每一口水中的隐藏危害：饮用水中微塑料的检测与削减策略研究进展

《Food Chemistry: X》：The hidden hazard in every sip: tackling microplastics in drinking water through detection and mitigation

　　

研究人员指出，水污染对公众健康构成重大威胁。微塑料已在全球各国被检出，是引发严重健康担忧的隐藏因素。聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）是主要的微塑料类型。显微傅里叶变换红外光谱（μFTIR）、显微拉曼光谱法（μRaman spectroscopy）和气相色谱-质谱联用法（GC–MS）可用于微塑料的鉴定。脉冲澄清器和磁性氧化物复合材料可用于微塑料的削减。

2. 微塑料的产生及其进入饮用水的途径
微塑料可通过直接和间接途径进入饮用水系统。次级微塑料由较大塑料碎片在紫外辐射、氧化、机械磨损和温度波动等作用下破碎和风化生成；初级微塑料则直接来源于含塑料产品及人为活动。这些颗粒可经废水排放、地表径流、大气沉降以及河流、湖泊、水库和地下水中的迁移进入饮用水源。其持久性和迁移性受聚合物类型、粒径、密度、形态和表面特性影响。在饮用水处理与分配阶段，常规工艺可去除部分微塑料，但管道、配件、储水罐等含塑料部件也可能因机械磨损、老化、压力、消毒剂暴露和表面劣化而释放微塑料。瓶装水是另一条重要暴露途径。微塑料在处理系统中难以快速生物降解，但环境应力可使其进一步破碎为更小颗粒乃至纳米塑料。

3. 饮用水中微塑料的主要聚合物类型
饮用水中微塑料主要来源于聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚酰胺（PA）等常用合成聚合物。这些聚合物在密度、结晶度、疏水性、化学结构和抗降解能力上存在差异，影响其在处理过程中的迁移、持久性、破碎行为及其与水处理单元的相互作用。

3.1 聚乙烯（PE）
PE高度惰性且抗降解，其高分子量、高结晶度、疏水性和水不溶性使其难以在环境中分解。低密度聚乙烯（LDPE）因支链结构密度较低，高密度聚乙烯（HDPE）支链少、强度高，二者广泛用于包装、农膜和水管等制品。

3.2 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）
PET属于聚酯家族，由乙二醇（EG）与对苯二甲酸或其二甲酯经酯化或酯交换预聚合后进行缩聚制备，广泛用于饮料瓶和包装材料。聚合过程中需保持单体等摩尔比以提高聚合度。

3.3 聚丙烯（PP）
PP约占全球塑料市场的16%，具有耐热性、易加工性、高热变形温度和尺寸稳定性。按结构可分为均聚聚丙烯（HPP）、无规共聚聚丙烯（RCP）和抗冲共聚聚丙烯（ICP），其中HPP应用最广。回收PP中常混有生物降解聚合物杂质，影响其机械和热性能。

3.4 聚酰胺（PA）
PA可由氨基酸或二元酸与二元胺缩聚生成，也可通过内酰胺开环聚合制备，例如己内酰胺聚合得到PA-6。生物基PA（如PA1010、PA11和PA410）可替代化石基单体，应用于管道、汽车、纺织和医疗领域。

3.5 聚苯乙烯（PS）
PS由苯乙烯聚合而成，具有耐久性、高透光性和易染色性，用于食品容器、包装和日用品。其热稳定性中等，温度超过330 °C时几乎完全降解，主要释放苯乙烯单体，降解产物毒性相对较低。

3.6 聚氯乙烯（PVC）
PVC因含氯，其生产、回收和焚烧过程可能产生二噁英等持久性有机污染物；制造中添加的阻燃剂、增塑剂和铅系稳定剂具有潜在健康风险。PVC难以回收，常在使用后直接处置。

4. 饮用水中微塑料的检测
微塑料的检测与表征通常涉及显微、光谱和热分析方法。立体显微镜和扫描电子显微镜（SEM）可观察颗粒的尺寸、形状、颜色和表面形态，但无法单独确证聚合物种类。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和显微傅里叶变换红外光谱（μFTIR）基于分子振动产生的特征红外吸收带鉴定聚合物，显微拉曼光谱（μRaman）则依据分子键产生的特征拉曼散射信号。热裂解-气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）通过热分解产物进行聚合物鉴定和质量定量。化学成像、荧光染色和智能手机显微系统等新兴方法也在应用。不同方法的分析原理和获得的信息类型不同，常需互补使用。

4.1 立体显微镜与FTIR分析
该组合可对微塑料进行目视初检和聚合物鉴定。多国饮用水样本中检出纤维、碎片、薄膜和微珠等形态，主要聚合物包括PE、PET、乙烯-乙酸乙烯酯和HDPE等。

4.2 μFTIR光谱分析
μFTIR结合显微镜与红外光谱，可分析微小区域。研究表明，地下水和瓶装水中微塑料检出率可接近100%，优势聚合物为PS、PVC、PE、PA和PET。水处理厂出水中微塑料浓度通常低于家庭龙头水，说明管网输配过程可能引入额外污染。

4.3 μRaman光谱分析
μRaman具有较高空间分辨率，可识别小至1 μm左右的颗粒。研究发现水样中普遍存在PET、PVC、PA、PS和PE等聚合物；单独使用μFTIR可能低估1–50 μm范围的微塑料含量。

4.4 μRaman与扫描电子显微镜（SEM）联用
SEM可提供高分辨率形态信息，μRaman提供化学组成信息，二者联用可同时表征颗粒形态与聚合物种类。在水处理厂进水和出水中均检出PE、PET和PP等微塑料，处理后浓度明显下降。

4.5 染色技术
采用尼罗红等荧光染料标记微塑料后借助荧光显微观察，可提高小颗粒的可视化能力。瓶装水研究中检出PA、PE和PS，且PE暴露可诱发斑马鱼胚胎氧化应激和抗氧化防御基因下调。

4.6 化学成像系统
激光红外化学成像系统（如8700 LDIR）将光谱信号与自动成像结合，可在管网水样和水垢中识别微塑料，主要聚合物为PA和PET，且以小粒径纤维为主。

4.7 气相色谱-质谱联用（GC-MS）
Py-GC-MS通过热裂解聚合物并分析特征降解产物，可实现质量定量。挪威和瑞典的研究显示，处理后的水样中微塑料质量浓度较原水显著降低，且多数颗粒小于150 μm。

4.8 智能手机显微系统筛查
基于智能手机和球面蓝宝石透镜的显微系统可检测大于20 μm的颗粒，结合ZnCl₂预浓缩和FTIR验证，在瓶装水和桶装水中检出PE、PP、PET和PS，约97%的验证颗粒被确认为微塑料。

4.9 检测技术关键比较
尚无一种方法能兼顾灵敏度、聚合物鉴定准确性、分析通量和成本。FTIR类方法最适合常规监测；μRaman和Py-GC-MS更适合需要高灵敏度和化学特异性的实验室研究。未来应推进标准化分析流程、<1 μm颗粒检测和自动化数据处理。

5. 饮用水中微塑料的削减
5.1 混凝、絮凝与过滤工艺
常规混凝剂（如聚合氯化铝、聚丙烯酰胺）对微塑料的去除效率受粒径、浓度、pH和剂量等影响，去除率可从不足20%到高于90%。砂滤、活性炭过滤以及超滤、反渗透等膜工艺可进一步提高去除效率；预氧化可改变微塑料表面官能团和疏水性，但对去除效果的影响较为复杂。

5.2 脉冲澄清器
脉冲澄清器通过脉动板产生上升水流实现固液分离。研究表明，脉冲澄清步骤可去除约63%的微塑料，后续砂滤可去除85%。孟加拉国三家水厂采用脉冲澄清、过滤和氯化等工艺后，对微塑料的去除率达98%以上。

5.3 煮沸
煮沸可使微塑料与硬水中的CaCO₃共沉降，随后过滤可去除至少80%的0.1–150 μm聚苯乙烯、聚乙烯和聚丙烯颗粒，是适用于家庭饮水处理的简单干预手段，但不适合大规模水处理。

5.4 磁性氧化物复合材料
C@Fe₃O₄等磁性复合材料可通过吸附微塑料并借助外加磁场实现分离去除。实验室研究表明该方法快速、高效且成本较低，但规模化应用、再生和潜在环境风险仍需进一步评估。

5.5 削减策略的关键评价与实际应用
常规工艺便于直接应用于现有水厂，但对<10–20 μm颗粒和纳米塑料效果有限；膜技术去除效率高但投资和能耗大；磁性吸附剂和功能纳米材料在实验室表现良好，但长期稳定性、再生能力和环境安全性仍需验证。单一技术难以在所有工况下彻底消除微塑料，多屏障联合处理是更有效的策略。

5.6 微塑料去除的实际考量
将实验室结果转化为全尺寸水厂实践仍面临挑战。常规工艺已能去除部分大颗粒，但管网中塑料管道老化、机械磨损和家庭管道材料可能增加微塑料浓度。因此，改善饮用水质量需要结合优化处理工艺、管网材料选择与维护、标准化监测以及全供应链持续监控。

6. 挑战、结论与未来建议
6.1 检测相关挑战
现有检测方法多为实验室技术，存在样品制备复杂、耗时长、成本高和难以实时监测等问题。FTIR对小颗粒灵敏度有限，Raman易受荧光干扰，Py-GC-MS具有破坏性，智能手机系统量化精度不足。便携式、自动化和实时检测系统是未来发展重点。

6.2 削减相关挑战
常规工艺对大颗粒去除有效，但铝盐和铁盐混凝可能产生污泥和化学残留；煮沸不适合规模化应用，且可能增加能源成本；磁性复合材料存在成本、再生和纳米颗粒释放等风险。多数削减技术仅在实验室条件下验证，真实水厂中的长期性能仍需探索。

6.3 未来建议
未来应开发标准化、灵敏且可现场部署的检测方法，着重提升对纳米塑料的检测能力，并结合机器学习算法实现高通量自动化分析。削减研究应加强中试和全尺寸验证、生命周期评价和技术经济分析，以缩小实验室研究与实际工程应用之间的差距，实现饮用水中微塑料的有效管控。