濕法消解火焰原子吸收法測(cè)定黃土復(fù)合污染修復(fù)植物金盞菊幼苗中的鉛和鎘

范春輝， 杜 波， 張穎超， 高雅琳， 常 敏

1. 陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021

2. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 北京 100084

濕法消解火焰原子吸收法測(cè)定黃土復(fù)合污染修復(fù)植物金盞菊幼苗中的鉛和鎘

范春輝1， 杜 波1， 張穎超2， 高雅琳1， 常 敏1

1. 陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021

2. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 北京 100084

原子吸收光譜法(AAS)廣泛應(yīng)用于重金屬分析檢測(cè)領(lǐng)域， 優(yōu)化測(cè)試過(guò)程的操作條件， 進(jìn)而保障分析結(jié)果的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性， 直接關(guān)系到預(yù)期研究目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)， 建立精準(zhǔn)的檢測(cè)方法往往成為科學(xué)研究的首要任務(wù)。 以金盞菊為黃土區(qū)Pb/Cd復(fù)合污染修復(fù)植物， 采用濕法消解-AAS法測(cè)定金盞菊幼苗體內(nèi)Pb/Cd含量， 分析所得結(jié)果初步揭示金盞菊幼苗對(duì)Pb/Cd的富集效應(yīng)。 研究發(fā)現(xiàn)： 濕法消解-AAS法對(duì)Pb/Cd的檢出限分別為0.104和0.007 mg·L-1， Pb/Cd回收率對(duì)應(yīng)于94.33%～110.78%和97.73%～107.50%之間， 同一樣品重復(fù)測(cè)定(6次)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)波動(dòng)于4.11%～4.75%(Pb)和1.11%～2.77%(Cd)， 表明該方法準(zhǔn)確度較好， 精密度較高。 金盞菊幼苗對(duì)Pb的富集能力不強(qiáng)， 這可能與Pb的電負(fù)性、 植物生長(zhǎng)周期較短及環(huán)境因子等因素有關(guān)； 但在黃土Cd濃度為50 mg·kg-1時(shí)， 金盞菊幼苗對(duì)Cd的平均富集量已達(dá)到104.85 mg·kg-1。 此外， 黃土Pb的共存一定程度上促進(jìn)了金盞菊幼苗對(duì)Cd的吸收， 其間可能存在協(xié)同作用。 所建立的分析方法可以對(duì)金盞菊幼苗Pb/Cd含量進(jìn)行有效檢測(cè)， 預(yù)期能為后續(xù)研究提供技術(shù)支持和質(zhì)量保障。

原子吸收光譜法； Pb； Cd； 金盞菊； 植物修復(fù)； 黃土

引 言

植物修復(fù)是20世紀(jì)80年代初期發(fā)展起來(lái)的污染場(chǎng)地修復(fù)技術(shù)， 目前已成為土壤修復(fù)的主流技術(shù)[1]。 迄今為止， 根據(jù)野外采集樣本分析， 全球大約發(fā)現(xiàn)了500種超富集植物， 包括印度芥菜、 海州香薷、 蜈蚣草等。 金盞菊(Calendulaofficinalis)是常見(jiàn)的觀賞花卉， 其對(duì)土壤重金屬同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性和富集潛力[2]； 此外， 金盞菊直接進(jìn)入食物鏈的概率較低， 這為土壤重金屬的凈化修復(fù)提供了“雙保險(xiǎn)”(效果好， 風(fēng)險(xiǎn)低)。 但在特定時(shí)空條件下， 如何精準(zhǔn)地對(duì)金盞菊體內(nèi)重金屬進(jìn)行定量分析， 關(guān)系到植物修復(fù)方案制定、 過(guò)程操控條件優(yōu)化、 場(chǎng)地修復(fù)效果評(píng)價(jià)等諸多方面， 已經(jīng)成為亟待解決的重要問(wèn)題。

重金屬修復(fù)植物體內(nèi)重金屬的檢測(cè)方法包括電感耦合等離子體法(ICP-AES)、 紫外可見(jiàn)吸收光譜法(UV-Vis)、 原子熒光光譜法(AFS)、 原子吸收光譜法(AAS)等[3]， 但這些方法各有利弊： 比如ICP-AES的啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗大量氬氣， 費(fèi)用極高， 推廣應(yīng)用難度大； UV-Vis的測(cè)定條件不易控制， 過(guò)程干擾因素較多； AFS的分析過(guò)程可能涉及熒光淬滅效應(yīng)、 散射光干擾等問(wèn)題。 相比之下， AAS法靈敏度高、 選擇性強(qiáng)、 精密度好， 其在分析檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍更加廣泛[4]。

研究中曾以土壤圈中分布面積最廣和毒性最大的重金屬類(lèi)污染物Pb/Cd為去除目標(biāo)， 探討了金盞菊幼苗對(duì)Pb/Cd復(fù)合污染黃土的植物修復(fù)效果。 本文旨在建立并評(píng)價(jià)濕法消解-AAS法檢測(cè)金盞菊體內(nèi)Pb/Cd的可行性， 分析此法的檢出限、 精密度和回收率， 同時(shí)初步揭示金盞菊幼苗對(duì)Pb/Cd的富集效應(yīng)， 以期為后續(xù)深入研究提供參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

偏振塞曼原子吸收光譜儀(Z-2000, HITACHI)， 電熱鼓風(fēng)干燥箱(WGL-125B, TAISITE)， 控溫式遠(yuǎn)紅外消煮爐(LWY848, 四平電子)； 桶裝純凈水， 其余化學(xué)試劑均為優(yōu)級(jí)純。

1.2 樣品制備

向黃土樣品中噴灑Pb(NO3)2和CdCl2溶液， 充分?jǐn)嚢枋裹S土潤(rùn)濕并混合均勻， 配制模擬Pb/Cd復(fù)合污染黃土。 Pb/Cd濃度的設(shè)定參考黃土(中)重度污染區(qū)域現(xiàn)狀、 同類(lèi)研究及《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618-1995)》等依據(jù)， 黃土老化時(shí)間為15 d， 黃土Pb/Cd添加方案見(jiàn)表1。

表1 模擬污染黃土Pb/Cd添加量/(mg·kg-1)

為了獲得合適的幼苗期金盞菊樣品， 采用盆栽土培試驗(yàn)進(jìn)行培養(yǎng)。 其中盆栽容器為45 cm×20 cm×15 cm的矩形塑料盆， 每盆裝有模擬污染黃土(6.0±0.1)kg。 依次向黃土中均勻施加尿素、 磷酸二氫鈉和氯化鉀， 三種底肥添加量分別為0.4， 0.2和0.3 g·kg-1黃土。 盆栽植物為金盞菊， 播種時(shí)間為2014年10月1日， 每盆均勻播種20粒， 置于室外天然光照條件下培養(yǎng)， 定期以純凈水(水中未檢出重金屬)澆灌， 維持黃土含水量為田間持水量的70%。 從播種之日起， 經(jīng)過(guò)50 d培養(yǎng)收獲金盞菊幼苗， 純凈水洗凈后于105 ℃烘箱中殺青(30 min)、 烘干(70 ℃)至恒重， 所得金盞菊幼苗樣品于瑪瑙研缽中磨成粉末后備用。

1.3 樣品消解和檢測(cè)

將1.2節(jié)制得的樣品粉末置于消煮管中， 依次加入20 mL HNO3和4 mL HClO4， 常溫靜置12 h后， 在控溫式遠(yuǎn)紅外消煮爐上消解至白煙基本消盡。 將冷卻后的消解液轉(zhuǎn)移至容量瓶， 純凈水定容后搖勻備用。 采用原子吸收光譜儀測(cè)定樣品Pb/Cd含量[5]， 儀器為空氣-乙炔火焰， 乙炔氣體壓力160 kPa， 其他工作參數(shù)見(jiàn)表2。 同時(shí)， 計(jì)算金盞菊幼苗對(duì)Pb/Cd的生物富集系數(shù)(BCF)。

表2 原子吸收光譜儀工作條件

1.4 質(zhì)量控制

所用玻璃器皿使用前均經(jīng)10% HNO3浸泡24 h， 經(jīng)純凈水洗凈后備用。 原子吸收光譜儀的運(yùn)行條件經(jīng)過(guò)多次摸索； 儀器經(jīng)過(guò)充分預(yù)熱， Pb/Cd含量檢測(cè)在最佳工作條件下進(jìn)行， 確?；€不漂移和測(cè)定過(guò)程的平穩(wěn)性。 測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線及其他樣品時(shí)， 每個(gè)樣品平行測(cè)定三次， 同時(shí)按照Pb/Cd濃度從小到大的順序檢測(cè)， 以盡量消除儀器自身的記憶效應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的Pb/Cd標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1和表3所示。 Pb的標(biāo)準(zhǔn)曲線為A=0.001 5c-1.0×10-4， 相關(guān)系數(shù)r為0.999 3； Cd的標(biāo)準(zhǔn)曲線為A=0.021 8c+2.9×10-5， 相關(guān)系數(shù)r為0.999 9；Pb/Cd標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍較寬。 說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)條件下，Pb/Cd溶液濃度與吸光度線性關(guān)系良好， 能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的基本要求。

2.2 檢出限

在既定實(shí)驗(yàn)條件下， 連續(xù)測(cè)定空白樣品溶液11次， 用吸光度信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍與對(duì)應(yīng)斜率的比值作為分析方法檢出限[6]。 經(jīng)計(jì)算可知， 本研究中原子吸收光譜Pb/Cd的檢出限分別為0.104和0.007mg·L-1， 說(shuō)明本方法對(duì)Cd的檢測(cè)靈敏度更高， 預(yù)期能夠有效識(shí)別金盞菊幼苗Pb/Cd含量。

圖1 Pb/Cd標(biāo)準(zhǔn)曲線

ElementLinearequationLinearrange/(mg·L-1)Coefficient(r)LeadA=0 0015c-1 0×10-40～100 9993CadmiumA=0 0218c+2 9×10-50～0 80 9999

2.3 回收率

結(jié)合土壤污染實(shí)際情況和黃土地區(qū)污染水平， 選取T1處理組消解液進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)， 各加標(biāo)水平重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次， 得到的Pb/Cd回收率結(jié)果見(jiàn)表4。 總體上看， Cd的回收率略好(97.73%～107.50%)， 說(shuō)明原子吸收光譜法準(zhǔn)確度較高； 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)波動(dòng)于1.11%～2.77%， 顯示該方法的精密度較好； 而Pb的回收率在94.33%～110.78%之間， RSD在4%左右， 其準(zhǔn)確度和精密度都不如Cd， 但其檢測(cè)結(jié)果也是可以接受的。 綜上所述， 認(rèn)為濕法消解火焰原子吸收光譜法能夠?qū)b/Cd含量進(jìn)行有效定量檢測(cè)。

表4 樣品Pb/Cd的回收率(n=6)

2.4 金盞菊幼苗對(duì)Pb/Cd的富集效應(yīng)

基于上述建立的原子吸收光譜法， 初步探討金盞菊幼苗對(duì)Pb/Cd復(fù)合污染黃土的修復(fù)效果， 結(jié)果如表5所示。 總體上看， 金盞菊幼苗對(duì)Pb/Cd污染都有較強(qiáng)的富集效果， 但對(duì)Pb/Cd脅迫的響應(yīng)度略有不同。 金盞菊幼苗對(duì)黃土Pb的富集量與Pb濃度密切相關(guān)： 隨著黃土樣品Pb含量的不斷增加， 金盞菊幼苗對(duì)Pb的富集量也隨之上升。 比如， T2和T5實(shí)驗(yàn)組的Pb含量均為2 000 mg·kg-1(詳見(jiàn)表1， 下同)， 對(duì)應(yīng)的Pb富集量均值為28.08和35.03 mg·kg-1； 當(dāng)黃土Pb濃度降為500 mg·kg-1(T3和T6組)時(shí)， 金盞菊幼苗體內(nèi)Pb含量降為15.90和21.36 mg·kg-1。 這可能與重金屬種類(lèi)和形態(tài)、 植物種類(lèi)和生物量、 環(huán)境背景值等因素有關(guān)[7]。 但若以生物富集系數(shù)(BCF)為衡量指標(biāo)， 發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件下金盞菊幼苗對(duì)Pb的富集系數(shù)普遍較小(0.014～0.043)， 說(shuō)明金盞菊幼苗對(duì)Pb的富集能力較差， 這可能與Pb的電負(fù)性有關(guān)： Bradl[8]曾發(fā)現(xiàn)Pb在土壤中易與碳酸鹽和Fe與Mn等化合物形成共價(jià)鍵， 導(dǎo)致其很難被植物高效吸收。

表5 不同條件下金盞菊幼苗體內(nèi)Pb/Cd含量(mg·kg-1) 及富集系數(shù)

注： RSD(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差)， BCF(生物富集系數(shù))， 金盞菊體內(nèi)Pb/Cd含量×100%/黃土Pb/Cd含量

相比之下， 金盞菊幼苗對(duì)Cd的富集效果更好： 在黃土Cd濃度為50 mg·kg-1(T6組)時(shí)， Cd的平均富集量為104.85 mg·kg-1， 基本達(dá)到超富集植物標(biāo)準(zhǔn)[9]。 實(shí)驗(yàn)條件下Cd的BCF參數(shù)值波動(dòng)于2.097～4.919之間， 明顯高于同等條件下Pb的BCF值， 暗示了金盞菊可能對(duì)黃土Cd污染的修復(fù)潛力更大。 值得注意的是， 隨著黃土Cd含量的增加， 對(duì)應(yīng)的BCF值總體下降； 在黃土Cd濃度為50 mg·kg-1時(shí)， BCF降到最低為2.097。 這可能源于黃土高濃度Cd脅迫嚴(yán)重干擾了金盞菊幼苗的正常生長(zhǎng)， 進(jìn)而直接或間接抑制其對(duì)Cd的吸收累積。 深入對(duì)比Pb/Cd對(duì)金盞菊幼苗富集效果的影響， 發(fā)現(xiàn)黃土Pb濃度的增加有助于提高金盞菊幼苗對(duì)Cd的富集量。 這說(shuō)明黃土中與Pb的共存不但沒(méi)有抑制對(duì)Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸收， 反而促進(jìn)了金盞菊幼苗對(duì)Cd的富集， 這可能與重金屬污染物性質(zhì)、 植物自身特質(zhì)及生態(tài)環(huán)境因子等有關(guān)， 其中不排除協(xié)同作用的存在[10]， 尚需進(jìn)一步深入研究。 此外， 不同實(shí)驗(yàn)處理組測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均介于0.10%～3.95%， 驗(yàn)證了濕法消解火焰原子吸收法對(duì)本研究的適用性和有效性。

3 結(jié) 論

濕法消解火焰原子吸收光譜法能夠?qū)鸨K菊幼苗中的Pb/Cd進(jìn)行有效檢測(cè)。 該方法對(duì)Pb/Cd的檢出限分別為0.104和0.007 mg·L-1； 相比之下， 對(duì)Cd的檢測(cè)靈敏度更高。 實(shí)驗(yàn)條件下Pb/Cd回收率分別為94.33%～110.78%和97.73%～107.50%， 表明該方法準(zhǔn)確度較好， 精密度較高。 在黃土Cd濃度為50 mg·kg-1時(shí)， 金盞菊幼苗對(duì)Cd的平均富集量達(dá)到104.85 mg·kg-1； 但其對(duì)Pb的富集能力不強(qiáng)， 這可能與Pb的電負(fù)性、 金盞菊生長(zhǎng)周期較短及生態(tài)環(huán)境因子等有關(guān)。 本研究建立的檢測(cè)方法是有效、 可行的， 預(yù)期能為后續(xù)分析檢測(cè)提供支持和保障。

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Determination of Lead and Cadmium inCalendulaOfficinalisSeedlings for Phytoremediation of Multi-Contaminated Loess by Using Flame Atomic Absorption Spectrometry with Wet Digestion

FAN Chun-hui1, DU Bo1, ZHANG Ying-chao2, GAO Ya-lin1, CHANG Min1

1. School of Environmental Science & Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China

2. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Atomic absorption spectrometry (AAS) is widely used in the analysis and detection of heavy metals. The optimal operation conditions on metals detection are important for the stabilization and repeatability of scientific research, which affects the expected investigation objectives greatly. Thus, it becomes a key issue to establish appropriate detection methods in scientific works.Calendulaofficinaliswas used for lead/cadmium remediation in contaminated loess, and the flame atomic absorption spectrometry (FAAS) with wet digestion was applied to analyze the contents of lead/cadmium inCalendulaofficinalisseedlings. The investigation data was further studied to reveal the bioaccumulation efficiency of lead/cadmium inCalendulaofficinalisseedlings. The results showed: the limits of detection are 0.104 and 0.007 mg·L-1for lead and cadmium; the recovery rates of lead and cadmium are from 94.33% to 110.78% and 97.73% to 107.50% respectively. The relative standard deviations (RSD) are between 4.11% and 4.75% for lead while between 1.11% and 2.77% for cadmium， and It’s been proved that the method is accurate and reliable. The low accumulation efficiency of lead withCalendulaofficinalisseedlings might be related to the electronegativity of lead while the growth period ofcalendulaofficinalisseedlings and environmental factors. The accumulation content of cadmium is 104.85 mg·kg-1with cadmium concentration of 50 mg·kg-1. The co-existing of lead in loess is positive for cadmium accumulation byCalendulaofficinalisseedlings, and the synergistic effect might work in the process. The established detection method is effective for quantitative analysis of lead and cadmium incalendulaofficinalisseedlings and significant for future research.

Atomic absorption spectrometry (AAS); Lead; Cadmium;Calendulaofficinalis; Phytoremediation; Loess

Jan. 14, 2015; accepted May 18, 2015)

2015-01-14，

2015-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21407103), 中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2012M511968)和陜西科技大學(xué)科研基金項(xiàng)目(2014xhbz-06)資助

范春輝, 1982年生, 陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院講師 e-mail: frank_van391@163.com

X53

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2625-04