中科院土壤所、东北师范大学ES&T：揭开废水处理厂中微塑料与PFAS相互作用的真相！

文摘 2025-01-07 19:58 浙江

“Unveiling the Truth of Interactions between Microplastics and Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFASs) in Wastewater Treatment Plants: Microplastics as a Carrier of PFASs and Beyond”发表于*Environmental Science & Technology*，研究了污水处理厂中微塑料（MPs）和全氟及多氟烷基物质（PFASs）的共存和相互作用，证实MPs可作为PFASs的载体并可能成为其污染源，为减轻相关环境污染提供了依据。

1. 研究背景

- MPs和PFASs的危害及特性：MPs和PFASs均为新兴污染物，在环境中广泛存在、稳定性强、具有生物累积性和环境持久性，对人类健康构成潜在威胁。PFASs常用作塑料添加剂，其广泛使用和不当处置导致环境中频繁检出，但从环境MPs中释放的情况尚不清楚。

- 研究目的：探究MPs和PFASs在污水处理厂（WWTP）中的共存和载体效应，阐明其共存机制和相互作用，以加深对它们环境行为和潜在风险的理解。

2. 材料和方法

- WWTP介绍和样品采集：从长春市某大型污水处理厂采集废水和污泥样品，采样点包括初级处理、生物处理、二次沉淀和最终出水处理等，采样设备用去离子水或甲醇冲洗，样品低温保存。

图 1.污水处理厂废水处理过程和 MP 采样部分的示意图。W-INF：进水，W-SCR：粗筛后的废水，W-PT EFF：初级处理后的废水，W-AS：活性污泥中的废水，W-ST EFF：二级处理后的废水，W-DIS：消毒池中的废水，W-TT EFF：三级处理后的废水，S-AS：活性污泥，以及 S-DS：脱水污泥。

- MPs分离

- 从废水样品中分离：废水样品经不锈钢膜过滤，滤膜用双氧水浸泡并超声处理，消化后过滤，进行密度分离，上清液再过滤并超声处理，最后浓缩。

- 从污泥样品中分离：干污泥与水混合搅拌，加双氧水消化，后续步骤同废水样品。

- PFASs提取

- 从废水样品中提取：废水过滤后加内标，用固相萃取柱萃取，经预处理、上样、洗涤、干燥后，用甲醇洗脱目标物，浓缩过滤后检测。

- 从污泥样品中提取：污泥样品加内标后用氢氧化钠 - 乙腈溶液消化，超声、振荡、离心后取上清液，重复提取，合并浓缩后用ENVI - Carb柱净化，再用固相萃取柱处理，后续步骤同废水样品。

- 从MPs中提取PFASs：采集MPs样品称重后加内标，用甲醇 - 氢氧化铵溶液超声和振荡提取，离心后取上清液，重复提取，合并浓缩后用ENVI - Carb粉末净化，过滤后检测。

- 分析方法

2.6.1使用激光直接红外成像系统检测微塑料

使用激光直接红外成像系统（美国安捷伦公司的8700 LDIR化学成像系统）和光学显微镜（日本奥林巴斯BX51）来鉴定微塑料。8700 LDIR以衰减全反射模式运行，用固定波数1800 cm-1扫描选定区域以精确定位颗粒。安捷伦Clarity软件自动选择无颗粒的空白区域作为背景。在1800 - 975 cm-1的波数范围内获取所有颗粒的中红外光谱。检测限设定为10μm。通过安捷伦Clarity软件将样品颗粒的光谱与标准光谱自动进行比较，从而获得微塑料的数量、类型和尺寸信息。根据匹配度超过65%的结果来鉴定微塑料。微塑料的质量保证/质量控制（QA/QC）按照先前研究中的方法进行。QA/QC的详细信息在文本S3和表S3中提供。

2.6.2全氟及多氟烷基物质分析

采用三重四极杆高效液相色谱 - 串联质谱（UPLC - MS/MS）系统（美国AB SCIEX 5500）以负电喷雾电离模式对全氟及多氟烷基物质进行分析。超高效液相色谱配备了一根Acquity UPLC C18柱（100×3.0 mm，1.7μm，美国Waters公司）。流动相由2 mM醋酸铵（A）和乙腈（B）组成，流速为0.3 mL/min，进样量为5μL，初始条件为80% A和20% B。在12分钟时转变为10% A并保持到15分钟，16分钟时恢复到初始条件并保持平衡至20分钟。柱温箱保持在40°C的恒定温度。使用的仪器参数如下：气帘气（35 psi）、碰撞气（9 psi）、离子喷雾电压（ - 4500 V）、温度（500°C）、离子源气1（50 psi）和离子源气2（50 psi）。全氟及多氟烷基物质的鉴定与定量、优化的MS/MS参数、定量方法、定量限和检测限均详细列于表S4中。

3. 结果与讨论

- MPs和PFASs在污水处理厂的共存和相关性

- MPs的丰度和组成：共鉴定出21种MPs，其中聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）为主，MPs总丰度在污水处理过程中变化，可能与聚合物类型的保留时间有关。

图 2.目标污水处理厂中废水样品和污泥样品中 MP 的丰度和每种聚合物的累积丰度

- PFASs的浓度和组成：PFASs在污水处理厂各单元均有检出，进水浓度高于出水，物理预处理后浓度降低，二级处理过程中浓度先升后降，出水中仍有残留。在检测的PFASs中，全氟辛烷磺酸（PFOS）占主导，其次是全氟丁烷磺酸（PFBS）、全氟辛酸（PFOA）和全氟丁酸（PFBA），长链PFASs在固相中占主导，活性污泥是PFASs的主要储存库，其再利用可能导致PFASs释放到环境中。

- PFASs与MPs的相关性分析：部分MPs类型与PFASs存在显著相关性，如丙烯酸酯（ACR）与全氟癸酸（PFDA）、PET与PFOS等，且在污泥和废水中的分布比例不同，表明MPs和PFASs可能有共同归宿，需进一步研究其关联机制。

图 4.污水处理厂中 PFAS 和 MP 的 Spearman 秩相关矩阵

- 验证MPs对废水中PFASs的贡献：MPs中检测到11种PFASs，浓度范围为122 - 166 ng/g，其中PFOA、PFBA、PFOS、PFBS和F - 53B占主导，其浓度和组成与废水和污泥中的相似，PFASs来源可能与塑料产品制造、使用和处理过程有关，需深入了解小分子PFASs来源。

图 5.代表性 PFAS 和 MP 在废水和污泥中的相对丰度分配。

- 验证MPs作为PFASs的载体

- MPs水浸出实验：MPs可将PFASs释放到水环境中，释放的主要化合物为PFOS和PFOA，商业MPs释放潜力更高，PVC - Coat浸出能力最强，MPs作为PFASs的潜在来源可能导致水污染。

- 吸附 - 解吸验证实验：长链PFASs在MPs上吸附百分比高，短链PFASs吸附低，PFOS从MPs上解吸效率高，表明其可从MPs中释放，PTFE对PFASs吸附更持久，MPs在环境中对PFASs有吸附和解吸行为，具有载体作用，二者相互作用可能导致长期环境风险。

4. 环境意义：

MPs是PFASs的载体和潜在来源，二者存在强相关性，在污水处理厂中有协同去除机制，其浓度变化影响污水处理厂运营成本，需严格控制相关产品，本研究有助于深入了解二者环境行为和归宿，推动监管措施实施以减轻污染。

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