泡沫分離法提取并富集底泥中的有機(jī)磷

張青松　張連水　潘騰飛　齊樹亭　孟會賢　丁軍

摘要：泡沫分離技術(shù)是近幾十年以來發(fā)展的一個新型技術(shù)。本實驗設(shè)計了一套泡沫分離裝置，并進(jìn)行了底泥中有機(jī)磷的分離和富集。實驗表明相比傳統(tǒng)方法NaOH-EDTA萃取法，泡沫分離法富集有機(jī)磷的能力更強(qiáng)，用于底泥有機(jī)磷核磁共振分析的樣品中有機(jī)磷含量更高，且泡沫分離方法富集的有機(jī)磷檢測到了一個磷酸二脂信號峰，而傳統(tǒng)方法檢測不到，且測定所需時間縮短到傳統(tǒng)方法的2/3。

關(guān)鍵詞：泡沫分離；有機(jī)磷；核磁共振；NaOH-EDTA萃取法

磷是水體富營養(yǎng)化的限制性影響因子，水體中磷濃度高于0.02 mg/L[1]時，很容易引起水體富營養(yǎng)化。減少外源磷污染進(jìn)入水體能夠顯著降低水體磷的濃度[2]，改善水體的富營養(yǎng)狀況，改善水質(zhì)。但是底泥所釋放的內(nèi)源磷成為阻礙河流、湖泊等水體生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的主要因素[3]。來自于歐洲的Carvalho.L[4]、Scharf.W.[5]和北美的Welch et al.[6]、Larsen et al.[7]等分別詳細(xì)報道了湖泊內(nèi)源磷污染現(xiàn)象。當(dāng)外源磷污染減少時，藻類數(shù)量并沒有降低，內(nèi)源磷負(fù)荷推遲或阻止了水體生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)進(jìn)程。另外據(jù)Jensen H.S.[8]報道即使底泥在有氧環(huán)境中，其釋放磷可占到進(jìn)入水體總磷量的99%，所以由底泥所釋放的磷污染，即內(nèi)源磷負(fù)荷不容忽視。

目前，底泥磷的核磁共振分析普遍采用NaOH-EDTA萃取法，限于萃取物中有機(jī)磷含量，雖然經(jīng)過了冷凍干燥來富集有機(jī)磷，但是溶液中有機(jī)磷含量仍然不能滿足測定需要，底泥的31P-NMR測定需要很長時間，一般需要12～72 h[9-10]，且譜圖的分辨率和信噪比較低。

底泥中有機(jī)磷主要有磷酸單酯（phosphate monoester）、磷酸雙酯（phosphatediester，DNA-P、膦酸（phosphonate）等，其中磷酸單脂和磷酸雙脂是生物體細(xì)胞膜的主要組成部分具有表面活性，膦酸含有疏水的脂肪族鏈烴以及親水的磷酸頭部，也具有兩性。DNA-A雖然是親水性高分子聚合物，但是在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)DNA分子上結(jié)合有很多表面結(jié)合蛋白，形成的生物大分子也具有不同程度的表面活性，所以理論上可以利用泡沫分離法來進(jìn)行底泥有機(jī)磷的富集，目的是提高用于核磁共振分析底泥萃取液樣品中有機(jī)磷的濃度。

1實驗裝置和方法

1.1實驗裝置

泡沫分離器是由空氣壓縮機(jī)，氣體流量計，氣體分布器，泡沫分離塔，泡沫收集裝置組成?？諝鈮嚎s機(jī)將壓縮的空氣通過膠管輸送到氣體流量計，氣體流量計用于調(diào)節(jié)進(jìn)入泡沫分離塔的氣速。從氣體流量計出來的空氣通過膠管進(jìn)入泡沫分離塔底部的空氣分布器，空氣通過空氣分布器進(jìn)入泡沫分離塔，底閥用于調(diào)節(jié)泡沫分離塔中待分離溶液的液位高度。泡沫分離過程中，可以看到泡沫分離塔中液面以上部分的泡沫，泡沫層高度為0.6～0.8 m，隨著空氣持續(xù)通入泡沫分離塔，塔中泡沫流入泡沫分離塔上部放置的泡沫收集裝置，泡沫收集裝置中的泡沫自然破裂形成溶液即為泡沫分離收集的有機(jī)磷溶液。泡沫分離塔的材質(zhì)為有機(jī)玻璃管，直徑為50 mm。裝置如圖1。

1.2實驗方法

取同一采樣點底泥樣品，分為兩份，其中一份采用分級萃取法提取底泥無機(jī)磷，另外一種用泡沫分離方法富集有機(jī)磷。

泡沫分離的方法，將底泥真空冷凍干燥24 h，取干燥泥樣300 g，添加到3 L 0.25 mol/L NaOH溶液中，將溶液置于25 ℃恒溫?fù)u床上，震蕩萃取16 h[11]。將制得的底泥混合液4 000 r/min離心10 min，去除大部分底泥雜質(zhì)，然后將離心所得上清溶液以10 000 r/min離心30 min，用0.45 μm濾膜過濾，收集濾液。濾液中含有大量的氫氧化鈉，pH呈強(qiáng)堿性，不利于泡沫的形成，需要調(diào)節(jié)溶液的pH，用3 mol/L HCl調(diào)節(jié)溶液的pH值到8.0。應(yīng)用泡沫分離器，對萃取液中的樣品進(jìn)行泡沫分離，空氣流速設(shè)定為20 mL/min，收集泡沫流出液體積20 mL。將泡沫分離法得到溶液于-50 ℃，小于20 pa真空度下進(jìn)行真空冷凍干燥，待樣品干燥后，刮取干燥后的有機(jī)層，取600 mg重新溶解于約2 mL 10 mol/L的NaOH溶液中，而后10 000 r/min離心去除不溶物質(zhì)，取上清加入核磁共振管中，再加入0.1 mL重水D2O，進(jìn)行核磁共振分析。

核磁共振試驗溫度為環(huán)境溫度約20～25 ℃。采用德國BRUKER400核磁共振儀，外磁場強(qiáng)度為161.976 MHz，采樣時間0.4 s，延遲時間12 s[12]。

2實驗結(jié)果與分析

從圖2和圖3中可以看到，采用泡沫分離法，在化學(xué)位移為1.14 mg/L處出現(xiàn)了兩個吸收峰，這是傳統(tǒng)NaOH-EDTA萃取法檢測不到的。從兩個圖中可以看到，都可以檢測到正磷酸額信號，雖然正磷酸不具有表面活性，理論上不會被泡沫分離法所富集，但是由于其含量較高，容易混入富集分離溶液中，所以兩種分離液都檢測到了。另外泡沫分離法檢測到了更多的磷酸單脂吸收峰?？倻y定時間，傳統(tǒng)方法測定需要12 h，采用泡沫分離方法測定需要8 h。

總之，相比傳統(tǒng)方法NaOH-EDTA萃取法，泡沫分離法富集有機(jī)磷的能力更強(qiáng)，用于底泥有機(jī)磷核磁共振分析的樣品中有機(jī)磷含量更高，且泡沫分離方法富集的有機(jī)磷檢測到了一個磷酸二脂信號峰，而傳統(tǒng)方法檢測不到，且測定所需時間縮短到傳統(tǒng)方法的2/3。

參考文獻(xiàn)：

[1]

Hayes，C.R.，Green，L.A. The evaluation of eutrophication impact in public water supply reservoirs in East Anglia[J].Water Pollution Control， 1984，83：42-51

[2] Ahlgren，I.Response of Lake Norrviken to reduced nutrient loading. Verhandlungen.Internationale Vereinigung furtheoretische and angewandte Limnologie，1987，20：846-850

[3] Williams， V.P. Effects of point-source removal on lake water quality ：a case history of Lake Tohopekaliga[J]， Florida.Lake Reservoir Manage，2001，17（4）：315-329

[4] Carbalho，L.， Beklioglu，M. ， Moss，B. Changes in a deep lake following sewage diversion a challenge to the orthodoxy of external phosphorus control as a restoration strategy[J].Freshwater biology，1995，34：399-410

[5] Scharf ，W. resotration of the highly eutrophic Lingese Reservoir[J].Hydrobiologia，1999，416：85-96

[6] Welch， E.B.， Rock，C.A.， Howe ，R.C.， Perkins ，M.A. Lake sammamish response to wastewater diversion and increasing urban runoff[J].Water Resource， 1980，14：821-828

[7] Larsen， D.P.， Schultz ，D.W.， Malueg， K.W. Summer internal phosphorus supplies in Shagaw Lake ， minnesota[J].Limnology Oceanography， 1981，26：741-753

[8] Jensen， H.S.， Andersen， F.Q. Importance of temperature ，nitrate ，and pH for phosphate release from aerobic sediments of four shallow ，eutrophic lakes[J]. Limnology Oceanography，1992，37（3）：577-589

[9] Barbara J， C.-M.， Claudia R， Benitez-Nelson.， Perry， Pellechia.， Adina， Paytan .Refining 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy for marine particulate samples： Storage conditions and extraction recovery[J]. Marine Chemisitry，2005，97：293-306.

[10] Kuo. Methods of phosphorus analysis ：Total Phosphorus in Soil.1996

[11] Cade-Menum， B.J. ，Preston，C.M. A comparison of soil extraction procedures for 31P-NMR spectroscopy[J]. Soil science， 1996， 161：770-785

[12] Kasper， R.， Joakim ， Ahlgren.， Heidi， Debrabandere.， Monica， Waldebak.， Adolf， Gogoll.， Lars， Tranvik.， Emil， Rydin. Degradation rates of organic phosphorous in lake sediment[J]. Biogeochemistry， 2007，82：15-28

（收稿日期：2014-10-31）