利用DGT实时监测模拟根系吸收土壤重金属

张春兰，张嘉琪⋆，赵玉杰，宋志廷,王晓丽（.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384；.农业部环境保护科研监测所，天津 3009）

利用DGT实时监测模拟根系吸收土壤重金属

张春兰1，张嘉琪1⋆，赵玉杰2，宋志廷2,王晓丽1
（1.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384；2.农业部环境保护科研监测所，天津 300191）

为了研究植物根系对土壤重金属吸收的动态情况，并进一步评估土壤中的重金属浓度，运用DGT扩散膜和电化学工作站结合的方式，对10、100μ g· L-1的Cd2+溶液进行模拟植物根系吸收重金属试验。当土壤中重金属Cd2+浓度大于等于100μ g· L-1时，选择差分脉冲伏安法监测动态扩散；当浓度小于100μ g·L-时，选择线性扫描伏安法监测动态扩散。结果表明，这种方式不仅能真实地模拟植物根系的动态吸收情况，而且实验所得结果真实可靠，相比先取溶液再测定的方法具有实时监测、灵敏度高、误差小等优势。

土壤；梯度扩散薄膜技术（DGT）；扩散膜；重金属；电化学工作站

X833

A

作为人类的食物及各种营养元素的主要来源之一，农作物的安全和质量与人们的生活、健康息息相关。随着工业与科技的发展，重金属污染对农作物的影响越来越明显。重金属不仅在生态链中具有极大的危害，且具有累积效应。随着各部门对农作物中重金属的重视程度越来越高，对农田中重金属的检测要求也越来越高。

对土壤重金属进行有效态的准确测量比较困难，在大部分研究中，土壤中的有效态（Labile Species）是通过对采集来的土壤样品进行金属形态分析而获得［1］。实际上，土壤环境是个包含化学、物理和生物的复杂动态过程，任何土壤颗粒物和溶液间的平衡极易受所处环境条件影响，从而导致采样过程和提取过程中金属形态发生变化。梯度扩散薄膜技术（Thetechnique of diffusive gradients in thinfilms，DGT）是一种用于提取水体、底泥和土壤中重金属生物有效态的技术［2］，它引入了一个动态概念，是基于菲克（Fick）扩散第一定律，通过模拟植物或者其他生物对重金属的吸收过程进行重金属生物有效性的研究。DGT主要由扩散膜、结合膜和支撑固定膜材料的外套组成［3］，其中，扩散膜为介质中的离子态金属和有机结合易解离态金属提供扩散及解离通道。这两种重金属形态也是植物可吸收的主要形式［4-6］，其提取的重金属活性部分与植物、动物吸收的重金属含量存在较好的相关性，是现在公认的提取重金属生物有效态较合理的方法［4，7-10］。林繁等［11］采用的是先扩散再定时采样测量的方法，这种将样品带回实验室经过制样、上机检测、数据统计输出等过程的方式获得的重金属检测量不能真实反映重金属对农作物的危害情况，无法直接用于指导农产品安全生产。

电化学法是近几年发展较快的一种快速检测重金属的方法。该方法不仅操作简单、灵敏度高、检出限低，且可快速测定现场中重金属。本文在电化学法的基础上，通过基于LabVIEW自主研发的重 金属分析仪工作站［12］，主要利用差分脉冲伏安法和阳极溶出伏安法检测重金属，通过一体化装置检测扩散膜模拟植物根系吸收土壤重金属离子，从而可以很好地实现农产品产地重金属的检测及安全评价。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

重金属分析仪（LabCHEM-10M，自主研发），AM3250B恒温磁力搅拌器（上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司），三电极系统（工作电极、参比电极、辅电极），丙烯酰胺（国药集团化学试剂有限公司），DGT凝胶交联剂（浓度为2%，购自DGT ResearchLtd.，Lancaster，UK），Cd标准溶液（1000.00μg·mL-1，国家钢铁材料测试中心），Hg标准溶液（1000.00μg·mL-1，国家钢铁材料测试中心），醋酸-醋酸钠缓冲液（0.1mol·L-1，pH 4.0），实验所用试剂均为优级纯，实验用水均为超纯水。

1.2 玻碳电极预处理

将玻碳电极进行预处理后把三电极系统放入50mg·L-1汞离子溶液中，在-1～1V电位区间内进行循环伏安扫描活化处理，至循环稳定后于-0.6V电位下沉积240s，在玻碳电极表面镀上一层质地均匀的银灰色汞膜备用。

1.3 扩散膜的制备

扩散膜的制备方法：移取15mL DGT凝胶交联剂，15g丙烯酰胺，用超纯配制得丙烯酰胺溶液100mL。取10mL上述溶液放入100mL烧杯中，加入70μL 10%过硫酸铵引发剂，25μLN，N，N，N-四甲基乙二胺（TEMED）作为催化剂搅拌。将混合溶液倒入两块一定间隙光滑的玻璃夹板中。将玻璃夹板在42～46℃条件下静置反应1h，待凝胶形成后，立即放入超纯水中水化，24h内换4次水。水化完全后的扩散膜低温储存在0.1mol·L-1NaNO3溶液中。实验所用扩散膜厚度为0.8mm。

1.4 自动监测扩散装置

自动监测扩散实验装置如图1所示，由两个127mL的有机玻璃容器组成，原液室A，待测室B，容器A的左侧面和容器B的右侧面中央均有直径为2.0cm的圆形开口。准备两张适宜尺寸的硅胶板，上面打上均匀的透过孔，然后将相同尺寸的扩散膜夹在两张硅胶片中间，作为一个整体夹在A、B两室之间，通过螺母、螺丝固定，A、B两室上面都有对应的上盖，上盖上有三个螺纹孔，以便让三电极插入溶液中并固定，通过电化学工作站测定B室溶液里重金属的浓度。扩散膜能是模拟植物根系吸收重金属情况，所以该装置完全能模拟植物根系的动态吸收。

图1 实验装置图

1.5 实时监测重金属镉（Cd2+）的扩散

目前，对农田土壤重金属污染进行评价结果显示，从单项污染指数来看，土壤中的镉达到重度污染水平［13］，且受污染的农田面积较大，土壤中重金属镉的含量可以达2.34mg·Kg-1［14］。同时考虑土壤环境治理标准值镉的背景值0.2mg·Kg-1，所以自然界土壤中的Cd2+浓度范围为1～300μg·L-1。本实验选择100、10μg·L-1两个浓度进行实验。A、B两室同时加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸缓冲溶液，然后于A室中单独加入Cd2+，使A室中Cd2+的浓度分别为100、10μg·L-1，同时开启电化学工作站，实时监测B室中Cd2+的浓度。

1.6 平行样的测定统计分析

图2 B室Cd2+浓度随时间的变化曲线（100μg·L-1）

取四川某地土壤进行消解处理后，对土壤样品进行分析，将样品溶液分成10组平行样，5组用ICPMS测定其中的重金属Cd2+离子的浓度，并以此作为标准参照，另外5组用自主开发的电化学工作站进行测定，比较其中重金属Cd2+的浓度。

2 结果与讨论

2.1 实时监测结果

2.1.1 100μg·L-1Cd2+样品的扩散

将备用的镀上汞膜的工作电极、参比电极、对电极连入装置，进行参数设置：-1V电位下沉积240s，差分脉冲伏安法在-1～0V的电位下进行扫描，并于0V电位下清洗，实验循环6h。A、B两室同时加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸缓冲溶液，然后向A室加入100μg·L-1Cd2+样品，开始实验，实时监测扩散到B室的重金属浓度，做出B中Cd2+浓度随时间的变化曲线如图2。

当两室溶液浓度平衡后，分别取A、B溶液测平衡时溶液100mL，用标准加入法分别求出溶液中B室平衡时，Cd2+为19.634μg·L-1；A室平衡时，Cd2+为13.860 6μg·L-1，然后，根据扩散系数D（cm2·s-1）用式（1）计算［15，16］。

式（1）中：A为扩散池圆形开口面积（12.57），cm2；Δg为扩散膜或透析膜的厚度，扩散膜的厚度为0.08mm；slope是每分钟原溶液中镉扩散到受体溶液的质量，以μg·min-1计；C为原溶液浓度，以μg·L-1计；60是时间从分转化为秒的系数，得出当原溶液浓度为100μg·L-1时，其扩散系数如图3所示。

图3 Cd2+随时间的扩散系数变化（100μg·L-1）

通过上图分析可以发现，由于开始A、B两室重金属Cd2+的浓度差较大，考虑到通过扩散膜的时间，其扩散速率是先增加达到最高值后，逐渐减少至两室浓度分别平衡。

图4 B室Cd2+浓度随时间的变化曲线（10μg·L-1）

2.1.2 10μg·L-1Cd2+的扩散

将备用的镀上汞膜的工作电极、参比电极、对电极装入装置，实验参数设置在-1V电位下沉积480s，用线性扫描伏安法在-1～-0.4V的电位下进行扫描，在0V电位下清洗，实验循环20h。A、B两室同时加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸缓冲溶液，然后向A室加入10μg·L-1Cd2+样品，开始实验，实时监测扩散到B室的重金属浓度，做出B室中Cd2+浓度随时间的变化曲线如下图4。

当两室溶液浓度平衡后，分别取A、B溶液测平衡时溶液100mL，采用标准加入法求出B室平衡时，Cd2+为1.857μg·L-1；A室平衡 时，Cd2+为7.906μg·L-1，带入上述扩散系数D（cm2·s-1）用式（1）计算，求出当原液浓度为10μg·L-1时，溶液中Cd2+离子 的扩散系数如下图5。

图5 Cd2+随时间的扩散系数变化（10μg·L-1）

通过图5分析可知，由于扩散膜本身的性质及浓度梯度差的影响，开始A、B两室重金属Cd2+有一定的浓度差，随着Cd2+不停扩散，其扩散速率不断减少，直至两室浓度分别平衡，所需时间较长。

通过上述实验得出，当原液浓度不同时，由于扩散本身浓度差和扩散膜的影响，溶液里的重金属扩散速率变化不同，原液重金属离子浓度越高，植物根系吸收的速率越快，且不同浓度的溶液所采取的监测浓度的方法是不同的。因此，在应用于现场浓度的实时测定时，应根据农田中土壤重金属的大概浓度，选择合适的实验监测方法。通过上述装置和方法不仅可以成功模拟植物根系吸收重金属的动态情况，还可以计算出随着时间的累积，根系从土壤中吸收的重金属质量，从而进一步估算出农产品所在土壤的重金属是否超标，方便快速安全评价分析。

2.2 测定误差分析

取四川某地土壤，消解后分成10组平行样，5组用ICP-MS测定其中的重金属Cd2+离子浓度，并以此作为标准参照，另外5组用自主开发的电化学工作站进行测定，比较其中重金属Cd2+的浓度（见表1）。

表1 平行样品中Cd2+浓度（n=5）

通过实验数据比较，本LabCHEM-10M电化学工作站所测得的数据真实可靠，灵敏度较高，且电化学工作体积小，是一种便携式仪器，方便对农田中土壤的重金属进行现场测定。

3 结论

（1）通过对比100、10μg·L-1Cd2+的扩散可以发现，当浓度较高时，实验采用差分脉冲伏安法，重金属离子通过扩散膜达到平衡的时间较短；当浓度较低时，采用线性扫描伏安法，此时，重金属透过扩散膜达到平衡所用的时间较长。无论是高浓度还是低浓度离子，通过扩散膜的浓度在一段时间内都成线性增长。

（2）同样的扩散膜，重金属浓度不同时，离子的扩散系数不一样，浓度高时，离子扩散系数高；浓度低时，离子的扩散系数较低，但在同一次扩散中，扩散系数都是逐渐降低的，且成线性降低。

（3）通过本装置可以实现实时监测通过扩散膜的重金属的浓度，这种方法可以避免采用取样后在测浓度中带来的误差。实验初步形成以“安全信息快速采集、检测结果现场传输”主为体的农产品产地安全支持硬件体系模型。虽然该装置只是模拟植物根系吸收重金属，但这种装置便携性很强，实验精确度较高，有望用于现场检测。

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Real-time Monitoring Simulation Absorption of Heavy Metals in Soil Root DGT

ZHANG Chun-lan1, ZHANG Jia-qi1⋆, ZHAO Yu-jie2, SONG Zhi-ting2, WANG Xiao-li1
College of Environmental Science and Safety Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384; 2.Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191)

In order to develop the dynamic of the plant root system absorption of heavy metals and make the further evaluation in the soil, using the method of the combination of electrochemical workstation and DGT diffusion membranes do experiment on the Cd2+concentration of 10、100μ g· L-1. According to the different concentration of Cd2 +in soil, through the analysis it concluded that the differential pulse voltammetry is suitable for the concentration of Cd2 +exceeded 100μ g· L-1, the linear sweep voltammetry is suitable for the concentration of Cd2 +under 100μ g· L-1. The experiment result is accurately, compared to other methods for applying the solution first, then monitoring, the main advantage of this method is real-time monitoring, high sensitivity and small errors.

Soil; Diffusive gradients in thin-films (DGT); Diffusion membrane; Heavy metals; Electrochemical workstation

2096-0387（2015）01-0012-04

简介：张嘉琪（1962-），男，天津人，教授。

张春兰（1982-），女，天津人，研究生，工程师，研究方向：环境工程。