SMT法插标分析沉积物中磷的地球化学形态

朱梦圆,朱广伟,钱君龙,顾 钊,俞振飞,周贝贝,王国祥 (.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏 南京 0008；.南京师范大学地理科学学院,江苏 南京 0046；3.中国科学院研究生院,北京 00049)

沉积物中磷的地球化学形态是决定其地球化学行为的重要因素[1-3],获取沉积物中不同形态磷的含量组成,而不仅是总磷含量,是目前湖泊内源磷释放问题研究的基本手段[4-8].20世纪 90年代,在欧洲标准测试计划框架下发展了一种标准化的沉积物磷形态分析方法,简称为SMT法,该方法以分开的3步提取,采用HCl、NaOH提取获得 5种磷形态,操作简便、试剂易得、各磷形态分析之间干扰小[9],是目前普遍应用的沉积物磷形态连续分级提取方法[10-12].然而,SMT法在具体应用中仍存在问题,许多实验条件的描述仍较模糊,使用仪器的不同,条件控制的不同,转移等关键步骤的操作差异等,都会引入不可忽视的误差,这就使得实验室间、分析人员间数据的可比性差,影响了该方法的应用.因此,采用固定样品作为标准来检测每一次SMT过程的质量,并以此作为不同批次结果比较的依据,是值得探讨与应用的质量控制方法.

本研究以我国沉积物标准样品 GSD-12为例,采用SMT法分级分析该沉积物样品中不同形态磷的含量,同时将该标样用于类似沉积物样品磷形态分析中的插标质量控制,并指出该方法操作中的具体注意事项,规范 SMT法的全程操作,使得通过SMT法得到的磷含量数据具有可比性,以期为水体沉积物内源磷研究提供依据.

1 材料与方法

1.1 沉积物来源

采用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制的水系沉积物成分分析标准物质GSD-12 (磷含量235±22mg/kg)作为测试样品,该标准样品于1986年定值,保质期至2020年.分级提取时,标准样品共做3批,每批各4个空白,10个平行.另选取太湖21个采样点的表层沉积物样品,以SMT法分级提取 5种磷形态的含量,以GSD-12插测法进行质量控制.

1.2 试剂与仪器

1.2.1 试剂准备 提取试剂:盐酸提取液A:3.5mol/L HCl溶液(优级纯);盐酸提取液B:1.0mol/L HCl溶液(优级纯);氢氧化钠提取液:1.0mol/L NaOH溶液(分析纯).磷酸盐标准液:南京市环境保护科学研究院研制,初始浓度(500±5)mg/L,稀释为0.1mg/L,用于仪器校准.磷酸盐标准储备液:磷酸二氢钾(分析纯)于105℃烘 4h,转移至干燥器中冷却.冷却后准确称取0.4394g磷酸二氢钾溶于去离子水,在1L容量瓶中定容,磷浓度为100mg/L.作磷酸盐标线时取用,按需稀释.钼酸铵储备液:称取10g钼酸铵溶于300mL去离子水,称取 0.5g酒石酸氧锑钾溶于100mL去离子水,量取153mL浓硫酸(18.8mol/L)溶于445mL去离子水,将硫酸溶液缓慢倒入钼酸铵溶液中,不断搅拌散热,最后加入酒石酸氧锑钾溶液,混匀.需贮存于棕色玻璃瓶中.显色剂:每100mL钼酸铵储备液配比1.5g抗坏血酸,搅拌直至溶解.

1.2.2 仪器设备与实验材料干燥箱:BAO250型精密鼓风干燥箱,美国STIK公司.天平:十万分之一,德国SARTORIUS集团.离心管:PPCO(聚丙烯)螺口离心管,50mL,美国 Thermo公司.马弗炉:SX2-4-10型,山东省龙口市电炉总厂.恒温振荡培养箱:HZQ-X100型,振幅20mm,江苏省太仓市实验设备厂.离心机:TDL-5-A飞鸽牌低速台式离心机,上海安亭科学仪器厂.旋涡混合仪:WH-2微型旋涡混合仪,转速2000r/min,上海沪西分析仪器厂有限公司.水浴锅:HH-4数显恒温水浴锅,国华电器有限公司.连续流动分析仪:SAN++,荷兰 SKALAR公司.紫外可见分光光度计:UV-2550,日本Shimadzu公司.

1.3 SMT法分级提取的操作步骤

3.5 mol/L盐酸提取磷,即SMT法定义的总磷(TP);无机磷(IP);有机磷(OP);氢氧化钠提取磷(NaOH-P)以及盐酸提取磷(HCl-P).分级提取方法如表1所示,分为TP、IP和OP、HCl-P和NaOH-P 3级提取.

1.4 磷浓度测定方法

磷浓度测定分别以连续流动分析仪(以下简称机测)和钼锑抗分光光度法[13](以下简称手测)进行.连续流动分析仪和手测用的分光光度计都以磷酸盐标准液进行校准.机测检测限在0.001mg/L,测定标准样品GSD-12的TP、IP上清液磷酸盐浓度时稀释25倍,测定OP、HCl-P和NaOH-P时稀释10倍.手测检测限在0.01mg/L,测定GSD-12的TP浓度时稀释10倍,测定IP浓度时稀释5倍,测定OP、HCl-P和NaOH-P浓度稀释2倍.

1.5 GSD-12插标法

测定太湖沉积物样品时,每7个测定样品中插测1个GSD-12标准样(本实验所用离心机一次可离心8个样品),采用与上述标准样品测定时相同的加样量和实验条件,进行磷分级测定.

表1 SMT分级提取方法Table 1 Phosphorus sequential extraction by SMT

1.6 统计方法

3批重复测定共计30平行,计算所得标准样品GSD-12磷形态的均值、标准偏差及相对标准偏差(RSD)值.RSD值为标准偏差与平均值的比值,表征平行样之间的偏差大小.

2 结果与讨论

2.1 标准样品磷形态分析

比色法测定磷浓度时,溶液酸度的最佳显色范围在(0.55±0.10)mol/L.SMT法的提取液呈强酸性,机测时上清液经稀释已达到适宜的酸度范围,手测的稀释倍数则较小,导致稀释至适宜的浓度时,溶液酸度过高,加显色剂无法显色.本实验中针对该问题采用了两种处理方法,一是加大稀释倍数(以下称稀释手测),使溶液酸度降低至显色范围;二是在稀释时加入氢氧化钠溶液调节pH值(以下称加碱手测),使之在合适的稀释倍数下达到适当的酸度范围.

沉积物GSD-12中不同形态磷含量如表2所示,包括机测法经3批重复测定得到的均值、标差、RSD值,以及稀释手测、加碱手测的结果.总体而言3组数据的相对偏差都较小,RSD值也较小,体现了SMT法良好的稳定性.稀释手测所得结果的RSD值较其他2种方法略大,这是由于加大稀释倍数降低酸度的同时降低了磷浓度,有些测定值已趋近检测限,甚至出现负值,尤其是 OP与HCl-P的结果,RSD 值稍大,但均值与其他两组相差不大.加碱手测的相对偏差最小,但分析纯的氢氧化钠可能有一定的含磷量,使结果相对机测及加大稀释倍数的手测所得含量都略有偏高.

表2 GSD-12中不同形态磷的含量Table2 Phosphorus contents of different forms in GSD-12

机测、稀释手测、加碱手测所得3组磷含量数据的回收率如表3所示.受氢氧化钠影响,加碱手测所得 TP含量偏高,占标准总磷含量的比例最高,接近80%,其他3项回收率数值与机测所得结果差异不大.稀释手测的回收率则偏低.

就操作而言,手测法需要人工显色,手动比色,机测法则只需进样等待,尤其是进行大批量检测的时候,机测比手测方便快捷,甚至可在测样的同时进行其他样品的测前准备处理,可大大提高工作效率,这对于需要及时进行的磷测定而言是十分有益的.同时,上机检测也不会因为显色时间或是比色快慢的个人操作差异而产生误差.但是,相较于连续流动分析仪,目前紫外可见分光光度计的使用要普遍的多.

表3 GSD-12磷含量的回收率(%)Table 3 Recovery of Phosphorus contents in GSD-12(%)

综上所述,机测法所得数据准确,相对偏差小,回收率高,且操作简便,工作效率高,在有条件的情况下,是测定磷浓度值得推荐的方法.尤其是当待测沉积物中磷含量较低的时候,手测法检测限高,可能使测定结果偏差较大,因此更适宜使用机测法.手测法是传统测定磷浓度的方法,但相对而言效率低下,特别是需要大批量操作的时候,待测液可能无法及时测定.且由于受到酸度影响,稀释手测可能使磷浓度过低,逼近检测限,结果易产生偏差,回收率也略低;若是待测沉积物中磷含量较高,稀释至适宜的酸度范围后浓度仍在检测限范围及标线范围内适中的位置,可采用此法测定磷浓度;加碱手测则可能受到分析纯的氢氧化钠影响,使结果略偏高.

如表2所示,3种测定方法测定的IP、HCl-P和NaOH-P含量都较为接近,而TP和OP含量差异较大,不仅加碱手测使得结果偏高,机测与稀释手测之间的差异也较大,同时表现出了较大的相对偏差,这与 TP、OP在提取过程中要经过马弗炉灼烧有关.马弗炉内不同位置在灼烧时达到的温度存在一定差异[14],尤其是放置在靠近角落、炉壁或是炉门位置的样品,TP、OP最终结果与均值相比有较大差异.因此,在马弗炉内放置坩埚时应避免边角位置,每次灼烧样品数不可过多,尽量使用小坩埚,或改用其他体积更小的适宜容器进行灼烧.

2.2 太湖沉积物磷形态分析

将本实验所采用的太湖21个采样点分为河口、北部、西部、东部4个湖区,SMT法测得的四个湖区沉积物磷含量及回收率列于表 4,SMT过程中磷浓度以连续流动分析仪测定,以GSD-12插标作质量控制.如表 4所示,插测的GSD-12的各形态磷含量基本都在表2所示机测的均值±标差范围内,除2号略微偏高外,1号和3号结果都在许可范围内;GSD-12的回收率相比表3略有升高,同样是2号有所增大,1号与3号尚可.其中TP、IP和OP含量与表2中标样含量较为一致,HCl-P和NaOH-P含量则略高,相应的使得部分回收率有所升高.但总体而言插测的标样值体现出了SMT法的精密性,也保证了该批次沉积物数据的可靠性.

表4 太湖沉积物磷含量及回收率Table 4 Phosphorus contents and recovery in the sediments from Lake Taihu

太湖21个采样点的沉积物采集于2010年8月,其磷含量与其他年份或其他季节所采沉积物有一定差异,但本实验中SMT法测得的全湖磷形态分布趋势与其他太湖沉积物研究中的结果一致[15-17],TP与IP都有较好的回收率,并与以往研究结果一致[15],TP中IP和OP的回收率在95%左右,TP中OP、HCl-P和NaOH-P的回收率接近或超过了100%,IP中HCl-P和NaOH-P的回收率都达到或超过了 100%.河口区由于污染较严重,NaOH-P含量较高,回收率也较高.

另以电感耦合等离子体(ICP)、过硫酸钾消煮法两种方法测得同一批21个沉积物样品的TP值,分别以ICP-TP、XZ-TP为名与SMT法中得到的TP含量(SMT-TP)绘于图 1,其中横坐标为“G”的点即为GSD-12插标所得结果,3个数据十分接近且都在标样含量范围内,体现了SMT方法的可重复性和可比性.

从不同方法测得的沉积物 TP含量来看,(ICP-TP)≈(SMT-TP)＞(XZ-TP),其中SMT-TP与 ICP-TP (r2=0.991,P=0.000,n=21)、SMT-TP 与XZ-TP (r2=0.988,P=0.000,n=21)都高度正相关.过硫酸钾消煮法所得结果相较而言偏低,这与氧化剂提取能力相对较弱有关,ICP法和SMT法所得数据则差异不大.

同样的沉积物,采用不同方法测得的磷含量由于原理不同总会存在一定差异,即使采用相同的SMT方法,如进行太湖沉积物磷含量的测定,各文献数据之间总是存在差异,这些差异到底是因为采集时间不同还是测定时有操作差异,很难说清楚.因此,采用统一的标准沉积物样品进行插标,使得不同操作人员测定的或是不同年份季节采集的沉积物样品之间可根据标样数据进行对比,是值得推广的沉积物磷分级分析的质量控制方法.

图1 太湖沉积物中TP含量Fig.1 TP contents in sediment of Taihu lake G为标准样GSD-12的值

2.3 操作中的注意事项

SMT法相对其他磷分级提取方法而言操作相对简单,但过程仍然繁复,需严格按照具体的步骤要求执行,才能得到一致的标准样品数据,不同操作人员得到近似的插标值,才能实现数据的准确性、可比性.

操作过程中应保持温度、操作时间的统一,尽可能做到完全转移,时间控制应严格按照要求进行,否则极易产生偏差.每次振荡结束后立即离心,否则离心管取出后的静置过程也会影响提取效率.离心后立即收集上清液,防止上清液与沉淀物的界面产生磷的交换.磷不稳定,应及时测定上清液磷浓度,不可过夜.

盐酸提取液、氢氧化钠提取液尽量现配,做标线用的磷的标准储备液现配,显色剂必须现用现配,钼酸铵储备液可贮藏在棕色瓶中保质 2个月.

沉积物称量前于105 ℃烘2h除去水分,称量时应在准确称量的前提下(质量允许±10mg的差异)加快称量速度,防止沉积物吸水而使质量有异.需要注意的是,沉积物的称量质量与提取试剂量的比例需保持一致.

振荡过程中应保持水与沉积物混合,始终呈悬浮状,振荡时离心管水平放置为宜,垂直放置易使沉积物沉于管底,混合不均.

测定磷浓度时尽量按照先空白后样品的顺序测定,每组样品测定结束后可插测纯水样,以防该组沉积物样品磷浓度较高,影响后一组空白样.

对于手测稀释倍数小的问题,有条件的实验室还可以考虑增加比色皿的光程,如用 10cm 的比色皿比色,灵敏度可增加大约7倍,从而采用较大的稀释倍数,避免加减手测的误差.

3 结语

采用SMT法对沉积物标准样品GSD-12进行磷形态分级提取,机测得到TP、IP、OP、HCl-P和NaOH-P 含量分别为155±5,77±2,39±3,41±2,42±2mg/kg.在沉积物磷含量测定中可采用插测此标准样品的方法进行质量控制,以便于不同时期不同人员测定所得磷含量的对比.

SMT法易受马弗炉灼烧位置、上清液稀释倍数以及测定磷浓度的仪器方法的影响,在测定过程中应严格按照操作步骤执行,及时测定.连续流动分析仪测定磷浓度具有较高的准确性,且操作方便,在条件允许的情况下推荐使用.

[1]Chang S C, Jackson M L. Fractionation of soil Phosphorus [J].Soil Sci., 1957,84:133-144.

[2]黄清辉,王东红,王春霞,等.沉积物中磷形态与湖泊富营养化的关系 [J]. 中国环境科学, 2003,23(6):583-586.

[3]黄清辉.浅水湖泊内源磷释放及其生物有效性 [D]. 北京:中国科学院生态环境研究中心, 2005.

[4]Zhu G W, Qin B Q, Zhang L, et al. Geochemical forms of Phosphorus in sediment of three large, shallow lakes of China [J].Pedosphere, 2006,16(6):726-734.

[5]张斌亮.浅水湖泊沉积物-水界面磷的行为特征与环境风险评价 [D]. 上海:华东师范大学, 2004.

[6]Golterman H L. Fractionation and bioavailability to Phosphorus in lacustrine sediments: a review [J]. Limnetica, 2001,20(1):15-29.

[7]徐望龙,王晓蓉,鲜啟鸣,等.不同方法测定沉积物中生物可利用性磷对铜绿微囊藻生长量的影响 [J]. 中国环境科学, 2011,31(9):1486-1491.

[8]付永清,周义勇.沉积物磷形态的分级分离及其生态学意义 [J].湖泊科学, 1999,11(4):376-381.

[9]Ruban V, Lopez-Sanchez J F, Pardo P, et al. Harmonized protocol and certified reference material for the determination of extractable contents of Phosphorus in freshwater sediments: A synthesis of recent works [J]. Fresenius Journal of Analytical Chemistry, 2001,370:224-228.

[10]Huang Q H, Wang Z J, Wang C X, et al. Phosphorus release in response to pH variation in the lake sediments with different ratios of iron-bound P to calcium-bound P [J]. Chemical Speciation and Bioavailability, 2005,17(2):55-61.

[11]Wang S R, Jin X C, Pang Y, et al. Phosphorus fractions and phosphate sorption characteristics in relation to the sediment compositions of shallow lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River region, China [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2005,289(2):339-346.

[12]章婷曦,王晓蓉,金相灿,等.太湖不同营养水平湖区沉积物中磷形态的分布特征 [J]. 农业环境科学学报, 2007,26(4):1207-1213.

[13]Murphy J, Riley J. A modified single solution method for the determination of phosphate in natural waters [J]. Analytica Chimica Acta, 1962,27:31-36.

[14]朱广伟,秦伯强,高 光,等.灼烧对沉积物烧失量及铁、磷测定的影响 [J]. 分析实验室, 2004,23(8):72-76.

[15]Huang Q H, Wang Z J, Wang D H, et al. Origins and mobility of Phosphorus forms in the sediment of Lakes Taihu and Chaohu,China [J]. Journal of Environmental Science and Health,2005,A40:91-102.

[16]袁和忠,沈 吉,刘恩锋.太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析[J]. 中国环境科学, 2010,30(11):1522-1528.

[17]许景琪.太湖沉积物磷形态的空间分布研究 [D]. 南京:南京理工大学, 2010.

致谢：诚挚感谢湖泊与环境国家重点实验室张成英、王树标及河海大学赵林林、林煜等在分析测定时的帮助.