土壤有机质分级提取及其与氨基甲酸酯类农药相互作用研究（可编辑）

土壤有机质分级提取及其与氨基甲酸酯类农药相互作用研究（可编辑） 土壤有机质分级提取及其与氨基甲酸酯类农药相互作 用研究 南昌大学 硕士学位论文 土壤有机质分级提取及其与氨基甲酸酯类农药相互作用的研究 姓名:施国兰 申请学位级别:硕士 专业:环境科学 指导教师:郑博福;吴丰昌 2012-12-07摘要摘 要 腐殖质 ,是由动植物残体经过复杂的物理、化学、 生物过程形成的大分子有机混合物,广泛存在于大气、土壤、水体、沉积物 等 , 环境介质中。根据在不同下的溶解度,可以分为:富里酸 ,,在.时不溶于水 ,任何值下都溶于水、腐殖酸 和胡敏素,,任何下都不溶于水。作为天然有机质的重要组 成部分,不仅是疏水性有机污染物的主要宿体,也是环境污染物的重要络合 剂或吸附剂,对各种污染物的环境行为、毒性和生物有效性有重要的影响, 近 年已成为生物地球化学和环境科学领域的研究热点和环境污染控制与治理 技术 的理论基础而备受关注。 本文选择能够代表我国黄壤地区土壤典型特点的华北平原鹫峰森林公园的 土壤为研究对象提取和,利用一树脂用初始分别为、、、 / 和的将分为个不同的亚组分,同时采用浓度为. /、. / / 、. 、. 、. /、. /连续步提取了亚组分。并在此分离的基础 上,利用元素分析、紫外.可见光谱、傅里叶红外变换光谱、荧光技术、核磁 共振波谱、高效液相体积排阻色谱和电位滴定技术等现代分析对及其亚 组分和及其亚组分的结构特征进行了详细表征与探讨。并用荧光猝灭滴定法 研究了’及其亚组分和及其亚组分与氨基甲酸酯类农药的相互作用,并根 据’及其亚组分和及其亚组分的结构特征,探讨了与氨基甲酯类农药 的作用力类型。本论文的研究成果主要简述如下: 、利用.树脂和初始分别为、、、和的缓冲液 逐步洗脱,得到、、、和质量比为:: :.:.,亚组分的总质量约占用推荐的方法提取的质量的 /、 / 、. .%.%。用浓度. 、. . /、. /连续步提取的、、、、 和的质量比为:::::。 、随分离或提取顺序,亚组分和亚组分的含量、极性、、 芳香度、分子量、羧基含量和总酸度降低,而含量、和/和脂肪族碳含量摘要 含量增加,~、。和。含有蛋白质类物质。说明,根据不同值下 羧基和酚羟基的不同去质子化,不同的蛋白类物质的差异和尺寸排阻作用, 逐 步洗脱吸附在.树脂上的可以得到具有不同组成和化学结构的亚 组分;采用不同强度的和溶液可以从同一土壤中连续提取具有不 同组成和化学结构的亚组分。和进一步分离将有利于对和 的复杂化学结构和与环境污染物相互作用的研究。 、在荧光猝灭滴定过程中呋喃丹和西维因的荧光都能不同程度的被和 猝灭,同时亚组分和亚组分也能猝灭西维因的荧光,猝灭机理都以 介于..,芳香度、烷基 静态猝灭为主。采用计算结合常数 碳、总酸度和含量与结合常数 存在相关性,疏水作用为主要作用力,烷 存在不同程度的 基碳引起的疏水作用较.?疏水作用弱,氢键对结合常数 影响。并估算出天然水体中结合态的氨基甲酸酯类农药约为%%。 关键词:富里酸亚组分;腐殖酸亚组分;表征;荧光猝灭滴定技术 , ,. ,,, ,, , , , ,. ,, , , , ., 。,. ?. ..,, / . / ,. . / . / / , / ,. ,. ,. ? 协. ,. ,?, ., . . ,,? . :、 ,,,, ,,, . :::.:., .%~.%. :::: : ,,,~, / . / / / .. ,. ,. , . / . . / . 、 ,, , / , ,?,,, . , . . . /? .、 , , . ,目.~.,. ,, , .%~% . : ?; ?; . ; 第】章绪论 第章绪论 .选题依据和研究意义 ..选题依据 腐殖质 ,是由动植物残体经过复杂的物理、化学、 生物过程形成的有机高分子混合物,广泛存在于大气、土壤、水体、沉积物等 环境介质中。土壤约占土壤有机质总量的%~%,作为土壤的重要组 成部分,不仅是疏水性有机污染物的主要宿体,也是环境污染物的重要络合剂 或吸附刘’,对各种污染物的环境行为、毒性和生物有效性有重要的影响。作 为天然有机质的重要组成部分,近年来环境污染和全球变化问题的出现,特变 是环境污染和富营化问题的日趋严重,为的研究赋予了全新的科学内涵,目 前己成生物地球化学和环境科学领域的研究热点和环境污染控制与治理技术的 理论基础而备受关注。如年天然有机质第一次作为特别专题列入在美国召 开的国际会议。之后,环境地球化学和水环境会议等方面的国际会 议多次将“天然有机质及其与污染物相互作用”列入专题进行讨论。自年 以来,我国每年均组织一次“天然有机质及其在环境中的作用”国际研讨会, 对的组成与结构以及与污染物的相互作用机理的研究取得了重要进展。 的化学结构是阐明其各种作用机制的前提,一直是有机质研究领域所关 注的焦点和前沿课题之一。根据在不同下的溶解度,可以分为:富里酸 ,,任何值下都溶于水、腐殖酸 ,,在. 时不溶于水和胡敏素,,任何下都不溶于水。目前,研究 最多的是可溶性的和组分,对和结构特征的研究已有最初的总 有机碳、元素分析等整体性质的研究逐渐发展到现在的局部结构的研究,尤 其 是傅立叶变换红外光谱、高效液相体积排阻色谱、荧光光谱、核磁共振【’ 等现 代仪器分析方法和手段的发展,人们对和的化学结构有了更多的了解, 并且对和污染物相互作用的研究也取得了一定的进展,研究表明,和 元素组成、分子量、芳香度及官能团含量等结构对与环境污染物之间的作用 有一定的影响?,但是土壤是一类结构和组成十分复杂且物理上不均匀的 混合物,不同分离组分具有不同的组成、结构特征,在环境中扮演着不同的角 第章绪论 色,使和与环境污染物之间的作用机理尚比较模糊。为了更近一步的研 究和组成和化学结构以及与环境污染物的相互作用机理,前人将和 进行分级分离,从而减小和异质性。如等【研究表明,不同提 取次数下从同一土壤样品所得的化学组成和结构间差别很大,说明土壤 是非均质体,等【根据分子极性利用.树脂用. / 和甲醇 将土壤成功的分离为个组成和结构都不同的亚组分,与芘的结合也存在一 定的差异。但是目前对和分离组分结构特征和与环境污染物之间的相互 作用的研究还相对缺乏。有基于此,有必要根据一定的性质及构造相似的特 征 对和进行细划分,并对和各个分离组分的结构特征进行了详细 表征,并探讨和亚组分各之间的相似性和差异性,结构特征之间的内在 的联系,并进一步研究和分离组分与污染物的相互作用,有助于对 和复杂化学结构的深入理解,并为揭示参与下有机污染在环境中的迁移、 转化、毒性和生物有效性的影响机理和贡献提供依据。 ..研究意义 随着工业发展和人口的增长产生得一系列环境污染物对土壤环境产生了许 多不利影响,污染物在环境中的累积和危害已经成为人类亟待解决的问题 【】。 目前,我国致力于许多关于参与下的重点污染物的环境行为以及土壤修复的 的研究,但是由于的组成和结构受来源、气候、环境介质以及分离技术的不 同而存在一定的差异,使与环境污染物相互作用的研究结果也存在一定的差 异,但是对影响差异的因素缺乏深入的研究,已成为更好的理解与环境污染 物相互作用以及提出有效的土壤修复措施的瓶颈。 本论文对同源土壤的和进行了分级提取与详细表征,有助于对 复杂化学结构的深入理解,以及为以后成功分离和亚组分积累经验。同 时,用荧光猝灭滴定法研究了同源和与呋喃丹和西维因的相互作用以及 及其亚组分和及其亚组分与西维因的相互作用,不仅可以为深入理解 与氨基甲酸酯类农药的相互作用机理,揭示参与下氨基甲酸酯类农药在环境 中的迁移、转化、毒性和生物有效性的影响机理提供依据,以期可以为华北 平 原的土壤修复提供可利用的依据。 第章绪论 .研究进展 由于组成与结构的复杂性,自从年】第一次从泥炭土壤中 提取出腐殖物质以来,研究者们采用各种方法对的组成与结构进行了广泛的 研究。目前,国内外对土壤的研究主要集中在组成及测定方法、动态变 化及模型以及对典型区域的研究,尚缺乏对各分离组分的研究,因此, 需要对土壤进行进一步分级研究。 ..腐殖质组成与结构研究进展 目前,的表征技术己由最初的总有机碳和元素分析等整体性质表征逐渐 发展到现代的荧光光谱、红外光谱和核磁等局部结构特征的表征,尤其是傅 立 叶变换红外光谱、高效液相体积排阻色谱、荧光光谱、核磁共振【描等仪器 分析 方法和手段的发展,使研究者对结构特征的研究取得了引人注目的进展。 ...腐殖质的组成 国内外在的元素组成方面进行了大量的研究,研究表吲主要含 有、、、、五种元素,其中含量为%%,为%%,为 %~%,为%~%。土壤的元素组成随土壤类型和提取方法的不同 而存在一定的差异,如土壤随着腐殖化程度的加深含量也逐渐增加,、 等元素的含量则减少。 ...腐殖质的结构 土壤的结构非常复杂,有研究者甚至宣称没有两个的分子结构是完 全相同的?。等‘研究表明,中的含量与/原子比明显的高于 同一来源的,说明的分子结构比复杂,极性较弱,氧化程度较低, 的总酸度、羧基和酚羧基的含量均明显低于同一来源的,其含量仅为 的一半左右。等‘研究表明的结构与它的来源有关,在森林土壤中, 由于林下凋落物中有较多的木质素和难降解物质,使包含更多的大分子物 质,而农业土壤则含较多的小分子物质。陆长青等【研究表明的分子 量分布范围很广,从几千到几十万不等。和等【’对的微观结构 经行了研究,发现的结构呈现类似于弹性海棉状,对于功能团的分布排 列结构的认识,已由二维结构转变为三维结构【.。 国内外学者的大量研究【】表明,是由相似族类如脂肪族、芳香族、 第章绪论 分子量不等、结构不一致、芳香度不同、取代度不同的和多取代的含有羧基、 羟基、芳香结构和脂肪结构等的一类结构极其复杂的无定形高分子多聚物, 其 结构单元上含有的含氧官能团,主要有羧基、酚羟基、酮基和甲氧基,此外, 也可能含有醌基和醇羟基,上述基团是决定和影响基本特征的核心因素 【?,土壤和都不同程度的含有以上官能团,因此,应采用不同的研究方 法对土壤进行进一步的研究。 由于的结构受来源生物源、时空和提取方法的影响,国内外学者对 的结构有许多不同的看法,其中】对研究者关于结构的看法进 行了归纳:的中心物质是芳香环,脂肪链和饱和环单元芳香环与芳香环相 联接:的中心物质是多环芳香核,多环芳香核与脂肪类化合物和单个酚类 化合物;是由脂肪基,酞胺基和羧基等主要侧链基团、高度缩合芳香核平 面骨成;完全是非晶形物质。因此,为加深对复杂化学结构的进 一步理解,有必要对土壤和进行进一步提取和分离,并对和的 各个亚组分进行系统研究。 ..腐殖质提取与分组技术的研究进展 除一小部分以游离态形式存在,绝大部分土壤与土壤无机成分形成 有机.无机复合体以结合态存在【引,研究的性质时,首先必须选择合适的溶 剂将其从土壤中提取出来,再对提取物进行分组和纯化。】认为好的 提取方法应满足以下点要求:不改变组分性质,提取的有机组分未与粘土或 无 机离子结合,提取的组分具有代表性,适用于各种类型土壤。 土壤与土壤中、、等多价阳离子紧密结合是导致难以提取 的主要原因,用和对进行提取是最普遍的方法,因为这两种 物质都能将大多数土壤中提取出来【。在提取过程中,与键合的 十能被代替,使的溶解性增加、结构重新构化【】,由于一与吸附在 矿物表面的阴离子基团的竞争作用,以及通过诱导官能团解离的效应, 使的解吸能力进一步提高,可以提取超过%的,在为.时,与 提取法相比,能提取更多的高分子.,对、土壤 矿物与多价阳离子之间键合能力没有影响,但的组分会损失掉%~%。 而用提取时,对这些键有一定的破坏作用【.】,提取效率比用 提取法低大约%,但用提取的优点是省去了冗长的脱钙过程, 第章绪论 能从细土壤颗粒中提取更多,说明能够提取更为“复杂”的引。 由于单独使用和的局限性,研究者将和混合使用 ?】,这样既有提取能力高的优点,又使提取过程快速简便。提取和 多用和混合液,向碱性提取液中加入酸,可以分离出粗。 土壤的成分复杂,结合形态很多,为提取到不同结合形态的,可以采用 多步连续提取法【。 由于土壤组成与结构的复杂性【 ,其分组技术一直是研究方向之一。 通过多年的研究,研究者已经达成了一个共识,即所分离出的亚组分不是组 成 和结构均一的化合物,而是具有某一特性的一类混合物,因此,用不同分组方 法所分离出的亚组分之间在组成上有重叠。根据土壤分组技术所采用的原理 和手段,一般分为分组技术可以分为化学和物理的。为更进一步的研究和 化学性质及结构,研究者将和按一定的性质及构造相似的特征采用 不同的原理和手段进行进一步分离【,从而减小和研究的复杂性。 目前,国内外许多学者根据不同的原理已对和进行了不同的分离, 如根据在酒精、盐溶液中的溶解性将分为灰色和褐色,说明灰 色和褐色具有不同的极性【‘,根据褐色的光学性质进一步将其分 作、、、型,从到,或从到,或到,结构趋于复 / 、。下用. 杂【?。等酬依次用为.的. / / 和?下用. 提取亚组分,研究表明依次增加 萃取剂强度的能从一种类型的样品中同时获得具有不同分子量、芳香族含 量、 脂肪族结构,以及不同比例含氧官能团的亚组分。亚组分的分离多采用 比较经典的采用.树脂进行分离,如国内学者刘本定等利用. 树脂采用先用为.、.和.的通用缓冲液,按解离程度将中亲水性 物分离为个不同的亚组分组分,再用水和乙醇将中的疏水性组分划分 为的强、弱两部分,低缓冲液洗脱出的亚组分中含量和羧基含量都高 于水和乙醇溶出的亚组分,而脂肪性成分则低于水和乙醇洗脱出的亚组 / 、 分,并且脂肪族侧链较短。此外,等利用.分别用. . / / % %甲醇将分为个不 %甲醇、. 同的亚组分,研究表明各亚组分的含量、芳香性和疏水性依次增大,而氧含 和 时,各组分的极性与紫外吸收率 量和极性指数依次下降,在 呈正相关,与芳香性呈负相关。 第章绪论 提取后的土壤一般杂质含量较高,会影响实验分析结果,需要对其进行 进一步纯化,如纯化方法不当,往往会改变的组成,影响实验结果, 为此提出了分离和纯化和的方法 ’,该方法使用稀.溶液去 除中的矿物成分,最后得到纯度很高的;使用.树脂和离子交树 脂去除中的盐分和一些小分子的有机物。 因此,根据和提取土壤的特点,本研究采不同浓度的 和溶液连续步提取土壤亚组分,并采用.树脂将土 壤分为个不同的亚组分。 ..腐殖质与环境有机污染物相互作用的研究进展 研究表明能与环境中的疏水性有机污染物:多环芳烃、药品和个人 护理品、杀虫剂等相互作用.,从而对疏水性有机物的分配、迁移和生物 有效性起控制作用,如可以与农药结合,促进农药在土壤中的迁移。由于 本身属于复杂的大分子有机混合体系,它与有机污染物同属有机物范畴,理 化性质相似,受技术手段的限制,难以分离自由态和结合态的污染物分子,人 们对和有机污染物相互作用研究的技术手段较少。 荧光猝灭滴定法是指荧光分子与加入的猝灭剂如其它分子、原子或离子 发生相互作用而引起的荧光强度降低,并根据荧光强度随猝灭剂浓度的变化 拟 合猝灭方程而计算荧光物质与猝灭剂结合的强弱,具有灵敏度高、不破坏样 品、 不需要分离游离态与结合态的待测物、测定结果不依赖于有机质的浓度、不 需 要知道待测物的准确浓度等优点。目前荧光猝灭滴定法被广泛应用于与有机 物污染物相互作用的研究。如等【利用荧光淬灭滴定法研究了和 溶解有机质的相互作用,结果表明,溶解有机质可以和发生强烈的相互作 用,结合常数随的结构不同和溶解有机质的种类而发生变化,同时, 和离子强度对结合常数有一定的影响;掣用荧光猝灭滴定法研究了根据分 子的极性将分成的个不同的亚组分与芘的相互作用,结果表明,及其 亚组分和芘的结合与及其亚组分的芳香度、分子量以及疏水性等密切相关; 等 研究了溶解有机质与卡马西平的相互作用,结果表明卡马西平对溶解有 机质的发射荧光具有明显的猝灭作用,猝灭机理为静态猝灭,疏水作用是卡 马 西平与溶解有机质相互作用的主要作用力;等岭研究氨基甲酸类农药与同 源溶解有机质的相互作用,结果表明约%的有机农药与溶解有机质发生了结 第章绪论 合。但是鲜见同源与氨基甲酸酯类农药相互作用的研究。 此外,元素组成、分子量、芳香度及官能团含量等结构对与环境污 染物之间的作用有一定的影响拶’。因此,某些未知因素,如某些组成和结构 有 可能误导研究者提供一些与痕量污染物作用地不确定机理,使与环境污 染物之间的作用机理尚比较模糊。因此,同时研究不同分离和提取次数下亚 组分和亚组分与环境中疏水性有机污染物的相互作用有助于对与环境有 机污染物的相互作用机理进行更进一步的理解。 .研究内容和技术路线 ..研究内容 本文参照提取分离土壤标准和的方法,提取和,并利 用.树脂用不同的缓冲液将分为个不同的亚组分,采不 同浓度的和溶液连续步提取土壤亚组分,并在此分离的基 础上,利用元素分析、紫外.可见光谱、傅里叶红外变换光谱、荧光技术、核 磁共振波谱、高效液相色和电位滴定法等现代分析方法对及其亚组分和 以及亚组分的结构特征进行表征。此外,采用荧光猝灭滴定法研究和与 氨基甲酸酯类农药的相互作用,以及亚组分和亚组分与西维因的相互作 用,并根据及其亚组分和及其亚组分结构特征以及结合常数的大小对它 们与氨基甲酸酯类农药相互作用进行了进一步的讨论。为深入理解复杂化学 结构,揭示参与下有机有机污染在环境中的迁移、转化、毒性和生物有效性 的影响机理和贡献提供依据。具体研究内容包括: 土壤及其亚组分和及其亚组分的分离与提取 参照提取分离土壤标准和的方法,从北京鹫峰国家森林公园 的土壤中提取和,用初始分别为,,,,和的缓冲 液逐步洗脱吸附在.树脂上的,得亚组分,并采用多步连续提取的 / / / 、 方法分别用浓度为. 、. 、. . /、. /、. /连续步提取亚组分。 土壤及其亚组分和及其亚组分的表征 利用元素分析、紫外.可见光谱、傅里叶红外变换光谱、荧光技术、核磁 共振波谱、高效液相色谱以及电位滴定技术对亚组分和亚组分的结构特 第章绪论 征进行详细的表征。并探讨各分离组分的元素组成,以及各有机亚组分之间 的 相似性和差异性,结构特征之间的内在的联系。 荧光猝灭滴定法研究与氨基酸酯类农药的相互作用 采用荧光猝灭滴定法研究和与氨基甲酸酯类农药的相互作用,以及 亚组分和亚组分与西维因的相互作用,并根据及其亚组分和及 其亚组分结构特征对与氨基甲酸酯类农药相互作用力类型进行进一步的讨 论。为深入理解与氨基甲酸酯类农药的相互作用机理,揭示参与下氨基 甲酸酯类农药在环境中的迁移、转化、毒性和生物有效性的影响机理提供依 据。 ..技术路线 根据研究内容,采取以下的技术路线见图. 丽赢困 图.技术路线示意图 . 第章样品采集与提取 第章样品采集与提取 .鹫峰森林公园概况 ~’,地处 鹫峰森林公园北纬 ,东经 华北平原的北部边缘地带,位于北京市海淀区西北部小西山风景区,南连太 行 山,北接燕山山脉,系古代永定河冲积的一部分。鹫峰森林公园属典型的暖温 带半湿润大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,盛行西北风,夏季高温多雨,盛行 东南风。年均气温.?,年平均降水量.毫米。鹫峰森林公园占地面积 . ,森林覆盖率高达.%,植被丰富,有陆地植物科属 种,以针阔混交林为主,主要有白皮松、测柏、元宝枫。 鹫峰森林公园的土壤,主要由黏土矿物组成,其中以水云母类与蒙脱石为 主,伴有石英、长石、云母以及绿泥石等矿物,属于黄壤土。土壤呈黄色、灰 黄色,常因其他混入物加入而呈红褐色、灰黑色等,具可塑性,可塑指数~ 。含水率最高可达%,具较好黏结性,干燥后将保持原型,耐火度低,一 的黏土级颗粒可占%以上,为黏 般在?以下。通常粒度小于. 土级,含一定量的有机质,含量不超过%。 鹫峰森林公园地处平原地区,其地理位置、气候特点、土壤类型和森林植 被等与推荐的标准和的采样点有许多相似之处。如推荐的标 准’和的采样点多平原和低矮的丘陵地,气候多为温带,鹫峰森林植被类 型与地区的植被类型一致都为针阔叶混交林。鹫峰公园的森林土壤为我 国华北平原土壤的典型代表,由中国环境科学研究院从华北平原鹫峰山森林 土 壤中提取的中国标准,得到了研究人员的广泛认可和接受,同源与 。因此,该研究 在结构组成以及与环境污染物的相互作用也存在一定的差异【, 选取选取能够代表我国华北平原典型土壤的鹫峰森林公园土壤为研究对象 提取 和,有利于对未来建立我国标准’和提取方法体系和数据库提供一 定的支持。 土壤样品于年月采自北京市鹫峰森林公园的表层土壤,将采集的土 的筛以出去砂砾和植物残体后,进行保存。用烧失 壤经风干后,碾磨并过 量法测定土壤有机质的含量为.%,与林樱的测定结果基本一致,远大于第 第章样品采集与提取 二次全国土壤普查中测定华北地区土壤有机质的几何平均值. /。用 测得土壤有机碳的含量为. /,与林樱【用元素分析测得的元素的含量 .%基本一致。接近第二次全国土壤普查中测定华北地区土壤有机质的几 何平均值. /。 .样品提取方法 ..富里酸及其亚组分的提取 ...富里酸提取 / 溶液,使固液比 取一定量经碾磨和过筛后的土壤样品加入. / 达到:,离心弃去土壤残余物后,向提取液中加入 ,调 为.,静止 ,上层清液用.树脂吸附后经纯化、冷干得固体。我 国标准的提取与制备详见文献,】。 ...富里酸亚组分的连续分离 / 配置浓度为. /的或调一系 缓冲液,用. 列值为.、.、.、.和.的缓冲液。重新用.树脂吸 附浓缩酸化后的提取液,分别用上述不同值的缓冲液洗脱. 树脂,得到一系列值为.、、.、.和.的洗脱液,在洗脱过 在 程中分别利用紫外.可见光分光光度计和计测定洗脱液每 / 处的吸光度和值。然后分别将每个缓冲区洗脱液用 调为 .后,利用.树脂柱吸附,并用.倍柱体积蒸馏水冲洗,再用倍柱 / / 体积. 溶液反向洗提。亚组分的洗提溶液立刻用 /,静置 后,加入 酸化至为.,添加浓使最终浓度为. 到饱和的阳离子交换树脂.,,。最后,冷冻干燥纯 化后的洗出液以得到亚组分的样品保存在干燥器中备用。用初始为.、 .、.、.和.缓冲区个的连续洗脱亚组分分别被命为、、 、和。 ..腐殖酸及其亚组分的提取 ...腐殖酸提取 第章样品采集与提取 / 提取的沉淀部分用. 溶液调其为.,并加入固体 使其浓度为. /,用高速离心机转, 离心后用孔径为. 过滤去除悬浮 的/玻璃纤维微孔滤膜,,?,灼烧 / 固体后,用. /, 调溶液为.,加入浓,使其最终浓度为. 在室温间歇震荡至少,静置沉降后,离心并丢弃上清液,震荡使沉淀物 成泥浆状,转移到透析袋/标准膜,, 去除杂质离 子,直到用透析水的‘为负值时,经冷冻干燥得固体样品。 ...腐殖酸亚组分的提取 土壤样品预处理同,在预处理后的土壤中先加入一定量的水,再加入 溶液,继续加水直至水土比为:/,此时,土壤沉淀物混合 液中溶液的浓度为. /,间歇震荡至少 ,提取悬浮液。悬浮 / 液静置沉降 后,通过移液或离心收集上清液。用 酸化上清液, .,离 持续搅拌至为.,放置 取下层沉淀用溶液调其为 / 心所得溶液为溶液。按上述步骤分别用浓度为. 、. / / /、. /、. 、. 、. /溶液依次连续提取、、、、。亚组分的纯 化同,纯化后的亚组分进冷干得固体样品。 .结果与讨论 ..富里酸亚组分 利用.树脂用不同的缓冲液逐步洗脱的亚组分洗脱液 的特征值见图.。初始分别为、、、和的缓冲液洗脱的 亚组分的脱液分别有一个洗脱峰。从到洗脱液的洗脱峰分别出 ,洗脱峰处的洗脱液在 现洗脱液总体积为.、.、.、.和. 处吸光度分别为.、.、.、.和.。为.的缓冲液洗脱的 ,这可能是由于在低 亚组分的洗脱液的洗脱峰最宽,洗脱体积最大 值有强大的亲和力。此外,和川洗脱峰宽度远远小于其他亚组分, 表明高值可以降低洗脱液液的洗脱量和洗脱时间。亚组分中有不对称峰, 等‘利用.树脂用不同比例的甲醇和盐酸洗脱所得的亚组分中第章样品采集 与提取 也观察到了不对称峰,此外,等四用通用缓冲液逐步洗脱亚组分也观察 了不对称峰。 划 巢 娶 . . 洗脱液体积 图. 亚组分洗脱液曲线图 . 亚组分的质量百分比见表.。质量百分比.%,为亚组分 中质量百分比最高的组分。和约占总质量的%。因此,易电 离是的主要特点之一。】和等【】分别分离了水稻土和 河中的提取的,表明中含有大量容易分离组分。该研究中 、、、和的总质量约占用推荐的方法提取的 总质量的.%~.%。因此,可以利用一树脂用缓冲液 完全洗脱分离。 第章样品采集与提取 表. 亚组分的质量百分比以及利用.用缓冲液洗脱曲线的参数值 .. ..腐殖酸亚组分 亚组分的质量百分比见表.。的质量百分比为.%,是所有 亚组分样品中含量最高的一部分,而钆的百分比为.%,说明的提 取效率比强,与等的研究结果一致。分别用和 溶液第一次提取地和~约占总质量的一半,说明同一萃取剂随提取次数 萃取效率降低。 表. 亚组分质量百分比 . 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 本章在前面分离的基础上,利用元素分析、紫外.可见光谱、三维荧光光谱、 傅里叶红外变换光谱、核磁共振波谱、高效液相体积排阻色谱和电位滴定技 术等分析方法对及其亚组分与及其亚组分的结构特征进行了详细表征, 探讨结构特征之间的相似性和差异性,有助于对和的化学性质和结构特 征的研究,为与环境污染物的相互作用机理的研究提供理论依据。 .化学分析及实验 ?,美国。及其 所有实验用水均为.超纯水,. 亚组分和及其亚组分的溶液除酸性官能团的测定其它测试前均用孔径为 . 进行过滤。 的/玻璃纤维膜?,灼烧 主要组成元素、、和,利用元素分析仪 , . . 德国测定,测定条件为载气 ,测定前样品在? , 干燥 。灰分采用烧失量法测定,在?灼烧 。元素的含量,通过差 量法计算。 红外光谱,采用压片法利用傅里叶红外变换光谱仪,美国测 定,测定范围为~ ~。取大约. 冷干的固体样品与 混合压片用于固体红外光谱测定。 固态波谱,利用 ,,瑞 士核磁共振仪测定,测定频率为. ,循环延迟时间为 ,脉冲宽度为 . .. 紫外.吸光值在室温条件下,使用石英样品池样品的紫外.可见光度计 ,美国取测定三维荧光的及其亚组分和及其亚组分的溶液 进行测定,扫描范围为~。根据.定律计算各组分紫外吸 光系数。 三维荧光光谱 /,使用带有石英荧光样品池的高灵敏度荧光 光谱分析仪 ,,,日本测定。用溶解有机碳含量小 氙灯,光电倍增管电 于./的超纯水做参照,测定参数:激发光源 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 压为 ,相应时间,自动;扫描速度 /;扫描范围为激发波长 为~ 狭缝宽度为 ,发射波长为 狭缝 宽度为 。内过滤效应降低了荧光物质固有的荧光强度,对正确解释荧光 峰和荧光百分比存在误差【】。和等‘曾报道了用内过滤校正公 式进行的内过滤校正。该研究用紫外.可见光分光光度计测定激发和发射波 长处 的紫外吸光度值进行内过滤校准。 .,日本色谱柱在高效液相色 样品的分子量利用. / 谱 ,美国进行测定,流动相为为.的磷酸盐缓冲液. ,流速为. /。流动相用孔径为 的磷酸盐缓冲液和./ . 进行过滤。体积排阻色谱柱用 的/玻璃纤维膜?,灼烧 ,. , 购自美国.公司的聚苯乙烯磺酸钠分子量分别为 . ,. , 进行校准。相关系数为.之间的保留离子量的对数 与分子量。 酸性官能团采用电位滴定法测定,配制浓度为 /的样品溶液. / 和. /的,在氮气保护下搅拌 ,加入一定量的 / 中和上述加入。在氮气保护下,于室温下,用已标定的的. 溶液进行电位滴定。用一定浓度的控制最初的为.?.,记下 用量,每次加入微量的,并计录每次值。羧基和酚羟基的含量利用质 和 子平衡公式进行计算,羧基的浓度是为时电荷值,酚羟基含量是 。 电荷变化值的两倍,两者相加即为总酸度 .结果与讨论 ..富里酸及其亚组分结构特征 ...元素分析 及其亚组分元素组成与原子比见表.。随着洗脱顺序,从。到 含量从.%提高到了.%,而含量从.%下降到了.%。 亚组分的和含量的变化范围均大于推荐的标准的含量.% .%和含量.%一.%。后来洗脱的亚组分和 的含量比较早洗脱的亚组分,,高%。而及其亚组 分含量明显高于河标准含量.%~.%,与土 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其皿组分的表征 壤和泥炭.%.%标准含量基本一致。从表可以看 到含量从.%到.%逐渐增加。 表. 及其亚组分的元素组成以及原子比 . 不同的原子比能反映官能团的差异,可用于间接反应有机物的结构特性。 例如,/原子比为.左右时,表明该物质为稠环类芳香环,而/原子比约 时,该物质为链烷烃。/原子比为.和.之间对应物质的基本结构中含 高达个碳原子的脂肪族侧链的芳香环【?。及其亚组分的/原子比介 于.至.,表明及其亚组分中都含有与芳香结构和脂肪结构。此外, 后洗脱的组分和/原子比高,意味后洗脱的组分具有丰富的脂肪族长链, 而具有较高饱和度?。另一方面,后洗脱的组分含量和/也较低表明后 洗脱的亚组分含有较少的含官能团如烷氧基,羧基和羰基等.】。也就 是说,在缓冲液洗脱过程中,越后洗脱出来的亚组分含量越低,这 与等【研究结果一致。等】对土壤进行连续分离,研究表明,随着 值从.到.,两种土壤亚组分的/逐渐下降。/表示 亚组分的极性,从表.可以看到,/随洗脱顺序从.下降到了.。 因此,亚组分中极性较低的组分在缓冲洗脱过程较能抵抗高值。 范氏图是在说明煤的煤化作用过程中被提出的,最近被成功地用于煤、、 以及植物成分元素组成的比较【昏。在范氏图,以/对/绘制利用 .树脂连续洗脱提取的及其亚组分的变化趋势见图.。 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征羞 隧 , 望 士 /原子比 图. 和在范氏图中的位置 . 推荐的标准的/原子比介于.~.,/原子比在.和. 之间,在图中占据了广阔的“”形区域。在区域的右侧占据一个非常广 泛的领域,表示是一类富含的化合物。从图.可以看到,和 位于的区域;而后洗脱的和亚组分因为含量低、含量高 位于区域。也就是说,亚组分中后洗脱的组分和具有一些类似的组 成。在范氏图中直线能表示主要反应如脱羧反应,即个羧基被 个脂肪碳的.取代,意味着减少个而增加个,在图.的范氏 图中可以看到斜率为.的脱羧图。从到包括,,,后洗脱组 分蓝色箭头指示能观察到明显的脱羧反应,同样,从包括和 较早分离的组分红色箭头指示也能看到脱羧反应。因此,缓冲液按 洗脱顺序可以控制不同亚组分的羧基含量,后洗脱亚组分羧基含量较低。刘 等【】用缓冲液、水和乙醇分离的亚组分也随洗脱顺序进行脱羧反应。 ...红外光谱分析 及其亚组分的红外谱图如图.所示,从测得的傅里叶红外谱图可以看 到及其亚组分的结构存在一定的差异图.。及其亚组分的红外图谱 。处,?伸缩振动 ‘处, 中都出现了.伸缩一 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 。 ’处,羧基、酚、不饱和醚. 羧基或羰基伸缩 相关典型吸收峰【】,表明及其亚组分和推荐的泥炭和 的标准具有相似的结构。 波数。 图. 及其亚组分红外谱图 .处可以看到明显的酰胺带酰胺基 、、在约 团伸缩的吸收峰,此外,在约 ‘处还可以观察酰胺带. 变形和伸缩的吸收峰图.,说明后洗脱的亚组分是一类明显 的含化合物。等于年通过测定的红外谱图,首次提出用普通缓冲 液、水和乙醇连续提取的亚组分中含有肽键结构。在的红外谱图中 推荐的标准和以及不存在酰胺结构。后洗脱的亚组分含有酰胺 带可能与生物行为有关。后洗脱的亚组分如,。,。出现酰胺的 组分与元素分析含有较高的一致。第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组 分的表征 红外光谱的吸光度或透光度虽然不能直接相比,但红外光谱吸收峰强度的 比值已经被成功应用于解释结构的相对变化‘。 ’和 ‘波 ‘ 段的吸收峰分别与脂肪族.和羧基或羰基和相关, ‘与 处吸收峰的比值以可以反映及其亚组分中的羧基或羰基与脂肪 结构的比例。从.到./逐渐增大,说明后洗 脱亚组分中含有较多的脂肪结构,而羧基或羰基少。同时也证实了元素分析 中随着洗脱顺序亚组分的含量减少和含量增加。 。处都可以观察到反对称伸缩 、、和在 处出现许多反映亚甲基、甲醇、 的吸收峰。而。和在. 异丙醇、叔丁基.弯曲振动的峰。说明后洗脱组分中脂肪结构中的?取代 了非极性基团如。和中的..。因此,亚组分可能有助于对 脂肪结构和脂肪性较高的环境行为的研究与探索。 ...核磁共振波谱分析 及其亚组分的核磁共振波谱见图.,及其亚组分在化学位移分别为 ~ 与氧相连的 烷基碳、 甲氧基碳、 烷基碳、 与 与氢、氧原子相连的芳香碳、 氮、氧原子相连的芳香碳、~ 羧基碳和 羰基 碳都出现了典型的信号峰。推荐的标准核磁共振谱图中也能明显的 看到上述特征峰,说明及其亚组分与推荐的标准具有相似的结构 特征。 等四研究表明 为烷基碳甲基,亚甲基和次甲基的信号峰。 在 有一个尖锐的强吸收峰,和都出现了双峰,而和 在 都为一个弱而宽的信号峰,说明与其它亚组分相比,和 为甲氧基碳吸 。含有少量未取代的饱和脂肪碳。在.烷基信号区, 收峰, 的峰对应于碳水化合物的.和.:脂基基团。从 的峰逐渐下降,表明烷基随洗脱顺序下 到随着洗脱顺序 降。 . 的信号峰分别为 的芳香碳的差别最明显。、和 芳香碳,苯酚碳和酚碳。 芳香碳峰的相对强度从到逐渐增 强。。在 和 出现较高的峰,然后随洗脱顺序吸收峰的相对 强度增加。。在 出现反应酚碳的峰,并且相对强度从到 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 峰 不断增加,主要是由于大于时一的游离酚大量增加。 的变化说明后后洗脱的组分从到随着洗脱顺序甲氧基酚的含量增 加。 的强烈而尖锐的峰羧基碳,从到随洗脱顺序逐渐下降, 说明从到随洗脱顺序羧基碳的含量不断下降。 。 化学位移 图. 及其亚组分的?图谱 . 根据核磁共振谱图估算的各种碳的相对含量分布见表.。羧基碳随提取顺 序从.%下降到了.%,通过芳香碳与芳香碳和脂肪碳的和估算的芳香度 介于.~.之间。羧基、芳香度在与污染物的相互作用中发挥关键作用 。因此,用不同的缓冲液洗脱的亚组分由于羧基和芳香度的不同, 有助于对与多环芳烃、重金属离子以及碳纳米管等环境污染物相互作用机理 的研究。 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 表.通过固体 波谱估算’及其亚组分碳百分含量分布 . ?。。 ‘ 料芳香度:芳香碳 .红外图谱中 与脂肪碳和芳香碳和的比值;/ 。与 ‘处吸收峰的比。 ...紫外.可见光谱分析 及其亚组分的紫外.可见光谱图见图.,及其亚组分的吸光度都随波 长的增加而下降。所有的组分在波长为~ 处都有类似的紫外.可见光 吸光度,在波长为 处吸光度急剧下降。在~ 波长范围 内吸光度存在如下规律 。和在~ 处分别有一个?.?丰双键电子跃迁明显的肩峰【】。前人研究认为,较低的/ 和 较高的芳香碳是导致可能出现肩峰的原因【】。该研究中和 脂肪碳含 处没有明显的肩峰,说 量.%,.%基本相同,但是在波长为~ 范围内的的肩 明芳香结构被其他官能团结构代替只能影响波长在、 峰。 和 处的紫外吸光系数和已被广泛用于 描述的来源,腐殖化程度和分子量等特征【,。亚组分从到 从. ?降到了. / ?,而从. / / ?降到了. ?。此外,及其亚组分的和与 / 芳香碳和脂肪碳含量的和没有显着关系。 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 众 暑 已 糕 垛 呆 蓉 波长 图. 及其亚组分的紫外谱图 . 表. 及其亚组分在和的紫外吸光系数 . ...分子量分布 及其亚组分的分子量分布在高校液相体积排阻色谱上进行测定。等剐 研究表明磷酸盐缓冲液与溶液液可以消除与流动柱填料的相互作用, 因此,选用磷酸盐缓冲液与混合液为流动相。根据聚苯乙烯磺酸钠的分子 质量大小和相应的保留时间计算出及其亚组分的的重均分子量坻数均分子 ,从 量坛见表.。随洗脱顺序亚组分的从下降到了 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 下降到了 。/从 到略有增加,即从.增加到 .,而从到 迅速增加。从/随洗脱顺序的增加趋势,表明 。和’。比后洗脱的亚组分有较大的分子量和组成结构中可能有更多的异 构体晔】,这与小分子量的物质在洗脱时存在尺寸排阻相符合。此外,前人研 究 表明,由于尺寸排阻作用,在多孔吸附剂如活性炭上可以明显的观察到 分子量较小的部分优先吸附,而解吸滞后【吼洲。 表. 及其亚组分的分子量分布 . ...三维荧光光谱分析 三维荧光测定的及其亚组分的荧光峰位置见图.。、和 /。 /禾 /:. / 都有荧光峰/:/ 两个主要的荧光峰,推荐的标准的个主要荧光峰都在类和类 类最大荧光值区域内图.。而出现了包括类蛋白峰/:~ /~ /和/:~/~ /在内的个荧光峰 图.。荧光峰和在河流、湖泊和海洋溶解有机质研究中被广泛报道【引 被称为类蛋白样最大荧光值。类蛋白荧光最大值与溶解蛋白质,氨基酸衍生物, 和包括吲哚基团的其他杂环化合物的存在有关【斟。与。相比,和 的荧光峰消失。荧光峰和的等高线图的顶点几乎是椭圆形,另外, 荧光峰和的部分的荧光峰被水拉曼和瑞利散射遮盖。荧光峰和的 。 和 ,而它们变化较大在 分别为 蚓和等研究表明,河水中的氨基酸可以与结合,使到 。然而,推荐的标准和及 】的的变化较大 其较早洗脱的亚组分没有观察到蛋白峰。因此,类蛋白类物质是在用缓冲液洗 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 脱的过程中逐步累积的。指出,类蛋白质类物质是英国河流水域 人为来源的一个有用指标,但是等四认为,日本河水中类蛋白质类物质 可能来自自然和人为来源。因此,类蛋白质类物质的的生物地球化学行为的起 源和可能会在逐步提取中得到独立研究。此外,类蛋白峰与红外图谱中后洗脱 的组分出现酰胺峰一致,说明后洗脱组分中含有蛋白质或类蛋白质类物质。 量 × 【工 标准;;;口;?;?;?】 图. 及其亚组分和推荐的标准’荧光峰位置 . .通常,被用来讨论三维荧光的数据仅特定的荧光强度与其相对应的/ 可能含有个以上。等【于年,提出了荧光区域整合方法,该方 法在假设的条件下,用选定区域内各个组分的代表荧光累积反应的三维荧光 峰 的强度的比值,对天然有机物进行定量评价。基于荧光区域整合方法,个区域 的的激发和发射波长与等】推荐的界限一致图.。 将荧光峰、、和分成四个区域,分别命名为峰区域、峰区域、 峰区域和峰区域,计算荧光反应百分比尸。等【】研究表明,峰 区域为分子量较小的类类物质。峰区域为分子量较高的类类物质。 及其亚组分的最高的区域为峰区域图.,类类物质尸比其它中 物质高。峰区域和峰区域的随洗脱顺序逐步下降,说明随洗脱顺序类 和类类物质减少图.。峰区域的尸急剧下降与亚组分的平均分 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 子量随洗脱顺序减小一致。峰区域与微生物的可溶性副产品相关。峰区域 与简单芳烃蛋白质相关如酪氨酸睇。后洗脱的组分的峰区域和峰区域的尸 值较大图.,说明后洗脱的组分富含包括类蛋白质的生物相关物质,与元 素分析和红外光谱分析的结果一致。 霎 ? 钆 ’皿峰;曰峰;口峰;圈峰 图. 及其亚组分荧光区域一体化分布图 . ...酸性官能团分析 利用质子平衡公式计算的及其亚组分的羧基和酚羟基的含量见表., 亚组分的羧基含量随洗脱顺序从. /?.下降到了. /?., 说明缓冲液按洗脱顺序可以控制不同亚组分的羧基含量,与元素分 析中根据范氏图分析的结果一致。和羧基含量接近推荐的标 准的羧基含量,说明和与具有一些相似结构,与元素分析 中根据范氏图分析的结果一致。此外亚分羧基含量的变化范围大于推 荐的标准羧基含量.~. /?.,羧基在与污染物的相互 作用中发挥关键作用【】,尤其是与重金属离子的相互作用,羧基为主要的络 合 官能团【洲。因此,用不同的缓冲液洗脱的亚组分由于羧基含量的变化范 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 围较大,有助于对与重金属离子相互作用机理的研究。及其亚组分酚羟 基含量介于.. /.,均大于推荐的标准的酚羟基含量 .~. /..,这可能与鹫峰独特的自然地理条件有关,由于地处我 国华北地区,土壤呈弱碱性,有利于酚类物质:的稳定存在。总酸度 随洗脱顺序从从. /?.下降到了. /?.。 表. 及其亚组分的羧基和酚羟基的含量 . 羧基 羟基 总酸度 样口匆 仟?/./../.. .士. 。 .士. .士. .士. .士. .士. .士. .:. .士. .士. .. .. .士. . . .士..土. .士. . 士. ...分子量,极性和之间的关系 如图.所示,及其亚组分的分子量随增加而增加, 与和成极显著正相关关系: . .? .,. .?一. .,. 这与前人的研究结果一致?,’,说明与所有的分子量强烈 相关。这一结果优于等【的报告。.?,., .。可能是我们实验中亚组分是利用树脂逐步连续洗脱 所得,其结构差异均小于等 树脂与.串联使用分离的 亚组分。 图.表明与极性存在相关性,极性与具有较好的共 变趋势: 极性. . ?. ,. 因为的紫外光谱比较容易监测,所以比较分子量和极性与之间 的关系,是一个可行的评价极性和分子量指标的变化趋势。 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 /、 日 \一 坷 掣 焱 鞋/。 图. 及其亚组分的分子量,极性和关系图 ....小结 .吸附技术联合初始分别为,,,,和的焦磷酸缓冲液逐 步洗脱是另一个分离亚组分以减少异质性的有用的技术。该研究中用初 始分别为,,,,和的焦磷酸缓冲液逐步分离为个亚组分随着洗 脱顺序,极性,羧基含量,分子量和总酸度降低,而含量和脂肪族碳含量增 加。中的类蛋白质类物质集中出现在、和。分离机理为根 据不同值下羧基和酚羟基的不同去质子化,不同的蛋白类物质的差异和尺寸 排阻作用,逐步洗脱吸附在.树脂上的。对的成功分离将有利于对 的结构和与环境污染物相互作用机理的研究。 ..腐殖酸及其亚组分化学结构特征 ...元素分析 及其亚组分的元素组成以及原子比见表.,亚组分用提取 含量从.%提 比用提取的变化小。随着提取次数,从到 高到了.%,在推荐的标准的含量.%.%的变化 范围内,而含量从.%下降到.%,与标准 含量.%~ 第章富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚组分的表征 .%基本接近。用提取的亚组分比用提取的亚组分 的的含量高%以上,而含量低%以上。用提取的亚组分的 , 含量接近推荐的标准的含量土壤,.; .:,.,而和用提取的亚组分的含量较高大 . 于.%,及其亚组分含量与土壤.及 基本一致。 表. 及其亚组分的元素组成以及原子比 . 原子比的不同可以用来表征官能团的差异,间接反映有机物的结构特性。 及其亚组分/原子比介于..之间,说明及其亚组分都含有芳 香族和脂肪族基官能团。此外,较高的含量和/原子比,说明用提 取的亚组分含有饱和度较高的较长的脂肪族侧链,同时,含量和/ 原子比较低,表明用提取的亚组分中有较少的含氧官能团如烷氧 基,羧基和羰基 。/值表示及其亚组分的极性指数。从表 可以看到,用提取的亚组分的极性指数都为.,而用提取 的亚组分的极性指数随提取次数依次降低,因此,亚组分中极性较低的 组分在提取过程中能抵抗的作用。 在范式图中,绘制及其亚组分的/和/原子比,及其亚组分的 变化趋势见图.。用提取的亚组分在范式图中的位置与推荐 的土壤标准的位置邻近,说明他们之间有相似的化学性质,而及 其用提取的亚组分位于“”型区域上方边界位置,说明及其用 第章 富里酸及其亚组分和腐殖酸及其亚