来源:Sustainability 发布时间:2021/4/23 18:25:21
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供水系统中的塑料污染物:通过硅纳米膜滤光技术探究市政自来水管道中微塑料残留物的来源 | MDPI Sustainability

论文标题:Silicon Nanomembrane Filtration and Imaging for the Evaluation of Microplastic Entrainment along a Municipal Water Delivery Route

期刊:Sustainability

作者:Gregory R. Madejski, S. Danial Ahmad, Jonathan Musgrave, Jonathan Flax, Joseph G. Madejski, David A. Rowley, Lisa A. DeLouise, Andrew J. Berger, Wayne H. Knox and James L. McGrath

发表时间:20 December 2020

DOI:10.3390/su122410655

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期刊链接:https://www.mdpi.com/journal/sustainability

原文作者介绍

韦恩•H•诺克斯 (Wayne H. Knox) 教授

韦恩•H•诺克斯 (Wayne H. Knox) 教授为美国罗切斯特大学光学学院院长,美国光学学会的会员,也是美国物理学会的会员和终身会员。他获得了1990年美国国家科学院的研究计划创新奖和1999年的美国物理教师协会Richtmyer奖。韦恩教授同时也主持了许多国际科学会议,例如超快现象会议 (Ultrafast Phenomena Meeting)、CLEO (Conference on Lasers and Electro-Optics)、OSA (The Optical Society) 年会、超快电子和光电学以及量子光电专题会议等。

自来水中的微塑料

长久以来,微塑料在生活中随处可见。一项数据表明,美国人平均每年日常生活中会产生39,000-52,000个微粒。研究人员在过去十年间进行了大量研究,以更好地了解微塑料对于水源、空气、野生动植物以及人类活动的影响。塑料本身是复杂的化学合成性质,其中许多成分具有毒性。尽管微塑料对人类健康的影响尚不清楚,但是有证据表明,微塑料可以对鱼类的血脑屏障[1];小鼠的肝脏、肾脏产生不可逆的影响[2]。进一部研究发现,每日摄入0.1 mg的微塑料颗粒足以引起代谢组学改变[3]。水作为人类重要的资源,探究其中微塑料的来源,并降低其含量有助于人类的可持续发展[4]。

但近年来,对于城市自来水中微塑料的相关研究相对匮乏。来自美国罗切斯特大学的韦恩•H•诺克斯教授及其研究团队在Sustainability上发表的文章 "Silicon Nanomembrane Filtration and Imaging for the Evaluation of Microplastic Entrainment along a Municipal Water Delivery Route" 通过利用研纳米膜滤光技术对美国罗切斯特城自来水管道中微塑料残留物的来源进行了初步分析。

实验设计

在罗切斯特市的饮用水运输管道的不同处,共计收集50毫升的水样。使用具有狭缝形孔的氮化硅纳米膜直接过滤样品,再采用影像技术捕获到可被人体吸收的最小微粒 (<20 µm),并计算数量。

采样与分析方法

实验水样从铁杉湖 (Hemlock Lake) 自来水厂到罗切斯特大学 (图1) 水管线路中的采集点获得。为保证收集到的样品不被取样容器污染,所有容器的外部和内部均用100%乙醇进行彻底冲洗。随后将容器和瓶盖超声波清洗1个小时,并再次用乙醇漂洗[5]后,将5 mL乙醇留在容器中,以确认内部在储存时是气密的。同时,实验中还以相同的方式处理50 mL的超纯水 (Ultrapure Water) 作为对照。

图1. 沿途水样采集地点。

收集水样后,使用直径为3 mm的玻璃钻头在100 mL玻璃刻度量筒的底部钻出小孔,然后使用压敏粘合剂将硅纳米膜连接到量筒的底部,从而进行重力过滤水样[6]。将样品水过滤后,样品需在70 °C的烘箱中进行干燥处理。使用明视野微镜 (Bright Field Microscope),在均匀白光照明下以反射和透射模式成像对碎片进行成像。

对微塑料颗粒来源的分析

实验获得的碎片分布如图2所示。刚经过自来水厂处理的水样中几乎没有微塑料颗粒,但是经过具有150年历史的铸铁管道输送29 km后,颗粒物的数量大约增加一个数量级。但随后在水库中停留储存1.5–2天,可以起到沉积作用,使颗粒物含量减少[7]。水被输送到罗切斯特大学校园的过程中,微塑料颗粒物含量急剧增加,最后经过饮水机过滤,含量再次减少。将这些值与对照体积的超纯水 (50 mL) 进行比较,也可印证此结果。

图2. 不同采样点水样中微塑料颗粒含量。

在碎片的尺寸上,由于水流的冲击作用,体积较大的颗粒通常会被打散,因此直径为1 μm的微粒最为常见,要求过滤材料细密才能保证实验结果的准确。

通过进一步分析发现较小的微粒除微塑料外,自来水中的主要微粒为大量有机物碎片。这可能是水管表面的涂层脱落造成的。当经过有效的过滤,自来水中微塑料以及其他颗粒的数量可以实现数量级的减少,从而降低对人体的危害。

实验结论

通过本次实验,韦恩•H•诺克斯教授及其团队发现:罗切斯特市的自来水在离开处理厂时微塑料颗粒含量非常低,但当水经过运输管道后,会携带大量的管道中掉落的微粒。尽管主要微粒并不是微塑料,但其含量已达到8.6%,此现象不可忽视,更加需要研究人员的注意。此外,实验中使用的硅纳米膜过滤微粒能力出色,不仅可以提升实验的精度与效率,还可运用到日后城市自来水的再过滤过程中。本文的结论为降低水资源中塑料微粒对人体影响相关研究提供了更多基础资料。

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参考文献

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2. Deng, Y.; Zhang, Y.; Lemos, B.; Ren, H. Tissue accumulation of microplastics in mice and biomarker responses suggest widespread health risks of exposure. Sci. Rep. 2017, 7, 46687.

3. Zimmermann, L.; Dierkes, G.; Ternes, T.A.; Völker, C.; Wagner, M. Benchmarking the in Vitro Toxicity and Chemical Composition of Plastic Consumer Products. Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 11467–11477.

4. Cox, K.D.; Covernton, G.A.; Davies, H.L.; Dower, J.F.; Juanes, F.; Dudas, S.E. Human Consumption of Microplastics. Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 7068–7074.

5. Johnson, D.G.; Khire, T.S.; Lyubarskaya, Y.L.; Smith, K.J.P.; DesOrmeaux, J.-P.S.; Taylor, J.G.; Gaborski, T.R.; Shestopalov, A.A.; Striemer, C.C.; McGrath, J.L. Ultrathin Silicon Membranes for Wearable Dialysis. Adv. Chronic Kidney Dis. 2013, 20, 508–515.

6. Wright, E.; Miller, J.J.; Csordas, M.; Gosselin, A.R.; Carter, J.A.; McGrath, J.L.; Latulippe, D.R.; Roussie, J.A. Development of isoporous microslit silicon nitride membranes for sterile filtration applications. Biotechnol. Bioeng. 2020, 117, 879–885.

7. Hotaling, N.A.; Bharti, K.; Kriel, H.; Simon, C.G., Jr.; Diameter, J. A validated open source nanofiber diameter measurement tool. Biomaterials 2015, 61, 327–338.

Sustainability (ISSN 2071-1050, IF 2.576) 是一个国际型开放获取期刊。期刊主题涵盖人类在环境、文化、经济以及社会各方面的可持续发展议题。Sustainability采取单盲同行评审,一审周期约为14.7天,文章从接收到发表仅需2.9天。

 
 
 
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