萃取剂对泥炭腐植酸性质和微量元素的影响

萃取剂对泥炭腐植酸性质和微量元素的影响

C.Zaccone, C. Cocozza,V.D’Orazio, C. Plaza, A. Cheburkin,T.M. Miano 著

谢绿武4 赵红艳4 王升忠4 译

（1 Dipartimento di Biologia e Chimica Agro-Forestale ed Ambientale, Universit`a degli Studi di Bari,

Via Amendola 165/A, 70126 Bari, Italy

2 Centro de Ciencias Medioambientales, Consejo Superior de Investigaciones Cientificas,

Serrano 115 dpdo., 28006 Madrid, Spain

3 Institute of Environmental Geochemistry, University of Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 236, 69120

Heidelberg, Germany

4 东北师范大学城市与环境科学学院 长春 130024）

摘  要：氢氧化钠(NaOH)和焦磷酸钠(Na4P2O7)是最常用的、将腐植酸从陆相环境分离出来的2种萃取剂。为了评价萃取剂对HA性质和微量元素的影响，本文采用3种不同溶液，即(a)0.5 mol/L NaOH；(b)0.1 mol/L Na4P2O7；(c)0.5 mol/ L NaOH+0.1 mol/L Na4P2O7，从5个藓类泥炭样品中分离HA，分析萃取得到HA的灰分含量、元素组成和主要原子比，以及傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和发光光谱特征。此外，用X射线荧光法测定泥炭样品和HA中的Br、Cu、Fe、Ni、Pb和Zn的含量。结果表明，用NaOH和NaOH+Na4P2O7萃取的HA，在灰分含量、元素含量和光谱特征上十分相似，而Na4P2O7溶液则降低了萃取率，可能是其影响了HA的性质，使之具有更加复杂的芳香性特征。与原泥炭样品比较，不论哪种萃取剂萃取得到的HA，其Br、Cu和Ni含量均增加，Fe、Pb和Zn含量减少；但相比于其他两种方法，用Na4P2O7萃取的HA含有更多的Br、Cu、Ni和Zn，可能是因为芳香性增加的HA分子对这些元素有更强的亲和力。

关键词：腐植酸 藓类泥炭 萃取剂 微量元素 光谱

Influence of Extractant on Quality and Trace Elements

Content of Peat Humic Acids

C. Zaccone1, C. Cocozza1, V. D’Orazio1, C. Plaza2, A. Cheburkin3, T.M. Miano1 write

Xie Lvwu4, Zhao Hongyan4, Wang Shengzhong4 translate

(1 Dipartimento di Biologia e Chimica Agro-Forestale ed Ambientale, Universit`a degli Studi di Bari,

Via Amendola 165/A, 70126 Bari, Italy

2 Centro de Ciencias Medioambientales, Consejo Superior de Investigaciones Cientificas,

Serrano 115 dpdo., 28006 Madrid, Spain

3 Institute of Environmental Geochemistry, University of Heidelberg,

Im Neuenheimer Feld 236, 69120 Heidelberg, Germany

4 College of Urban and Environment Sciences, Northeast Normal University, Changchun, 130024)

Abstract: Among several extractants used to isolate humic acids(HA) from terrestrial environments, sodium hydroxide(NaOH) and sodium pyrophosphate(Na4P2O7) are the most utilized. In order to evaluate the influence of these different extractant solutions on the HA quality and on their trace elements content, HA were isolated from five Sphagnum-peat samples using three different solutions: (a) 0.5 mol/L NaOH; (b) 0.1 mol/L Na4P2O7; (c) 0.5 mol/L NaOH + 0.1 mol/L Na4P2O7. The obtained HA have been analyzed with respect to ash content, elemental composition, main atomic ratios and characterized by FT-IR and total luminescence(TL) spectroscopies. In addition, both raw peat and HA have been analyzed using X-ray fluorescence in order to determine the Br, Cu, Fe, Ni, Pb and Zn contents. Results showed that HA extracted with NaOH and NaOH + Na4P2O7 are quite similar with respect to ash, elemental contents and spec-troscopic characteristics, while Na4P2O7 solution, which in general reduces the extraction yield, seems to affect the nature of HA, featuring a more complex and aromatic character. With respect to the contents in the corresponding raw peat samples, the HA fractions were richer in Br, Cu and Ni, regardless of the extractant used, and poorer in Fe, Pb and Zn. Further, Br, Cu, Ni and Zn were more concentrated in HA extracted with Na4P2O7 than in those extracted with NaOH and NaOH + Na4P2O7, probably because of the greater affinity of these elements for these more aromatic humic molecules.

Key words: humic acids; sphagnum-peat; extractant; trace elements; spectroscopy

腐殖质是微生物新陈代谢过程中产生的一种耐火的、深色的、组成复杂的有机化合物，广泛分布于陆地和水生环境。根据腐殖质在酸性或碱性条件下的溶解性，可将其各组成分分离出来。简单地说，腐殖质中不溶解的部分是胡敏素(humin)，只在碱性条件下溶解的是腐植酸(HA)，在任意pH值条件下都溶解的是黄腐酸(FA)。

以往的研究提出了HA结构的不同模型，普遍认为HA是由大的聚合物组成。这些聚合物组合后呈现出新的分子结构，与组合前的分子结构有很大的差异。有种较新的理论认为，腐殖质是超分子结合体，其形成过程是几个相对小的、化学组成多样的有机分子先形成簇，簇与簇间再通过氢键和疏水作用相互形成超分子。

被认同的分离方法必须考虑以下列形式出现的土壤有机物质(OM)：(a) 不溶性的大分子络合物；(b) 与二价和三价阳离子(如Ca2+、Fe3+和Al3+)结合的高分子络合物；(c) 通过多价的阳离子桥(粘土-金属-腐殖质)和氢键，与粘土矿物结合；(d)被束缚在扩展型粘土矿物内层的有机质。

萃取剂(如NaOH、Na2CO3、Na4P2O7、NaF、有机酸盐)的使用取决于被检测物的性质。

氢氧化钠(NaOH)和焦磷酸钠(Na4P2O7)被广泛用于萃取HA。一些学者认为，通常NaOH(0.1 mol/L～0.5 mol/L)对HA萃取率大于Na4P2O7(0.1 mol/L～0.5 mol/L)，即使使用Na4P2O7产生的化学变化较少。事实上，中性盐被认为可以用来萃取OM。它通过形成不溶的沉淀物，或者与土壤有机物连接在一起的Ca、Fe，Al和其他多价态阳离子形成可溶的化合物，使得土壤OM转化成了水溶性的钠盐。

总的来说，0.1 mol/L Na4P2O7溶液萃取的OM比0.1 mol/L NaOH溶液萃取的OM少30%，尽管后者萃取了更多的高分子量的OM。

先前的研究主要关注不同萃取剂对土壤HA的萃取率和结构特征的影响，很少注意从泥炭中分离HA。此外，也缺少萃取剂对HA微量元素影响的研究数据。因此，这项研究目的是使用NaOH、Na4P2O7和NaOH+Na4P2O7 3种不同萃取剂，从雨养沼泽剖面不同层位的泥炭中萃取HA，研究萃取剂对HA的结构特征和微量元素含量的影响。

1  材料和方法

Etang de la Gruère是位于瑞士东北部侏罗山脉的一个小型雨养泥炭沼泽。2005年用Wardenaar泥炭剖面取样器采取了一个泥炭芯，标注为2 T(13 cm×13 cm×105 cm)。泥炭芯用不锈钢刀锯切成1±0.15 cm的小段。使用3种不同的溶液从泥炭芯的5个样品中萃取HA：(i) 0.5 mol/L NaOH；(ii) 0.1 mol/L Na4P2O7；(iii) 0.5 mol/L NaOH+0.1 mol/L Na4P2O7。

在N2环境，室温条件下搅拌12 h后，离心，用Whatman GF/C滤纸过滤，碱性萃取液用HCl调节pH到1，静置沉淀24 h。通过离心将沉淀物与上层清液分离。沉淀物用pH为3的HCl溶液清洗，手动摇匀，然后再离心。向沉淀物加入超纯水，搅拌3 h。最后，将HA通过透析膜(Spectra/ Por membrane，MWCO 6-8000)将水分排出，以去除Cl-，间隔6～7h重复一次，直到排出水的电导率(EC)低于10-2 dSm-1，将上述处理得到的HA，冷冻干燥。所有溶液都用Milli-Q Element System(Millipore, Molsheim, France)生产的超纯水(18.2 MΩcm)和分析纯的试剂制备。

灰分含量用原干重的百分比表示，即样品在550 ℃条件下燃烧12 h，剩余质量与原干重的比值。所有样品的取值为3次重复的平均数。

C、H、N和S的浓度用燃烧-气相色谱分析技术测定(Fisons EA 1108 元素分析仪，米兰，意大利)。O含量通过差分计算获得：O%=100-(C+H+N+S)%。仪器用BBOT[2,5-bis-(5-tert-butylbenzoxazol-2-yl)-thiophen]方法校准(ThermoQuest Italia s.p.a.)。获得的数据进行了水分和灰分含量的校正，所有样品都做3次重复。

使用Thermo Nicolet Nexus FT-IR分光光度计和Nicolet Omnic 6.0软件得到FT-IR光谱的透射比。1 mg样品和400 mg KBr(光谱纯)均匀混合，在真空下制成KBr压片。在N2环境下扫描，记录数据。扫描范围为4000～400 cm-1，分辨率为2 cm-1，扫描累加64次。激发-发射基(EEM，等高线图)的发光光谱的测定方法是：将浓度为100 mg/L的HA溶液在室温下隔夜放置，使其平衡(均匀)，然后用0.05 mol/L NaOH将pH值调整到8，通过Perkin-Elmer(Norwalk, CT) LS 55荧光分光光度计记录光谱数据，用WinLab 4.00.02软件进行数据处理。激发单色器和发射单色器的狭缝的带宽均为5 nm，扫描速度为500 nm/min。EEM数据记录是在发射波长为350～500 nm，激发波长为300～500 nm，步速为5 mm时进行的。通过Surfer 8.01软件(Golden Software Inc.,2002,Golden,CO)将荧光数据转化成EEM等高线图。

几种微量元素(Br、Cu、Fe、Ni、Pb和Zn)的测量直接采用粉碎的干泥炭和相应的HA在600秒的分析时间内测得的，方法的校正、可测量的最低限度(LLD)、准确性和精度在别处给出。

2  结果与讨论

实验数据表明，HA萃取率(EY)受萃取剂的影响(EY=gHA/g干泥炭×100)。0.5 mol/L NaOH溶液的HA萃取率为7.6%(2T 13)～22.8%(2T 41)，0.1 mol/L Na4P2O7溶液的HA萃取率为0.3%(2 T 21)～2.0%(2T 41)，0.5 mol/L NaOH+0.1 mol/L Na4P2O7溶液的HA萃取率为8%(2T 21)～18%(2 T 41)。见表1。不管使用哪种萃取剂，EY与深度都具有高度的正相关关系(R2>0.9)(图1)。

在Choudhri和Stevenson看来，EY的变化归因于pH值的不同，0.5 mol/L NaOH溶液及其混合物的pH值约为12.5，0.1 mol/L Na4P2O7溶液的pH值约为9.0(图2)。

2.1 元素分析，主原子比和灰分含量

表2数据表明，用NaOH和NaOH+Na4P2O7萃取的HA在元素组成上十分相似，与Na4P2O7萃取的略微不同；Na4P2O7萃取的HA的C和H含量较低，S和O含量较高；所有萃取的HA中N含量是相似的。与其他萃取剂相比，用Na4P2O7萃取的HA，具有高的C/H值，说明存在具有较高的结构复杂性和芳香性的腐植酸大分子；同时也具有最高的O/C值，通常O/C值与C/H值是负相关关系，而且由于氧化作用，可能在腐植酸分子表面存在着不溶解的多价阳离子的磷酸盐化合物(图3)。高灰分含量似乎证实了这个假设。

表1 不同萃取剂对HA的萃取率
Tab.1 HA extraction yields of different extracting agent

图1 剖面不同深度HA的萃取率以及不同萃取剂萃取率之间的相关性
Fig.1 Humic acids extraction yields(EYs) along the profile and correlations among EYs

注：C1：NaOH与Na4P2O7萃取率的相关性；C2：NaOH与NaOH+Na4P2O7萃取率的相关性。

图2 两种情况下絮凝量和离心后滤渣的对比
Fig.2 Comparison between the flocculated amounts and between the material collected on the Whatman GF/C filter after centrifugation.

注：左边为Na4P2O7萃取的；右边为NaOH萃取的。

表2 萃取到的HA的元素分析、主原子比、灰分含量
Tab.2 Elemental analysis, main atomic ratios and ash content of differently extracted humic acids

图3 萃取到的HA灰分含量和原子比
Fig.3 Ash content and atomic ratios of differently extracted humic acids.

从下层泥炭萃取的HA的C/N值都相似(如2T 33和2T 41)，上层泥炭用Na4P2O7溶液萃取的HA具有最低的C/N值。

总之，不论用哪种萃取剂，C/N值和O/C值随炭层深度减小，C/H值随炭层深度增加。这是由于泥炭分解率随炭层深度增加而增加。

2.2 傅立叶变换红外光谱

不同方法萃取的部分典型HA样品的傅立叶变换红外光谱见图4。

光谱特征是用若干相对强度的吸收光谱带来表征的。典型的类腐植酸物质的光谱带有：(1) 3420～3400 cm-1宽频带(一般归因于羟基基团上的氢原子沿O-H键方向的伸缩振动)；(2) 2925和2855 cm-1是2个峰(CH2和CH3基团上的的C-H键的不对称伸缩和对称伸缩振动)；(3) 1720 cm-1峰(羧基官能团上的C=O键的伸缩振动，特别是醛基、酮基和羰基)；(4) 1620 cm-1附近是一个宽吸收带(芳香族的和烯的振动以及COO-基团)；(5) 1520～1515 cm-1峰(芳香族的骨架振动、氨基酸中的C=N的共轭振动)；(6) 1450和1420 cm-1锋，(CH2和CH3中C-H的弯曲)；(7) 1380 cm-1锋(COO-基团的不对称伸缩振动和CH2和CH3中C-H的弯曲)；(8) 1220 cm-1是一个宽吸收带(C-O的伸缩振动和羧基中OH的弯曲)；(9) 1156 cm-1附近有一个峰值(乙醇基的O-H的伸缩振动)；(10) 1080～1070 cm-1吸收带(含磷基团伸缩和(或者)矿物杂质)；(11) 1040～1030 cm-1吸收带(多糖中的OH伸缩振动)。

图4 不同方法萃取的HA(2T 13和2T 33)的FT-IR光谱
Fig.4 FT-IR spectra relative to two HA samples (2T 13 and 2T 33) extracted with NaOH, NaOH +Na4P2O7, and Na4P2O7, respectively

NaOH和NaOH+Na4P2O7萃取HA的FT-IR光谱曲线在整个剖面上都无明显差异。而用Na4P2O7萃取HA的FT-IR光谱曲线则有一些显著的差异，表现在2920～2855 cm-1处的峰值不突出，这证实其含有的脂肪性状较少；在1040 cm-1处是脂肪族低值，1080 cm-1锋是HA表面的膦酰基信号，这与元素分析数据和灰分含量测定结果一致。

2.3 荧光光谱

总的来说，与其他方法比较，在用Na4P2O7萃取的HA的EEM光谱中(图5)，2个荧光基团(1个主荧光基团和1个次荧光基团)都表现出最高的荧光强度(FI)值。主荧光基团中心位于最高的激发/发射波长(EEWP)值(Ex/Em)。在其他方法萃取的HA中缺失的次荧光基团位于等高线锋的侧面(470 exc/528 em nm)。随着炭层深度的增加，次荧光团的FI值增加，而主峰值有降低的趋势。NaOH+Na4P2O7和NaOH萃取的HA的EEM光谱，具有以下特征：高的波长区，次荧光基团，随着炭层深度增加，FI值增大。而且HA的光谱中主荧光基团的波长和FI值也有轻微的变化。

总之，EEM光谱揭示了NaOH+Na4P2O7和NaOH萃取的HA，与Na4P2O7萃取的HA，在脂肪族组分、分子量和芳香性方面具有很大的差异；随着炭层深度的加大，具有复杂结构的分子开始出现，相反，Na4P2O7萃取出来的HA可能出现更类似于线性的/稠芳香环系和/或具有高度共轭的不饱和键体系。

图5 HA的荧光光谱
Fig.5 Fluorescence excitation–emission matrix spectra of humic acids

注：EEWPmax为最大荧光强度处的激发/发射波长对。

表3 选定的HA的EEWP以及相对荧光强度(RFI)
Tab.3 Excitation/emission wavelength pairs (EEWP, nm/ nm) and relative fluorescence intensities (RFI, arbitrary units) in the fluorescence excitation–emission matrix spectra of selected HA samples

2.4 X射线荧光

图6反映了HA中某些元素的百分含量，泥炭中的这些元素含量被认为是100%。图7和表3是原泥炭样品和HA中相应元素浓度的对比。

图6 萃取到的HA的不同元素的相对含量
Fig.6 Content of each element in differently extracted HA
注：在泥炭中该元素含量被认为是100%。

图7 原泥炭中的和从中萃取到的HA中元素浓度
Fig.7 Elemental concentrations both in raw peat and in differently extracted HA

表4 原泥炭及其不同萃取得到的HA中微量元素含量
Tab.4 Trace element contents in raw peat and related HA differently extracted

2.4.1 溴(Br)

用NaOH和NaOH+Na4P2O7萃取时，泥炭中至少有32%的Br被萃取到HA中，而用Na4P2O7萃取，萃取出来的Br仅为6.6%。

不论使用哪种萃取剂，得到的HA中Br的浓度比原泥炭中Br的浓度都要高，尤其是用Na4P2O7萃取的HA中Br含量更高，这表明结构复杂的芳香族有机物质对Br有很强的亲和力。

尽管代谢途径尚不清楚，但数据表明Br能稳定地与HA分子结合，Zaccone已经报道过这个问题，他分析了2个不同的雨养泥炭岩芯提取出来的HA，得出了相似的结论。

2.4.2 铜(Cu)

用NaOH萃取的HA，其Cu的总含量为66.6%，用NaOH+Na4P2O7萃取时为48.8%，用Na4P2O7萃取仅为27.9%。

Cu显著的集中在HA中，尤其是用Na4P2O7萃取的HA，因此可以确定Cu被有机物质络合，特别是腐殖物质。Cu是弱的阳离子，因此形成内核上的配合物。

2.4.3 铁(Fe)

总铁含量从NaOH萃取的HA中的4.6%下降到NaOH+Na4P2O7和Na4P2O7萃取的不足0.5%。尽管表面上看像是受到了Na4P2O7的影响，但是即使是NaOH萃取的HA中，Fe含量仍然很少，因此表明腐植酸分子对Fe的亲和力较低。

不管用什么方法萃取，HA中的Fe浓度比原始泥炭中的要低。可能是由于在泥炭沼泽中缺氧的条件下，Fe普遍以Fe2+形式存在，而在萃取前的烘干过程中Fe2+迅速被氧化成Fe3+，最终以不溶解的化合物形式沉淀下来。

2.4.4 镍(Ni)

NaOH萃取的HA中总镍的平均含量为35.9%，NaOH+Na4P2O7萃取的为18.1%，Na-4P2O7的为10.4%。HA中的Ni浓度高于原泥炭样，特别是用Na4P2O7萃取的HA。与Cu的结果非常类似，Ni也可能进入了有机络合物的内核。

2.4.5 铅(Pb)

用Na4P2O7(0.1%)或用NaOH+Na4P2O7(0.2%)萃取的HA的总铅平均含量很低，这可能是在萃取过程中形成了不溶解的Pb的磷酸盐，但是用NaOH萃取的HA中铅的含量仍然很低，这说明腐植酸分子与Pb之间存在着非常弱的相互关系。

2.4.6 锌(Zn)

除了用Na4P2O7萃取的HA，其他2种方法萃取的HA中Zn的浓度比原始泥炭的Zn的浓度要低。因此，结构复杂的芳香性有机化合物表现出对Zn有强的亲和力。从上层泥炭中萃取的HA中Zn含量很低(2T 12-2T 21)，平均含量小于5.5%，下层泥炭中萃取的HA中Zn含量逐渐增加，最大值为85.6%。数据表明，当浓度高时，大部分的Zn被束缚在络合物外界，反之，低浓度时，Zn2+倾向于吸附在络合物内核。

3  结论

试验分析结果证实，Na4P2O7是有选择的萃取高分子量的有机物质，即具有高芳香性、低脂肪性的化合物。Na4P2O7优先溶解原料中的芳香族化合物，并在HA表面增加膦酰基，FT-IR和原子比都有力地支持了这一观点。同时，总发光光谱表明：相比于用NaOH萃取的HA，Na4P2O7萃取的HA表现出了线性的/稠芳香环系和/或具有高度共轭的不饱和键体系。

EMMA X-射线荧光表明，一方面，不论使用哪种萃取剂萃取的HA中Br、Cu、和Ni的含量均较高，Fe、Pb和局部的Zn含量均较低；另一方面，用Na4P2O7萃取的HA中Br、Cu、Ni和Zn更集中，可能是因为具有复杂结构的芳香性腐植酸物质对这些元素有更强的亲和力。相比于NaOH和NaOH+Na4P2O7萃取的HA，用Na4P2O7萃取的HA中元素浓度较高与灰分含量测定结果相一致。

为了进一步调查自然有机土壤中不同微量元素的化学作用和络合机制，必须进行更深入研究，来更好地理解这些化学物质的环境行为，并且能为这些有机材料在农业和工业领域的实际应用提供更加清晰的指导。

参考文献(略)

译自：Talanta，2007，73:820～830。