基于酸碱法和树脂法的土壤多环芳烃分级

隋 红，任兴飞，廖晓勇，阎秀兰，马 栋

（1.天津大学，天津 300072；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3.天津化学化工协同创新中心，天津 300072）

多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一类含有2个或2个以上苯环的碳氢化合物，在环境中较为稳定，难以降解，会在土壤介质中不断积累[1]。据调查，环境中的PAHs来源广泛，包括人工污染源和自然污染源，其中在人工污染源中，焦化厂排放 PAHs最为严重[2-3]。近年来，我国不同地区工业和农田土壤中都有不同程度PAHs检出，且部分地区的超标率较为突出[4-5]。

PAHs在土壤环境中的迁移及环境行为取决于它们与土壤不同组分的相互作用[6]，土壤有机质通常被认为是影响PAHs环境化学行为的重要因素之一。由于土壤有机质的异质性，导致疏水性有机污染物如PAHs在土壤上的吸附呈现非线性等温线及吸附-解吸迟滞，且不同土壤吸附能力存在较大差异。PAHs的性质会影响其赋存，比如PAHs相对分子质量会影响PAHs吸附和封锁。PAHs相对分子质量越大，吸附系数越大[7]。而相对分子质量较大的分子，一旦被锁定在土壤颗粒的微孔中或镶嵌在腐殖质的网状结构中，就很难再解吸，从而残留在土壤颗粒中。Bogan and Trbovic提出 PAHs的在土壤中封锁的双模型过程，即PAHs溶解到疏水有机质表面，即胡敏酸和富里酸等橡胶态非刚性结构中；然后扩散到土壤颗粒间的微孔中，即玻璃态刚性的胡敏素微孔中的内表面[8]。由于腐殖质是一个结构复杂的高分子混合物，不同来源、提取方法和提取时间提取的胡敏酸、富里酸和胡敏素会存在差异[9]。目前，对于胡敏酸和富里酸分子结构的研究比较多[10]，而胡敏素由于组成复杂，分离纯化困难和酸碱不溶性等原因，有关胡敏素的研究资料十分有限。

因此，本研究先将土壤按密度分级，分为轻组和重组，而重组的主要成分是腐殖质，从而进一步根据腐殖质在溶解度和吸附特性方面的不同进行分级，分成胡敏酸、富里酸以及胡敏素，研究 PAHs在不同有机质组分中的赋存特征，并且采用红外光谱技术对不同方法提取的不同组分进行分析鉴别。土壤中污染物的分级研究也是为了更好地解释污染物在土体中的分配过程和毒性效应，为建立土壤PAHs分级方法提供科学依据，以及为PAHs在土壤中的迁移转化规律研究奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试样品采自北京市某焦化工业场地的表层土壤，土样经充分混合后置于4℃冰箱内保存待处理。土壤TOC含量平均为1.51%，有效铁含量平均为15.6 mg·kg-1，有效锰含量平均为 186.0 mg·kg-1，硫酸根平均含量为 122.0 mg·kg-1，土壤中多环芳烃的总浓度为54.45 mg·kg-1，16种多环芳烃的浓度见表1。

表1 焦化厂土壤中PAHs浓度 （中国北京）Table 1 Concentrations of PAH s in coking p lant’s soil（Beijing，China）

1.2 土壤PAHs分级方法

土壤分轻组（LF）和重组（HF），其中 LF的主要成分为正在分解中的动植物残体、菌丝体、孢子、单糖、多糖和半木质素等；HF主要为胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）。轻组和重组的提取方法参考 Ni[11]，其中 ZnBr2溶液密度为 1.8 g·cm-1；胡敏酸、富里酸和胡敏素的分离分别采取酸碱分级法和树脂分级法：酸碱分级法采取国际腐殖质协会（IHSS）的提取方法，具体步骤见图1。树脂分级法参考李会杰发表文献[10]（图2）。

1.3 分析和检测方法

土壤中PAHs浓度的测定方法：PAHs采用气相色谱AGILENT6890N进行测定。分析条件：HP-5MS 30 m×0.25 mm毛细色谱柱，载气为氦气，柱前压0.03 MPa，线速度37 cm/s，进样口温度300℃，初始温度60℃，以 5℃/min速度升至 300℃，保留20 min至样品完全流出。

土壤组分的物质定性鉴别方法：分别用分析天平（精确到0.0001 g）称取土壤5个组分样品2 mg和100 mg KBr粉末（光谱纯），以 m（样本）∶m（KBr） =1∶50的比例在玛瑙研钵中混磨后压片。用傅里叶变换红外光谱仪扫描测定，仪器分辨率为4 cm-1，扫描区间为4400～400 cm-1，记录其光谱。

图1 酸碱分级法流程图Fig.1 The flow char t of acid and alkali classification m ethod

2 结果与讨论

2.1 土壤各组分物质鉴别

图3为轻组、重组，以及胡敏酸、富里酸、胡敏素的红外光谱图。2种分级方法所分离相同组分物质吸收峰的峰形基本相似，也就是说，2种方法提取的物质基本一致。

从图3b）轻组的红外谱中可以看出吸收峰分别在3560～3540 cm-1处（缔合—OH的伸缩振动）、1618～1616 cm-1处（C=O的伸缩振动）、1439～1434 cm-1处（苯环中C=C的伸缩振动）、1030～1027 cm-1处（脂肪醚 C—O伸缩振动，C—O—C伸缩振动），这说明轻组中可能含有碳水化合物、脂类、醚类、酰胺类、醇类和脂肪酸等化合物。

从图3a）重组的红外光谱看出，分别在3450～3440 cm-1处（C—H的伸缩振动，分子间氢键O—H伸缩振动，缔合—NH的伸缩振动）、1650 cm-1处（芳香环 C—C的伸缩振动，C=C伸缩振动）、1441～1436 cm-1处（苯环中C=C的伸缩振动）、1030～1025 cm-1（醚类 C—O—C伸缩振动）、871、780～770、468～461 cm-1[硅杂质（Si—O），无机氧化物等的振动]有吸收峰，此外在2580 cm-1处有较小的吸收峰，这是由=C—H伸缩振动导致的。这说明重组中可能含有碳水化合物、醚类、酰胺类、羧基和芳香基团等化合物。

同样对胡敏酸、富里酸、胡敏素的光谱图进行分析，得出胡敏酸中可能含有碳水化合物、酰胺类、醚类、羧基等化合物，富里酸中含有大量的含氧基团、不饱和烃骨架、醚或酮类等化合物，胡敏素中可能含有碳水化合物、醚类、酰胺类和芳香基团。

图2 树脂分级法流程图Fig.2 The flow char t of resin classification m ethod

图32种分级方法分离的5种组分的红外光谱图Fig.3 The five fractions’ FTⅠR extracted by the two classification m ethods

2种方法分离的各个组分的谱图相似，但响应值的强度不同，说明2种分级方法所获得的各组分纯度不同。同时结合各组分的干质量可知，酸碱法提取的胡敏酸、胡敏素组分纯度较低，酸碱法提取得到的胡敏酸质量大于XAD-8树脂法提取的胡敏酸，而胡敏素的质量与之相反。有文献报道，胡敏酸中含有较多的含氧基团，如羧基，而胡敏素中含有较高的脂肪碳，而芳香碳含量较低，并且羧基、酚羟基的含量都低于胡敏酸[12]。因此推断，酸碱法提取的胡敏酸中可能会含有一定量的胡敏素，胡敏素中含有一定量的胡敏酸，从而使胡敏酸中的PAHs含量有所偏高，胡敏素中PAHs含量偏低。总之，与酸碱分级法相比，XAD-8树脂分级法提取的各个组分纯度相对比较高，并且XAD-8树脂分级法提取的PAHs的回收率也远远高于酸碱分级法，但是该方法比较麻烦，耗费相对昂贵。

2.2 土壤不同组分中PAHs的含量

由表2可以看出，土壤在进行分级之后，总PAHs含量的分布规律如下：轻组中的PAHs含量远高于重组；另外重组中PAHs含量胡敏素 ＞胡敏酸＞富里酸。并且轻组中PAHs含量是重组中PAHs含量的2.9倍左右。造成这种分布差异的主要原因可能与有机质含量有关，因为有机质是PAHs的主要吸附剂[13]。当土壤有机质质量分数＞1%时，土壤有机质控制着非离子有机污染物在土壤中的吸附作用，当土壤有机质质量分数＜1%时，黏土矿物与有机质共同对土壤有机污染物的吸附和滞留能力起重要作用[14]。而本研究的供试土样中有机质质量分数是大于1%的。已有研究表明轻组的主要成分是由不同分解程度的植物残体和一些微生物结构体组成的有机质组分，而重组的主要成分为腐殖质[15-16]。轻组的有机质含量远远高于重组，导致轻组对PAHs的吸附量也远高于重组。可见，土壤中生物活性较高的有机质组分结合的污染物生物有效性通常较高，环境风险也相对较大。从生物有效性和对环境危害的角度来看，轻组分离出后，剩余的重组结合的PAHs绝大部分生物有效性较低，环境风险也就相对较小。因此，后续应该着重于胡敏素的研究，进一步去除胡敏素结合的PAHs，可进一步降低环境风险。

表2 酸碱法和XAD-8树脂法提取的5种组分中总PAHs以及16种PAHs的含量Table 2 The content of the total PAH s and 16 kinds of PAH s of five fractions extracted by acid and alkalim ethod and XAD-8 resin m ethod

2.3 PAHs在土壤不同组分中分配的量

图4是酸碱提取法和XAD-8树脂提取法2种方法提取的各个组分中总PAHs量（提取的各组分含量乘以相应的干质量得到的值）的分配比例。

图4 酸碱分级法（A）和树脂分级法（B）分离的PAHs分布比例图Fig.4 The distribution scale m ap of PAH s extracted by acid and alkalim ethod（A） and resin m ethod（B）

由图4中可以看出，酸碱分级法提取的PAHs总量中轻组为369.77 mg，占33%左右；胡敏素为595.52 mg，占 54%左右；胡敏酸为 126.71 mg，占12%左右；而富里酸为5.119 mg，占不到1%。同样，树脂分级法提取的PAHs总量中轻组为378.06 mg，占24%左右；胡敏素为1196.0 mg，占75%左右；而胡敏酸与富里酸之和为28.88 mg，仅占不到2%。总体来看，不管是酸碱分级法还是树脂分级法，均有胡敏素中的PAHs最多，而胡敏酸和富里酸占比例相当少，尤其在树脂提取法中体现的更明显。

造成胡敏素中PAHs明显高于胡敏酸和富里酸中PAHs含量的原因是，胡敏酸对菲等持久性有机污染物的吸附常数要小于胡敏素，且随着老化时间的延长，富里酸和胡敏酸吸附的疏水性有机污染物有向胡敏素中转移的趋势[17-18]。另有研究也表明，把菲投入土壤中老化100 d后，将土壤腐殖质分成胡敏酸、富里酸和胡敏素，然后测定各组分中菲的含量，结果发现，小于12%的菲结合在胡敏酸或者富里酸上，而 90% ～93%结合在胡敏素-矿物复合体上[19]。

2.4 土壤分组的质量回收率和PAHs回收率

由表3数据可知，一方面，土壤在进行轻组和重组分离之后，酸碱法和XAD-8树脂法提取的土壤的质量平均回收率分别为100.20%、100.76%。2种分级方法的质量平均回收率均在100%以上，表明提取各组分的分离过程中基本上没有土壤损失。

表3 两种方法提取的质量回收率和PAH s总量回收率Table 3 The recovery of quality and the recovery of total PAHs of acid and alkalim ethod and resin m ethod

另一方面，分组之后，酸碱法和 XAD-8树脂法的PAHs总量平均回收率（按轻组、胡敏酸、富里酸和胡敏素中PAHs含量与他们各自质量乘积之和计算得出的PAHs总量与原土中实测PAHs总量的百分比）分别为100.7%和147.2%。而重组在进行胡敏酸、富里酸、胡敏素分离之后，酸碱法和XAD-8树脂法提取的 PAHs总量回收率（按胡敏酸、富里酸和胡敏素中PAHs含量与他们各自质量乘积之和计算得出的重组中PAHs总量与实测重组中 PAHs总量的百分比）分别为42.74%和70.05%。由表3中数据可见，2种方法所得的滤液中PAHs的含量也比较高，这可能是因为分组之后增加了土壤颗粒与提取溶剂的接触面积，很多锁定在土壤中的PAHs在原土中未被提取出，而在分组之后被提取出。

3 结论

1）土壤在进行分级之后，酸碱分级法和树脂分级法提取的土壤的质量平均回收率分别为100.20%、100.76%，而 PAHs总量回收率分别为100.7%、147.2%。

2）不管是酸碱分级法还是树脂分级法，均为轻组中总PAHs的含量远大于重组中总PAHs的含量，而重组PAHs的含量主要分布在胡敏素中，分别占重组中PAHs总量的54%左右、75%左右，而胡敏酸和富里酸中占的比例相当少，尤其在树脂提取法中体现得更明显。

3）酸碱分级法和树脂分级法2种方法均提取了4种组分，分别为轻组、胡敏酸、富里酸、胡敏素。不同的是，2种方法提取的组分纯度不同，树脂分级法提取的胡敏酸、富里酸、胡敏素3种组分的纯度明显高于较酸碱分级法，并且含有的杂质较少，但是实验步骤繁琐，费用昂贵。

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