隋 紅，任興飛，廖曉勇，閻秀蘭，馬 棟

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3.天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一類含有2個或2個以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔?，在環(huán)境中較為穩(wěn)定，難以降解，會在土壤介質(zhì)中不斷積累[1]。據(jù)調(diào)查，環(huán)境中的PAHs來源廣泛，包括人工污染源和自然污染源，其中在人工污染源中，焦化廠排放 PAHs最為嚴(yán)重[2-3]。近年來，我國不同地區(qū)工業(yè)和農(nóng)田土壤中都有不同程度PAHs檢出，且部分地區(qū)的超標(biāo)率較為突出[4-5]。

PAHs在土壤環(huán)境中的遷移及環(huán)境行為取決于它們與土壤不同組分的相互作用[6]，土壤有機質(zhì)通常被認(rèn)為是影響PAHs環(huán)境化學(xué)行為的重要因素之一。由于土壤有機質(zhì)的異質(zhì)性，導(dǎo)致疏水性有機污染物如PAHs在土壤上的吸附呈現(xiàn)非線性等溫線及吸附-解吸遲滯，且不同土壤吸附能力存在較大差異。PAHs的性質(zhì)會影響其賦存，比如PAHs相對分子質(zhì)量會影響PAHs吸附和封鎖。PAHs相對分子質(zhì)量越大，吸附系數(shù)越大[7]。而相對分子質(zhì)量較大的分子，一旦被鎖定在土壤顆粒的微孔中或鑲嵌在腐殖質(zhì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，就很難再解吸，從而殘留在土壤顆粒中。Bogan and Trbovic提出 PAHs的在土壤中封鎖的雙模型過程，即PAHs溶解到疏水有機質(zhì)表面，即胡敏酸和富里酸等橡膠態(tài)非剛性結(jié)構(gòu)中；然后擴散到土壤顆粒間的微孔中，即玻璃態(tài)剛性的胡敏素微孔中的內(nèi)表面[8]。由于腐殖質(zhì)是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子混合物，不同來源、提取方法和提取時間提取的胡敏酸、富里酸和胡敏素會存在差異[9]。目前，對于胡敏酸和富里酸分子結(jié)構(gòu)的研究比較多[10]，而胡敏素由于組成復(fù)雜，分離純化困難和酸堿不溶性等原因，有關(guān)胡敏素的研究資料十分有限。

因此，本研究先將土壤按密度分級，分為輕組和重組，而重組的主要成分是腐殖質(zhì)，從而進(jìn)一步根據(jù)腐殖質(zhì)在溶解度和吸附特性方面的不同進(jìn)行分級，分成胡敏酸、富里酸以及胡敏素，研究 PAHs在不同有機質(zhì)組分中的賦存特征，并且采用紅外光譜技術(shù)對不同方法提取的不同組分進(jìn)行分析鑒別。土壤中污染物的分級研究也是為了更好地解釋污染物在土體中的分配過程和毒性效應(yīng)，為建立土壤PAHs分級方法提供科學(xué)依據(jù)，以及為PAHs在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試樣品采自北京市某焦化工業(yè)場地的表層土壤，土樣經(jīng)充分混合后置于4℃冰箱內(nèi)保存待處理。土壤TOC含量平均為1.51%，有效鐵含量平均為15.6 mg·kg-1，有效錳含量平均為 186.0 mg·kg-1，硫酸根平均含量為 122.0 mg·kg-1，土壤中多環(huán)芳烴的總濃度為54.45 mg·kg-1，16種多環(huán)芳烴的濃度見表1。

表1 焦化廠土壤中PAHs濃度 （中國北京）Table 1 Concentrations of PAH s in coking p lant’s soil（Beijing，China）

1.2 土壤PAHs分級方法

土壤分輕組（LF）和重組（HF），其中 LF的主要成分為正在分解中的動植物殘體、菌絲體、孢子、單糖、多糖和半木質(zhì)素等；HF主要為胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）。輕組和重組的提取方法參考 Ni[11]，其中 ZnBr2溶液密度為 1.8 g·cm-1；胡敏酸、富里酸和胡敏素的分離分別采取酸堿分級法和樹脂分級法：酸堿分級法采取國際腐殖質(zhì)協(xié)會（IHSS）的提取方法，具體步驟見圖1。樹脂分級法參考李會杰發(fā)表文獻(xiàn)[10]（圖2）。

1.3 分析和檢測方法

土壤中PAHs濃度的測定方法：PAHs采用氣相色譜AGILENT6890N進(jìn)行測定。分析條件：HP-5MS 30 m×0.25 mm毛細(xì)色譜柱，載氣為氦氣，柱前壓0.03 MPa，線速度37 cm/s，進(jìn)樣口溫度300℃，初始溫度60℃，以 5℃/min速度升至 300℃，保留20 min至樣品完全流出。

土壤組分的物質(zhì)定性鑒別方法：分別用分析天平（精確到0.0001 g）稱取土壤5個組分樣品2 mg和100 mg KBr粉末（光譜純），以 m（樣本）∶m（KBr） =1∶50的比例在瑪瑙研缽中混磨后壓片。用傅里葉變換紅外光譜儀掃描測定，儀器分辨率為4 cm-1，掃描區(qū)間為4400～400 cm-1，記錄其光譜。

圖1 酸堿分級法流程圖Fig.1 The flow char t of acid and alkali classification m ethod

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤各組分物質(zhì)鑒別

圖3為輕組、重組，以及胡敏酸、富里酸、胡敏素的紅外光譜圖。2種分級方法所分離相同組分物質(zhì)吸收峰的峰形基本相似，也就是說，2種方法提取的物質(zhì)基本一致。

從圖3b）輕組的紅外譜中可以看出吸收峰分別在3560～3540 cm-1處（締合—OH的伸縮振動）、1618～1616 cm-1處（C=O的伸縮振動）、1439～1434 cm-1處（苯環(huán)中C=C的伸縮振動）、1030～1027 cm-1處（脂肪醚 C—O伸縮振動，C—O—C伸縮振動），這說明輕組中可能含有碳水化合物、脂類、醚類、酰胺類、醇類和脂肪酸等化合物。

從圖3a）重組的紅外光譜看出，分別在3450～3440 cm-1處（C—H的伸縮振動，分子間氫鍵O—H伸縮振動，締合—NH的伸縮振動）、1650 cm-1處（芳香環(huán) C—C的伸縮振動，C=C伸縮振動）、1441～1436 cm-1處（苯環(huán)中C=C的伸縮振動）、1030～1025 cm-1（醚類 C—O—C伸縮振動）、871、780～770、468～461 cm-1[硅雜質(zhì)（Si—O），無機氧化物等的振動]有吸收峰，此外在2580 cm-1處有較小的吸收峰，這是由=C—H伸縮振動導(dǎo)致的。這說明重組中可能含有碳水化合物、醚類、酰胺類、羧基和芳香基團等化合物。

同樣對胡敏酸、富里酸、胡敏素的光譜圖進(jìn)行分析，得出胡敏酸中可能含有碳水化合物、酰胺類、醚類、羧基等化合物，富里酸中含有大量的含氧基團、不飽和烴骨架、醚或酮類等化合物，胡敏素中可能含有碳水化合物、醚類、酰胺類和芳香基團。

圖2 樹脂分級法流程圖Fig.2 The flow char t of resin classification m ethod

圖32種分級方法分離的5種組分的紅外光譜圖Fig.3 The five fractions’ FTⅠR extracted by the two classification m ethods

2種方法分離的各個組分的譜圖相似，但響應(yīng)值的強度不同，說明2種分級方法所獲得的各組分純度不同。同時結(jié)合各組分的干質(zhì)量可知，酸堿法提取的胡敏酸、胡敏素組分純度較低，酸堿法提取得到的胡敏酸質(zhì)量大于XAD-8樹脂法提取的胡敏酸，而胡敏素的質(zhì)量與之相反。有文獻(xiàn)報道，胡敏酸中含有較多的含氧基團，如羧基，而胡敏素中含有較高的脂肪碳，而芳香碳含量較低，并且羧基、酚羥基的含量都低于胡敏酸[12]。因此推斷，酸堿法提取的胡敏酸中可能會含有一定量的胡敏素，胡敏素中含有一定量的胡敏酸，從而使胡敏酸中的PAHs含量有所偏高，胡敏素中PAHs含量偏低?？傊?，與酸堿分級法相比，XAD-8樹脂分級法提取的各個組分純度相對比較高，并且XAD-8樹脂分級法提取的PAHs的回收率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于酸堿分級法，但是該方法比較麻煩，耗費相對昂貴。

2.2 土壤不同組分中PAHs的含量

由表2可以看出，土壤在進(jìn)行分級之后，總PAHs含量的分布規(guī)律如下：輕組中的PAHs含量遠(yuǎn)高于重組；另外重組中PAHs含量胡敏素 ＞胡敏酸＞富里酸。并且輕組中PAHs含量是重組中PAHs含量的2.9倍左右。造成這種分布差異的主要原因可能與有機質(zhì)含量有關(guān)，因為有機質(zhì)是PAHs的主要吸附劑[13]。當(dāng)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞1%時，土壤有機質(zhì)控制著非離子有機污染物在土壤中的吸附作用，當(dāng)土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1%時，黏土礦物與有機質(zhì)共同對土壤有機污染物的吸附和滯留能力起重要作用[14]。而本研究的供試土樣中有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)是大于1%的。已有研究表明輕組的主要成分是由不同分解程度的植物殘體和一些微生物結(jié)構(gòu)體組成的有機質(zhì)組分，而重組的主要成分為腐殖質(zhì)[15-16]。輕組的有機質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重組，導(dǎo)致輕組對PAHs的吸附量也遠(yuǎn)高于重組?？梢?，土壤中生物活性較高的有機質(zhì)組分結(jié)合的污染物生物有效性通常較高，環(huán)境風(fēng)險也相對較大。從生物有效性和對環(huán)境危害的角度來看，輕組分離出后，剩余的重組結(jié)合的PAHs絕大部分生物有效性較低，環(huán)境風(fēng)險也就相對較小。因此，后續(xù)應(yīng)該著重于胡敏素的研究，進(jìn)一步去除胡敏素結(jié)合的PAHs，可進(jìn)一步降低環(huán)境風(fēng)險。

表2 酸堿法和XAD-8樹脂法提取的5種組分中總PAHs以及16種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在土壤不同組分中分配的量

圖4是酸堿提取法和XAD-8樹脂提取法2種方法提取的各個組分中總PAHs量（提取的各組分含量乘以相應(yīng)的干質(zhì)量得到的值）的分配比例。

圖4 酸堿分級法（A）和樹脂分級法（B）分離的PAHs分布比例圖Fig.4 The distribution scale m ap of PAH s extracted by acid and alkalim ethod（A） and resin m ethod（B）

由圖4中可以看出，酸堿分級法提取的PAHs總量中輕組為369.77 mg，占33%左右；胡敏素為595.52 mg，占 54%左右；胡敏酸為 126.71 mg，占12%左右；而富里酸為5.119 mg，占不到1%。同樣，樹脂分級法提取的PAHs總量中輕組為378.06 mg，占24%左右；胡敏素為1196.0 mg，占75%左右；而胡敏酸與富里酸之和為28.88 mg，僅占不到2%。總體來看，不管是酸堿分級法還是樹脂分級法，均有胡敏素中的PAHs最多，而胡敏酸和富里酸占比例相當(dāng)少，尤其在樹脂提取法中體現(xiàn)的更明顯。

造成胡敏素中PAHs明顯高于胡敏酸和富里酸中PAHs含量的原因是，胡敏酸對菲等持久性有機污染物的吸附常數(shù)要小于胡敏素，且隨著老化時間的延長，富里酸和胡敏酸吸附的疏水性有機污染物有向胡敏素中轉(zhuǎn)移的趨勢[17-18]。另有研究也表明，把菲投入土壤中老化100 d后，將土壤腐殖質(zhì)分成胡敏酸、富里酸和胡敏素，然后測定各組分中菲的含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小于12%的菲結(jié)合在胡敏酸或者富里酸上，而 90% ～93%結(jié)合在胡敏素-礦物復(fù)合體上[19]。

2.4 土壤分組的質(zhì)量回收率和PAHs回收率

由表3數(shù)據(jù)可知，一方面，土壤在進(jìn)行輕組和重組分離之后，酸堿法和XAD-8樹脂法提取的土壤的質(zhì)量平均回收率分別為100.20%、100.76%。2種分級方法的質(zhì)量平均回收率均在100%以上，表明提取各組分的分離過程中基本上沒有土壤損失。

表3 兩種方法提取的質(zhì)量回收率和PAH s總量回收率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，分組之后，酸堿法和 XAD-8樹脂法的PAHs總量平均回收率（按輕組、胡敏酸、富里酸和胡敏素中PAHs含量與他們各自質(zhì)量乘積之和計算得出的PAHs總量與原土中實測PAHs總量的百分比）分別為100.7%和147.2%。而重組在進(jìn)行胡敏酸、富里酸、胡敏素分離之后，酸堿法和XAD-8樹脂法提取的 PAHs總量回收率（按胡敏酸、富里酸和胡敏素中PAHs含量與他們各自質(zhì)量乘積之和計算得出的重組中PAHs總量與實測重組中 PAHs總量的百分比）分別為42.74%和70.05%。由表3中數(shù)據(jù)可見，2種方法所得的濾液中PAHs的含量也比較高，這可能是因為分組之后增加了土壤顆粒與提取溶劑的接觸面積，很多鎖定在土壤中的PAHs在原土中未被提取出，而在分組之后被提取出。

3 結(jié)論

1）土壤在進(jìn)行分級之后，酸堿分級法和樹脂分級法提取的土壤的質(zhì)量平均回收率分別為100.20%、100.76%，而 PAHs總量回收率分別為100.7%、147.2%。

2）不管是酸堿分級法還是樹脂分級法，均為輕組中總PAHs的含量遠(yuǎn)大于重組中總PAHs的含量，而重組PAHs的含量主要分布在胡敏素中，分別占重組中PAHs總量的54%左右、75%左右，而胡敏酸和富里酸中占的比例相當(dāng)少，尤其在樹脂提取法中體現(xiàn)得更明顯。

3）酸堿分級法和樹脂分級法2種方法均提取了4種組分，分別為輕組、胡敏酸、富里酸、胡敏素。不同的是，2種方法提取的組分純度不同，樹脂分級法提取的胡敏酸、富里酸、胡敏素3種組分的純度明顯高于較酸堿分級法，并且含有的雜質(zhì)較少，但是實驗步驟繁瑣，費用昂貴。

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