合成纤维纺织品家庭洗涤释放纤维微塑料研究进展

韩其洋， 吴雄英， 丁雪梅

(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051； 3. 上海海关， 上海 200135)

自20世纪初期第1种合成塑料——酚醛树脂制成后，塑料就由于可塑性强、耐用性好和成本低廉而被广泛应用于日常生活中[1]。2019年全球塑料产量已经高达3.7×108t[2]，大量塑料制品的生产与使用给人们的生活带来了极大的方便，也导致了严重的塑料污染问题。在所有塑料污染物中，尺寸小于5 mm的微塑料由于分布范围广，潜在环境危害大等特点而引起人们的广泛关注，有大量研究显示，在海洋、淡水、土壤和空气中都检测到微塑料[3-5]。

微塑料根据来源可分为初生微塑料和次生微塑料。其中：初生微塑料是指人造粒径小于5 mm的塑料颗粒，主要应用于个人护理产品和工业原料中；次生微塑料主要来源于大块塑料的破裂及磨损[6]。在所有来源中，合成纤维纺织品家庭洗涤释放出的纤维微塑料被广泛报道为微塑料的重要来源[7-9]，Browne等首次提出海洋中的纤维状微塑料大部分来自合成衣物的洗涤，并指出单件服装单次洗涤可释放超过1 900根纤维[8]，同时根据国际自然保护联盟2017年的评估，合成纤维纺织品的洗涤可导致35%的初生微塑料释放到海洋中[9]。

目前，合成纤维纺织品消费量不断增加，2019年全球纺织纤维产量可细分为：63%的合成纤维、23%的棉纤维和14%的其他纤维[10]。伴随着纺织品消费的增长，洗衣机数量和洗衣频率也相应增加[11]，合成纤维纺织品家庭洗涤作为微塑料来源的比重将逐步提高，因此，对该领域的研究显得十分迫切。

本文从物理、化学和生物影响3方面论述微塑料的环境影响，讨论了影响合成纤维纺织品家庭洗涤释放纤维微塑料的多个因素，总结了现有的减排措施，并对未来研究方向提出展望，以期为减少合成纤维纺织品家庭洗涤释放纤维微塑料提供一定的参考，从而减少环境中的微塑料污染。

1 纤维微塑料对环境的影响

纤维微塑料由于不易降解而在环境中持续积累，且由于纤维微塑料的尺寸小，比表面积大等特性而易于吸附有机污染物和被生物摄食，从而可能对生态系统产生物理影响、化学影响和生物影响，这些影响既可单独发生，也可共同作用而产生生态毒性，并对人体健康产生潜在风险。

纤维微塑料的物理影响主要是通过摄食作用实现的，由于其尺寸较小，与许多动物的食物量级相近，从海洋环境中的大型海洋动物、鱼类和浮游动物到土壤环境中的蜗牛、线虫等都可以摄食纤维微塑料[12-13]。纤维微塑料能够在动物器官内累积、堵塞消化系统，从而诱导饱腹感，降低摄食率，减少能量储备，在体内累积引起生理毒性，进一步影响生物的生长和繁殖[14]。Foley等[15]通过荟萃分析研究了纤维微塑料对鱼类和水生无脊椎动物的摄食、生长、繁殖和生存的影响，结果发现纤维微塑料在不同类群中的效应不同，其中对较低营养级的危害较大。而较低营养级是食物链中的关键环节，由于纤维微塑料不易降解，随着营养级的递增，可能转移到人类食用的产品中，从而对人类健康产生威胁，已有研究显示微塑料在商业鱼类和双壳贝类等多种食物中广泛存在[16-17]。

纤维微塑料产生化学影响的机制主要包括直接污染作用和吸附环境中的污染物。一方面，纤维微塑料可直接作为污染物的来源，由于塑料在生产过程中使用了大量化学添加剂，如增塑剂、抗氧化剂和阻燃剂等，这些添加剂通常不与聚合物分子结合，会在纤维微塑料迁移转化过程中被不断释放出来，进入生物体内，影响生物的繁殖和发育。Browne等[18]研究表明，纤维微塑料会将添加剂转移到蚯蚓体内，导致死亡率的增加。另一方面，纤维微塑料由于疏水性和较大的比表面积，可吸附环境中的持久性有机污染物和重金属污染物，附着在纤维微塑料上的污染物，进入生物体后能够从纤维微塑料上解吸下来，从而造成污染物向生物体内的转移[19]。此外，纤维微塑料吸附污染物后密度会逐渐增大，从漂浮状态到缓慢下沉，容易被更多的生物摄食[20]。

纤维微塑料还会对生态系统产生不良影响，由于其稳定性高，质量轻，具有良好的迁移性，从而为许多生物提供了新的栖息地[21]。许多微生物包括细菌、真菌、藻类及原生生物很容易以生物膜的形式在纤维微塑料表面附着和繁殖，生物膜主要由多种微生物菌落及其分泌的胞外聚合物组成[22]，微生物群落可能随着纤维微塑料的迁移传播病原体和外来物种，威胁生态系统和人体健康[23]。此外，许多海洋生物需要硬基质进行产卵，自然海洋环境中的硬基质较少，而纤维微塑料的增加解除了这一限制导致生物丰富度大大增加[24]，也可能会导致整个生态群落结构和功能的变化。

综上，纤维微塑料可以通过物理、化学和生物作用对生态系统产生影响，目前研究主要还停留在生物个体水平，关于在不同营养级生物间的传递研究还较少，为进一步评估纤维微塑料污染的生态风险，需要从细胞、器官、个体、种群和群落等多个水平进行研究。此外，尽管已经证实纤维微塑料会通过食物、大气等多种途径进入人体， 但是关于人类长期慢性摄入纤维微塑料的潜在影响尚不清楚[25]，其对人体健康的影响应该成为未来的研究重点。

2 纤维微塑料释放影响因素

2.1 纺织品特性

纺织品特性包括纤维类别、纱线结构、织物结构及后整理等，这些都会对纤维微塑料释放产生影响。Napper等[26]测试了3种纤维类别的织物在洗涤过程中释放的纤维微塑料，发现腈纶织物释放的纤维微塑料数量最多，涤纶织物次之，而涤/棉混纺织物释放的数量最少，并指出这一结果可能与不同织物的起球性能有关。De等[27]对涤纶和丙纶机织物释放的纤维微塑料进行定量分析，发现涤纶织物的释放量较大。关于纱线结构，几项研究显示短纤维纱线和低捻度纱线会释放较多的纤维微塑料[28-29]，这一现象可能是由于纱线表面毛羽的存在，短纤维和低捻度纱线表面存在的毛羽数量较多，在洗涤过程中更易受到机械力而导致损伤及脱落，从而增加纤维微塑料的释放。织物结构的影响主要与织物中纱线或纤维排列的紧密程度相关，De等[30]发现涤纶机织物比针织物释放的纤维微塑料少，并指出可能是由于机织物结构更紧密。此外，还有少量学者研究了纺织品老化对纤维微塑料释放的影响，Almroth等[29]使用砂带磨光机对织物进行磨光处理，以模拟服装日常穿着过程造成的磨损，发现磨光处理过的织物在洗涤时会释放更多纤维微塑料。Hartline等[31]通过对服装进行24 h连续洗涤来进行人工加速老化，发现人工加速老化服装会比新服装释放更多的纤维微塑料。这一现象可能是因为纺织品老化导致纤维磨损，从而更易在洗涤过程中断裂和脱落。

目前，研究人员已经探究多个纺织品特性对合成纤维纺织品家庭洗涤中纤维微塑料释放的影响，但大多数测试只研究了单一参数的影响，没有考虑作为纤维集合体的纺织品的复杂性，对纤维、纱线及织物的结构参数及物理性能测试较少，阻碍了进一步的机制解释。此外，不同研究采用的测试条件及定量方法相差很大，导致纤维微塑料释放量也相差较大，研究结果缺乏重复性及可比性，因此后期应统一测试条件，建立标准的定性和定量分析方法，综合考虑纺织品的各项参数，进一步揭示纺织品材料特性对纤维微塑料释放的影响。

2.2 洗涤条件

洗衣机洗涤影响因素诸多，且各因素之间存在耦合效应，并非完全独立，因此，洗涤条件对纤维微塑料释放的影响也十分复杂。洗涤条件涉及多个方面，包括洗衣机类型(波轮或者滚筒)、洗涤程序参数及洗涤循环次数，而洗涤程序参数又涉及时间、温度、转速及转停比等。几项研究已经证实波轮洗衣机会比滚筒洗衣机释放出更多的纤维微塑料[31-32]。关于洗涤程序参数，Fontana等[33]测试了涤纶织物在“棉”程序和“丝”程序下洗涤过程释放的纤维微塑料，发现“棉”程序释放的纤维微塑料明显多于“丝”程序，指出是由于“棉”程序的洗涤时间较长，温度较高，转速较大而使机械作用较大，导致较多纤维微塑料的释放。这一结果也与De等[27]的研究结果一致。然而，Kelly等[34]研究显示，水和织物的体积比才是影响纤维微塑料释放的主要因素，而不是机械转动，较高的水和织物体积比会产生较大的流体作用力，从而导致织物的损伤。在洗涤循环次数方面，大部分研究表明，随着洗涤循环次数的增加，纤维微塑料释放首先逐渐减少，直至相对稳定。这一趋势可能是由于纺织品制造阶段松散短纤维的存在。例如：在纺纱加工过程中纤维可能会被进一步切割成短纤维而嵌入纱线中，然后在洗涤过程中被释放出来，因此，在初期洗涤循环中，纤维微塑料的释放量主要由松散短纤维构成，洗涤过程新脱落的纤维微塑料占比较低，随着洗涤循环次数的增加，松散短纤维数量逐渐减少，洗涤过程新脱落的纤维微塑料数量相对稳定，从而使纤维微塑料释放先逐渐减少直至相对稳定。

综上，洗涤条件对纤维微塑料释放的影响尚不明晰，后续还需研究洗涤过程中的织物运动、机械作用及热作用，从而进一步分析纤维微塑料释放的机制。

2.3 洗涤剂

洗涤剂主要用于去污，由表面活性剂、酶和助洗剂等多种成分构成，是家庭洗涤过程中的一个必需品，因此，已经有学者进行了洗涤剂对纤维微塑料释放影响的相关研究，但是不同研究产生的结论并不一致。De等[27]研究发现，洗衣液和洗衣粉均能促进纤维微塑料的释放且洗衣粉的作用更大；Cesa等[28]发现，洗涤剂的使用显著减少了纤维微塑料释放量；而Pirc等[35]研究显示，洗涤剂对纤维微塑料释放没有影响。产生不同结果的原因可能在于洗涤剂成分及作用的复杂性。洗涤剂的主要成分为表面活性剂，表面活性剂具有润湿、分散、乳化和起泡等功能[36]。一方面，表面活性剂能够降低水的表面张力和产生泡沫，从而减少洗涤过程中纤维受到的摩擦力而减少纤维微塑料的释放；另一方面，洗涤剂可能会造成纤维损伤，同时它的分散作用有利于将脱落的纤维微塑料从织物转移到水中，造成释放量的增加。相对洗衣液，使用洗衣粉能释放更多纤维微塑料的原因可能在于洗衣粉中含有不溶于水的无机化合物，增加了摩擦力从而增加纤维微塑料的释放。此外，实验设备及测试方法的不同可能也会对洗涤剂的作用产生影响。

目前关于洗涤剂对纤维微塑料释放影响的研究还比较少且不全面，未考虑洗涤剂中各个组分如氧化剂和酶等的影响，此外，洗涤剂的pH值也可能与织物损伤有关，因此，后期应继续深入研究洗涤剂各个组分的化学作用及对纤维微塑料释放的影响机制。

3 减排措施

3.1 源头控制

针对家庭洗涤过程中释放的纤维微塑料，源头控制的关键环节在于纺织品的设计与加工阶段。在原料选择方面尽可能地选择天然纤维，提高天然纤维的服用性能，从而减少合成纤维的用量。在设计纺织品时，利用能够减少纤维微塑料释放量的纺织参数改进纺织品设计，如选择结构较紧密的织物和较高捻度的纱线等。此外，一些特殊的表面改性方法也被证实能减少纤维微塑料的释放，已经有研究利用果胶、壳聚糖或聚乳酸等可生物降解材料对织物进行表面改性处理，处理后的织物能够显著减少纤维微塑料的释放[37-39]。但上述研究仅处在实验室水平，存在工艺复杂、成本高等问题，关于如何将其应用到实际生产中还需进一步研究。

通过研究洗涤程序和洗涤剂对洗涤过程纤维微塑料释放的影响，洗衣机和洗涤剂行业可以优化程序设计和改进洗涤剂配方设计，同时还可以制定消费者洗涤手册，用来指导消费者的家庭洗涤来减少纤维微塑料的释放。

此外，还应提高全社会对微塑料污染危害的认识，建立合成纤维纺织品纤维微塑料释放量的相关标准，例如在合成纤维纺织品标签中增加纤维微塑料释放量这一指标，从而提高公众意识，指导消费者选择纤维微塑料释放量较少的合成服装及纺织品，从而在全社会形成减少微塑料排放的氛围。

3.2 拦截及去除措施

对于已经进入洗涤废水中的纤维微塑料，可以通过拦截措施减少其进入环境介质中。针对洗衣机，目前商用的技术包括Lint LUV-R过滤器和cora球，Lint LUV-R过滤器能够拦截洗涤废水中87%数量的纤维微塑料，而Cora Ball能够拦截26%数量的纤维微塑料[40]。此外，Akiyama等[41]设计并制造了一个体声波(BAW)装置，该装置可引导纤维微塑料，将它们收集在中间通道中，而水则从两侧通道中流出，此方法在拦截洗衣机废水中的纤维微塑料方面也具备良好的潜力。此外，拦截后纤维微塑料的处理也需要进一步的研究，避免通过其他途径进入环境。

洗涤废水会伴随着城市污水进入污水处理厂，因此污水处理厂也是拦截纤维微塑料的一个重要环节，但是目前污水处理厂的工艺并不是为纤维微塑料去除而设计的，尤其对纤维微塑料的去除效率随着直径的减小而降低，导致处理过后的水体中仍含有大量纤维微塑料[42]。此外，从废水中去除的纤维微塑料会保留在活性污泥中，使得污泥成为新的污染源[43]，对于污泥中的纤维微塑料,可通过提高消化阶段的消化温度来使污泥中纤维微塑料融解[44]，未来还需开发新技术来去除污泥中的纤维微塑料。

对于已经进入环境中的纤维微塑料，生物修复是一项具有良好潜力的新技术，已有研究发现它能够降解聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯的微生物[45-46]，这为低成本解决纤维微塑料污染提供了新途径。

4 展 望

本文总结了纤维微塑料对环境的影响，洗涤过程影响纤维微塑料释放的3方面因素及其减排措施。基于以上分析，认为未来研究可从以下3个方面开展。

1)统一洗涤中释放纤维微塑料的测试条件及定量方法。目前各个研究采用不同的测试条件和定量分析方法，导致纤维微塑料释放量差异较大，实验结果之间缺乏可比性，也为估算洗涤中释放纤维微塑料的环境影响规模制造了障碍。未来需建立一套标准的测试及检测方法，为更好地研究影响洗涤过程纤维微塑料释放的因素提供基础。

2)系统研究洗涤过程中影响纤维微塑料释放的因素。充分考虑纤维、纱线和纺织品的各项物理化学性能，结合洗涤过程中的机械作用、化学作用和热作用分析各因素影响纤维微塑料释放的潜在机制，从而为减少洗涤释放的纤维微塑料提供科学合理的理论参考。

3)创新纤维微塑料拦截及去除技术，改进洗衣机的过滤装置或开发新的收集废水中微塑料的方法，探索针对纤维微塑料去除的污水处理厂的污水及污泥处理新工艺。此外，生物修复技术目前仍处于初步探索阶段，有待进一步研究并推广应用。