土壤修复：腐植酸作为天然表面活性剂淋洗高度污染土壤

Pellegrino Conte, Anna Agretto, Riccardo Spaccini,

Alessandro Piccoloa,b

a意大利，那不勒斯大学，土壤，植物与环境科学系

b意大利，INCA那不勒斯研究中心

土壤修复：腐植酸作为天然表面活性剂淋洗高度污染土壤

Pellegrino Contea,b,＊, Anna Agrettoa,b, Riccardo Spaccinia,b,

Alessandro Piccoloa,b

a意大利，那不勒斯大学，土壤，植物与环境科学系

b意大利，INCA那不勒斯研究中心

修复位于意大利北部的前ACNA化工厂（萨沃纳）附近的高污染场地是意大利的当务之急。文章目的是致力于寻找环境友好型的新技术用于修复ACNA污染场地的土壤。从ACNA场地获取质地和有机污染物数量和类型都不同的两种土壤样本A和B，采用多种洗涤剂对两种土壤样本进行淋洗，比较这些洗涤剂去除土壤污染物的效率。实验采用的洗涤剂包括：水，两种合成表面活性剂：十二烷基硫酸钠（SDS）和Triton X- 100（TX100）和腐殖酸（HA）作为临界胶束浓度的天然表面活性剂溶液。在土壤样本淋洗前后分别采用超声处理和索氏法提取污染物。土壤A富含多环芳烃，而土壤B含有大量噻吩。处理细质土壤B时，超声处理具有更高的分析效率，处理粗质土壤A，索氏法的处理效率处于正常水平。采用清水洗涤土壤不能完全从土壤中除去污染物，而用后几种方法除去污染物时，所有有机表面活性剂的效率基本相同（高达90%）。因此，使用含天然腐殖酸的溶液淋洗高度污染的土壤似乎是一个更好的选择，因为含天然腐殖酸的溶液能够促进土壤中微生物的活性，而合成表面活性剂则相反，会使被淋洗过的土壤出现进一步的自然衰减。

土壤修复；土壤洗涤；索氏；超声；污染土壤

1. 介绍

土壤是一个与其他环境组分如水和空气永久相互影响的复杂基质[1]，因此其污染可以直接影响到地表和地面水以及空气[2]。土壤污染可能是由工业事故（溢出、泄漏、地下储油罐泄漏）[3-5]和人为活动（森林和农业火灾，化石燃料燃烧）[6,7]造成的，土壤污染物是一种长期的环境污染源。土壤成分和污染物之间的相互作用弱[8-14]，如果污染物脱离相互作用，就可能会再次释放到其他环境组分中[15-17]，并影响人类食物链[18-20]。

新的土壤修复技术强调污染物的转化和脱毒。例如，生物修复成本低，并能够原地修复并永久消除污染物。然而生物修复受限于以下几个方面：选择正确的活性微生物；保持微生物活性的适宜土壤条件；生物降解不能除去的顽固污染物；和可能比母体污染物[21]毒性更强的代谢产物。

在土壤修复的其他技术中，土壤洗涤可能是一个有效且相对低廉的生物修复替代方法[22]。它是通过清水[23]或有机表面活性剂[24,25]对污染物解吸来实现土壤修复的，有机表面活性剂包括非离子型[26,27]和阴离子型[28]。为了完全脱毒，对包含脱附污染物的液体进行进一步的化学或生化处理[29]。

根据被移除的污染物的性质，采用不同类别的表面活性剂对土壤进行淋洗。例如，除去农药可以采用非离子型表面活性剂，如Triton X-100；以及生物表面活性剂，如鼠李糖脂[30]。除去多环芳烃碳氢化合物（PAH）可以采用烷基酚乙氧基化物[31]，羟丙基——环糊精[32]，和其他阴离子表面活性剂如十二烷基苯磺酸钠，单烷基化蜘磺酸盐二苯醚，以及二烃化合物蜘磺酸盐二苯醚[28]。在一般情况下，水溶性表面活性剂可分散不混溶于水的固体和液体，形成微乳液的表面活性剂的增溶烃类，而油溶性表面活性剂可促进水的循环利用[22]。然而，用于清洗受污染场地的表面活性剂可能受土壤质地和其固有生物毒性的限制。土壤含大量细纹理颗粒（淤泥和粘土），很大地减少了表面活性剂的效率[22,4]。已报道表面活性剂对一些土壤微生物细胞的毒性可能会阻止污染物的进一步生物降解和破坏洗涤过土壤的生物活性平衡[33]。腐殖质（HAs），天然表面活性剂，开始被认为可能有助于土壤生物修复。通过向污染土壤中添加外源腐植物质，多氯联苯[34]和多环芳香烃[35]的生物利用度似乎得到了提高。此外，已发现腐殖质表面活性剂具有能减少有机污染物吸附于锥形土壤的能力，从而实现多环芳烃[35-38]，四氯二苯二氧[39]，重金属[40,41]的解吸和修复。但是，迄今没有报道过将腐殖质作为表面活性剂应用于真正高度污染的土壤淋洗中。

这项工作的目的是比较腐植酸（HA），普通表面活性剂（十二烷基硫酸钠和Triton X-100）和水在两个污染土壤样本淋洗实验中的效率。这两个高度污染的土壤样本来自于化工厂的污染工业区。两个样本具有不同的土壤质地和污染物组分。一个富含多环芳香烃，而另一个是含有大量的噻吩。此外，对两种处理方法（索氏法和超声处理）的效率也进行了比较，以便确定土壤污染物测定的最好分析方法。

2. 材料和方法

2.1 被污染的场地

自1882年SIPE开始生产炸药以来，位于意大利北部的Cengio工业区（萨沃纳附近）受到严重污染，原因是一直对地表及地表下土壤层的污染物进行不规则处理。后来，SIPE更名为ACNA（Aziende CHIMICHE Nazionali Associate），开始生产苯酚、硫酸、硝酸和一些其他工业有机中间体。1939年，ACNA另外制造了一系列彩色有机化合物（更多信息：http://www.bonificare.it/）。 由于ACNA场地环境（土壤和水域）污染严重，1999年被ACNA场地列入国家重点环境修复名单，并由校际联盟“环境化学”发起了许多关于土壤修复的科学研究（INCA，威尼斯，意大利；http://helios.unive. it/inca）。

2.2 土壤

从ACNA场地获取两种不同的土壤样本（A和B）。空气干燥后，首先对土壤进行2.00mm筛选，然后，分析土壤的纹理，以及碳和氮的含量（Fisons EA 1108元素分析仪）。分析结果列于表1。

2.3 土壤洗涤剂

用于土壤洗涤的溶液包括：(1) MilliQ级水；(2) 4%（w/v）十二烷基硫酸钠（SDS）；(3) 4%（v/v）Triton X-100（TX100）溶液；(4) 10毫克/升的腐殖酸（HA）溶液。据报道后者是腐殖酸的临界胶束浓度[42]。SDS和Triton溶液方案出自Sigma公司（Milano，意大利），无需进一步纯化即可使用。从北达科他州褐煤分离出腐殖酸（得克萨斯州，休斯敦，Mammoth，Chem公司），并于另一处进行纯化[43]。腐殖酸悬浮于蒸馏水上，并在氮气流中采用0.1M氢氧化钠溶液，由一个自动滴定仪滴定至pH为7（哥本哈根，视频滴定仪VIT 909）。然后将所得的腐植酸钠通过微孔滤膜0.45 ，并冷冻干燥。

表1 从ACNA场地采集的土壤样本A和B的特征

2.4 土壤淋洗

土壤（10g）悬浮在100 mL的土壤洗涤液上，在转速为10转/分的旋转振荡器上振荡24h。在1万转/分的转速下持续10min，对玻璃试管的所有悬浮物进行离心处理，以便从洗涤液中分离固体残留物。在40℃下，干燥固体残留物，采用超声处理或索氏提取。

2.5 超声处理提取

将淋洗前或淋洗后的土壤样品（10g）悬浮于100mL的丙酮/正己烷（1∶1）的混合液上，用Misonix XL2020超声波仪进行声波处理。采用功率为55W的电源对土壤悬浮液充电12min，得到总能量为39.6kJ。超声处理后，采用瓦特曼纸40过滤器对悬浮液进行过滤，以便从萃取液中分离残余物。

2.6 索氏提取

对经过索氏滤波器淋洗前后的每个土壤样品（10g）进行称重，并用装有100mL丙酮/正己烷（1∶1）混合物的索氏设备进行回流提取，提取时间总长48h。根据EPA SW 3630 B法，酸性的有机污染物（如有机酸和酚类）被含有NaOH，pH= 11的提取液除去。用Na2SO4处理有机相，用于去除残留的水，并通过Whatman 40过滤器进行过滤。

2.7 样品预处理

过滤后，来自超声处理或索氏萃取的有机萃取液，首先在40℃下，用旋转蒸发器对其进行干燥，然后溶解于5mL的CH2Cl2中，用固相萃取液（SPE）纯化1mL的CH2Cl2。根据EPA SW8270 B方法，采用含30mL正己烷的Bond-Elut C-18碳粉盒（500mg/3mL瓦里安）进行脱洗。已洗脱的正己烷馏分在40℃下的旋转蒸发器中干燥，并再溶解于1mL的CH2Cl2和1mL的100mg/mL的CH2Cl2的八氟萘溶液中，作为内部标准。用GC-MS确定污染物相对八氟萘的浓度。

2.8 GC-MS分析

珀金埃尔默公司的自动系统TMXL气体色谱图，配备了一个程序升温分流/不分流进样器与可编程气动控制装置，保持恒温为250℃，Restek的Rtx-5MS毛细管柱（5%二苯基-95%二甲基聚硅氧烷，长度为30m，内径为0.25mm和0.25df），并将珀金埃尔默公司的TurboMass质谱仪，用于定性和定量分析污染物，污染物来自原土壤和土壤洗涤后萃取的残留物中。用于气相色谱分析的条件如下：(1) 初始温度为40℃并持续5min；(2) 250℃下，速率为3℃/min； (3) 等温吸附20min。总的气相色谱分析运行时间为95min。氦气为气体载体，速度是1.5mL/min，以30mL/min的速度分流。GC-MS系统的进气管路温度设定为280℃，而MS源的温度设定为180℃。聚集质谱以防灯丝损坏之前，可用的溶剂延迟时间为5min。质谱仪的m/z的低和高限度分别是50和400原子质量单位。NIST质谱库（1.7版）被用于峰鉴别。

2.9 数据处理

将土壤洗涤前和洗涤后的每份土壤分为一式三份，分别进行索氏提取和超声处理。将每份有机提取物分为一式两份，用GC-MS分析。对GC-MS分析的定量结果进行重量平均，找出实验误差。

3. 结果与讨论

3.1 土壤质地对污染物萃取的影响

索氏提取和超声处理是最常见的从土壤样本中获取污染物[44]的液-固相萃取程序。前者需要加热，而超声处理的基础是固体悬浮液的超声振动[45]。这两种方法都从土壤中除去半挥发性和非挥发性有机物（US EPA方法3540和3550）。然而，这两种方法的去除效率都受到土壤特性和土壤质地的强烈影响[46,47]。土壤的细粉末质地是造成胶质土壤颗粒表面上的有机物疏水性吸附的主要原因，从而有利于从微观聚集体转变成宏观聚集体[46-48]。随之而来的是，被包裹的有机材料受到物理保护而没有被生物降解，并且变得用普通方法难以提取，除非通过应用机械或超声能量将土壤大团聚体破坏掉[47,49-51]。相反，粗质土壤颗粒不太容易形成以有机质为媒介的较大土壤聚集体[52]。因此，有机化合物只处于粗糙碎片表面，采用索氏和超声处理除去有机物的效率相同[46,48,49]。

对于两份ACNA土壤样品，样品A富含较大的粗颗粒，而土壤B富含细砂、淤泥和粘土（表1）。因此导致无论是索氏或超声处理从两种土壤中提取的有机污染物含量都不同（表2）。土壤A富含多环芳香烃（PAH）、单芳卤代烃、含氮化合物，而土壤B富含噻吩、砜和联苯（表2）。然而，采用索氏或超声处理方法从土壤A中提取的污染物总量是差不多的，而土壤B用超声处理则能提取出更多的污染物（表2）。

这可能是由于土壤A和B质地不同造成提取方法的效率不同。由于土壤A含大量粗颗粒，具有较低聚合稳定性，这导致索氏和超声处理提取总颗粒外表面吸附的有机化合物的效率基本相同（表2）。相反，对于细质土壤B，有机污染物被吸附于含更多结构稳定的大杂石的细颗粒表面上。因此，简单地基于温度的索氏提取，只能洗去小部分主要存在于大杂石表面的污染物，而超声波振动，通过向大杂石施加能量[53,54]，能够溶解内部细颗粒表面的污染物。基于这个原因，超声处理从土壤B中提取的污染物大于索氏提取的（表2）。然而一个例外是，用索氏和超声处理方法从土壤B中获取了等量的噻吩。这表明，噻吩被优先吸附于大杂石外表面上，因此用索氏和超声处理时，能以相同效率溶于淋洗剂中。

3.2 土壤洗涤

只用水淋洗土壤A，不能有效地去除土壤中的污染物（图1）。事实上，采用索氏和超声处理Milli-Q级水淋洗过的土壤A和没有淋洗过的土壤A，从淋洗过的土壤A中获得的污染物只略低于没有淋洗过的土壤A中的污染物。而用水淋洗土壤B后则能更有效地去除污染物，特别是用超声处理提取污染物。这可能是由于细质土壤的泥土颗粒在水中聚集[55-57]，因此采用索氏提取法限制了污染物的溶解。

表2 同时利用索氏抽提和超声萃取从土壤A和B中提取的特定污染物的量（mg/kg）

有报道称合成表面活性剂可以去除被污染土壤中的有机污染物，机理是通过污染物再分配，在水中形成表面活性剂胶束相。然而，只有当表面活性剂溶液接触土壤颗粒表面，并且污染物被解吸成胶束相状态，这个过程才会发生[27,28,32,58]。

在这项工作中，无论是合成的（SDS和TX100）或天然的表面活性剂（HA）都比水能更有效地去除高度污染土壤的污染物（图1）。一般来说，这里所使用的合成表面活性剂，能够将土壤污染物的含量减少80%到90%以上，之前的文献研究证实了这一点[35,39,59]。这项工作首次证明了天然无毒表面活性剂如腐殖酸能和合成表面活性剂一样，能有效地去除被污染土壤中的污染物（图1）。

土壤淋洗（SW）可能会影响土壤结构层次，因为发生了聚集颗粒大小再分配[52]。采用索氏和超声处理被水淋洗前后的土壤，两次实验获得了基本相同数量的多环芳烃、多氯联苯、亲水卤化物、含氮化合物、噻吩和砜（见表3）。因此，土壤A中占主导地位的粗粒结构不会在水中进一步生成影响污染物去除的颗粒聚集体。土壤B质地更细，土壤颗粒具有形成聚集体的倾向，可能是超声处理比索氏提取更能去除大量污染物的原因（表4）。

在土壤淋洗技术中，使用合成的或天然的表面活性剂都有可能增加土壤结构的稳定性，这是因为表面活性剂的疏水性对固体土壤颗粒的聚集影响[48]。这可能反过来影响测量过程中的污染物溶解程序，影响程度取决于污染物的具体结构。

图1 采用H2O、SDS、TX100和HA对土壤进行淋洗后，运用索氏法和超声波处理从土壤A和土壤B中获得的总污染物含量（mg/kg）

土壤洗涤后，土壤聚集体结构的变化可用于解释特殊污染物去除的原因。对于土壤A，用SDS淋洗后，超声处理比索氏提取能更有效地去除多环芳烃（表3）。相反，索氏能够去除更多的噻吩，联苯基和单芳香基的含氮化合物和卤代物（表3）。TX100洗涤土壤后，超声处理能够提取更多的疏水多环芳烃和砜类，而索氏则能更有效地获得噻吩和联苯（表3）。这些结果的形成原因可能是，采用表面活性剂处理后土壤颗粒聚集体发生变化，以及随后发生的污染物在新土壤聚集体的内表面或外表面的不同分布。

表3 采用H2O、SDS、TX100和HA对土壤进行淋洗后，运用索氏法和超声波处理从土壤A中获得的污染物含量 （mg/kg）

表4 采用H2O、SDS、TX100和HA对土壤进行淋洗后，运用索氏法和超声波处理从土壤B中获得的污染物含量 （mg/kg）

此外，用HA淋洗土壤，用这种天然有机物进行处理可能已经产生了一种替代土壤A的块状物，并随之产生了不同污染物溶液。然而，相对于SDS和TX100，采用索氏或超声处理（表3），用HA洗涤土壤A能够除去大量PAHs。这可能是由于HA胶束相的异质性，和具有不同结构的同等效率的多环芳烃相结合的能力[34]。尽管如此，超声处理比索氏提取去除了更多的氯化单芳硝基，卤代化合物和联苯，而索氏比超声处理能更高效地提取噻吩（表3）。

相对土壤A，由于洗涤导致细质土壤B的聚集体结构变化，这可能是能从土壤B中除去特殊污染物的原因。 除了TX100，采用所有其他洗涤剂，通过超声处理除去多环芳烃（表4）。砜是土壤B中的较大污染物（表2），采用超声处理比采用土壤淋洗程序后的索氏法更容易除去大量砜（表4）。除了少数例外，在经过完整的土壤淋洗程序后，采用超声处理能除去更多的土壤B中的剩余特殊污染物。在运用土壤淋洗程序后，采用超声处理能够更有效去除特殊污染物，这一点针对没有淋洗过的土壤也是同样有效的。再次，这要归因于土壤结构的稳定性，粒间的相互作用力很强，超过了超声处理的破坏力，因此依靠简单的索氏提取不能使特殊污染物溶解。

4. 结论

这项工作已经证实，水不能从被污染土壤中高效地去除污染物，并且在土壤洗涤程序中，应该依赖有机表面活性剂。然而，能有效洗涤土壤的合成表面活性剂如SDS和TX100，因为他们具有生物毒性，有可能会带来新的环境问题。而天然表面活性剂如腐殖酸溶液，在洗涤污染土壤方面，与合成表面活性剂的效率相同。推荐使用环保的腐殖质修复污染严重的土壤的重要性应该是不言而喻的。腐植酸类物质，甚至可以提高被洗土壤的生物活性，并有助于异地修复后的土壤的进一步自然衰减[34,60]。此外，残留在土壤中的部分腐殖质可能对植物生长起到有利的作用，从而有助于被处理过的土壤完全复原[61]。

研究结果还表明，土壤质地是需要考虑的一个重要参数，选择最合适的分析技术移除和确定土壤污染物。当土壤具有手感细腻的特征时，通过超声处理而非索氏法能更有效地定量地除去污染物。而在处理粗糙质地的土壤时，两种方法去污效果相同。然而，由于超声处理的速度比索氏快（在实验工作中，相对于索氏所需的48h，超声处理只用了12min），推荐超声处理为所有类型土壤的标准处理程序。

（丁宇 编译）

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