基于荧光法的土壤微塑料定量方案：方法优化与实地调查

《Environmental Pollution》：A fluorescence-based protocol for quantifying microplastics in soil: Protocol optimization and field investigation

　　

摘要

微塑料（MPs）在陆地环境中的不断积累，使人们迫切需要建立可靠的方法来检测和定量复杂土壤基质中的微塑料。本研究旨在建立并优化土壤中微塑料的定量方案。重要步骤包括土壤有机质（SOM）消化、微塑料提取、尼罗红染色、荧光显微镜检测和图像处理后的微塑料计数，其中SOM消化和微塑料提取的效率起着关键作用，并进行了系统优化。评估了H₂O₂、Fenton试剂和HNO₃等消化试剂去除能够引起背景荧光并干扰微塑料定量的SOM的能力。在测试的试剂中，HNO₃实现了最高的背景荧光去除效率（壤土中89%，黏土中82%），且不会对聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）微塑料造成显著损害。CaCl₂（1.4 g/cm³）和ZnCl₂（1.6 g/cm³）在微塑料提取方面显示出相似的效率，但选择了CaCl₂而非ZnCl₂，因为其在测试土壤中对PP的回收率为78–80%，对PVC的回收率为61–70%，且环境毒性较低。所建立的方案应用于来自三个不同土地利用场地的土壤样品。最高的微塑料浓度出现在农田样品中（1.04 × 10⁵ 颗粒/kg），其次是垃圾填埋场（7.10 × 10⁴ 颗粒/kg）和公园（4.00 × 10⁴ 颗粒/kg），所有样品中<100 μm的微塑料占主导地位。总体而言，所建立的方案在评估陆地环境中微塑料污染方面显示出应用潜力。

引言

塑料因其耐用性、多功能性和低成本而成为日常生活中使用最广泛的材料之一。然而，塑料在环境中难以完全降解并逐渐碎裂，导致1 μm至<5 mm的微塑料（MPs）广泛存在（Thompson等人，2004年；USEPA，2024年）。由于微塑料对生态和人体健康的不良影响，其环境存在已引起公众越来越多的关注（Browne等人，2007年；Cheng等人，2022年；Li等人，2024年；Wu等人，2020年；Yang等人，2021年）。在陆地环境中，微塑料的主要来源包括管理不善的塑料废物、地膜、轮胎磨损颗粒、微塑料污染的污泥以及大气沉降（Chandrakanthan等人，2024年；Kumar等人，2020年；Qi等人，2020年；Scheurer和Bigalke，2018年；Surendran等人，2023年；Xu等人，2020年）。全球各地的城市、工业和农业土壤中发现了令人担忧的微塑料浓度（Wang等人，2024年；Yang等人，2021年）。全球估计表明，农业土壤中含有1.5–6.6 Mt的微塑料，超过了海洋中报告的微塑料数量（93,000–800,000吨）（Kedzierski等人，2023年）。

微塑料可以改变土壤的物理和化学性质，影响微生物群落，并损害植物生长（Boots等人，2019年；Lian等人，2022年；Lwanga等人，2016年）。鉴于对陆地生态系统中微塑料的关注日益增加，开发可靠的土壤微塑料检测和定量方法至关重要。然而，土壤基质的复杂性和塑料类型的多样性使得其分析具有技术挑战性。微塑料检测方法仍在开发中，由于检测方法的不确定性和局限性，目前尚无标准方法（Blasing和Amelung，2018年；Seo等人，2025年；Zarfl，2019年）。

荧光染色被提出作为一种有前景的微塑料检测和定量方法（Erni-Cassola等人，2017年；Ho等人，2024年）。尼罗红是一种常用于染色生物样品中性脂质的染料（Greenspan和Fowler，1985年），已成功应用于塑料染色（Andrady，2011年；Shim等人，2016年）。染色后，吸附在塑料表面的染料使材料能被荧光激发并发射较长波长的光，这可以被荧光显微镜检测（Ho等人，2024年；Konde等人，2020年；Maes等人，2017年）。然而，尼罗红也可能结合到土壤有机质（SOM）上，导致背景荧光和假阳性（Capolungo等人，2021年；Prata等人，2020年；Sturm等人，2021年）。因此，在荧光检测前去除SOM是这种方法的主要挑战（Le等人，2025年）。

消化是去除SOM的典型预处理步骤。常用的消化试剂包括氧化剂、酸和碱（Han等人，2019年；Moller等人，2020年；Scheurer和Bigalke，2018年）。过氧化氢（H₂O₂）被广泛用作氧化剂去除SOM。当在酸性pH下与Fe²⁺结合时，也称为Fenton试剂，由于羟基自由基的形成，其氧化SOM的效果可以增强（Neyens和Baeyens，2003年）。硝酸（HNO₃）和氢氧化钾（KOH）是常用的酸和碱消化试剂（Naidoo等人，2017年；Radford等人，2021年；Sipps等人，2023年；Thiele等人，2019年）。尽管它们有效，但苛刻的化学处理可能会降解某些微塑料并影响其检测（Savino等人，2022年）。因此，仔细选择消化试剂对于平衡效率和保留微塑料至关重要。然而，对常用消化试剂的系统比较仍然有限。

密度分离常用于从土壤样品中提取微塑料（Gupta等人，2024年；Moller等人，2020年）。盐溶液，包括氯化钠（NaCl）、氯化钙（CaCl₂）、氯化锌（ZnCl₂）和碘化钠（NaI），有助于微塑料从较重的土壤基质中浮起和分离（Han等人，2019年；Hu等人，2024年；Hurley等人，2018年；Li等人，2019年）。然而，大多数现有研究主要使用相对较大的微塑料评估提取效率，而关于较小尺寸微塑料（<300 μm）回收的信息仍然缺乏（Perez-Guevara等人，2022年）。鉴于这些局限性，迫切需要一种综合方案来在一个经验证的工作流程中解决SOM干扰、小尺寸微塑料提取和可靠的基于荧光的定量等相互关联的挑战。

本研究旨在开发一种综合方案，用于检测和定量土壤中小尺寸微塑料，结合SOM去除、微塑料提取和荧光检测来定量土壤样品中微塑料的数量浓度。该方法侧重于评估不同消化试剂减少背景荧光干扰同时保持微塑料完整性的能力，并选择合适的密度分离溶液来提取微塑料。最后，通过分析来自不同土地利用场地的土壤样品，展示了所提出方案的适用性，提供了陆地环境中微塑料丰度和尺寸分布的见解。

章节片段

材料和化学品

选择聚氯乙烯（PVC <150 μm）和聚丙烯（PP <100 μm）作为常见高密度和低密度微塑料的代表，以研究其在土壤中的提取效率。PVC和PP微塑料分别从中国长木道亨利新材料公司（中国）和美国Polysciences公司购买。从当地商店购买两种不同质地的土壤（土壤1和土壤2）用于开发检测方案。硝酸（HNO₃，50%–70%）、过氧化氢

背景荧光去除的消化优化

本地购买的土壤1和土壤2用于优化背景荧光去除的消化程序。这两种土壤的物理化学性质如表S4所示。根据质地，土壤1被归类为壤土，土壤2被归类为黏土。土壤1的pH和SOM含量分别为7.55和1.1%，土壤2的分别为5.17和2.2%。

评估了使用H₂O₂、HNO₃和Fenton试剂去除背景荧光的有效性

结论

在本研究中，通过优化SOM消化和基于密度的提取，建立了一种基于荧光染色的土壤微塑料鉴定方案。HNO₃在背景荧光去除方面表现出最高的效率，在壤土中实现了89%的去除率，在黏土中实现了82%的去除率，且不会对PP和PVC微塑料造成显著损害。对于密度分离，CaCl₂和ZnCl₂溶液显示出可比的提取效率，但选择了CaCl₂溶液，因为

CRediT作者贡献声明

林嘉友（Jhao-You Lin）：撰写 – 初稿，方法论，调查，形式分析。Bishwatma Biswas：撰写 – 初稿，可视化，形式分析。林邑妘（Yi-Pin Lin）：撰写 – 审阅和编辑，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本报告中工作。

致谢

本工作由台湾科技部（NSTC 112-2221-E-002-060-MY3；NSTC 115-2221-E-002-156-MY3）、台湾环境部（112BT547008）和台湾大学卓越研究计划 – 核心联盟（NTU-CC-115L891301）在"高等教育深耕计划"框架下由台湾教育部（MOE）支持。

林嘉友（Jhao-You Lin）| Bishwatma Biswas | 林邑妘（Yi-Pin Lin）

台湾大学环境工程研究所，台湾台北市罗斯福路四段1号，10617