張春蘭，張嘉琪?，趙玉杰，宋志廷,王曉麗（.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384；.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 3009）

利用DGT實時監(jiān)測模擬根系吸收土壤重金屬

張春蘭1，張嘉琪1?，趙玉杰2，宋志廷2,王曉麗1
（1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

為了研究植物根系對土壤重金屬吸收的動態(tài)情況，并進一步評估土壤中的重金屬濃度，運用DGT擴散膜和電化學(xué)工作站結(jié)合的方式，對10、100μ g· L-1的Cd2+溶液進行模擬植物根系吸收重金屬試驗。當(dāng)土壤中重金屬Cd2+濃度大于等于100μ g· L-1時，選擇差分脈沖伏安法監(jiān)測動態(tài)擴散；當(dāng)濃度小于100μ g·L-時，選擇線性掃描伏安法監(jiān)測動態(tài)擴散。結(jié)果表明，這種方式不僅能真實地模擬植物根系的動態(tài)吸收情況，而且實驗所得結(jié)果真實可靠，相比先取溶液再測定的方法具有實時監(jiān)測、靈敏度高、誤差小等優(yōu)勢。

土壤；梯度擴散薄膜技術(shù)（DGT）；擴散膜；重金屬；電化學(xué)工作站

X833

A

作為人類的食物及各種營養(yǎng)元素的主要來源之一，農(nóng)作物的安全和質(zhì)量與人們的生活、健康息息相關(guān)。隨著工業(yè)與科技的發(fā)展，重金屬污染對農(nóng)作物的影響越來越明顯。重金屬不僅在生態(tài)鏈中具有極大的危害，且具有累積效應(yīng)。隨著各部門對農(nóng)作物中重金屬的重視程度越來越高，對農(nóng)田中重金屬的檢測要求也越來越高。

對土壤重金屬進行有效態(tài)的準(zhǔn)確測量比較困難，在大部分研究中，土壤中的有效態(tài)（Labile Species）是通過對采集來的土壤樣品進行金屬形態(tài)分析而獲得［1］。實際上，土壤環(huán)境是個包含化學(xué)、物理和生物的復(fù)雜動態(tài)過程，任何土壤顆粒物和溶液間的平衡極易受所處環(huán)境條件影響，從而導(dǎo)致采樣過程和提取過程中金屬形態(tài)發(fā)生變化。梯度擴散薄膜技術(shù)（Thetechnique of diffusive gradients in thinfilms，DGT）是一種用于提取水體、底泥和土壤中重金屬生物有效態(tài)的技術(shù)［2］，它引入了一個動態(tài)概念，是基于菲克（Fick）擴散第一定律，通過模擬植物或者其他生物對重金屬的吸收過程進行重金屬生物有效性的研究。DGT主要由擴散膜、結(jié)合膜和支撐固定膜材料的外套組成［3］，其中，擴散膜為介質(zhì)中的離子態(tài)金屬和有機結(jié)合易解離態(tài)金屬提供擴散及解離通道。這兩種重金屬形態(tài)也是植物可吸收的主要形式［4-6］，其提取的重金屬活性部分與植物、動物吸收的重金屬含量存在較好的相關(guān)性，是現(xiàn)在公認(rèn)的提取重金屬生物有效態(tài)較合理的方法［4，7-10］。林繁等［11］采用的是先擴散再定時采樣測量的方法，這種將樣品帶回實驗室經(jīng)過制樣、上機檢測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計輸出等過程的方式獲得的重金屬檢測量不能真實反映重金屬對農(nóng)作物的危害情況，無法直接用于指導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)。

電化學(xué)法是近幾年發(fā)展較快的一種快速檢測重金屬的方法。該方法不僅操作簡單、靈敏度高、檢出限低，且可快速測定現(xiàn)場中重金屬。本文在電化學(xué)法的基礎(chǔ)上，通過基于LabVIEW自主研發(fā)的重 金屬分析儀工作站［12］，主要利用差分脈沖伏安法和陽極溶出伏安法檢測重金屬，通過一體化裝置檢測擴散膜模擬植物根系吸收土壤重金屬離子，從而可以很好地實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬的檢測及安全評價。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

重金屬分析儀（LabCHEM-10M，自主研發(fā)），AM3250B恒溫磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司），三電極系統(tǒng)（工作電極、參比電極、輔電極），丙烯酰胺（國藥集團化學(xué)試劑有限公司），DGT凝膠交聯(lián)劑（濃度為2%，購自DGT ResearchLtd.，Lancaster，UK），Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000.00μg·mL-1，國家鋼鐵材料測試中心），Hg標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000.00μg·mL-1，國家鋼鐵材料測試中心），醋酸-醋酸鈉緩沖液（0.1mol·L-1，pH 4.0），實驗所用試劑均為優(yōu)級純，實驗用水均為超純水。

1.2 玻碳電極預(yù)處理

將玻碳電極進行預(yù)處理后把三電極系統(tǒng)放入50mg·L-1汞離子溶液中，在-1～1V電位區(qū)間內(nèi)進行循環(huán)伏安掃描活化處理，至循環(huán)穩(wěn)定后于-0.6V電位下沉積240s，在玻碳電極表面鍍上一層質(zhì)地均勻的銀灰色汞膜備用。

1.3 擴散膜的制備

擴散膜的制備方法：移取15mL DGT凝膠交聯(lián)劑，15g丙烯酰胺，用超純配制得丙烯酰胺溶液100mL。取10mL上述溶液放入100mL燒杯中，加入70μL 10%過硫酸銨引發(fā)劑，25μLN，N，N，N-四甲基乙二胺（TEMED）作為催化劑攪拌。將混合溶液倒入兩塊一定間隙光滑的玻璃夾板中。將玻璃夾板在42～46℃條件下靜置反應(yīng)1h，待凝膠形成后，立即放入超純水中水化，24h內(nèi)換4次水。水化完全后的擴散膜低溫儲存在0.1mol·L-1NaNO3溶液中。實驗所用擴散膜厚度為0.8mm。

1.4 自動監(jiān)測擴散裝置

自動監(jiān)測擴散實驗裝置如圖1所示，由兩個127mL的有機玻璃容器組成，原液室A，待測室B，容器A的左側(cè)面和容器B的右側(cè)面中央均有直徑為2.0cm的圓形開口。準(zhǔn)備兩張適宜尺寸的硅膠板，上面打上均勻的透過孔，然后將相同尺寸的擴散膜夾在兩張硅膠片中間，作為一個整體夾在A、B兩室之間，通過螺母、螺絲固定，A、B兩室上面都有對應(yīng)的上蓋，上蓋上有三個螺紋孔，以便讓三電極插入溶液中并固定，通過電化學(xué)工作站測定B室溶液里重金屬的濃度。擴散膜能是模擬植物根系吸收重金屬情況，所以該裝置完全能模擬植物根系的動態(tài)吸收。

圖1 實驗裝置圖

1.5 實時監(jiān)測重金屬鎘（Cd2+）的擴散

目前，對農(nóng)田土壤重金屬污染進行評價結(jié)果顯示，從單項污染指數(shù)來看，土壤中的鎘達(dá)到重度污染水平［13］，且受污染的農(nóng)田面積較大，土壤中重金屬鎘的含量可以達(dá)2.34mg·Kg-1［14］。同時考慮土壤環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)值鎘的背景值0.2mg·Kg-1，所以自然界土壤中的Cd2+濃度范圍為1～300μg·L-1。本實驗選擇100、10μg·L-1兩個濃度進行實驗。A、B兩室同時加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸緩沖溶液，然后于A室中單獨加入Cd2+，使A室中Cd2+的濃度分別為100、10μg·L-1，同時開啟電化學(xué)工作站，實時監(jiān)測B室中Cd2+的濃度。

1.6 平行樣的測定統(tǒng)計分析

圖2 B室Cd2+濃度隨時間的變化曲線（100μg·L-1）

取四川某地土壤進行消解處理后，對土壤樣品進行分析，將樣品溶液分成10組平行樣，5組用ICPMS測定其中的重金屬Cd2+離子的濃度，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)參照，另外5組用自主開發(fā)的電化學(xué)工作站進行測定，比較其中重金屬Cd2+的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 實時監(jiān)測結(jié)果

2.1.1 100μg·L-1Cd2+樣品的擴散

將備用的鍍上汞膜的工作電極、參比電極、對電極連入裝置，進行參數(shù)設(shè)置：-1V電位下沉積240s，差分脈沖伏安法在-1～0V的電位下進行掃描，并于0V電位下清洗，實驗循環(huán)6h。A、B兩室同時加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸緩沖溶液，然后向A室加入100μg·L-1Cd2+樣品，開始實驗，實時監(jiān)測擴散到B室的重金屬濃度，做出B中Cd2+濃度隨時間的變化曲線如圖2。

當(dāng)兩室溶液濃度平衡后，分別取A、B溶液測平衡時溶液100mL，用標(biāo)準(zhǔn)加入法分別求出溶液中B室平衡時，Cd2+為19.634μg·L-1；A室平衡時，Cd2+為13.860 6μg·L-1，然后，根據(jù)擴散系數(shù)D（cm2·s-1）用式（1）計算［15，16］。

式（1）中：A為擴散池圓形開口面積（12.57），cm2；Δg為擴散膜或透析膜的厚度，擴散膜的厚度為0.08mm；slope是每分鐘原溶液中鎘擴散到受體溶液的質(zhì)量，以μg·min-1計；C為原溶液濃度，以μg·L-1計；60是時間從分轉(zhuǎn)化為秒的系數(shù)，得出當(dāng)原溶液濃度為100μg·L-1時，其擴散系數(shù)如圖3所示。

圖3 Cd2+隨時間的擴散系數(shù)變化（100μg·L-1）

通過上圖分析可以發(fā)現(xiàn)，由于開始A、B兩室重金屬Cd2+的濃度差較大，考慮到通過擴散膜的時間，其擴散速率是先增加達(dá)到最高值后，逐漸減少至兩室濃度分別平衡。

圖4 B室Cd2+濃度隨時間的變化曲線（10μg·L-1）

2.1.2 10μg·L-1Cd2+的擴散

將備用的鍍上汞膜的工作電極、參比電極、對電極裝入裝置，實驗參數(shù)設(shè)置在-1V電位下沉積480s，用線性掃描伏安法在-1～-0.4V的電位下進行掃描，在0V電位下清洗，實驗循環(huán)20h。A、B兩室同時加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸緩沖溶液，然后向A室加入10μg·L-1Cd2+樣品，開始實驗，實時監(jiān)測擴散到B室的重金屬濃度，做出B室中Cd2+濃度隨時間的變化曲線如下圖4。

當(dāng)兩室溶液濃度平衡后，分別取A、B溶液測平衡時溶液100mL，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法求出B室平衡時，Cd2+為1.857μg·L-1；A室平衡 時，Cd2+為7.906μg·L-1，帶入上述擴散系數(shù)D（cm2·s-1）用式（1）計算，求出當(dāng)原液濃度為10μg·L-1時，溶液中Cd2+離子 的擴散系數(shù)如下圖5。

圖5 Cd2+隨時間的擴散系數(shù)變化（10μg·L-1）

通過圖5分析可知，由于擴散膜本身的性質(zhì)及濃度梯度差的影響，開始A、B兩室重金屬Cd2+有一定的濃度差，隨著Cd2+不停擴散，其擴散速率不斷減少，直至兩室濃度分別平衡，所需時間較長。

通過上述實驗得出，當(dāng)原液濃度不同時，由于擴散本身濃度差和擴散膜的影響，溶液里的重金屬擴散速率變化不同，原液重金屬離子濃度越高，植物根系吸收的速率越快，且不同濃度的溶液所采取的監(jiān)測濃度的方法是不同的。因此，在應(yīng)用于現(xiàn)場濃度的實時測定時，應(yīng)根據(jù)農(nóng)田中土壤重金屬的大概濃度，選擇合適的實驗監(jiān)測方法。通過上述裝置和方法不僅可以成功模擬植物根系吸收重金屬的動態(tài)情況，還可以計算出隨著時間的累積，根系從土壤中吸收的重金屬質(zhì)量，從而進一步估算出農(nóng)產(chǎn)品所在土壤的重金屬是否超標(biāo)，方便快速安全評價分析。

2.2 測定誤差分析

取四川某地土壤，消解后分成10組平行樣，5組用ICP-MS測定其中的重金屬Cd2+離子濃度，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)參照，另外5組用自主開發(fā)的電化學(xué)工作站進行測定，比較其中重金屬Cd2+的濃度（見表1）。

表1 平行樣品中Cd2+濃度（n=5）

通過實驗數(shù)據(jù)比較，本LabCHEM-10M電化學(xué)工作站所測得的數(shù)據(jù)真實可靠，靈敏度較高，且電化學(xué)工作體積小，是一種便攜式儀器，方便對農(nóng)田中土壤的重金屬進行現(xiàn)場測定。

3 結(jié)論

（1）通過對比100、10μg·L-1Cd2+的擴散可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度較高時，實驗采用差分脈沖伏安法，重金屬離子通過擴散膜達(dá)到平衡的時間較短；當(dāng)濃度較低時，采用線性掃描伏安法，此時，重金屬透過擴散膜達(dá)到平衡所用的時間較長。無論是高濃度還是低濃度離子，通過擴散膜的濃度在一段時間內(nèi)都成線性增長。

（2）同樣的擴散膜，重金屬濃度不同時，離子的擴散系數(shù)不一樣，濃度高時，離子擴散系數(shù)高；濃度低時，離子的擴散系數(shù)較低，但在同一次擴散中，擴散系數(shù)都是逐漸降低的，且成線性降低。

（3）通過本裝置可以實現(xiàn)實時監(jiān)測通過擴散膜的重金屬的濃度，這種方法可以避免采用取樣后在測濃度中帶來的誤差。實驗初步形成以“安全信息快速采集、檢測結(jié)果現(xiàn)場傳輸”主為體的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全支持硬件體系模型。雖然該裝置只是模擬植物根系吸收重金屬，但這種裝置便攜性很強，實驗精確度較高，有望用于現(xiàn)場檢測。

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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

簡介：張嘉琪（1962-），男，天津人，教授。

張春蘭（1982-），女，天津人，研究生，工程師，研究方向：環(huán)境工程。