包頭尾礦庫區(qū)不同分子量和種類腐殖酸的提取及表征

施和平++吳瑞鳳++張靜茹++石磊++李金英

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.130

摘要：采用焦磷酸鈉萃取法提取腐殖酸，并分離得到黃腐酸、棕腐酸和黑腐酸，通過膜分離技術(shù)分離腐殖酸得到6種不同分子量的腐殖酸。對樣品用元素分析、紅外光譜、紫外分析及熒光光譜法進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，各種腐殖酸的化學(xué)組成有相似之處，但在結(jié)構(gòu)上有明顯不同：（1）元素分析發(fā)現(xiàn)不同腐殖酸之間H/C、C/N原子比具有明顯的差異，不同分子量的腐殖酸，分子量越大芳香度越高；而3種不同類型的腐殖酸中，芳香度為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸。不同分子量腐殖酸中分子量越小的腐殖化程度越高，而不同類型的腐殖酸中黃腐酸腐殖化程度最高。（2）熒光譜圖表明不同腐殖酸中分子量越小熒光強(qiáng)度越強(qiáng)，黑腐酸、棕腐酸明顯強(qiáng)于黃腐酸；說明不同腐殖酸的結(jié)構(gòu)存在差異。（3）紫外分析顯示，各種腐殖酸均含有芳香官能團(tuán)，用E4/E6解釋腐殖酸的芳香縮合程度發(fā)現(xiàn)與元素分析所得結(jié)論一致。（4）紅外光譜也得出不同腐殖酸結(jié)構(gòu)和特性存在相似性和差異性，均含有羧基，除黃腐酸與分子量小于10 000的腐殖酸外均含有芳環(huán)或酚類。

關(guān)鍵詞：腐殖酸；提取；表征；包頭尾礦庫區(qū)

中圖分類號： X132；O657文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0451-04

收稿日期：2015-08-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：21167010）。

作者簡介：施和平（1970—），男，山西朔州人，博士，副教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué)。E-mail：hpshi2002@163.com。腐殖酸（humic acids，HA）是一種分子結(jié)構(gòu)相似、組成復(fù)雜的天然有機(jī)化合物，廣泛存在于土壤、水體及沉積物中[1-4]。 在土壤中腐殖質(zhì)約占有機(jī)質(zhì)總量的85%～90%，是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分。不同來源的腐殖酸，其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有差異性[5]，研究表明腐殖酸的元素組成有C、H、O、N及少量的P、S，在泥炭和煤中，氮含量較低，碳含量較高；而土壤腐殖酸的碳和氮含量都較高，而且不同地區(qū)和種類的腐殖酸含有的羥基、羧基、醌基、羰基和甲氧基等活性官能團(tuán)也不相同，這些性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的差異將明顯地影響腐殖酸在環(huán)境地球化學(xué)和區(qū)域碳循環(huán)中的作用[6-7]。腐殖酸可以吸附絡(luò)合土壤和水體中的重金屬、放射性核素等污染物，因此研究污染物在土壤和水體中的遷移、轉(zhuǎn)化等行為，必須首先明確不同地區(qū)土壤和水體中腐殖酸的化學(xué)組成、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，明確其對放射性核素等的吸附絡(luò)合行為。

本研究提取了包頭尾礦地區(qū)土壤中的腐殖酸，并對其進(jìn)行了分類，得到黃腐酸、棕腐酸和黑腐酸，同時(shí)利用膜分離技術(shù)對提取得到的腐殖酸進(jìn)行分子量分離，得到6種不同分子量的腐殖酸，并分析其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，明確不同種類和不同分子量的腐殖酸的差異性。試驗(yàn)結(jié)果將對重金屬、放射性核素的遷移轉(zhuǎn)化研究有重要的意義，可明確腐殖酸對重金屬、放射性核素的吸附絡(luò)合作用。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)試劑和儀器

試劑：Na2P2O7，NaOH，KOH，HCl，HF，無水乙醇。

儀器：低速離心機(jī)：80-2，常州國華電器有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S，鄭州英峪予華儀器有限公司；SCM杯式超濾器：上海斯納普膜分離科技有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：SY101BS-D，天津三水科學(xué)儀器有限公司；元素分析儀：VARIOELⅢ型，德國Elementar公司；熒光分析儀：CaryEclipe，美國瓦里安公司；紫外光譜儀：UV-1800，上海美譜達(dá)儀器有限公司；傅立葉紅外光譜儀：Nexus670，美國 Nicolette 公司。

1.2腐殖酸的提取和分離[8]

腐殖酸提取采用焦磷酸鈉法；不同種類腐殖酸的分離采用氫氧化鈉法得到棕腐酸、黑腐酸和黃腐酸；不同分子量腐殖酸的分離采用加壓超濾法，使用不同分子量截留的超濾膜進(jìn)行分離，得到6種不同分子量的腐殖酸，即分子量<4 000、4 000～10 000、>10 000～30 000、>30 000～50 000、>50 000～70 000 、>70 000的腐殖酸。

1.3腐殖酸的表征

對得到的10種腐殖酸分別用元素分析、熒光分析（實(shí)驗(yàn)條件：發(fā)射光波長295 nm，掃描范圍350～570 nm）、紫外分析（掃描范圍800～200 nm）和紅外分析（掃描范圍：4 000 ～400 cm-1）進(jìn)行了表征。

2結(jié)果與討論

2.1元素分析

10種不同種類和不同分子量的腐殖酸元素分析結(jié)果見表1。不同種類腐殖酸C、H、N元素含量有很大的差異，其中黑腐酸含C、H量最大，黃腐酸含C、H量最??；不同分子量中小于4 000的含C量最小，含C和H量基本隨分子量的增加而增大，說明不同種類和不同分子量腐殖酸的組成和結(jié)構(gòu)有差異性。

腐殖酸的H/C和C/N等原子比可用來鑒別腐殖酸的來源和結(jié)構(gòu)的差異性。H/C值可用于推測腐殖酸的芳香度和脂肪度[9-13]，H/C值小表明其芳香度高（不飽和程度高），H/C 值大則表明其脂肪化程度高（飽和程度高）。黃腐酸的H/C值最大，黑腐酸和棕腐酸的值較小，由此可見芳香度從大到小為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸，而脂肪度正好相反；不同分子量腐殖酸中，分子量小的H/C值最大，隨著分子量的增加H/C值逐漸減小，當(dāng)分子量超過30 000，H/C值變化不大，說明分子量小的腐殖酸的脂肪化程度高（飽和程度高），而分子量大的腐殖酸的芳香度大（不飽和程度高）。腐殖酸的 C/N 值可表示腐殖酸的腐殖化度，C/N值越低，其腐殖化程度越高[11]。黃腐殖酸的C/N值特別小，其余2種腐殖酸C/N 值均大于30，表明黃腐酸的腐殖化程度最高；不同分子量腐殖酸中，分子量小于4 000的C/N值最低，說明腐殖化程度最高，大于 70 000 的C/N值最大，腐殖化程度最低，其余的 C/N 值相差不大，腐殖化程度差別不大。

2.2紫外分析

各種腐殖酸的紫外吸收譜圖見圖1、圖2。由圖1、圖2可知，各種腐殖酸有較強(qiáng)的紫外吸收強(qiáng)度，說明均含有芳香族CC鍵及其他生色團(tuán)，其吸收隨波長的增加而逐漸減少，是一個(gè)混合紫外吸收光譜，且不同分子量的腐殖酸紫外吸收強(qiáng)度隨分子量增加而增加，說明分子量越大其縮合度也越大。除分子量小于4 000、大于70 000的和黃腐酸外，其余的腐殖酸均在 230 nm 處有1個(gè)吸收峰，說明含有取代的芳烴羧基或酚基結(jié)構(gòu)[14-16]。分子量越大的腐殖酸吸收強(qiáng)度越大，且在可見區(qū)域也有吸收，這可能是由于大分子物質(zhì)在可見區(qū)域產(chǎn)生的吸收所致。腐殖酸在285 nm處的紫外特征吸收峰可用來表征芳香度，285 nm處的紫外吸收值越高表明腐殖酸的芳香度越大，芳香族基團(tuán)含量越高[17-18]，不同分子量的285 nm處的紫外吸收值隨分子量的增大而增加，說明芳香度隨分子量的增加而增大；不同種類腐殖酸中黑腐酸的285 nm處的紫外吸收值大于棕腐酸，棕腐酸大于黃腐酸，說明其芳香度從大到小為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸，這與元素分析得到的結(jié)論完全一致。

特定波長的E4/E6（E465/E665）是腐殖酸的一個(gè)特征常數(shù)，其值可以反映分子中芳香環(huán)的縮合度和芳構(gòu)化度。由表

2中數(shù)據(jù)可知，分子量越大的腐殖酸E4/E6值越小，說明其芳香度越高；不同種類腐殖酸中黑腐酸的芳香度最高，這與前面元素分析得到的結(jié)論完全一致。

2.3紅外分析

10種不同腐殖酸的紅外圖譜見圖3和圖4。由圖3、圖4可見，各種腐殖酸均在3 500～2 500 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)而寬的締合-OH吸收峰，3 000～2 800 cm-1處出現(xiàn)脂肪C—H伸縮振動吸收峰，1 720 cm-1附近出現(xiàn)羧基及羰基—CO的振動吸收峰，1 620 cm-1 附近出現(xiàn)芳環(huán)骨架—CC振動吸收峰，氫鍵締合CO吸收和酞胺鍵等相互疊加吸收峰；1 400 cm-1處出現(xiàn)羧酸或醇類的O—H彎曲振動及酚類的C—O伸縮振動峰，1 250 cm-1處出現(xiàn)羧基的C—O伸縮振動和O—H的變形振動，1 040 cm-1處有C—O—C的含氧結(jié)構(gòu)特征吸收峰，表明不同種類和不同分子量腐殖酸中都有類似的結(jié)構(gòu)[19-20]。但分子量大于10 000的腐殖酸和黑腐酸在700～900 cm-1處有苯環(huán)吸收峰；分子量小于4 000和4 000～10 000的腐殖酸以及黃腐酸在970 cm-1附近出現(xiàn)1個(gè)強(qiáng)峰，可認(rèn)為是與烯烴相連的C—H面外變形振動峰，另外在500 cm-1處出現(xiàn)1個(gè)

強(qiáng)的吸收峰，可能是鹵族元素C—X伸縮振動峰，與其他腐殖酸的結(jié)構(gòu)存在差異性。

2.4熒光分析

10種不同種類腐殖酸的熒光光譜圖見圖5、圖6。不同分子量的熒光強(qiáng)度與腐殖酸的分子量組成和芳香度等密切相關(guān)，是描述腐殖酸結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，由圖5可見，在相同波長下，不同分子量腐殖酸均在350～550 nm有強(qiáng)烈吸收峰，表明其結(jié)構(gòu)組成具有相似性，由于腐殖酸是含有許多熒光基團(tuán)的復(fù)雜混合物，所以得到寬而無特征的熒光峰。3種不同腐殖酸中，棕腐酸吸收強(qiáng)度最大，黑腐酸次之，黃腐酸最弱（圖6）。Sierra等認(rèn)為腐殖酸中，在低激發(fā)波長小于250 nm處熒光峰應(yīng)由芳環(huán)酚類物質(zhì)所貢獻(xiàn)[21]。不同分子量腐殖酸熒光吸收強(qiáng)度隨分子量的增加而逐漸減小，且最大峰值逐漸右移，Miano等研究表明，分子量小、芳香度低的有機(jī)質(zhì)組分熒光強(qiáng)度高于分子量大、芳香度高的有機(jī)質(zhì)組分[22-23]，本試驗(yàn)結(jié)果與之完全一致，元素分析和紫外分析得到的結(jié)果也與之相對應(yīng)。

3結(jié)論

包頭尾礦庫區(qū)提取得到的腐殖酸中黑腐酸占4213%，棕腐酸占12.46%，黃腐酸占45.41%；不同分子量的腐殖酸中，分子量<4 000的占4%，4 000～10 000的占4.7%，>10 000～30 000的占1.3%， >30 000～50 000的占9%，>50 000～70 000的占20%， >70 000的占61%， 說明該地區(qū)腐殖酸主要以黑腐酸和黃腐酸為主，而從分子量分布來看，主要是分子量大于50 000的腐殖酸。元素分析發(fā)現(xiàn)黑腐酸的含C、H量最大，黃腐酸的含C、H量最小；不同分子量腐殖酸中小于4 000的含C量最小，含C和H量基本隨分子量的增加而增大，說明不同種類和不同分子量腐殖酸的組成和結(jié)構(gòu)有差異性。

對得到的各種腐殖酸表征發(fā)現(xiàn)不同種類腐殖酸的芳香度為黑腐酸>棕腐酸>黃腐酸，不同分子量的腐殖酸的芳香度隨分子量的增大而增加；而不同種類腐殖酸中黃腐酸的腐殖化程度最高，不同分子量腐殖酸中分子量小于4 000的腐殖化度最高。

對各種腐殖酸表征發(fā)現(xiàn)具有相似的結(jié)構(gòu)特征，所有的腐殖酸均含有羧基，除黃腐酸和分子量小于10 000的腐殖酸外，其余的均含有芳環(huán)或酚類結(jié)構(gòu)官能團(tuán)；各種腐殖酸的紫外和熒光吸收均是一個(gè)混合吸收峰，隨分子量的增加而逐漸變小并右移，說明它們的結(jié)構(gòu)具有一定的差異性。而結(jié)構(gòu)的差異性對于其在環(huán)境中吸附絡(luò)合重金屬等污染物的行為有著巨大的影響，有待于進(jìn)一步研究腐殖酸結(jié)構(gòu)和吸附絡(luò)合重金屬的相關(guān)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kang K H，Shin H S，Park H. Characterization of humic substances present in landfill leachates with different landfill ages and its implications[J]. Water Research，2002，36（16）：4023-4032.

[2]Klavins M，Apsite E. Sedimentary humic substances from lakes in Latvia[J]. Environment International，1997，23（6）：783-790.

[3]Fooken U，Liebezeit G. Distinction of marine and terrestrial origin of humic acids in North Sea surface sediments by absorption spectroscopy[J]. Marine Geology，2000，164（3）：173-181.

[4]Alborzfar M，Jonsson G，Gran C. Removal of natural organic matter from two types of humic ground waters by nanofiltration[J]. Water Research，1998，32（10）：2983-2994.

[5]張盛華，鄭凱琪，薛紅波，等. 城市污泥堆肥過程中腐殖酸及重金屬形態(tài)的變化[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，30（6）：1350-1354.

[6]國家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水檢測分析方法 [M]. 4版. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[7]Gbbels F J，Püttmann W. Structural investigation of isolated aquatic fulvic and humic acids in seepage water of waste deposits by pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry[J]. Water Research，1997，31（7）：1609-1618.

[8]李善祥. 腐殖酸產(chǎn)品分析及標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：北京工業(yè)出版社，2007.

[9]Rice J A，MacCarthy P. Statistical evaluation of the elemental composition of humic substances[J]. Organic Geochemistry，1991，17（5）：635-648.

[10]Gonzalez-Vila F J，Martin F，Del Rio J C，et al. Structural characteristics and geochemical significance of humic acids isolated from three Spanish lignite deposits[J]. Science of the Total Environment，1992，117：335-343.

[11]Aiken G R，McKnight D M，Wershaw R L，et al. Humic substances in soil，sediment，and water：geochemistry，isolation and characterization[M]. New York ：Wiley，1985.

[12]Hargitai L. Biochemical of elemental characteristics of humic substances during humification related to their environmental functions[J]. Environmental International，1994（20）：43-48.

[13]Kim J I，Buckau G，Li G H，et al. Characterization of humic and fulvic acids from Gorleben groundwater[J]. Fresenius Journal of Analytical Chemistry，1990，338（3）：245-252.

[14]何海軍，翟文川，錢君龍，等. 湖泊沉積物中腐殖酸的紫外-可見分光光度法測定[J]. 分析測試技術(shù)與儀器，1996，2（1）：14-18.

[15]Thomsen M，Lassen P，Dobel S，et al. Characterisation of humic materials of different origin：a multivariate approach for quantifying the latent properties of dissolved organic matter[J]. Chemosphere，2002，49（10）：1327-1337.

[16]Chen J，Gu B，LeBoeuf E J，et al. Spectroscopic characterization of the structural and functional properties of natural organic matter fractions[J]. Chemosphere，2002，48（1）：59-68.

[17]Veeken A，Nierop K，De Wilde V，et al. Characterisation of NaOH-extracted humic acids during composting of a biowaste[J]. Bioresource Technology，2000，72（1）：33-41.

[18]Kalbitz K，Geyer S，Geyer W. A comparative characterization of dissolved organic matter by means of original aqueous samples and isolated humic substances[J]. Chemosphere，2000，40（12）：1305-1312.

[19]張玉蘭，孫彩霞，陳振華，等. 紅外光譜法測定肥料施用26年土壤的腐殖質(zhì)組成特征[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2010，30（5）：1210-1213.

[20]傅平青，吳豐昌，劉叢強(qiáng)，等. 高原湖泊溶解有機(jī)質(zhì)的三維熒光光譜特性[J]. 海洋與湖沼，2007，38（6）：512-520.

[21]Sierra M M D，Giovanela M，Parlanti E，et al. Fluorescence fingerprint of fulvic and humic acids from varied origins as viewed by single-scan and excitation/emission matrix techniques[J]. Chemosphere，2005，58（6）：715-733.

[22]Miano T M，Martin J P，Sposito G. Flourescence spectroscopy of humic substances[J]. Soil Science Society of America Journal，1988，52（4）：1016-1019.

[23]Senesi N. Molecular and quantitative aspects of the chemistry of fulvic acid and its interactions with metal ions and organic chemicals：Part Ⅱ. The fluorescence spectroscopy approach[J]. Analytica Chimica Acta，1990，232：77-106.