整合LDIR光谱评估饮用水微塑料暴露：一项初步研究

《Environments》：Integrating LDIR Spectroscopy for Assessing Exposure to Microplastics in Drinking Water: A Preliminary Study

　　

微塑料（MP）污染在饮用水中是一个新兴的公共卫生问题，然而标准化的分析工作流程和暴露评估仍然有限且零散。本研究提供了一项通过饮用水进行微塑料暴露的探索性评估，将颗粒分辨分析与基于消费量的估算相结合。研究人员在分析工作流程中应用了激光直接红外（LDIR）光谱技术，以表征不同饮用水供应类型中的微塑料。在10–500 μm的尺寸窗口内分析了十个饮用水样本（五个瓶装水、两个自来水、两个公共饮水机和一办公室饮水机），并将颗粒分辨结果与消费调查相结合，以支持初步暴露估算。在十个样本中有六个检测到10–150 μm范围内的微塑料，而自来水和所有空白样本均无颗粒，支持了分析的稳健性。瓶装水显示出最高的微塑料丰度（6–148颗粒 L^?1）和质量浓度（0.03–22.4 μg L^?1）。颗粒尺寸分布呈右偏态，以≤ 30 μm的颗粒为主。PET、PU、PA和ABS占主导地位，与包装和饮水机来源一致。在三个消费情景（1–3 L day^?1）下，瓶装水消费者的EDI估算范围为0.1008至0.3023 μg kg-bw^?1 day^?1。尽管样本量有限，但结果支持LDIR用于来源区分和暴露筛查，为未来研究提供了基础。

论文解读：整合LDIR光谱评估饮用水微塑料暴露的初步研究

**一、研究背景与现存问题**

微塑料（Microplastics, MPs），即直径在1 μm至5 mm之间的塑料颗粒，已成为全球性环境污染的象征性污染物。它们既可以是原生颗粒（如生产颗粒、化妆品微珠、合成纤维），也可以通过机械磨损、紫外光氧化和生物降解等过程由大型塑料碎片的碎裂和风化次生形成。大量文献已记录了微塑料在土壤、空气、微生物相关基质、地表水、地下水以及从海洋双壳类到淡水鱼等水生生物中的广泛存在，反映了其持久性和跨介质传输、进入食物网并沿营养链积累的能力，从而通过饮用水和饮食构成人类暴露途径。尽管废水处理厂能够去除大部分较大颗粒，但常规处理工艺并非专门设计用于捕获微米级和纳米级塑料（MNPs），因此处理后的出水和污泥处理仍可能向受纳水体输入大量塑料。鉴于成人每日饮水量为2.0–2.5 L，即使是瓶装水、自来水和饮水机来源的每升贡献量较低，也可能在人口层面转化为不容忽视的累积暴露。

多项调查报道了瓶装水和自来水中均存在聚合物颗粒，但数值结果和尺寸分布因采样、预处理、仪器限制和质量保证/质量控制实践而异。全球范围内，针对塑料瓶装水的研究报告颗粒丰度跨越多个数量级，很大程度上受分析方法和尺寸检测窗口的影响。已有研究报道的微塑料丰度范围从印度的2.89颗粒 L^?1到智利的391颗粒 L^?1不等，一项覆盖九国的多国调查显示平均值为325颗粒 L^?1（范围：0至>10,000颗粒 L^?1）。基于质量的浓度在欧洲为0.016至2.88 μg L^?1，在澳大利亚为0.21–0.46 μg L^?1，而成人的EDI估算仍然有限（0.004–0.018 μg kg-bw^?1 day^?1）。饮用水中报告的主要聚合物类型包括PET、PE、ABS、PMMA、PC、PP、PS、PA、尼龙-6,6、PVC和NBR等，与常见的包装和分配材料相对应。

微塑料已在人类多种组织和器官中被检测到，包括血液、大脑、肺、子宫内膜和胎盘中。尽管因果关系和机制仍在研究中，但这些发现强化了对稳健暴露评估的需求，而饮用水是一个关键且可控制的暴露途径。在此背景下，当前的微塑料检测和识别分析方法涵盖从整体热分析定量到颗粒分辨光谱成像，每种方法在通量、尺寸灵敏度和化学特异性之间存在不同的权衡。μ-FTIR提供广泛的聚合物库和非破坏性分析，但在约10 μm以下的灵敏度有限，通量中等；μ-Raman可将检测扩展到亚微米范围并可分析有色颗粒，但采集速度较慢；基于量子级联激光器的激光直接红外（LDIR）光谱技术提供了一种自动化、高通量的颗粒计数、尺寸测量和聚合物指纹识别替代方案，操作者偏差低，但在10 μm以下效果较差，可能受颗粒合并或基底伪影影响。基于质量的方法如Py-GC/MS和靶向解聚–LC-MS/MS则提供聚合物特异性质量负荷，聚合物覆盖面广，但具有破坏性且不保留颗粒尺寸、形态或位置信息。

**二、研究目的与样本来源**

本研究旨在探索将LDIR光谱技术整合到初步饮用水微塑料暴露评估框架中的可行性。研究分析了十个水样，代表当地相关的供应类型，包括五种塑料瓶装水（B）、两种市政自来水（TW）、两种公共饮水机水（PWD）和一办公室饮水机水（OWD）。瓶装水样本的瓶身和瓶盖材料遵循欧盟识别代码。公共饮水机是由市政管理的与当地输水管道网络连接的供水系统，经多级净化处理，包括沉淀过滤、活性炭吸附、紫外灭菌和微滤。办公室饮水机为市电供水系统，通过活性炭、离子交换树脂、沸石和微滤滤芯等多级过滤处理。此外，通过Google Forms向意大利普通公众发放了一项匿名问卷，收集每日饮水量、偏好容器/材料、每日购买塑料瓶数量等信息，共收集340份有效回复。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用Agilent LDIR 8700系统进行光谱识别，将每个颗粒的红外光谱与Agilent MPs Library及自建参考库匹配，仅接受HQI ≥ 0.75的匹配结果。每个水样取500 mL经真空过滤至25 mm铝膜上，每个样本在同滤膜上进行五次重复仪器测量以评估仪器可重复性。颗粒形态分类基于长宽比和圆度指标，按纤维、球体、颗粒和碎片分类。颗粒质量通过应用Corey形状因子从二维投影尺寸估算体积，再乘以聚合物特异性密度获得。质量保证/质量控制包括程序空白、实验室空白和空气暴露控制膜，所有空白均未检测到微塑料。EDI采用基于质量的方法，按式（1）计算，并设置低（1 L day^?1）、中（2 L day^?1）和高（3 L day^?1）三个消费情景，假设成人平均体重70 kg。研究未进行正式假设检验，结果以描述性统计呈现。

**四、研究结果**

**4.1 饮用水消费习惯**

对340份问卷的分析显示，72.9%的人每日饮用1至2 L水，塑料瓶装水是最广泛消费的形式（80.5%）。在常饮瓶装水的消费者中，常见品牌包括Sorgesana（28.7%）、Sant'Anna（21.7%）、Ferrarelle（14.4%）和Rocchetta（6.4%）。约43%的人每天至少消费一瓶塑料瓶装水。

**4.2 微塑料颗粒丰度和质量浓度**

在10个水样中有6个检测到微塑料，而B_4、TW_1、TW_2和PWD_1及所有空白均无颗粒。瓶装水具有最高的颗粒丰度，范围为6 ± 0.5至148 ± 1.5颗粒 L^?1，最大浓度出现在B_2样本。办公室饮水机为4 ± 0.4 L^?1，公共饮水机PWD_2为34 ± 1.2 L^?1。质量浓度计算显示瓶装水B_2（22.4 μg L^?1）和B_5（12.8 μg L^?1）负荷较高，PWD_2为2.97 μg L^?1，其他样本≤0.07 μg L^?1。仪器精度高，CV为1–14%。

**4.3 微塑料尺寸分布与形态**

所有阳性样本的尺寸分布均以小于30 μm的颗粒为主，呈右偏态，延伸至约149 μm。B_2和B_5分布最广，平均粒径分别为35.2 μm和37.9 μm。其他瓶装水颗粒较小且较均匀。形态上，颗粒和碎片是主要形态，纤维和球体仅零星出现。颗粒在B_3、B_5和PWD_2中占比超过60–70%，碎片在B_1和B_2中约占30–50%。

**4.4 聚合物组成**

共鉴定出九种聚合物类型，PET、PU、PA和ABS最为普遍，合计占所有检测颗粒的近80%。PET在大多数瓶装水中占主导地位（45–67%），其次是PU（16–25%）、PA（最高33%）和ABS（4–38%）。还检测到PTFE、PP、PE、PVC和PC的少量贡献。含低矿物质的瓶装水样本（B_2和B_5）表现出更多样的聚合物组成。

**4.5 每日摄入量估算**

基于质量法的EDI估算显示，瓶装水消费者的EDI在低情景下为0.1008 μg kg-bw^?1 day^?1，中心情景为0.2015 μg kg-bw^?1 day^?1，高情景为0.3023 μg kg-bw^?1 day^?1。公共饮水机中心EDI为0.04248 μg kg-bw^?1 day^?1，办公室饮水机可忽略不计（中心值为1.143 × 10^?4 μg kg-bw^?1 day^?1）。采用EFSA标准的敏感性分析显示，幼儿（2–3岁）的EDI最高（瓶装水为0.7054 μg kg-bw^?1 day^?1），约为成人参考值的3.5倍。

**五、讨论与结论**

研究结果表明，瓶装水是研究人群中微塑料暴露的主要来源，这一发现与调查结果一致，即超过80%的受访者主要饮用瓶装水。LDIR结合颗粒分辨分析和基于消费量的估算，成功实现了跨供水类型的来源分辨和暴露筛查。瓶装水的高微塑料丰度与包装材料（主要是PET瓶身和HDPE瓶盖）的脱落一致，而饮水机样本中的PU、PA和ABS则可能来源于弹性体密封圈、阀门和管道系统。自来水样本中未检测到微塑料，这支持了该分析窗口下市政供水的相对清洁性。EDI估算表明，在三个消费情景下，瓶装水消费者的暴露量最高，而儿童因体重较低而表现出最高的体重归一化EDI。研究结论认为，供水类型是微塑料暴露变异的主要驱动因素。然而，研究也承认了局限性：样本量有限、单一采样活动、10–500 μm尺寸窗口未覆盖亚微米颗粒、重复测量仅反映仪器可重复性而非环境变异性。未来研究应整合互补的正交技术，如μ-FTIR或拉曼成像以扩展尺寸覆盖范围，Py-GC/MS或TED-GC/MS进行基于质量的验证，以及针对添加剂或相关化学物质的靶向分析，以进一步强化暴露评估。