基于酸堿法和樹脂法的土壤多環(huán)芳烴分級(jí)

隋 紅，任興飛，廖曉勇，閻秀蘭，馬 棟

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一類含有2個(gè)或2個(gè)以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔铮诃h(huán)境中較為穩(wěn)定，難以降解，會(huì)在土壤介質(zhì)中不斷積累[1]。據(jù)調(diào)查，環(huán)境中的PAHs來源廣泛，包括人工污染源和自然污染源，其中在人工污染源中，焦化廠排放 PAHs最為嚴(yán)重[2-3]。近年來，我國(guó)不同地區(qū)工業(yè)和農(nóng)田土壤中都有不同程度PAHs檢出，且部分地區(qū)的超標(biāo)率較為突出[4-5]。

PAHs在土壤環(huán)境中的遷移及環(huán)境行為取決于它們與土壤不同組分的相互作用[6]，土壤有機(jī)質(zhì)通常被認(rèn)為是影響PAHs環(huán)境化學(xué)行為的重要因素之一。由于土壤有機(jī)質(zhì)的異質(zhì)性，導(dǎo)致疏水性有機(jī)污染物如PAHs在土壤上的吸附呈現(xiàn)非線性等溫線及吸附-解吸遲滯，且不同土壤吸附能力存在較大差異。PAHs的性質(zhì)會(huì)影響其賦存，比如PAHs相對(duì)分子質(zhì)量會(huì)影響PAHs吸附和封鎖。PAHs相對(duì)分子質(zhì)量越大，吸附系數(shù)越大[7]。而相對(duì)分子質(zhì)量較大的分子，一旦被鎖定在土壤顆粒的微孔中或鑲嵌在腐殖質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，就很難再解吸，從而殘留在土壤顆粒中。Bogan and Trbovic提出 PAHs的在土壤中封鎖的雙模型過程，即PAHs溶解到疏水有機(jī)質(zhì)表面，即胡敏酸和富里酸等橡膠態(tài)非剛性結(jié)構(gòu)中；然后擴(kuò)散到土壤顆粒間的微孔中，即玻璃態(tài)剛性的胡敏素微孔中的內(nèi)表面[8]。由于腐殖質(zhì)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子混合物，不同來源、提取方法和提取時(shí)間提取的胡敏酸、富里酸和胡敏素會(huì)存在差異[9]。目前，對(duì)于胡敏酸和富里酸分子結(jié)構(gòu)的研究比較多[10]，而胡敏素由于組成復(fù)雜，分離純化困難和酸堿不溶性等原因，有關(guān)胡敏素的研究資料十分有限。

因此，本研究先將土壤按密度分級(jí)，分為輕組和重組，而重組的主要成分是腐殖質(zhì)，從而進(jìn)一步根據(jù)腐殖質(zhì)在溶解度和吸附特性方面的不同進(jìn)行分級(jí)，分成胡敏酸、富里酸以及胡敏素，研究 PAHs在不同有機(jī)質(zhì)組分中的賦存特征，并且采用紅外光譜技術(shù)對(duì)不同方法提取的不同組分進(jìn)行分析鑒別。土壤中污染物的分級(jí)研究也是為了更好地解釋污染物在土體中的分配過程和毒性效應(yīng)，為建立土壤PAHs分級(jí)方法提供科學(xué)依據(jù)，以及為PAHs在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試樣品采自北京市某焦化工業(yè)場(chǎng)地的表層土壤，土樣經(jīng)充分混合后置于4℃冰箱內(nèi)保存待處理。土壤TOC含量平均為1.51%，有效鐵含量平均為15.6 mg·kg-1，有效錳含量平均為 186.0 mg·kg-1，硫酸根平均含量為 122.0 mg·kg-1，土壤中多環(huán)芳烴的總濃度為54.45 mg·kg-1，16種多環(huán)芳烴的濃度見表1。

表1 焦化廠土壤中PAHs濃度 （中國(guó)北京）Table 1 Concentrations of PAH s in coking p lant’s soil（Beijing，China）

1.2 土壤PAHs分級(jí)方法

土壤分輕組（LF）和重組（HF），其中 LF的主要成分為正在分解中的動(dòng)植物殘?bào)w、菌絲體、孢子、單糖、多糖和半木質(zhì)素等；HF主要為胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）。輕組和重組的提取方法參考 Ni[11]，其中 ZnBr2溶液密度為 1.8 g·cm-1；胡敏酸、富里酸和胡敏素的分離分別采取酸堿分級(jí)法和樹脂分級(jí)法：酸堿分級(jí)法采取國(guó)際腐殖質(zhì)協(xié)會(huì)（IHSS）的提取方法，具體步驟見圖1。樹脂分級(jí)法參考李會(huì)杰發(fā)表文獻(xiàn)[10]（圖2）。

1.3 分析和檢測(cè)方法

土壤中PAHs濃度的測(cè)定方法：PAHs采用氣相色譜AGILENT6890N進(jìn)行測(cè)定。分析條件：HP-5MS 30 m×0.25 mm毛細(xì)色譜柱，載氣為氦氣，柱前壓0.03 MPa，線速度37 cm/s，進(jìn)樣口溫度300℃，初始溫度60℃，以 5℃/min速度升至 300℃，保留20 min至樣品完全流出。

土壤組分的物質(zhì)定性鑒別方法：分別用分析天平（精確到0.0001 g）稱取土壤5個(gè)組分樣品2 mg和100 mg KBr粉末（光譜純），以 m（樣本）∶m（KBr） =1∶50的比例在瑪瑙研缽中混磨后壓片。用傅里葉變換紅外光譜儀掃描測(cè)定，儀器分辨率為4 cm-1，掃描區(qū)間為4400～400 cm-1，記錄其光譜。

圖1 酸堿分級(jí)法流程圖Fig.1 The flow char t of acid and alkali classification m ethod

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤各組分物質(zhì)鑒別

圖3為輕組、重組，以及胡敏酸、富里酸、胡敏素的紅外光譜圖。2種分級(jí)方法所分離相同組分物質(zhì)吸收峰的峰形基本相似，也就是說，2種方法提取的物質(zhì)基本一致。

從圖3b）輕組的紅外譜中可以看出吸收峰分別在3560～3540 cm-1處（締合—OH的伸縮振動(dòng)）、1618～1616 cm-1處（C=O的伸縮振動(dòng)）、1439～1434 cm-1處（苯環(huán)中C=C的伸縮振動(dòng)）、1030～1027 cm-1處（脂肪醚 C—O伸縮振動(dòng)，C—O—C伸縮振動(dòng)），這說明輕組中可能含有碳水化合物、脂類、醚類、酰胺類、醇類和脂肪酸等化合物。

從圖3a）重組的紅外光譜看出，分別在3450～3440 cm-1處（C—H的伸縮振動(dòng)，分子間氫鍵O—H伸縮振動(dòng)，締合—NH的伸縮振動(dòng)）、1650 cm-1處（芳香環(huán) C—C的伸縮振動(dòng)，C=C伸縮振動(dòng)）、1441～1436 cm-1處（苯環(huán)中C=C的伸縮振動(dòng)）、1030～1025 cm-1（醚類 C—O—C伸縮振動(dòng)）、871、780～770、468～461 cm-1[硅雜質(zhì)（Si—O），無機(jī)氧化物等的振動(dòng)]有吸收峰，此外在2580 cm-1處有較小的吸收峰，這是由=C—H伸縮振動(dòng)導(dǎo)致的。這說明重組中可能含有碳水化合物、醚類、酰胺類、羧基和芳香基團(tuán)等化合物。

同樣對(duì)胡敏酸、富里酸、胡敏素的光譜圖進(jìn)行分析，得出胡敏酸中可能含有碳水化合物、酰胺類、醚類、羧基等化合物，富里酸中含有大量的含氧基團(tuán)、不飽和烴骨架、醚或酮類等化合物，胡敏素中可能含有碳水化合物、醚類、酰胺類和芳香基團(tuán)。

圖2 樹脂分級(jí)法流程圖Fig.2 The flow char t of resin classification m ethod

圖32種分級(jí)方法分離的5種組分的紅外光譜圖Fig.3 The five fractions’ FTⅠR extracted by the two classification m ethods

2種方法分離的各個(gè)組分的譜圖相似，但響應(yīng)值的強(qiáng)度不同，說明2種分級(jí)方法所獲得的各組分純度不同。同時(shí)結(jié)合各組分的干質(zhì)量可知，酸堿法提取的胡敏酸、胡敏素組分純度較低，酸堿法提取得到的胡敏酸質(zhì)量大于XAD-8樹脂法提取的胡敏酸，而胡敏素的質(zhì)量與之相反。有文獻(xiàn)報(bào)道，胡敏酸中含有較多的含氧基團(tuán)，如羧基，而胡敏素中含有較高的脂肪碳，而芳香碳含量較低，并且羧基、酚羥基的含量都低于胡敏酸[12]。因此推斷，酸堿法提取的胡敏酸中可能會(huì)含有一定量的胡敏素，胡敏素中含有一定量的胡敏酸，從而使胡敏酸中的PAHs含量有所偏高，胡敏素中PAHs含量偏低?？傊?，與酸堿分級(jí)法相比，XAD-8樹脂分級(jí)法提取的各個(gè)組分純度相對(duì)比較高，并且XAD-8樹脂分級(jí)法提取的PAHs的回收率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于酸堿分級(jí)法，但是該方法比較麻煩，耗費(fèi)相對(duì)昂貴。

2.2 土壤不同組分中PAHs的含量

由表2可以看出，土壤在進(jìn)行分級(jí)之后，總PAHs含量的分布規(guī)律如下：輕組中的PAHs含量遠(yuǎn)高于重組；另外重組中PAHs含量胡敏素 ＞胡敏酸＞富里酸。并且輕組中PAHs含量是重組中PAHs含量的2.9倍左右。造成這種分布差異的主要原因可能與有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)是PAHs的主要吸附劑[13]。當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞1%時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)控制著非離子有機(jī)污染物在土壤中的吸附作用，當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1%時(shí)，黏土礦物與有機(jī)質(zhì)共同對(duì)土壤有機(jī)污染物的吸附和滯留能力起重要作用[14]。而本研究的供試土樣中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)是大于1%的。已有研究表明輕組的主要成分是由不同分解程度的植物殘?bào)w和一些微生物結(jié)構(gòu)體組成的有機(jī)質(zhì)組分，而重組的主要成分為腐殖質(zhì)[15-16]。輕組的有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重組，導(dǎo)致輕組對(duì)PAHs的吸附量也遠(yuǎn)高于重組?？梢姡寥乐猩锘钚暂^高的有機(jī)質(zhì)組分結(jié)合的污染物生物有效性通常較高，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較大。從生物有效性和對(duì)環(huán)境危害的角度來看，輕組分離出后，剩余的重組結(jié)合的PAHs絕大部分生物有效性較低，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)也就相對(duì)較小。因此，后續(xù)應(yīng)該著重于胡敏素的研究，進(jìn)一步去除胡敏素結(jié)合的PAHs，可進(jìn)一步降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

表2 酸堿法和XAD-8樹脂法提取的5種組分中總PAHs以及16種PAHs的含量Table 2 The content of the total PAH s and 16 kinds of PAH s of five fractions extracted by acid and alkalim ethod and XAD-8 resin m ethod

2.3 PAHs在土壤不同組分中分配的量

圖4是酸堿提取法和XAD-8樹脂提取法2種方法提取的各個(gè)組分中總PAHs量（提取的各組分含量乘以相應(yīng)的干質(zhì)量得到的值）的分配比例。

圖4 酸堿分級(jí)法（A）和樹脂分級(jí)法（B）分離的PAHs分布比例圖Fig.4 The distribution scale m ap of PAH s extracted by acid and alkalim ethod（A） and resin m ethod（B）

由圖4中可以看出，酸堿分級(jí)法提取的PAHs總量中輕組為369.77 mg，占33%左右；胡敏素為595.52 mg，占 54%左右；胡敏酸為 126.71 mg，占12%左右；而富里酸為5.119 mg，占不到1%。同樣，樹脂分級(jí)法提取的PAHs總量中輕組為378.06 mg，占24%左右；胡敏素為1196.0 mg，占75%左右；而胡敏酸與富里酸之和為28.88 mg，僅占不到2%?？傮w來看，不管是酸堿分級(jí)法還是樹脂分級(jí)法，均有胡敏素中的PAHs最多，而胡敏酸和富里酸占比例相當(dāng)少，尤其在樹脂提取法中體現(xiàn)的更明顯。

造成胡敏素中PAHs明顯高于胡敏酸和富里酸中PAHs含量的原因是，胡敏酸對(duì)菲等持久性有機(jī)污染物的吸附常數(shù)要小于胡敏素，且隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，富里酸和胡敏酸吸附的疏水性有機(jī)污染物有向胡敏素中轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)[17-18]。另有研究也表明，把菲投入土壤中老化100 d后，將土壤腐殖質(zhì)分成胡敏酸、富里酸和胡敏素，然后測(cè)定各組分中菲的含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小于12%的菲結(jié)合在胡敏酸或者富里酸上，而 90% ～93%結(jié)合在胡敏素-礦物復(fù)合體上[19]。

2.4 土壤分組的質(zhì)量回收率和PAHs回收率

由表3數(shù)據(jù)可知，一方面，土壤在進(jìn)行輕組和重組分離之后，酸堿法和XAD-8樹脂法提取的土壤的質(zhì)量平均回收率分別為100.20%、100.76%。2種分級(jí)方法的質(zhì)量平均回收率均在100%以上，表明提取各組分的分離過程中基本上沒有土壤損失。

表3 兩種方法提取的質(zhì)量回收率和PAH s總量回收率Table 3 The recovery of quality and the recovery of total PAHs of acid and alkalim ethod and resin m ethod

另一方面，分組之后，酸堿法和 XAD-8樹脂法的PAHs總量平均回收率（按輕組、胡敏酸、富里酸和胡敏素中PAHs含量與他們各自質(zhì)量乘積之和計(jì)算得出的PAHs總量與原土中實(shí)測(cè)PAHs總量的百分比）分別為100.7%和147.2%。而重組在進(jìn)行胡敏酸、富里酸、胡敏素分離之后，酸堿法和XAD-8樹脂法提取的 PAHs總量回收率（按胡敏酸、富里酸和胡敏素中PAHs含量與他們各自質(zhì)量乘積之和計(jì)算得出的重組中PAHs總量與實(shí)測(cè)重組中 PAHs總量的百分比）分別為42.74%和70.05%。由表3中數(shù)據(jù)可見，2種方法所得的濾液中PAHs的含量也比較高，這可能是因?yàn)榉纸M之后增加了土壤顆粒與提取溶劑的接觸面積，很多鎖定在土壤中的PAHs在原土中未被提取出，而在分組之后被提取出。

3 結(jié)論

1）土壤在進(jìn)行分級(jí)之后，酸堿分級(jí)法和樹脂分級(jí)法提取的土壤的質(zhì)量平均回收率分別為100.20%、100.76%，而 PAHs總量回收率分別為100.7%、147.2%。

2）不管是酸堿分級(jí)法還是樹脂分級(jí)法，均為輕組中總PAHs的含量遠(yuǎn)大于重組中總PAHs的含量，而重組PAHs的含量主要分布在胡敏素中，分別占重組中PAHs總量的54%左右、75%左右，而胡敏酸和富里酸中占的比例相當(dāng)少，尤其在樹脂提取法中體現(xiàn)得更明顯。

3）酸堿分級(jí)法和樹脂分級(jí)法2種方法均提取了4種組分，分別為輕組、胡敏酸、富里酸、胡敏素。不同的是，2種方法提取的組分純度不同，樹脂分級(jí)法提取的胡敏酸、富里酸、胡敏素3種組分的純度明顯高于較酸堿分級(jí)法，并且含有的雜質(zhì)較少，但是實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣，費(fèi)用昂貴。

[1] Barth J A C，Steidle D，Kuntz D，et al.Deposition，persistence and turnover of pollutants：First results from the EU project AquaTerra for selected river basins and aquifers[J].Science of the Total Environment，2007，376（1/3）： 40-50

[2] Rost H，Loibner A P，Hasinger M，et al.Behavior of PAHs during cold storage of historically contaminated soil samples[J].Chemosphere，2002，49（10）： 1239-1246

[3] Parrish Z D，White J C，Isleyen M，et al.Accumulation of weathered polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs） by p lant and earthworm species[J].Chemosphere，2006，64（4）： 609-618

[4] Li X，Ma L，Liu X，et al.PoIycyclic aromatic hydrocarbon in urban soil from Beijing，China[J].Journal Environmental Science，2006，18（5）： 944-950

[5] Yin C，Jiang X，Yang X，et al.Polycyclic aromatic hydrocarbons in soils in the vicinity of Nanjing，China[J].Chemosphere，2008，73（3）： 389-394

[6] Hwang S，Cutright T J.Statistical implications of pyrene and phenanthrene sorptive phenomena：Effects of sorbent and solute properties[J].Arch Environ Contam Toxicol，2003，44： 152-159

[7] Wang L，Yang Z，Niu J.Temperature-Dependent sorption of polycyclic aromatic hydrocarbon on natural and treated sediments[J].Chemosphere，2011，82（6）：895-900

[8] Bogan BW，Trbovic V.Effect of sequestration on PAH degradability with Fenton’ s reagent： Roles of total organic carbon，humin，and soil porosity[J].Journal of Hazardous Materials，2003，100（1/3）： 285-300

[9] Rosa A H，Rocha JC，F(xiàn)urlan M.Hum in substances of peat：Study of the parameters that influence on the process of alkaline extraction[J].Quim ica Nova，2000，23（4）： 472-476

[10] 李會(huì)杰.腐植酸和富里酸的提取與表征研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012 Li Huijie.Study on extraction and characterization of HA and FA[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2012 （in Chinese）

[11] Ni J，Luo Y，Wei R，et al.Distribution patterns of polycyclic aromatic hydrocarbons among different organic carbon fractions of polluted agricultural soils[J].Geoderma，2008，（146）： 277-282

[12] 朱燕.土壤胡敏素的結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)多環(huán)芳烴（菲）吸附、解吸機(jī)理研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006 Zhu Yan.Structural characteristics of hum in from different soils and sorption-desorption behavior of phenanthrene[D].Nanjing： Nanjing Agricultural University，2006 （in Chinese）

[13] Tremblay L，Kohl SD，Rice JA，et al.Effects of temperature，salinity，and dissolved hum ic substances on the sorption of polycyclic aromatic hydrocarbons to estuarine particles[J].Marine Chemistry，2005，96（1/2）：21-34

[14] 李曉軍，李培軍，藺昕.土壤中難降解有機(jī)污染物鎖定機(jī)理研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào).2007，18（7）：1624-1630 Li Xiaojun，Li Peijun，Lin Xin.Research advances in sequestration mechanisms of hardly biodegradable organic contaminants in soil[J].Yingyong Shengtai Xuebao，2007，18（7）： 1624-1630（in Chinese）

[15] 謝錦升，楊玉盛，解明曙，等.土壤輕組有機(jī)質(zhì)研究進(jìn)展[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（3）：281-288 Xie Jinsheng，Yang Yusheng，Xie Mingshu，et al.Advance of research on light fraction organic matter in soil[J].Journal of Fujian College of Forestry，2006，26（3）： 281-288 （in Chinese）

[16] 張國(guó)，曹志平，胡嬋娟.土壤有機(jī)碳分組方法及其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究中的應(yīng)用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，22（7）： 1921-1930 Zhang Guo，Cao Zhiping，Hu Chanjuan.Soil organic carbon fractionation methods and their app lications in farm land ecosystem research：A review[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2011，22（7）： 1921-1930（in Chinese）

[17] Pan B，Xing B，Liu W，et al.Distribution of sorbed phenanthrene and pyrene in different hum ic fractions of soils and importance of humin[J].Environmental Pollution，2006，143（1）： 24-33

[18] Chen D，Xing B，Xie W.Sorption of phenanthrene，naphthalene and o-xylene by soil organic matter fractions[J].Geoderm A，2007，139 （3/4）： 329-335

[19] Nam K，Kim J Y.Role of loosely bound humic substances and hum in in the bioavailability of phenanthrene aged in soil[J].Environmental Pollution，2002，118（3）： 427-433