土壤胡敏酸和富里酸的性質(zhì)表征

張立超，王紹偉，水 晶，關(guān)旭揚(yáng)，武 周，唐習(xí)習(xí)，金 川，李文靜，包先明

（1.淮北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.沈陽(yáng)市市政工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015；3.淮北師范大學(xué) 信息學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

土壤是覆蓋在地球表面，由礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、土壤生物、土壤氣體和土壤溶液等共同構(gòu)成的疏松表層. 土壤有機(jī)質(zhì)在土壤固相中的質(zhì)量占比較低，卻是土壤不可缺少的組成部分，對(duì)土壤中污染物的遷移轉(zhuǎn)化行為往往起著決定性的作用［1-3］. 土壤腐殖質(zhì)是有機(jī)質(zhì)的重要組分，其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有豐富的官能團(tuán)，如羥基、羧基、醌基、碳鏈、芳香骨架等，在疏水相互作用、絡(luò)合、螯合、氧化還原等反應(yīng)過(guò)程中均發(fā)揮著重要作用，具有較高的反應(yīng)活性. 因此，研究腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有益于進(jìn)一步揭示污染物的環(huán)境行為.

按照腐殖質(zhì)在不同pH值溶液中的溶解度，一般分為3種組分：胡敏素（不論溶液pH高低均不溶解）、胡敏酸（溶于pH值較高的溶液）和富里酸（不論pH值高低均會(huì)溶解）［4］. 由于腐殖質(zhì)組分的復(fù)雜性，對(duì)腐殖質(zhì)不同組分的分子結(jié)構(gòu)特征和反應(yīng)活性的研究，一直以來(lái)均是相關(guān)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn). 孟凡德等［5］采用不同方法從風(fēng)化煤中提取不溶性腐殖質(zhì)組分，并對(duì)其進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)它們的pH、碳、羥基和灰分含量等呈現(xiàn)較大差異，并導(dǎo)致其對(duì)Pb2+的吸附方式和吸附能力也呈現(xiàn)出較大區(qū)別. 羅瓊［6］認(rèn)為揭示富里酸和腐殖酸的結(jié)構(gòu)組成有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其環(huán)境效應(yīng)，并比較幾種不同的提取純化方法對(duì)腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)組分的影響. 陳亭悅［7］認(rèn)為胡敏酸和富里酸在基本分子構(gòu)成單元上并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，其對(duì)重金屬活性的影響可能是由于分子量大小的差異. 因此，由于腐殖質(zhì)組分復(fù)雜，其對(duì)污染物環(huán)境行為的影響機(jī)制仍有不同說(shuō)法，故對(duì)胡敏酸和富里酸的有機(jī)元素組成、分子量分布、官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)組分差異等進(jìn)行綜合表征分析具有重要意義.

本研究擬采用傳統(tǒng)的堿溶酸析法從淮北楊莊煤礦塌陷區(qū)沼澤地土壤中提取胡敏酸和富里酸組分，并運(yùn)用有機(jī)元素分析儀、分子排阻色譜、傅里葉紅外光譜儀和1H 核磁共振波譜儀等進(jìn)一步分析其元素組成、分子量分布、化學(xué)鍵和官能團(tuán)組成等信息，以期揭示該塌陷區(qū)土壤的胡敏酸和富里酸組分和結(jié)構(gòu)差異.

1 材料與方法

1.1 胡敏酸和富里酸制備

試驗(yàn)采用堿溶酸析法進(jìn)行土壤樣品中胡敏酸和富里酸的提取［6］，土樣采自淮北楊莊煤礦塌陷區(qū)沼澤地. 稱取適量的土壤樣品置于1 000 mL 的磨口錐形瓶中，接著倒入700 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01 的NaOH 溶液，靜置24 h后過(guò)濾取濾出液，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01的HCl溶液將濾出液調(diào)至pH值＜1，靜置24 h，離心分離沉淀物和上清液. 將沉淀物用冷凍干燥的方法去除水分，所得組分即為胡敏酸干樣品. 將上清液以一定流速通過(guò)RAD-8樹脂使其達(dá)到吸附飽和，再用純水沖洗數(shù)次以去除未被吸附組分，再用1:1的甲酸-乙醇溶液洗脫樹脂，多次重復(fù)制備，將收集到的洗脫液同樣用冷凍干燥法冷干，即得富里酸干樣品.

1.2 表征

稱取一定質(zhì)量的胡敏酸和富里酸樣品，置于坩堝中放入馬弗爐，在800 °C 條件下加熱4 h，冷卻取出，計(jì)算灰分含量. 用元素分析儀（ElementarUnicube，德國(guó)）分析胡敏酸和富里酸中碳、氫、氮、硫各元素含量，通過(guò)質(zhì)量平衡計(jì)算氧含量. 用配備分子排阻色譜柱（Biosep-SEC-S2000）的高效液相色譜系統(tǒng)（Agilent 1200）分析胡敏酸和富里酸溶液（有機(jī)碳濃度4 mg/L）的分子量分布，進(jìn)樣量為100 μL，流動(dòng)相為NaCl（0.01 mol/L）和磷酸鹽緩沖液（1.0 mmol/L，pH 6.8），流速0.5 mL/min，波長(zhǎng)254 nm. 將1 mg干燥的胡敏酸和富里酸樣品分別與100 mg 溴化鉀混合后研細(xì)均勻，而后壓片處理，放入薄片夾，進(jìn)行紅外掃描（Thermo Scientific Nicolet iS10），測(cè)試范圍為4 000～600 cm-1，采用4 cm-1分辨率. 用0.5 mL氘代二甲基亞砜（DMSO-d6）溶解適量的胡敏酸和富里酸冷干樣，測(cè)定1H核磁共振譜圖（Bruker Avance Ⅲspectrometer，德國(guó)）.

2 結(jié)果與分析

2.1 灰分含量與有機(jī)元素分析結(jié)果

胡敏酸和富里酸的灰分含量以及元素分析儀測(cè)定得到的各有機(jī)元素含量見表1，其中O的質(zhì)量含量通過(guò)質(zhì)量平衡求得. 胡敏酸中C 的質(zhì)量含量最高，為54.17%，H 含量為4.52%，N 含量為1.67%，S 含量為0.18%，O為39.46%. 進(jìn)一步求得胡敏酸原子摩爾比，H/C摩爾比為1.00，O/C摩爾比為0.55，（N+O）/C摩爾比為0.57. 富里酸的C含量低于胡敏酸，為33.72%，H含量為2.53%，N含量為1.17%，S含量為1.21%，O為61.37%. 進(jìn)一步求得富里酸原子摩爾比，H/C摩爾比為0.9，O/C摩爾比為1.36，（N+O）/C摩爾比為1.39.

表1 胡敏酸與富里酸的C、H、N、S、O含量，原子摩爾比及灰分含量

2.2 分子排阻色譜結(jié)果

胡敏酸和富里酸溶液的分子排阻色譜分析結(jié)果如圖1所示. 在前6 min內(nèi)，胡敏酸和富里酸均無(wú)明顯紫外吸收信號(hào). 胡敏酸從第6 min開始有明顯紫外吸收信號(hào)峰，其中6.5 min處為一個(gè)窄而高的信號(hào)峰，9 min處為一個(gè)相對(duì)較矮、峰寬較寬的峰，在12 min后紫外吸收信號(hào)強(qiáng)度逐漸回歸基線附近. 相對(duì)于胡敏酸，富里酸在6.5 min處的峰則弱得多，但其在10 min處有一較強(qiáng)峰信號(hào).

圖1 胡敏酸和富里酸分子排阻色譜分析

2.3 紅外光譜結(jié)果

紅外光譜是利用物質(zhì)分子不同化學(xué)鍵或官能團(tuán)對(duì)紅外線吸收頻率的差異來(lái)鑒定化學(xué)鍵和官能團(tuán)的方法. 胡敏酸和富里酸的紅外光譜如圖2所示. 其中，在3 393 cm-1處主要為醇或羧酸分子上—OH伸縮振動(dòng)吸收峰，在2 925 cm-1處主要為—CH3或—CH2反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，2 855 cm-1處主要為甲基對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，在1 598 cm-1處主要為羧酸鹽不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和芳香骨架振動(dòng)特征峰，在1 395～1 413 cm-1處主要為伯酰胺碳氮鍵和羧酸根對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，在1 272 cm-1處主要為酯、醚結(jié)構(gòu)中C—O伸縮振動(dòng)吸收峰，在1 060 cm-1處有酚類和脂肪醇類的C—O鍵、脂肪族醚C—O鍵吸收峰［8-12］. 由紅外吸收光譜圖可以分析出碳元素、氫元素以及氧元素的化學(xué)形態(tài)，判斷胡敏酸和富里酸中官能團(tuán)的種類.

圖2 胡敏酸和胡敏酸的紅外譜圖

2.41H核磁共振波譜結(jié)果

1H核磁共振波譜是利用1H的核磁共振效應(yīng)來(lái)進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)信息鑒定的方法，它能夠識(shí)別出胡敏酸和富里酸分子中質(zhì)子的種類及周圍環(huán)境，從而進(jìn)一步推斷腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息. 如圖3核磁譜圖所示，將內(nèi)標(biāo)四甲基硅烷的化學(xué)位移設(shè)為0，則化學(xué)位移在6.7～7.4之間峰主要是富里酸中的苯環(huán)氫及稠環(huán)氫信號(hào)，化學(xué)位移在0.8～2.2之間的峰主要是甲基及亞甲基信號(hào). 在2.2～6.7之間，化學(xué)位移2.5處是DMSO-d6峰信號(hào)，化學(xué)位移3.4處主要是H2O的吸收信號(hào)峰，化學(xué)位移在5.3處的常見有酚羥基氫和烯烴氫信號(hào)等［13-14］.

圖3 胡敏酸和富里酸的1H核磁共振波譜圖

2.5 分析

腐殖質(zhì)的元素組成隨其來(lái)源不同以及腐殖質(zhì)的不同種類劃分而產(chǎn)生差異. 從表1可以看出，胡敏酸的C、N含量高于富里酸，O、S含量低于富里酸，胡敏酸的H/C摩爾比略高于富里酸，而O/C摩爾比則低于富里酸. 一般認(rèn)為H/C摩爾比和O/C摩爾比是表征腐殖質(zhì)縮合度和氧化程度的指標(biāo)，（N+O）/C摩爾比值可表征腐殖質(zhì)的極性高低［15-16］. H/C 摩爾比越高，縮合度越低，O/C 摩爾比越高，氧化程度越高，（N+O）/C摩爾比越大，極性越強(qiáng)，疏水性往往減弱［16］. 因此，胡敏酸的縮合度相對(duì)富里酸略低一些，氧化程度明顯低于富里酸，而疏水性則強(qiáng)于富里酸. 相對(duì)于胡敏酸，富里酸具有較低的C含量和較高的O含量，可能預(yù)示著富里酸含有更多的含氧官能團(tuán)，如COOH，OH，C O等.

分子排阻色譜主要分析分子量范圍在1 000～300 000 道爾頓之間的胡敏酸和富里酸分子. 從分子排阻色譜圖結(jié)果可知，胡敏酸和富里酸紫外吸收信號(hào)均呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的信號(hào)峰，它們?cè)谏V柱上的保留時(shí)間不同，分子量大小也不同. 保留時(shí)間越短，分子量越大. 胡敏酸在6.5 min 處有一強(qiáng)吸收峰，而該處富里酸的吸收峰則很弱，說(shuō)明其大分子組分要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于富里酸，同時(shí)信號(hào)峰較窄說(shuō)明其大分子的分子量分布相對(duì)較為集中. 胡敏酸在9 min處還有一吸收峰，其強(qiáng)度弱于富里酸在10 min處的吸收峰，說(shuō)明富里酸分子的平均分子量較胡敏酸要小的多. 同時(shí)，7～12 min的紫外吸收峰分布較寬，說(shuō)明小分子組分的分子量分布范圍較廣，分子構(gòu)成較為復(fù)雜.

觀察紅外光譜結(jié)果可知，胡敏酸和富里酸樣品在3 393 cm-1處有非常強(qiáng)的—OH峰，說(shuō)明兩者分子結(jié)構(gòu)中含有大量的醇和羧酸組分. 2 855 cm-1與2 925 cm-1處的吸收峰說(shuō)明胡敏酸和富里酸分子中有長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)，含有豐富的亞甲基和甲基官能團(tuán). 胡敏酸的官能團(tuán)吸收峰信號(hào)更強(qiáng)，預(yù)示其可能含有更多的長(zhǎng)碳鏈結(jié)構(gòu)，故其大分子組分含量也越多，這與分子排阻色譜的結(jié)果相符. 1 598 cm-1處的強(qiáng)吸收峰說(shuō)明胡敏酸和富里酸分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羧酸鹽和芳香烴組分. 1 395～1 413 cm-1處的吸收峰同樣表明胡敏酸和富里酸分子結(jié)構(gòu)存在羧酸根官能團(tuán)，同時(shí)這也可能是伯酰胺碳氮鍵的信號(hào)峰，說(shuō)明N在腐殖質(zhì)中的存在形態(tài)之一. 胡敏酸相對(duì)富里酸在1 272 cm-1處有更為明顯的吸收峰，說(shuō)明胡敏酸分子中的酯、醚鍵可能較富里酸更為豐富. 1 060 cm-1處富里酸更強(qiáng)的吸收峰，說(shuō)明富里酸在元素分析結(jié)果中比胡敏酸高的多的氧元素，可能更多地分布在酚羥基和醇羥基官能團(tuán)中.

由1H核磁共振波譜圖可知，胡敏酸和富里酸在0.8～2.2之間的峰信號(hào)常代表其組分中的脂肪烴組分，6.7～7.4之間的峰信號(hào)常代表其組分中的芳香烴組分，同時(shí)還有一定量的酚、不飽和烯烴等組分.

3 結(jié)論

由元素分析結(jié)果可知，胡敏酸含碳量顯著高于富里酸，而含氧量則明顯低于富里酸. 胡敏酸的疏水性強(qiáng)于富里酸，而縮合度和氧化程度則低于富里酸. 分子排阻色譜結(jié)果說(shuō)明胡敏酸和富里酸均由大小不同的各類有機(jī)分子構(gòu)成，其分子組成復(fù)雜，分子量分布較廣，小分子與大分子的雙組分分布特征明顯，富里酸含有更多的小分子組分，而胡敏酸含有的大分子組分遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于富里酸. 紅外光譜圖表明胡敏酸和富里酸含有豐富的化學(xué)鍵和官能團(tuán)，如羥基、羧酸鹽、芳香骨架、碳氮鍵、C—O鍵等. 胡敏酸的氧可能更多地以醚、酯鍵等形式存在，而富里酸中的氧可能更多地以酚羥基、醇羥基的形式存在.1H核磁共振波譜圖進(jìn)一步證實(shí)胡敏酸和富里酸的脂肪烴、芳香烴、酚、烯烴等組分.