基于姜黄素的荧光染色技术在污水污泥微塑料检测中的应用：物理化学表征与体外释放动力学研究

《Environmental Science: Water Research and Technology》：Curcumin-based-fluorescent staining of microplastics in wastewater sludge samples: physicochemical characterization and study of in vitro release kineticsOpen Access

　　

专业术语翻译（摘要部分） 污水污泥（wastewater sludge, WWS）中微塑料（microplastics, MPs）的可靠检测因其异质性组成而在分析上仍具挑战性。尽管基于荧光的染色技术已作为微塑料可视化的快速替代方案出现，但常用的合成荧光团如尼罗红（nile red）作为二次有害污染物令人担忧。本研究探讨了姜黄素（curcumin）——一种天然来源的多酚类荧光团——作为检测聚乙烯（polyethylene, PE）微塑料及从污水污泥中提取颗粒物的可持续且环境友好型荧光探针的潜力，重点关注其在模拟污水（wastewater, WW）条件下的物理化学稳定性与释放行为。研究人员利用荧光显微镜、傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）、差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）及释放动力学模型对姜黄素染色的聚乙烯微塑料（180–212 μm）和污水污泥来源颗粒进行了表征。KBr-FTIR分析表明，污水污泥颗粒与腐殖质、蛋白质、多糖及矿物组分存在广泛的光谱重叠，凸显了振动光谱法在复杂污水污泥基质中识别微塑料的局限性。DSC热分析图显示，原始与姜黄素染色的聚乙烯微塑料的熔融温度无显著差异（116.16 ± 0.25 °C），证实姜黄素吸附仅限于颗粒表面而未改变聚合物完整性。48小时的释放研究表明姜黄素浸出有限（约8%），其中一级动力学（first-order kinetics）拟合聚乙烯微塑料，而零级动力学（zero-order kinetics）拟合污水污泥颗粒。荧光显微镜证实了暴露期间的持续荧光。据研究人员所知，这是首次研究姜黄素从微塑料相关颗粒释放的工作，为天然来源荧光团在复杂污水基质中的稳定性和释放行为提供了初步见解。

论文解读

一、研究背景与意义

微塑料（microplastics, MPs）是指尺寸小于5 mm的塑料颗粒，因其持久性、广泛分布以及作为有害化学物质和生物污染物载体的能力，已成为普遍存在的环境污染物。越来越多的证据表明，微塑料存在于水生、陆地和大气环境中，引发了关于生态破坏、营养级传递和潜在人类健康影响的担忧。污水处理厂（wastewater treatment plants, WWTPs）既是微塑料的重要来源也是其汇集地，接收来自生活、工业、医疗和城市径流的塑料污染物。尽管污水处理厂能够截留大部分进入的微塑料，但仍有相当数量的微塑料富集于污水污泥（wastewater sludge, WWS）中，从而使污泥成为微塑料及相关污染物的主要环境储库。污泥的土地利用、处置和回用可能促进微塑料重新进入陆生和水生生态系统，凸显了在复杂污水污泥基质中进行可靠检测和监测策略的必要性。

然而，尽管在微塑料表征方面取得了显著进展，其在污水污泥中的准确识别在分析上仍具挑战性。这一困难源于污水污泥的异质性组成，包括胞外聚合物、微生物生物量、腐殖质、蛋白质、多糖、脂质和无机矿物。传统的振动光谱技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（Raman spectroscopy），因其能够提供聚合物特异性分子指纹而被视为聚合物鉴定的基准方法。然而，其在复杂环境基质中的有效性常因有机和无机组分的重叠光谱特征而受损，这些特征掩盖了聚合物信号。这些基质干扰通常需要广泛的预处理程序，包括氧化消解、密度分离和良好的光谱解析，限制了其在污水污泥微塑料常规环境监测中的通量和可扩展性。

基于荧光的染色技术已成为微塑料筛查和可视化的快速且经济有效的替代方案。其中，尼罗红（Nile Red, NR）是最广泛使用的荧光团，因其在疏水环境中具有强荧光且适用于多种聚合物类型。然而，其使用受到复杂基质中若干分析和环境限制的制约。据报道，尼罗红会从标记的聚乙烯（PE）微塑料中浸出，导致暴露水生生物出现氧化失衡、神经毒性反应和行为改变，这给生态毒理学解释和生物累积评估引入了潜在不确定性。此外，许多合成荧光团需要复杂的多步合成程序、专用前体化合物、溶剂密集型制备、高温反应和工程化荧光功能，这些要求可能增加常规监测的经济和环境成本。因此，迫切需要能够提供稳定光学对比度同时减少分析流程中引入化学危害的环境兼容型荧光探针。

姜黄素（curcumin）是从姜黄（Curcuma longa L.）根茎中提取的多酚类化合物，具有适合荧光应用的光学、物理化学和环境特性。其共轭芳香结构使其在可见光激发下产生强荧光，并对疏水性聚合物表面表现出显著亲和力。与合成荧光团相比，姜黄素具有天然丰度高、生物相容性好、毒理学风险低以及无需复杂合成过程等实际优势。尽管姜黄素具有这些有前景的分析和环境特性，但姜黄素与微塑料相互作用的物理化学稳定性以及姜黄素在环境相关水相条件下的释放行为在很大程度上仍未被探索。现有基于荧光的微塑料研究主要集中于染色效率和光学可检测性，对染料保留、解吸动力学和颗粒表面长期稳定性的关注甚少，特别是在污水污泥等复杂基质中。

二、主要技术方法

研究人员从Cospheric LLC购买了180–212 μm的白色聚乙烯微球，将其加入12.6 mM姜黄素溶液中进行染色。污水污泥颗粒来自多伦多污水处理厂的一级污泥，采用芬顿试剂（Fenton reagent）氧化预处理结合超声辅助（ferrosonication）提取，随后用ZnCl₂（1.9 g mL^?1）进行密度分离。表征手段包括：KBr-FTIR光谱分析（Bruker Alpha-P，4000–400 cm^?1，16次扫描，分辨率4 cm^?1）用于分析污水污泥颗粒的化学组成；DSC250差示扫描量热仪（TA Instruments）用于分析原始和姜黄素染色聚乙烯微塑料的热性能，加热范围40 °C至200 °C，升温速率10 °C min^?1；荧光显微镜（Leica DMIL LED倒置荧光显微镜）用于观察染色颗粒。释放动力学实验在模拟污水中进行48小时，在0、1、3、6、12、24、36和48小时进行破坏性取样，通过紫外-可见分光光度计（GENESYS 50）在420 nm处测定吸光度来量化姜黄素释放量，并拟合六种动力学模型。

三、研究结果

3.1 污水污泥颗粒的鉴定

研究人员在前期研究中采用激光直接红外（LDIR）光谱和光学光热红外（O-PTIR）光谱对提取的污水污泥颗粒进行了表征。LDIR识别出超过300个微塑料，而O-PTIR检测到约17个微塑料。两种技术识别出的微塑料包括聚氨酯（PU）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲醛（POM）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚醋酸乙烯酯（PVAc）。由于颗粒来自同一污水污泥样品并采用相同的已验证提取方案分离，预期提取的颗粒将显示大致相似的聚合物分布。然而，由于污水污泥固有的异质性，独立处理等分样品之间的微小组成差异不能排除。本研究的主要目的是考察姜黄素吸附稳定性和释放动力学，而非聚合物鉴定。

3.2 KBr-FTIR分析

KBr-FTIR光谱分析揭示了传统振动光谱在复杂环境基质中应用的局限性。在未染色的污水污泥颗粒中，光谱以中红外区域宽泛重叠的吸收带为特征。3300–3500 cm^?1附近的弥散带对应与水分、腐殖质、蛋白质和胞外聚合物相关的O–H和N–H伸缩振动。2850–2950 cm^?1处的弱至中等强度脂肪族C–H伸缩振动表明存在脂质和微生物来源的有机残留物。1600–1700 cm^?1区域的吸收归因于腐殖质来源羧酸的C=O伸缩和芳香族C=C振动。1000–1200 cm^?1指纹区显示多个重叠带，来自多糖、硅酸盐矿物和其他生物源或无机官能团。缺乏明显的聚合物特异性吸收带使得仅使用常规FTIR难以在天然污水污泥颗粒中明确识别微塑料。姜黄素染色后，在芳香族C=C（1600–1500 cm^?1）和酚类C–O（1260–1220 cm^?1）伸缩区域出现额外吸收特征，证实姜黄素成功吸附到提取的污水污泥颗粒上。然而，整体FTIR光谱仍显著受污水污泥基质影响，表明常规FTIR虽可验证染料存在，但不能显著增强此类复杂样品中的颗粒区分能力。

3.3 DSC分析

DSC分析为姜黄素吸附是否诱导聚乙烯微塑料的结构或热变化提供了关键见解。原始和姜黄素染色的聚乙烯微塑料在第二次加热循环中表现出几乎相同的熔融温度（T_m = 116.16 ± 0.25 °C）。聚乙烯通常在110–130 °C附近显示尖锐的熔融转变，与其半结晶结构内结晶片层的熔融相关。姜黄素染色后该熔融转变保持不变，表明姜黄素分子不穿透或破坏聚合物的结晶区域。第二次加热的DSC曲线在染色和未染色微塑料之间无法区分，证实姜黄素吸附未改变微塑料的结晶-无定形平衡。这提供了强有力的证据，表明姜黄素与聚乙烯微塑料之间的相互作用局限于表面水平的非侵入性吸附，而非扩散介导的吸收，这与姜黄素的疏水特性一致。

3.4 姜黄素释放研究

3.4.1 姜黄素的释放行为

在模拟污水中48小时的释放研究表明，聚乙烯微塑料的姜黄素释放随时间逐渐增加，在最初1–3小时内呈现初始快速释放，随后进入较慢的持续释放阶段。累积释放在36–48小时趋于平台期，表明颗粒表面可容易解吸的姜黄素已耗尽。约7.3%的负载姜黄素在最初24小时内从微塑料表面释放，随后释放百分比保持在8 ± 0.4%的恒定水平。污水污泥颗粒的姜黄素释放表现出明显的双相模式：初始阶段（0–6小时）吸光度从约0.13快速增加至0.16，对应表面结合姜黄素的释放；随后阶段（6–24小时）呈现平台状缓慢增加（约0.16至0.18），反映从表面浸出到颗粒基质内扩散控制释放的转变；24–36小时间出现吸光度的二次增加（约0.18至0.24），可能由于溶剂逐渐渗透进入颗粒孔隙、基质松弛和溶胀；最终阶段（36–48小时）在吸光度约0.24处接近平台，对应最大姜黄素释放约8%。有限的释放量（约8%）强调了姜黄素与污水污泥有机质之间的强吸附相互作用。

3.4.2 聚乙烯微塑料的动力学模型拟合

六种动力学模型（零级、一级、Higuchi、Hixson–Crowell、Power Law和Baker–Lonsdale）被用于评估姜黄素释放机制。一级动力学模型拟合最佳，决定系数R² = 0.99，表明姜黄素从聚乙烯微塑料表面的释放主要由浓度驱动，释放速率随表面结合姜黄素量的减少而降低。零级模型相关性较低（R² = 0.88），表明释放不以恒定速率进行。Higuchi（R² = 0.96）、Hixson–Crowell（R² = 0.97）、Power Law（R² = 0.90）和Baker–Lonsdale模型（R² = 0.97）均未达到一级模型的预测精度。Power Law分析得出指数n = 0.91，表明异常传输机制，即非Fickian过程。一级模型的统计优势证实姜黄素从聚乙烯微塑料的释放主要由浓度依赖的表面浸出过程控制。

3.4.3 污水污泥颗粒的动力学模型拟合

对于污水污泥来源颗粒，Baker–Lonsdale模型表现出最高的决定系数（R² = 0.98），但其球形颗粒几何假设不能准确反映环境来源污水污泥颗粒的不规则和异质形态，因此被认为不适合机制解释。在不假设特定球形颗粒几何的模型中，零级模型表现出最高相关性（R² = 0.93），被选为污水污泥来源颗粒的首选描述模型。一级（R² = 0.82）、Higuchi（R² = 0.89）、Hixson–Crowell（R² = 0.91）和Power Law（R² = 0.88）模型的相关性较低。Power Law模型得出指数n = 0.05，但由于污水污泥来源颗粒的异质性以及所选零级模型的较高相关性，该参数未被用作释放机制的独立指标。

3.4.4 动力学拟合模型汇总数据

综合动力学参数表明聚乙烯微塑料和污水污泥来源颗粒的姜黄素释放机制存在明显差异。聚乙烯微塑料以一级模型相关性最强（R² = 0.99），表明释放主要依赖浓度并由表面浸出过程控制。污水污泥颗粒尽管Baker–Lonsdale模型统计相关性最高（R² = 0.98），但因球形几何假设不适用于不规则异质颗粒而被排除，零级模型（R² = 0.93）因不假设特定颗粒几何而被选为首选描述模型。不同的动力学响应可能归因于污水污泥来源颗粒更大的物理化学异质性。

3.5 荧光显微镜

荧光显微镜观察进一步证实了姜黄素染色的稳定性。即使在模拟污水中连续暴露48小时并进行端对端混合后，聚乙烯微塑料仍保留强荧光信号，未观察到荧光强度或光学可检测性的明显损失。污水污泥颗粒在整个采样间隔中也表现出持续荧光，尽管姜黄素逐渐释放到水相中，颗粒在48小时后仍保留可检测的荧光信号。这种持续荧光可能反映了多种相互作用机制，包括与聚合物片段的疏水相互作用以及吸附到污水污泥中残留有机质或矿物组分上。这些观察结果与动力学释放数据一致，表明姜黄素经历部分扩散控制释放，同时在颗粒表面保留足够量以促进长时间内的荧光可视化。动力学实验后，研究人员用甲醇对颗粒进行脱色处理，所得提取物经紫外-可见光谱分析进一步证实了姜黄素的存在。

四、讨论与结论

姜黄素在467 nm激发下发射强荧光，提供高信号-背景对比度，这在很大程度上独立于污水污泥中存在的红外活性官能团。这一特性使得即使在富含有机质的基质中也能快速区分微塑料与非塑料颗粒。荧光检测还便于自动化和半自动化工作流程，包括图像分割、颗粒计数、尺寸分类和形状分析。与叶绿素、花青素、核黄素、类黄酮和藻胆蛋白等天然来源荧光团相比，姜黄素具有共轭芳香结构提供的强荧光和疏水相互作用促进的快速吸附等实际优势，无需化学修饰。从经济角度看，姜黄素天然丰富、成本低廉，可通过简单溶剂法从姜黄中提取，无需复杂化学合成，整体材料成本预计远低于许多商业荧光探针。

研究结论表明，姜黄素可作为天然来源荧光探针用于染色聚乙烯微塑料和从污水污泥中提取的颗粒，而不显著改变聚合物的固有热性能。FTIR分析揭示了常规振动光谱在异质污水污泥基质中表征微塑料的局限性。DSC分析表明姜黄素染色后聚乙烯微塑料的熔融行为无显著变化。模拟污水中的释放研究显示48小时内姜黄素浸出有限（约8%）。动力学分析表明一级动力学最适合聚乙烯微塑料，而零级动力学为异质污水污泥来源颗粒提供最合适的描述性表示。荧光显微镜进一步证实姜黄素染色的聚乙烯微塑料和污水污泥来源颗粒在48小时暴露期间保持可检测的荧光。该研究首次考察了姜黄素从微塑料相关颗粒的释放行为，为评估天然来源荧光团在复杂污水基质中的稳定性建立了初步框架，支持开发更可持续的微塑料监测分析方法。