPE与PA6为主要聚合物；Micro-FTIR与HPLC-HRMS联用揭示了PAs明显的相间分布差异：颗粒相以润滑剂、填料和抗静电剂为主，溶解相则呈现以增塑剂和阻燃剂为主的高多样性极性PAs。研究意义在于揭示了一条当前常规水质监测标准尚未充分覆盖的、粒径小于100 μm塑料、MLCs与PAs的潜在暴露途径，并强调应将颗粒态与溶解态污染物视为互联系统进行一体化监测，为改进过滤策略、保障饮用水资源提供支持。
关键技术方法：采样于2023年3月至2024年3月在Ca' Solaro饮用水处理厂取水口逐月进行，该厂由长10.5 km、穿越农业与城市区域的露天CUAI运河从Sile River引水；使用定制的预去污染玻璃瓶采样器采集7.5 L水样，其中5 L用于SMP与MLC分析（制备三个1 L实验室平行样分别过滤），其余2.5 L用于非靶向与疑似分析。SMPs与MLCs经油相萃取（oleo-extraction）流程提取，采用玻璃真空过滤系统与氧化铝滤膜（0.2 μm）过滤，滤膜于去污染层流罩下干燥至少72 h。SMPs与MLCs的定量与化学鉴定使用配备超快电动载物台与液氮冷却汞镉碲（MCT）检测器的Micro-FTIR Nicolet? iN? 10，通过Omnic? Picta?软件的PARTICLES WIZARD模块实现同步定量与鉴定，TWP鉴定采用真实轮胎胎面与生成TWPs构建的专用参考谱库，最小谱图匹配阈值设为70%。PAs分析选取2023年12月、2024年1月与2月样品，经甲醇超声提取、氮吹浓缩及固相萃取（SPE，Oasis HLB柱）后，采用Vanquish系统耦合Orbitrap Exploris 120质谱仪进行HPLC-HRMS分析，以数据依赖采集（DDA）模式获取全扫描高分辨质谱数据，数据经Compound Discoverer处理并按Schymanski等（2014）标准赋以鉴定等级。统计分析依据泊松分布计算置信区间，采用F检验与Kruskal–Wallis检验。
研究结果：
2.1 水样中SMPs的定量与化学鉴定（Micro-FTIR）：SMPs总丰度在秋冬高于春夏，除6月外，无论是否计入TWPs该格局均成立；最低值出现在2023年4月（2710 ± 72 SMPs/L），最高值出现在2023年10月（10,116 ± 95 SMPs/L）。10月高丰度可能与天气条件相关：2023年9月降雨较均值少55%，而10月降雨较平均雨情高65%，更高降雨可能增加湿沉降与径流；在Po Valley这类高颗粒物区域，大气湿沉降及随后的地表径流是水体MP季节性波动的合理贡献因素。TWPs为最丰富的SMP类别，除6月外各月均占总量的50%以上，7月最高达81%；各月差异经Kruskal–Wallis检验具有高度统计学显著性（p ≤ 0.01）。共优化鉴定出20种不同聚合物（含TWPs），最丰富者为PTFE，其次为HDPE与PA6，LDPE、EVA、PEAA-Zn、PES等含量最低。研究人员指出，油相萃取流程与所用参考谱库使广泛SMPs得以鉴定；运河周边城市与农业输入以及大气沉降均可能是聚合物来源，PTFE可能来自工业垫片、过滤膜、技术部件磨损及农业管材管道，HDPE与LDPE可能反映农业活动的弥散输入，EVA可能来自农用设备或建筑材料降解残留，PA6与PES则与纺织及农业结构材料相关，其存在常与空气传播SMPs的大气输运相关。全部水样中MP平均尺寸为长57 μm、宽32 μm，最大尺寸达679 μm，多数颗粒属SMP类别（<100 μm），主要分布在21 μm范围内，并在56–76 μm与80–95 μm处出现小峰。
2.2 水样中MLCs的定量与化学鉴定（Micro-FTIR）：MLCs涵盖非塑料人为碎屑，包括天然与半合成非塑料纤维，以及经Micro-FTIR在颗粒表面鉴定出的PAs。MLCs趋势较SMPs不明显，但仍可识别出从10月（峰值18,065 ± 189 MLCs/L）延续至次年1月的寒冷季节总体上升格局。抗静电剂与天然纤维为最丰富类别，其次为填料、润滑剂与增塑剂。全部水样中MLCs平均尺寸与SMPs相近，长为59 μm、宽为38 μm；最高浓度出现在50–55 μm区间，并在71–75 μm与76–80 μm附近出现两个峰，最小尺寸达5 μm。部分组分呈现特定时间格局：某些化合物（如部分填料与颜料）在所有月份持续存在，而脂肪酸、醇酯与单硬脂酸甘油酯（少数例外）几乎仅在寒冷月份以相对较高浓度检出，提示存在季节性来源或使用模式。
2.3 HPLC-HRMS对PAs的非靶向分析：NTS应用于选定的冬季窗口（2023年12月至2024年2月）作为概念验证，以展示颗粒相与溶解相添加剂谱图分析的分析整合，故HRMS数据旨在说明相分布与化学多样性，而非提供PAs的年度季节评估。NTS揭示两相间显著差异：溶解相在化学多样性与总峰面积上均高于颗粒相；尽管甲醇提取方案旨在靶向固相中极性至中等极性化合物，但颗粒提取物中添加剂几乎缺失，提示所检出的极性添加剂主要存在于水相；相反，与颗粒物相关的非极性有机物种（甲醇提取回收效率较低）由Micro-FTIR分析提供定性支持。样品中检出多种化学品，包括药物、个人护理产品、杀生物剂、生物分子、滥用药物及其代谢物以及本研究关注的PAs。许多已鉴定化学品具有跨部门多重用途，如磷酸二丁酯可用作增塑剂、抗静电剂、电介质、消泡剂与液压油。化合物依据碎片、信号强度及与数据库谱图匹配的可靠性进行筛选，鉴定出的PAs以增塑剂与阻燃剂为主。可鉴定至1级或2a级的化合物包括有机磷酸酯（OPEs），如TBP、磷酸三苯酯（TPP）与TCEP，广泛用作阻燃剂与增塑剂；此外其他OPEs存在于所有样品但未能鉴定，许多谱图显示[H4PO4]+在m/z 98.9845处的诊断碎片。其他可鉴定至1级或2级的增塑剂包括N-丁基苯磺酰胺（NBBS）、DEP与乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC，亦称Citroflex A-4）。NBBS在2月样品中检出，作为多用途增塑剂用于聚碳酸酯、聚胺、三聚氰胺、尿素、共聚酯与酚醛聚合物，具多系统毒性，但毒理学效应通常发生在远高于典型环境浓度（ng/L–μg/L）的暴露水平。DEP在12月与2月样品中检出，主要用作聚氯乙烯（PVC）增塑剂，亦用于玩具、牙刷、塑料薄膜与汽车部件，并作为个人护理产品中的溶剂与香料载体；邻苯二甲酸酯属内分泌干扰物，DEP可诱导雄性大鼠发育、生殖与肝脏毒性。ATBC为无毒医用级增塑剂，迁移率低，用于替代PVC中的邻苯二甲酸酯。六甲氧基甲基三聚氰胺（HMMM）在1月与2月样品中检出，为耐热涂料、塑料与轮胎合成中的交联剂，常见于罐体、线圈、车辆部件、围栏及城市各类物体，虽在TWP渗滤液中频繁检出，但其欧洲释放主要来自塑料、涂料与工业废水；HMMM急性水生毒性低，但不易生物降解，并在体外哺乳动物细胞中显示遗传毒性潜力。多数化合物可降解：DEP主要由微生物降解且好氧条件下更快；HMMM可生物降解，降解主要在污水处理厂发生，速率强烈依赖污泥pH，报道半衰期从酸性条件下3.3 h至较高pH下约一年；ATBC同样可生物降解，而NBBS具有持久性。苯并三唑、N,N-二苯胍、羟基苯并噻唑与羟基二苯甲酮亦作为塑料工业添加剂在样品中检出，其中苯并三唑与N,N-二苯胍鉴定为2级，其余谱图可归属为羟基苯并噻唑与羟基二苯甲酮同系物。其他低于严格信号强度过滤标准的PAs亦有检出：月桂内酰胺（一种聚酰胺单体）在2月被暂定鉴定，未表征脂肪酸酯在所有样品中观察到，双酚B（未在欧洲生产但存在于进口商品中）在12月被鉴定；此外存在不同长度聚乙二醇（PEG）链，PEG n7经mzCloud数据库确认为2a级，较短PEGs通过m/z 89.06、133.09与177.11处特征碎片峰暂定鉴定。研究人员说明，上述毒性与生物降解性概况仅作描述性背景，定量靶向分析与生态毒理学试验超出本研究范围。
讨论部分总结：在微塑料丰度与分布方面，本研究结果与近期文献一致，即<100 μm的MPs主导环境基质；中国太湖流域MPs主要为20–200 μm、以20–100 μm纤维为主，塞纳河颗粒平均为53 μm（次要）与96 μm（主要）。细粒径MPs的普遍存在引发对其输运、生物可利用性及被小型生物摄取的担忧，但方法学非标准化（采样、提取、检出限与报告单位差异）使直接比较仍困难，这一碎片化尤其影响<10 μm的更小粒径组分，其虽高毒且丰度高却仍代表性不足。聚合物组成上，PE与PP因全球产量高而持续主导淡水生态系统；报道丰度因网目尺寸与方法差异极大。为与现有文献可比，研究人员在基线分析中排除TWPs；淡水TWP定量研究仍稀缺且常以质量单位而非颗粒计数报告；聚焦标准SMPs时，其检出浓度（1084–3794 particles/L）与靶向更小粒径组分研究的较高范围一致。这些差异表明粒径截断、报告单位与颗粒选择从根本上使定量产生偏倚，凸显建立统一分析框架的迫切性。在非靶向与疑似筛查方面，结果亦与现有文献一致：法国罗讷河疑似筛查确认DEP、TPP与TCEP存在；西班牙Besòs河分析检出DEP（浓度低于酚类与二苯甲酮），而ATBC未检出；值得注意的是两项研究均报道邻苯二甲酸二乙基己酯为最丰富化合物，而本研究样品中其缺失；此外欧洲河流NTS揭示众多匹配添加剂，包括NBBS、TBP、TCEP、TPP、磷酸三乙酯与DBP；非PA化合物如某些农药亦在本研究样品中持续鉴定。在SMPs、MLCs与PAs结果的互补分析方面，除聚合物颗粒外，固相PAs代表微塑料研究中新兴且探索不足的方面，需要一体化多方法策略：Micro-FTIR鉴定嵌入固体聚合物基质中的疏水性化合物，而使用极性萃取溶剂的HPLC-HRMS检测溶解相中的亲水性负荷；整合这些并行方法可增强对PA迁移、生物可利用性与理化行为的认识，为未来大规模数据集将特定添加剂与其塑料基质关联建立稳健框架。这一颗粒相与溶解相的分析区分对战略性水资源具有重要环境意义：调查供水至饮用水处理厂的淡水运河揭示了SMPs、MLCs与PAs的共存，凸显了当前水质标准同时忽视<100 μm颗粒及其非共价结合添加剂的潜在被低估的饮用水暴露途径。除各自存在外，微塑料与化学添加剂的同时出现引发对其潜在交互与协同毒性的合理关切：联合暴露研究表明聚合物—添加剂混合物的交互风险可大幅超过单一危害估计，且常受聚合物类型与环境风化支配；环境老化可加剧这些联合影响，风化微塑料的表面氧化与粗糙度增加不仅增强物理组织损伤，还促进共污染物（如阻燃剂）的吸附、累积与浸出，导致生物体氧化应激与代谢紊乱加重。即使实验室模型中评估的特定添加剂缺失，所分析系统中细粒径微塑料与检出添加剂（如有机磷酸酯、邻苯二甲酸酯）的共存仍提示对水生生物群存在协同不良效应的潜力。因此，这些发现为未来监管指令与监测方案提供了有价值见解：将新兴污染物纳入淡水风险评估并建立协同污染物混合物标准是必要的，符合EU Directive 2020/2184；尽管Commission Delegated Decision (EU) 2024/1441统一了测量方法并承认饮用水中MP浓度可达400 particles/L，当前框架仍局限于监测；未来监管框架可系统考虑从观察到监管的转变，探索基于科学的浓度限值，此类阈值须同时应对物理颗粒毒性与化学危害，将微塑料视为能够向人体浸出有害添加剂的动态载体。
结论翻译：本研究凸显了互补性多分析方法在表征淡水系统中塑料污染及相关添加剂方面的价值。对供水至威尼斯Ca' Solaro饮用水处理厂的人工运河的逐月监测证实，微塑料（含TWPs）全年存在，秋冬达峰，PTFE、HDPE与PA6为主要聚合物。重要的是，Micro-FTIR与HPLC-HRMS联用揭示了PAs明显的相间分布：颗粒相以润滑剂、填料和抗静电剂为主，而溶解相呈现以增塑剂和阻燃剂为主的高多样性极性PAs。这些发现指向一条当前常规水质监测标准尚未充分覆盖的、粒径小于100 μm塑料、MLCs与PAs的潜在暴露途径。为将这些认识转化为更广泛应用，应解决若干关键挑战，包括扩展空间与时间采样以考虑环境变异性，并追踪处理厂净化过程以评估出水去除效率。未来研究还将受益于探究这些复杂添加剂混合物的化学降解与风化。最终，本研究强调了一体化监测框架的效用，该框架将颗粒态与溶解态污染物视为互联系统，为改进过滤策略与保障饮用水资源提供有价值的支持。
