一种测定塑料沉降速率的方法

1.本发明属于水环境检测技术领域。更具体地，涉及一种测定塑料沉降速率的方法。


背景技术：

2.由于塑料制品的广泛使用和对相关废弃物的管理不善，水生环境中的塑料碎片污染已成为一个新的全球性问题。通常将尺寸小于5毫米的塑料碎片认定为微塑料，其普遍存在于海洋环境和淡水栖息地(如湖泊和河流)中。在水生环境中，微塑料会被包括浮游动物、鱼类、无脊椎动物和海洋哺乳动物等多种水生生物误食，对这些水生生物的健康造成不利影响(如磨损和溃疡、消化道阻塞、能量储备减少、生殖中断和死亡率增加等)。不仅如此，微塑料还能像其他污染物如重金属等沿着食物链向上传递，同时伴随着生物放大效应。对微塑料沉降及其趋势的研究有助于有效清除沉降的微塑料，从而减少微塑料对水生生物的危害，因此，近年来对水环境中塑料颗粒群密度的测定、塑料沉降及其趋势的研究引起了越来越多研究团队的关注。
3.目前，对塑料颗粒群密度的测定存在较多局限性，一般用塑料颗粒群密度来监控、检测塑料的沉降速率，因此，目前对塑料沉降速率的测定也具有较多局限性，特别是对微塑料沉降速率的测定。如学者们已使用气相色谱与质谱联用、液相色谱、立体显微镜、扫描电子显微镜(sem)、扫描电子显微镜-能量色散x射线光谱(sem-eds)和环境扫描显微镜-能量色散x射线光谱(esem-eds)等一系列方法对塑料进行定性和定量分析并进行鉴定，但这些方法大多数既费时又费力，并且可能导致样品在无意中受到污染，会影响数据质量并妨碍不同研究结果的比较。除此之外，塑料的量化在许多情况下都需要使用显微镜进行计数，需要用肉眼对数据进行判读，误差极大，导致计算得到的塑料沉降速率不准确。如中国专利申请公开了一种饮用水中微塑料污染物的分析方法，其通过荧光显微镜对微塑料进行计数，误差大，计算得到的沉降速率结果不准确。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有在对塑料颗粒群密度的测定中，缺乏一套科学通用的计算公式，且需要使用显微镜，通过肉眼对颗粒进行计数，导致误差大，计算得到沉降速率的结果不准确的缺陷和不足，提供一种能够快速、准确测定塑料沉降速率的方法。
5.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
6.本发明保护一种测定塑料沉降速率的方法，包括以下步骤：
7.s1.将待测样品超声分散均匀得样品y1，将样品y1加到沉降柱中，静置沉降；
8.s2.以沉降柱最下面体积5～10％为下层，其余为上层，收集下层液体，振荡均匀得样品y2；
9.s3.分别用流式细胞仪检测样品y1和y2的密度，并利用如下公式计算沉降速率：
10.u＝fsl/t
11.其中，u为塑料颗粒群的平均沉降速率，l为沉降柱上层的高度，t为沉降的时间，fs为具有负浮力的塑料颗粒数在总颗粒数中所占的净比例：fs＝bs/b
t
；
12.bs为静置后下沉了的净颗粒数量，bs＝v
sbs-vsb1；
13.b
t
为沉降柱内的总颗粒量，b
t
＝b
1vt
；
14.b1为塑料颗粒群的初始密度，即样品y1的密度、bs为静置后下层液体体积vs的塑料颗粒浓度，即样品y2的密度，均由流式细胞仪测定得出；vs为下层液体体积，v
t
为沉降柱内液体的总体积。
15.优选地，样品y1分为沉降柱组和留样组，沉降柱组和留样组在相同条件下静置沉降，所述b1为其中，b
0,0
为沉降柱组在沉降前分散均匀用流式细胞仪密度测定的结果，b
0,t
为留样组在沉降实验结束后分散均匀用流式细胞仪密度测定的结果(此测量的目的是要考虑到在沉降实验期间由于下沉以外的过程引起的任何颗粒量变化)。
16.优选地，所述公式u＝fsl/t的推导过程为：在装载着均匀分布的塑料样品的垂直固定沉降柱中，塑料颗粒物最初位于下层液体上方距离x处，为了在时间t之前从上层沉入下层，这些颗粒必须具有下沉率v≥x/t，因此，最初在下层液体上方距离x处并将在时间t之前沉入下层的颗粒数的比例f
x
为：
[0017][0018]
把f
x
对柱中所有x值，即整个长度范围进行平均，得出垂直分布在整个柱中并将在时间t前下沉至下层的塑料颗粒数的比例，由以下方程给出：
[0019][0020]
把虚拟变量x和v的积分顺序颠倒，则变为：
[0021][0022]
u为塑料颗粒群的平均沉降速率，从方程中可以清楚地看出，fs与时间的关系最开始应该是线性的(因为没有颗粒具有无限的沉降速率)，并且将保持线性，直到积分项基本上变为非零。由于可以从颗粒数与时间的斜率确定平均下沉率，因此可以重新排列方程以把u写成一个仅包含沉降柱上层的高度l，沉降的时间t，以及在沉降期间内到达下层的塑料颗粒数目比例fs的函数，即u＝fsl/t。
[0023]
该方法为一种均质方法，该方法涉及使用已知几何参数(高度、体积等)的沉降柱，且在沉降实验开始前，柱内含有的塑料颗粒样品须为均匀分散状态(保证实验结果的准确性)，并根据给定时间后颗粒物垂直分布的变化计算塑料整体的平均沉降率。该方法的核心是在有限时间t后(如两小时)从柱内微塑料分布的净变化中获取平均下沉速率。这一关注点不依赖于对微塑料颗粒群密度的变化进行时间导数分析，从而大大增加了整个流程的简单性，并避免了在导数方法中可能发生的错误。
[0024]
优选地，在步骤s1中，所述待测样品中含有的塑料为微塑料或纳米塑料。
[0025]
更优选地，所述微塑料的尺寸x为：1μm《x≤5mm。
[0026]
更优选地，所述纳米塑料的尺寸≤1μm。
[0027]
优选地，在步骤s1中，所述塑料的主要成分为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
[0028]
更优选地，在步骤s1中，所述塑料的主要成分为聚苯乙烯或聚氯乙烯。
[0029]
优选地，在步骤s1中，所述超声的时间为5～30分钟。
[0030]
更优选地，在步骤s1中，所述超声的时间为10～20分钟。
[0031]
优选地，在步骤s1中，所述静置的时间为2～12小时。
[0032]
更优选地，在步骤s1中，所述静置的时间为2～4小时。
[0033]
优选地，在步骤s3中，所述样品y1和y2分别取400～600微升用流式细胞仪检测。
[0034]
具体地，在步骤s3中，所述样品y1和y2分别取500微升用流式细胞仪进行检测。
[0035]
优选地，在步骤s3中，所述流式细胞仪的参数为：单次测试的时间为20～40秒，样品流速为20～40μl/min。
[0036]
具体地，在步骤s3中，所述流式细胞仪每个样品单次测试的时间为30秒，样品流速为30μl/min。
[0037]
本发明具有以下有益效果：
[0038]
本发明的测定方法中，对实验环境要求不高，在大部分温度或光照强度下均可准确测定，待测样品只需达到均匀分散状态即可进行检测，避免了分析前繁琐的样品处理，并且，在本发明的测定方法中，沉降速率计算相当简便，仅需测量沉降前后的塑料颗粒密度就可算出塑料的沉降速率。
附图说明
[0039]
图1为流式细胞仪分析微塑料颗粒样品所呈现的图谱和统计结果图。
[0040]
图2为沉降柱在实验中具体使用过程中的实物图。
[0041]
图3为沉降柱的示意图，其中1～3均为阀门，4为沉降柱上层，5为沉降柱下层。
具体实施方式
[0042]
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0043]
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
[0044]
流式细胞仪的型号规格：cytoflex。
[0045]
流式细胞仪的生产厂商：美国贝克曼库尔特公司。
[0046]
实施例1关于塑料颗粒沉降速率测定的可行性和准确性分析
[0047]
方法：本沉降速率计算的核心为根据塑料颗粒群沉降前后在垂直方向上的分布变化计算沉降率。此沉降率计算过程虽然简单，却是建立在坚实的理论基础之上。对微塑料或纳米塑料样品颗粒群的两次取样(沉降前与沉降后)，都必须在样品达到均匀分散状态后进行，以保证平均沉降率结果的准确性。用流式细胞仪对微塑料或纳米塑料颗粒群密度进行检测的可行性十分关键。为了测试可行性以及准确性，将20mg粒径为10μm的微塑料样品(主要成分为聚苯乙烯)加入锥形瓶中，用天然海水或湖水定容到200ml，振荡并超声10分钟直到微塑料颗粒均匀分散，从而得到均匀的悬浊液，用移液枪吸取500微升用于流式细胞仪检测。本例和以下实施例所用的流式细胞仪型号均为cytoflex，由美国贝克曼库尔特公司生产。对于每个样品，单次测试时间为30秒，样品流速为30μl/min，每个样品重复测试三次，结
果取平均值。
[0048]
结果：如流式图谱(图1)所示，绝大多数塑料颗粒分布集中，仅少数在图谱上有些许偏离，而这由少数颗粒在粒径或材质方面的较大差异造成，在允许范围内，不影响仪器的统计结果。
[0049]
实施例2测定海水中微塑料的沉降速率
[0050]
s1.将沉降柱洗净后垂直固定于铁架台上，自然晾干，铁架台应放置于水平桌面上(如图2所示)。
[0051]
s2.将20mg粒径为10μm的微塑料样品(主要成分为聚苯乙烯)加入锥形瓶中，用天然海水定容到200ml，振荡并超声10分钟直到微塑料颗粒均匀分散，从而得到均匀的悬浊液(样品y1)，用移液枪吸取500微升用于流式细胞仪检测，然后将样品y1全部加入沉降柱中(样品在倒入沉降柱前，沉降柱三个阀门1～3均需先旋到关闭状态)，静置沉降2小时，在此过程中，沉降柱一直静置，避免晃动，周围温度保持恒定。
[0052]
s3.2小时后，小心地慢慢旋转侧面的阀门2，尽量避免晃动，使上层4的样品y1流出，只剩下下层5海水与其中的微塑料。
[0053]
s4.小心地慢慢旋转阀门3，使下层的海水与微塑料流出，用离心管或烧杯收集，振荡，使沉降后的微塑料颗粒分布均匀(样品y2)，用移液枪取样500微升用于流式细胞仪检测。
[0054]
用流式细胞仪检测500微升样品y1与y2的密度，经过简单计算即得到微塑料颗粒群体在沉降前后的密度b
0,0
与b
0,t
。
[0055]
代入沉降速率计算公式u＝fsl/t，(fs＝bs/b
t
)，)，算出沉降率为0.070m/h。
[0056]
实施例3测定湖水中微塑料的沉降速率
[0057]
s1.将沉降柱洗净后垂直固定于铁架台上，自然晾干，铁架台应放置于水平桌面上(如图2所示)。
[0058]
s2.将20mg粒径为500nm的纳米塑料样品(主要成分为聚苯乙烯)加入锥形瓶中，用天然湖水定容到200ml，振荡并超声20分钟直到微塑料颗粒均匀分散，从而得到均匀的悬浊液(样品y1)，用移液枪吸取500微升用于流式细胞仪检测，然后将样品y1全部加入沉降柱中(样品在倒入沉降柱前，沉降柱三个阀门均需先旋到关闭状态，示意图如图3所示)，静置沉降2小时，在此过程中，沉降柱一直静置，避免晃动，周围温度保持恒定。
[0059]
s3.2小时后，小心地慢慢旋转侧面的阀门2，尽量避免晃动，使上层的样品y1流出，只剩下下层的湖水与其中的微塑料。
[0060]
s4.小心地慢慢旋转阀门3，使下层的湖水与微塑料流出，用离心管或烧杯收集，振荡，使沉降后的微塑料颗粒分布均匀(样品y2)，用移液枪取样500微升用于流式细胞仪检测。
[0061]
用流式细胞仪检测500微升样品y1与y2的密度，经过简单计算即得到微塑料颗粒群体在沉降前后的密度b
0,0
与b
0,t
。
[0062]
代入沉降速率计算公式u＝fsl/t，(fs＝bs/b
t
)，
算出沉降率为0.058m/h。
[0063]
实施例4测定海水中微塑料的沉降速率
[0064]
s1.将沉降柱洗净后垂直固定于铁架台上，自然晾干，铁架台应放置于水平桌面上(如图2所示)。
[0065]
s2.将20mg粒径为10μm的微塑料样品(主要成分为聚氯乙烯)加入锥形瓶中，用天然海水定容到200ml，振荡并超声10分钟直到微塑料颗粒均匀分散，从而得到均匀的悬浊液(样品y1)，用移液枪吸取500微升用于流式细胞仪检测，然后将样品y1全部加入沉降柱中(样品在倒入沉降柱前，沉降柱三个阀门均需先旋到关闭状态)，静置沉降2小时，在此过程中，沉降柱一直静置，避免晃动，周围温度保持恒定。
[0066]
s3.2小时后，小心地慢慢旋转侧面的阀门2，尽量避免晃动，使上层的样品y1流出，只剩下下层的海水与其中的微塑料。
[0067]
s4.小心地慢慢旋转阀门3，使下层的海水与微塑料流出，用离心管或烧杯收集，振荡，使沉降后的微塑料颗粒分布均匀(样品y2)，用移液枪取样500微升用于流式细胞仪检测。
[0068]
用流式细胞仪检测500微升样品y1与y2的密度，经过简单计算即得到微塑料颗粒群体在沉降前后的密度b
0,0
与b
0,t
。
[0069]
代入沉降速率计算公式u＝fsl/t，(fs＝bs/b
t
)，)，算出沉降率为0.089m/h。
[0070]
实施例5测定塑料沉降速率中实验缺陷是否会影响分析结果的研究
[0071]
从该沉降速率测量方法获得的结果的校准也是一个重点。为了确定实验缺陷(例如颗粒粘附在柱壁上)是否会影响分析结果，在一系列具有不同的表面积体积比的沉降柱(表面积体积比相差最高达到5倍)中进行了相应的沉降率分析(按上述方法进行测试)。结果表明，所有情况下计算的沉降率均相似(p《0.01)，并且与表面积体积比率无关，凸显了本沉降速率测量方法的通用性。这证明在沉降实验中，表面积的大小不会影响对所含样品被动下沉速率的测量。另外，用本方法进行的实验，可重复性相当好，重复实验的变异系数均小于10％。
[0072]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。