综述：纺织微纤维分析策略：鉴定、定量与缓解挑战

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Analytical Strategies for Textile Microfibers: Identification, Quantification, and Mitigation Challenges

　　

摘要
纺织微纤维（TMFs）存在于水体、土壤、大气、污泥和生物体中，但由于纤维几何形态、聚合物多样性、表面风化、染料、添加剂及基质残留等因素影响其回收和鉴定，其分析仍然困难。本综述从分析性能和方法选择的角度，评估了采样、预处理、显微镜检查、振动光谱、热分析及新兴自动化方法。显微镜检查可实现快速计数和形态筛选，但需要化学确认；光谱方法可实现颗粒级聚合物鉴定，但受限于颗粒尺寸和光谱干扰；热方法可实现基于质量的定量分析，但牺牲了形态信息和样品保存。为克服这些局限性，本综述考察了各方法特有的输出结果和偏倚如何影响对TMF释放、环境存在性、生态效应及缓解绩效的解读，并提出了一种"适用性"框架，根据目标测量量和样品基质选择互补方法。标准化的污染控制、经验证的参考材料、采样到检测的兼容工作流程以及基于全生命周期的缓解评估，被确定为提高数据可比性和支持基于风险的管理的优先事项。

引言
纺织品的持续扩大生产和消费在纺织品全生命周期中产生了大量纤维排放，引发了对其广泛存在及潜在环境影响的担忧[1]。然而，对现有证据的解读受到环境中检测到的纤维术语使用不一致的困扰，尤其是当无法可靠确定其来源时。为解决这一歧义，本综述仅将"纺织微纤维（TMFs）"一词用于有来源信息、聚合物组成或纺织相关化学证据支持其纺织来源的纤维。相比之下，纤维形微塑料（FMPs）则更广泛地指具有纤维形态但尚未确立纺织来源的聚合物颗粒[2]、[3]。已有报告将TMFs列为水、土壤、大气、污水污泥和生物样本中的主要类微塑料颗粒。其细长几何形态、多样化聚合物、表面老化、染料、整理剂以及与基质的强烈相互作用，使采样、回收、鉴定及研究间比较变得复杂。

纺织材料的多样性进一步加剧了TMFs表征的困难。纺织纤维可大致分为天然纤维（如棉、麻、羊毛和丝）[4]、源自改性天然聚合物的再生或半合成纤维（如粘胶/人造丝、莱赛尔和醋酸纤维素）以及由石化或其他合成聚合物制造的合成纤维（如聚酯、聚酰胺、腈纶和聚丙烯）[5]。这些纤维类别在密度、化学抗性、热行为、光谱特性和对环境风化的敏感性方面存在差异。因此，针对某一纤维类别验证的样品制备或鉴定方法可能无法直接适用于另一类别[6]。其细长的形态、变化的聚合物组成、表面老化、相关的染料和整理剂以及与环境基质的相互作用，在采样、回收、鉴定和研究间比较方面引入了额外困难[7]。因此，对TMF污染的可靠评估需要分析方法来同时考虑纤维特性和基质特性。

TMFs可能在纺织品生命周期的多个阶段释放，包括纤维生产、纱线和织物加工、运输、穿着、洗涤、环境风化、废物处置和回收[8]。合成纺织品通常被认为是一个重要来源，已有估计表明这些材料在全生命周期内的累积纤维释放量约占初始纺织品质量的0.74%至5%[9]。释放后，TMFs可能通过不同的传输途径进入废水、土壤、地表水或大气。早期环境调查报告了在污水污泥和污水处理厂（WWTPs）中检测到TMFs的情况[10]。虽然污水处理厂可以保留大量悬浮纤维，但较小的纤维可能通过处理过程并在最终排放液中排出。相反，保留在污泥中的纤维可能在污泥应用于农田时转移到陆地环境中[11]。生产、加工、运输、使用和环境中老化过程中的机械应力可能将较大的纤维进一步破碎为较小的颗粒，从而增加其迁移性、环境扩散性和生物可利用性[12]。因此，TMF污染不仅取决于初始释放量，还取决于纤维在环境中的后续传输、保留和破碎过程。

TMFs的广泛分布和持久性引发了对其生物暴露及潜在生态效应的担忧。在水体环境中，纤维可直接从周围水中摄入，也可通过受污染的猎物间接摄入。一项暴露评估估计，约99%的滤食性鲸类微塑料摄入是通过食物传递发生的[13]。在密集摄食期间，这些动物每天可能摄入数百万个微塑料颗粒，主要通过猎物摄入而非直接从海水中摄取[14]。然而，由于该估计针对的是一般微塑料，因此不应将其解读为TMF特有的摄入速率。在消化道组织和其他生物基质中检测到纤维证实了暴露的发生，但关于其迁移、生物蓄积和纤维特异性生物效应的可用证据仍然有限[15]。

潜在效应不仅限于水体环境。进入陆地系统后，TMFs可能被整合到土壤团聚体中并与矿物或有机质相互作用[16]。这些相互作用可能改变微生物活性和土壤团聚性，对土壤碳循环产生潜在影响[17]。TMFs还可能吸附环境污染物，土壤生物的摄入可能改变这些物质的生物可利用性，并导致不良生物结果，包括死亡率增加[18]。此外，密度足够低的纤维可能重新悬浮并通过大气传输，为人类和其他动物创建吸入暴露途径。这种暴露可能引起呼吸道的炎症反应[19]。人类暴露还可能通过摄入受污染的食物而发生。虽然致癌性、器官毒性和生殖效应被提出为潜在结果，但环境相关TMF暴露对这些效应的贡献仍然不确定[20]、[21]、[22]、[23]。目前的证据确认了多种暴露途径的存在，但尚未提供对TMF特有风险的完整理解。

以往的综述分别考察了TMFs来源[24]、环境分布和传输[25]、分析方法[26]、预防策略[27]和未来研究挑战[28]。然而，这些主题密切相关：关于环境存在性和生物效应的结论取决于测量质量，而缓解策略的有效性在缺乏适当且可比的分析数据的情况下无法可靠评估。因此，需要一种决策导向的综合方法，将纤维特性和环境基质与分析性能相关联，并将测量质量与缓解评估相关联。据此，本综述旨在：（i）比较TMF分析工作流程中的采样、样品制备和分析技术；（ii）考察纺织品全生命周期中的TMF释放和环境存在性；（iii）批判性评估生态效应证据及其主要局限性；以及（iv）在3R框架（涵盖减少、去除和回收）内组织缓解策略。本综述不旨在确定一种普遍最优的方法，而是聚焦于确定哪些方法组合适用于特定的测量量、基质和决策情境。

章节摘要

**TMF鉴定的采样、样品制备和分析技术**

一个可推荐的TMF工作流程始于预定义的采样设计，依次经过污染控制、基质特异性制备、形态筛选、化学确认和报告（图1）。消化和密度分离可分离候选纤维，随后通过显微镜、傅里叶变换红外光谱（FTIR）[29]、拉曼光谱、热重分析-差示扫描量热法（TGA-DSC）、热裂解-气相色谱-质谱（Py-GC-MS）等方法进行鉴定。

**纺织品全生命周期中的TMF存在性**

TMFs可能在制造、使用、洗涤、风化、处置和回收过程中释放（图2）。报告的生命周期质量损失约占纺织品质量的0.74%至5%，但比较结果对织物构造、测试条件、采样截断以及结果以计数还是质量报告敏感[9]。

**环境命运和生态效应**

当TMFs进入环境后，它们对环境和生物体产生不同影响。TMFs的影响可分为纤维本身、降解产物和其他污染物造成的影响。家庭洗涤废水、纺织工业废水或废弃的TMF织物被排入环境或进入生态系统。TMFs可能通过三种方式影响生态系统：（i）TMFs产生污染并损害环境；（ii）TMFs释放增塑剂、染料和……

**缓解策略**

可靠的测量是设定排放目标和评估干预措施的前提条件。3R框架整合了：（i）纺织品设计、生产和使用阶段的源头减少；（ii）从工业和家庭废水中去除；以及（iii）减少而非仅仅推迟纤维释放的回收途径（图6）。每种策略都应使用协调一致的脱落测试、在可行的范围内使用质量与计数指标以及生命周期评估进行评价。

**机遇与挑战**

有效控制TMF污染取决于四个密切相关领域的进展：术语、分析鉴定、缓解技术和风险评估。这些领域的进步对于提高环境数据的可比性、识别优先排放源以及确定控制措施是否提供有意义的环境效益是必需的。

**（1）术语和分类**

"纺织微纤维"、"纤维形微塑料"和"微塑料纤维"等术语……

**结论**

TMF分析是一个由基质、纤维特性和预期测量量决定方法选择的问题。显微镜可提供形态和计数但需要化学确认；FTIR和拉曼光谱可鉴定单个聚合物但受尺寸、染料、风化和基底背景的 affect；热方法可定量聚合物质量但牺牲了形态和样品保存。采样设计、污染控制、回收验证和兼容的过滤膜必须……

**关于生成式AI和AI辅助技术在稿件撰写过程中的声明**

在修订稿件准备过程中，作者使用了Grammarly（一种AI辅助写作工具）来改善语言、组织和可读性。在使用这些工具后，作者根据需要审核、核实和编辑了内容，并对文章的科学完整性和事实准确性承担全部责任。

**CRediT作者贡献声明**

Wenqin Wu（吴文钦）：撰写—审阅与编辑、监督、资金获取。Zhaowei Zhang（张兆伟）：撰写—审阅与编辑、形式分析、概念化。Le Zhang（张雷）：撰写—初稿、调查研究。Dan Wang（王丹）：撰写—初稿、调查研究、数据整理。Yang Chen（陈阳）：调查研究。Huaxuan Shi（施华宣）：调查研究。Bo Li（李波）：调查研究。Liyuan Wang（王礼原）：撰写—初稿。Xiaoshu Wang（王小树）：撰写—审阅与编辑、调查研究。Peng Ma（马鹏）：验证、方法学。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到了西藏自治区科技项目（XZ202502ZY0068）和中国武汉国际科技合作项目的资助。

Dan Wang | Le Zhang | Huaxuan Shi | Yang Chen | Liyuan Wang | Bo Li | Peng Ma | Xiaoshu Wang | Wenqin Wu | Zhaowei Zhang

武汉纺织大学，湖北省重点实验中心，新纺织材料与先进加工技术国家重点实验室，生物医学工程与健康学院，中国武汉，邮编430200