老化过程中铜形态变化的X射线吸收精细结构谱的(XAFS)初步研究

郭广勇,袁 涛,汪 洁，王文华,

1. 上海师范大学生命与环境科学学院，上海2002342. 上海交通大学环境科学与工程学院，上海200240

老化过程中铜形态变化的X射线吸收精细结构谱的(XAFS)初步研究

郭广勇1,袁 涛2,汪 洁1，王文华2,*

1. 上海师范大学生命与环境科学学院，上海2002342. 上海交通大学环境科学与工程学院，上海200240

利用X射线吸收精细结构谱(XAFS)对老化过程中土壤中铜的分子形态进行初步表征。以硫酸铜、氧化铜和硫化铜的X射线吸收扩展边结构(EXAFS)谱为参比，对土壤样品中Cu的EXAFS谱进行拟合，得到不同老化阶段与参比物质相对应的结合态Cu的百分含量，并与连续提取法表征进行比较。XAFS分析结果表明，老化阶段土壤样品中铜的主要结合形态是CuSO4，同时还有部分CuS，基本不含有CuO。随着时间的推移，土壤中CuSO4百分含量呈现出下降的趋势，CuS百分含量呈现出上升的趋势。这与连续提取法研究结果中其可交换态的百分比下降，残渣态上升的趋势相似。

老化过程；铜形态；土壤；X射线吸收光谱(XAFS)

影响土壤中金属形态分布的因素很多：金属的来源、数量等；土壤理化性质如pH 值、Eh、土壤质地、阳离子交换量；土壤中胶体种类、数量及老化时间等[1]。老化作用是决定土壤中金属形态的主要因素之一[2-3]。研究发现：铜污染土壤后，其可浸提性、生物有效性都会随接触时间而缓慢下降[4-5]，田间实验表明污染土壤中的铜与人工新添加的铜(即使经过短期培养)其有效性或毒害存在着较大的差异，前者明显低于后者[6-7]。

基于重金属在土壤表面的不同结合强度，化学连续提取方法被广泛接受和普遍应用，由于重金属重新吸附和沉淀等快速化学反应，在提取过程中其形态也会发生改变[8-9]。化学提取法只能提供操作上定义的重金属形态，而非土壤重金属的真实赋存形态[10]。

X射线吸收精细结构(XAFS)谱是同步辐射应用的最重要领域之一[11-12]。作为一种强有力的结构探测技术，XAFS在环境中元素的形态和反应机理的研究中可以发挥重要的作用。XAFS技术在分析环境生物样品中金属形态时可以通过吸收峰的能量位置确定金属价态；获得中心原子的配位环境，包括配位原子类型、配位数、配位键长等信息；利用样品和参比物质的X射线吸收扩展边结构(EXAFS) 谱进行线性组合拟合，得出样品中各参比物质类似结构的相对含量[13-14]。栗斌[15]等用XANES研究微生物矿化的微观机理，获得了铬还原菌与六价铬作用过程中的微观结构信息。王荫淞[16]采集了上海市不同地区不同粒径的大气颗粒物样品，用EXAFS谱研究了大气颗粒物中铁的种态，得到样品中铁的化学组成。结果表明，样品中铁主要由Fe2O3、Fe3O4和Fe2(SO4)3组成，它们的比例在不同样品中有一定差别。

本文目的是研究土壤铜的形态在老化过程中的变化趋势，尝试利用XAFS技术对土壤中铜的分子形态进行初步表征。以硫酸铜、氧化铜和硫化铜的EXAFS谱为参比，对老化土壤中铜的实测EXAFS谱进行线性组合拟合，从而得到土壤中不同结合态铜的百分含量，并与连续提取法表征进行比较。

1 材料与方法 (Materials and methods)

1.1 样品理化性质分析

供试土壤取自上海地区典型农田表层土壤(0～20 cm)为研究对象，土壤类型为潮土。土样采集后风干、过4 mm筛。土壤样品的理化性质如表1。

1.2 土壤老化过程

称取300 g上述经风干、过筛预处理后的土壤样品，加入含铜浓度为22.84 mg·L-1的硫酸铜溶液100 mL，使土样中含铜浓度为100 mg·kg-1。混合均匀，风干后过4 mm筛、置于塑料瓶中密封保存。分别在处理后1 d、7 d、14 d、24 d、100 d、200 d、300 d和400 d取20～25 g样品进行相关分析测定[17,18]。

1.3 土壤中铜的测定

采用Tessier[19]连续分级提取方法获得土壤中铜的各个形态。各形态提取液体用ICP-AES (IRIS Advantage/1000, TJA, 美国)进行测定分析[20], 分析设三次重复。

利用上海光源(SSRF)BL14W1光束线同步辐射X射线吸收精细结构 (XAFS)，对老化土壤中铜的形态进行研究。XAFS光谱主要参数：运行能量3.5 GeV，环周长423 m，自然水平发射度295 nmrad，平均流强200～300 mA。数据利用Athena软件进行分析[21]。

2 结果与讨论 (Results and discussion)

2.1 土壤老化过程中铜形态分布

Tessier连续分级提取方法分析老化过程中土壤铜的各形态变化趋势如表2所示。刚加入到土壤时，铜的可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态的百分含量分别为49.2%、20%、13.1%、9.4%和8.4%。随着老化时间的延长，样品中可交换态铜的百分含量明显下降。400 d后可交换态铜的百分含量只有3%左右。研究认为加入土壤中的可交换态外源重金属在30 d内有17%的比例可以转化为EDTA可提取形态及残渣态[22]。Han[23]认为土壤中重金属形态的重新分布主要受到背景重金属的形态分布、重金属添加量以及重金属与土壤的接触时间等因素的影响。

表1 土壤理化性质Table 1 Physicochemical properties of soils

表2 不同老化时间下土壤中各形态铜的百分含量Table 2 The percentage of each Cu speciation in soil under different aging time

碳酸盐结合态铜与可交换态铜的变化趋势变化相似，但是后者变化不如前者明显。老化400 d后，土壤样品中碳酸盐结合态铜的百分含量为6.4%。有研究认为碳酸盐结合态随着环境而变化，有可能释放到环境中，同样会被植物吸收进而进入食物链而造成危害[24-25]。

铁锰氧化物结合态铜和有机物结合态铜的百分含量随着时间的延长呈现增加的趋势，但有机物结合态铜没前者增加的明显。老化400 d后，样品中铁锰氧化物结合态铜和有机物结合态铜的百分含量分别为44.7%和26.5%。研究表明土壤中的铁锰氧化物影响土壤对重金属的吸持及固相组分的重新分配[26]。

老化400 d后，样品中残渣态铜的百分含量为2.2%。一般认为残渣态和矿物晶格相结合，因而不容易释放到环境中去[27]。在老化过程中不同形态的含量变化表明了铜从易提取态逐渐向稳定的难提取态转化的老化机理,又提示这个老化反应是一个缓慢的过程。

2.2 土壤老化过程中铜的XAFS分析

用XAFS对老化土壤样品以及Cu参比物质：硫酸铜、氧化铜和硫化铜进行分析。测定后的X射线吸收光谱采用Athena软件按照标准方法进行解析。获得相应配位层的EXAFS谱。对图谱线进行拟合，得Cu的近邻原子的配位数(N)和对应的配位间距(R)等结构信息。

图1为三种Cu参比物质经过背底扣除和归一后的K边X射线吸收近边结构谱(XANES)。可以看到，参比物质中Cu的K边吸收峰所出现的能量位置均在8 987 eV处左右，表明参比物中Cu均以二价Cu的形式存在。由于不同Cu结合参比物的配位结构不同，其Cu的K边吸收峰出现的能量存在一定差异，参比物质谱的形状存也不同。X射线吸收近边结构谱经过μ0拟合、E-K转换并加权k3，得到EXAFS震荡信号，图2为EXAFS图谱，波矢范围选取1～10 Å-1。从图2可以看出谱型不同，表明参比物质晶体结构不同。采用Harming窗口函数进行Fourier变换得到参比Cu化合物的径向分布函数(RDF)，如图3。从图3可以看出三种参比物质在1.94～1.95 Å左右的峰对应的是Cu原子的第一配位层，即Cu-O配位。与CuO的第一壳层位置基本一致。

图1 铜参比物质X射线吸收近边结构谱(XANES)Fig. 1 The normalized Cu K-edge XANES spectra from Cu standard compounds

图2 铜参比物质X射线吸收扩展边结构谱(EXAFS)Fig. 2 Cu k-edge EXAFS spectra from Cu reference materials

图3 铜参比物质EXAFS谱的径向分布函数(RDF)Fig. 3 The radial distribution functions of Cu reference materials

常用Cu化合物的配位结构如表3，Cu片配位层为Cu-Cu键，配位数为12.2，键长为2.95 Å；Cu2O配位层为Cu-O键，配位数为1.6，键长为1.85 Å；CuO配位层为Cu-O键，配位数为2.5，键长为1.96 Å；CuS配位层为Cu-S键，配位数为3，键长为2.19 Å。

以CuS、CuO、CuSO4的EXAFS谱为参比，对不同老化阶段土壤中Cu的实测EXAFS谱进行线性组合拟合，分析样品中这三种Cu的分子形态，从而得到不同土壤组分结合态Cu的百分含量。图4为含铜浓度为100 mg·kg-1的土壤经老化处理7 d、14 d、24 d、100 d和400 d后，样品中铜的K边XANES谱。结果发现，老化处理后土壤铜的XANES谱差异不大，与CuSO4的谱形和近边峰位置较为相似，这表明老化土壤Cu的价态和配位结构相似，没有发生很大的形态转化，可能主要以二价Cu和Cu-O配位为主。

老化土壤中Cu经过μ0拟合、E-k变换所得的k空间的EXAFS谱如图5所示。从图中可以看到老化土壤的EXAFS谱呈现出较复杂的特征，老化后铜的径向分布函数与硫酸铜非常相似。谱线反映了以铜原子为中心的较高配位壳层的散射情况。

表3 参比物质Cu化合物的配位结构[28-29]Table 3 The coordination structure of Cu standards[28-29]

图4 老化土壤中Cu的K边X射线吸收近边 结构谱(XANES)Fig. 4 The normalized Cu K-edge XANES spectra of aging soil samples

图5 老化土壤中Cu的K边扩展X射线精细 结构谱(EXAFS)Fig. 5 Cu K-edge EXAFS spectra of aging soil samples

图6 老化土壤样品的Cu的K边EXAFS谱(黑线)及各参比 物质的拟合(红线)(以CuS、CuO、CuSO4为参比的拟合)Fig. 6 Fitting results of Cu K-edge EXAFS spectra from aging soil samples and Cu reference materials. Black lines are experimental data and red lines are linear combination of Cu reference materials (CuO，CuS and CuSO4)

浓度为100 mg·kg-1的老化土壤样品中CuS、CuO、CuSO4配体的百分含量通过最小二乘拟合估算，图6为参比物的结合态铜K边EXAFS谱与老化土壤中Cu的K边EXAFS谱拟合结果，实线部分表示实测老化土壤样品的Cu的K边EXAFS谱，红线部分表示参比物拟合模拟出的EXAFS谱，拟合结果见表4。结果表明，不同老化阶段的土壤样品中Cu主要结合形态是CuSO4，同时还有部分CuS，基本不含有CuO。随时间的延长呈现出CuSO4下降，CuS上升的趋势。由于配制实验的土样经预处理后装在密闭塑料瓶中，除表层土壤与空气较少接触外，内部可能呈厌氧或是缺氧状态，在此条件下土壤中的硫酸盐还原菌促成重金属与硫形成难溶性的硫化物，使它们的迁移性和生物可给性降低[10-31]。研究表明铜与含硫基团有优先结合的能力，在类似的结构中，Cu-S的结合力比Cu-O的结合力更强[32-33]]，锌及镉与含硫基团的结合也有这样的研究结果[34]。由此实验中出现CuS可能与样品老化时的厌氧或缺氧条件有关。

在连续提取法研究中，CuSO4属于可交换态级分，而CuS包括在残渣态级分中。土壤的老化过程中，其可交换态的浓度和百分比下降，残渣态持续上升，这种趋势与表4 的拟合结果一致。

Scheckel[9]研究发现铅污染土壤添加CaHPO4后，可提取的铅明显转变为残渣态。XAFS研究证明重新分配原因是由于溶解在提取剂里的铅与磷发生化学反应，生成了沉淀磷氯铅矿(pyromorphite)。

Strawn等[35-36]对有机质含量低的铜矿区污染土壤的K边EXAFS研究表明铜主要以无机结合态形式存在，主要与含铁矿物或氧化物结合。而对施用含铜农药、污泥以及实验室内添加硫酸铜的土壤中铜的K边EXAFS谱进行分析，发现土壤铜主要以有机络合态形式赋存。Sayers等[37]用铜的EXAFS发现不同深度污染土壤铜的分子形态显著不同，随着土体深度增加铜的分子形态由铜-氧配位向铜-硫配位过渡。

表4 老化土壤样品对标准样品的Cu的EXAFS拟合结果Table 4 The fitting results of the EXAFS spectra with a linear combination of measured data of standard compounds

注：“--”表示未检出。

Note：“--”Not detected.

可见，土壤铜的分子形态除与时间有关外，还土壤的自身属性特点有关。研究采取“干土”条件下进行，一定程度上可避免由于土壤自身的性质差异而对结果造成的不同影响。XAFS技术的初步研究结果与化学提取法的变化趋势相一致：土壤中铜的存在形态随着老化时间的延长而趋于稳定。化学提取法可判断不同提取级分中的铜结合态，每个级分应该包括了多种分子形态，而XAFS方法给出的形态信息更多表现在分子结构的层面。利用XAFS技术研究老化过程中土壤铜的各种分子形态需要有可能存在于土壤中的各种铜分子作为参比物质，才能获得较全面的分子结构信息，也利于与化学形态进行比较分析。尽管只以三种铜化合物作为参照进行初步分析并不能完全反映铜的分子结构信息，但是作为一种新的研究方法，XAFS技术对金属形态表征具有重要意义。

致谢：感谢上海光源(SSRF)的帮助和支持。

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◆

StudyontheCuSpeciationinSoilduringtheAgingProcesswithXAFS

Guo Guangyong1, Yuan Tao2, Wang Jie1, Wang Wenhua2,*

1. School of Life and Environmental Sciences, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China2. School of Environmental Sciences and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

27 March 2014accepted2 September 2014

The speciation of copper in soil during the aging process was studied by x-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy. Theoretical fitting of the EXAFS spectra from the soil was done using the extended x-ray absorption edge structure (EXAFS) spectra of copper sulfate, copper oxide and copper sulfide as references. Then, the concentrations of the copper during the aging process were obtained and compared with the date obtained from the sequential extraction methods. The results proposed that the copper in the soil existed as CuSO4and CuS, with CuSO4predominating. No CuO was found in the soil. During the aging process, the content of CuSO4in soil increased gradually, while that of CuS decreased. The result is in agreement with the conclusion that obtained from the sequential extraction analysis.

aging process；speciation；soil；x-ray absorption fine structure(XAFS)

2014-03-27录用日期：2014-09-02

1673-5897(2014)4-663-07

： X171.5

： A

王文华(1949—)，女，博士生导师，教授，主要研究方向为生态毒理学和污染生物化学。

郭广勇(1970-), 男, 博 士, 研究方向为毒理学，E-mail: guangyongcn@163.com;

*通讯作者(Corresponding author), E-mail：whwang@sjtu.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897.20140327003

郭广勇, 袁 涛, 汪 洁, 等. 老化过程中铜形态变化的X射线吸收精细结构谱的(XAFS)初步研究[J]. 生态毒理学报, 2014, 9(4): 663-669

Guo G Y, Yuan T, Wang J, et al. Study on the Cu speciation in soil during the aging process with XAFS [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(4): 663-669 (in Chinese)