腐植酸在溶液中的聚集行為：不同組分的貢獻(xiàn)

Gabriela Chilom, Angela S.Bruns, James A.Rice 著

張志國2 譯

(1 南達(dá)科塔州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)院 布魯金斯 999039 2 華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 上海 200237)

腐植材料是地球表層最豐富的有機(jī)物質(zhì)，以土壤形式存在的碳50%以上都是腐植酸。人們通常認(rèn)為它們是穩(wěn)定且形式各異的有機(jī)聚電解質(zhì)類物質(zhì)。該類物質(zhì)能夠?qū)⑺?、沉積物和土壤染成褐色或黑色。根據(jù)腐植材料在不同p H值的水溶液中的溶解性的不同可以分為三種組分：溶于堿性溶液的腐植酸組分，在任何p H下都能在水溶液中溶解的富里酸和任何p H下都不溶解的胡敏酸。這些物質(zhì)即使從自然有機(jī)物中分離出來，它們依舊保持高度不均一性，這一特性使腐植酸每個組分之間相互關(guān)聯(lián)。Mac Carthy和Rice提出，這種不均一性不僅僅是腐植酸的特點(diǎn)，而且能使腐植酸保持并行使種類繁多的生態(tài)功能，它們是自然饋贈。

Wer sh aw在一篇腐植酸概念模型的綜述中得出這樣的結(jié)論：大量的證據(jù)都傾向于說明腐殖質(zhì)是由小分子聚集形成的大分子組裝物。Wer sh aw第一次提出了現(xiàn)在所謂的膜模型，在此模型中，人們認(rèn)為腐植材料在溶液中以膠束的形式存在，且以雙層膜的形式覆蓋在土壤中、礦物質(zhì)和沉積物的表面。Piccolo提出腐植材料是小分子物質(zhì)，通過較小的相互作用，如疏水作用和氫鍵等相互關(guān)聯(lián)作用而形成的超分子聚集體。Simpson使用擴(kuò)散序譜觀察到腐植酸聚集體，在濃度較高的溶液中它們所表現(xiàn)出來的擴(kuò)散系數(shù)所對應(yīng)的聚集體的分子量達(dá)6600 Da，在相對較稀的溶液中其所對應(yīng)的分子量在2500～6100之間。Simpson等人(2002)也證明腐植酸的成分可以劃分為幾類主要物質(zhì)，如多肽、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪，含有酚、羰基和甲氧基等官能團(tuán)的芳香化合物。

人們用表面張力法，溶解度法和譜學(xué)法等很多手段觀察到腐植酸形成膠束狀的聚集體。不同腐植酸的臨界膠束濃度(CMC)在5～10 g/L之間變化。其CM C大小取決于p H、溫度、陽離子的性質(zhì)，濃度和腐植酸自身的特性等。研究證明，多價(jià)陽離子能夠增強(qiáng)腐植酸的聚集行為。Tombácz研究了以脂類為主的泥炭腐植酸的聚集行為，他們指出，腐植酸主要組分中的長碳鏈能夠賦予腐植酸兩親性，從而增強(qiáng)其聚集成膠束的能力。同時也有報(bào)道指出雖然它們能夠形成膠束狀聚集體，但沒有明顯的CMC。由于其行為與形成膠束的腐植酸類似，人們把此類聚集體稱為準(zhǔn)膠束。然而，此類膠束在較低濃度區(qū)域就能形成，其成因主要?dú)w咎于腐植酸各組分之間的分子內(nèi)和分子間的聚集行為。Mejk alová和Piccolo在最近的一片研究中指出，在低濃度區(qū)就能發(fā)生初期的聚集行為，這些聚集行為僅發(fā)生在限于具有苯環(huán)等這些在沒有達(dá)到CMC時就能發(fā)生的類似自發(fā)堆積行為的基團(tuán)之間。

不論是否具有CM C，腐植酸在溶液中形成類似膠束的聚集體表明它們具有兩親行為，并在其自組裝過程中起關(guān)鍵作用?？紤]到腐植材料的復(fù)雜性和多樣性，這樣的假設(shè)是合理的，即不是所有組分在聚集過程中都扮演相同的角色或具有相同的參與度。理解不同成分在腐植酸自組裝過程中所起的作用能夠?yàn)槠渚奂瘷C(jī)理提供寶貴的信息，并為控制和更好的了解的這種神秘的材料提供有用的資料。為了更好地了解這種材料，人們需要在不改變這種材料的基礎(chǔ)上從腐植酸中分離出這些組分，其中脂類物質(zhì)在相對溫和的條件下能夠用溶劑萃取法從天然有機(jī)物中萃取出來。因此，本文重點(diǎn)研究脂類物質(zhì)對腐植酸的聚集行為所做的貢獻(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

本文研究的腐植酸原材料為IHSS leonardite(產(chǎn)品號BS104L)，IHSS Pah ok ee Peat(產(chǎn)品號BS103P)和IHSS Elliot soil(產(chǎn)品號BS102 M)。這些材料的具體描述見Campbell和Malcolm等人的報(bào)告。此外，我們還使用了三種材料：從科羅拉多中部采集的泥炭土，歸類為Cr y oh emist；兩種礦土，歸類為沙質(zhì)混合Aquic Haploborolls和精細(xì)淤泥混合Udic Haploborolls。本文中我們將這些土壤分別稱為Guanella Pass泥炭土，Minnesota花園土和Poinsett粉質(zhì)土。

1.2 腐植酸的分離

本文通過傳統(tǒng)的堿液萃取法對腐植酸進(jìn)行萃取。簡單地說，將土壤在0.1 M的Na OH的溶液中攪拌一晚，其固體對液體的質(zhì)量比為1∶10。攪拌后，通過離心法將堿液萃取物從固體中分離出來，用6 M的HCl溶液將堿液的p H值調(diào)節(jié)至1并保持一晚使腐植酸沉淀出來。用重蒸水洗滌腐植酸直至其中沒有氯離子為止。洗滌物在35℃下烘箱中干燥。后文中我們把沒有進(jìn)一步處理的腐植酸定義為HA0。

1.3 腐植酸的分餾

腐植酸中的脂類組分使用索氏萃取法萃取，萃取劑為甲苯：甲醇共沸物(體積比3∶1)，萃取時間72 h。蒸發(fā)掉溶劑之后，使用稱量法定量。移去脂類的腐植酸樣品我們稱之為H A1，隨后根據(jù)在堿水中的溶解度的不同，將萃取出來的L0分離成兩個部分：一種是類似腐植酸的物質(zhì)，稱為HA2，第二種是一種類脂，稱為L1。分餾過程如圖1A所示。

本文使用第二種分離方式分離風(fēng)化褐煤樣品，以研究分餾過程中脂類萃取物的影響。圖2B把圖1A中初始的分餾程序顛倒。在此過程中，整個原材料在分離之前都用有機(jī)物質(zhì)萃取。此過程萃取得到的脂類稱為L01。蒸餾除去溶劑后，用前文所提到的方法從萃取物原材料用來分離腐植酸各組分。此處的腐植酸稱為H A00。用索氏萃取法用甲苯甲醇共沸物對H A00組分萃取分離得到兩種類腐植酸組分，分別稱為HA01和HA02。

1.4 核磁分析

本文采用Mao等人(2000)描述的13C NMR對樣品進(jìn)行定量分析。本法與CP/T1-T0SSs實(shí)驗(yàn)得到的T1C校正相結(jié)合，在高轉(zhuǎn)速(13 k H z)下使用DPMAS。分別測量每個樣品DPMAS測量所需的周期延遲，測量結(jié)果為在2 s和9 s之間。掃描次數(shù)在5000到35000之間不等。Elliot土和Poinset土腐植酸在核磁測量之前用氫氟酸處理。將樣品放置在一個4 mm的具賽核磁管中。核磁測量使用儀器為Br uk er ASX300，測試頻率為74 MHz。利用核磁譜操作系統(tǒng)的軟件對13C NMR的位移峰進(jìn)行積分：0～50 p p m烷基鏈碳，50～108 p p m O-烷基鏈碳，108～145 ppm芳香碳，145～163 ppm酚碳，162～212 ppm羰基碳。

1.5 表面張力的測量

本文使用環(huán)法張力儀測量溶液的表面張力。首先，將腐植酸固體加到約50 mL水中，然后逐滴加入1 M NaOH溶液直至腐植酸全完溶解為止，該溶液用作儲備溶液。每升儲備液中含有約12～15 g腐植酸或腐植酸組分，用Na OH將儲備液的p H值調(diào)節(jié)至9。用p H值為9的Na OH溶液稀釋儲備液配制稀釋的腐植酸溶液，配制完成后，將所有的溶液平衡24 h，測量表面張力之前，用NaOH溶液將所有待測溶液的p H值再次調(diào)節(jié)至9。所有樣品均測量3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐植酸組分

天然有機(jī)物中的脂類組分定義為能夠溶解在如庚烷、甲苯和二氯甲烷這些非極性和弱極性有機(jī)溶劑中有機(jī)地球化學(xué)物。通常情況下，此類組分的相對含量不超過土中有機(jī)碳總量的10%，而在大多數(shù)土壤中，其含量約占有機(jī)碳的1.2%到6.3%。土壤中脂類物質(zhì)種類繁多，從簡單小分子如脂肪酸，烷烴，脂肪醇，到更復(fù)雜的物質(zhì)如甾醇，萜烯，多核碳?xì)浠衔?，脂肪，蠟和樹脂等。土壤中的脂類物質(zhì)形式多樣，如自由有機(jī)物，或通過較小的相互作用或共價(jià)鍵相連的有機(jī)物。使用溶劑直接萃取得到萃取物中同時含有自由脂類物質(zhì)和相互關(guān)聯(lián)的脂類物質(zhì)。共價(jià)鍵相連的脂類物質(zhì)常常含有相互結(jié)合的脂類組分，因此不作為本文的研究對象。目前人們嘗試用很多有機(jī)溶劑對土壤中可萃取脂類物質(zhì)進(jìn)行分離，如乙醇，甲苯，甲醇，氯仿，己烷。本文使用的甲苯：甲烷共沸物對大部分脂類物質(zhì)有較強(qiáng)的萃取能力。

大量的研究表明：土壤中可萃取脂類本質(zhì)上主要是脂肪物質(zhì)，其中主要包括長鏈脂肪烴，醚類，高級脂肪醇和長鏈烷烴。這些結(jié)果得到13C NMR的支持：碳譜位移為29 ppm處的大量共振峰對應(yīng)的是聚亞甲基，位移在在33 p p m處的弱共振峰所對應(yīng)的是羰基和烷烴的共振峰。本文中的研究對象表現(xiàn)出類似的譜學(xué)特征，如圖2A所示。

用溶劑對H A0萃取得到的L0占樣品總碳量的30%。與原來的塊狀固體土壤中的可萃取物相比，其脂類物質(zhì)更多(即比L10所代表的脂類物質(zhì)多)。L0萃取物的碳譜與L01脂類物質(zhì)的特征指紋峰不同(圖2B)，但與H A0指紋峰類似(圖2C)，區(qū)別在于其在脂肪碳區(qū)的碳數(shù)更多。在H A0樣品中，脂質(zhì)材料沒有以一個明顯的相出現(xiàn)。該樣品與用這種方式分離的腐植酸類似，能夠溶解在氫氧化鈉溶液中。這表明酯質(zhì)組分與腐植酸組分有關(guān)。Gr imalt和Saiz-Jimenez用酒精萃取腐植酸時分離出喜馬多美朗酸，這也說明腐植酸中有類脂組分。它們表明脂類成分在以乙醇萃取的腐植酸中的含量不到10%，萃取剩余物則表現(xiàn)出類似腐植酸的性質(zhì)。

圖1 樣品分離程序Fig.1 Sample fractionation procedures

用堿性溶液對L0萃取得到的萃取物(圖1A)中含有兩種組分，一種很容易溶于堿水(H A2)，另一種則不溶(L1)。通過L1(圖2D)的13C核磁共振譜可以觀察到脂類物質(zhì)的共振峰，這與L01的結(jié)果幾乎相同。本文中可萃取物質(zhì)的含量用L1組分表示(表1)，它所對應(yīng)的組分與文獻(xiàn)中報(bào)道的很多土壤中萃取出來的脂類物質(zhì)類似。

采用的分離方式表明，傳統(tǒng)的堿液萃取法對腐植酸進(jìn)行萃取的萃取物中包含3個顯著不同但操作上可分的組分：兩種稱為HA1和HA2的類腐植酸組分和一種我們稱為L1的類脂組分。其中，HA1是傳統(tǒng)方法分離出來的腐植酸中含量最多的組分，平均占總量的70%，且不溶于堿液。H A2占傳統(tǒng)方法分離出來的腐植酸總量的1/3, 且在堿液和苯-甲醇共沸物中溶解。L1組分溶于苯-甲醇共沸物，并且與H A2有關(guān)。圖1A和圖1B所代表的分離方法分離出來的物質(zhì)均含有相同的3種組分。

對H A1和H A2的13C固態(tài)核磁定量分析表明，盡管它們的C分布類似，但它們之間是有區(qū)別的(圖3)。H A2組分中的芳香碳含量比H A1少12%。H A2中的烷基鏈含量略高于H A1。在Gu a n el l a Pass土和風(fēng)化褐煤樣品中，HA2中烷基鏈含量增加了近10%。O-烷基，酚基，羰基碳的分布在分析的樣品中沒有表現(xiàn)出有緊密的聯(lián)系。

圖2 IHSS風(fēng)化褐煤萃取物的13C DPMASS譜圖Fig. 2 13C DPMASS spectra of materials extracted from the IHSS leonardite sample

這些組分中有機(jī)物質(zhì)的極性通過核磁譜位于50～108 p p m和145～212 p p m之間的峰積分值來估算。從風(fēng)化煤分離出來的H A1和H A2在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)表現(xiàn)出相同的極性。Guanella Pass土和Poin sett土中的H A2組分的極性比H A 1的極性略低，而Pahokee Minnesota花園土和Elliot土則相反。HA1和HA2這種屬性之間相關(guān)性的缺乏表明，極性不是這些組分的主要特征。

表1 腐植酸樣品各組分的分布Tab.1 Fraction distribution of humic acid samples(g OC/g OC of HA 0) %

圖3 風(fēng)化褐煤的HA1(■)和HA2(□)組分中碳類型的分布Fig.3 Carbon-type distribution of HA1(■) and HA2(□) fractions

2.2 聚集過程

本文通過測量各個腐植酸組分在不同濃度下溶液的表面張力來評估H A1、H A2和H A0自聚形成聚集體的能力(圖4)。H A0樣品能夠顯著降低水的表面張力，平均達(dá)到13 d y n es/c m, 這表明該組分具有一定的表面活性，性質(zhì)上是兩親的。對于所有的H A0樣品，其溶液的表面張力隨著其濃度的增加而降低，并最終達(dá)到一個平臺。對于商品化的表面活性劑而言，這個平臺意味著膠束的形成，平臺的起始端對應(yīng)的濃度為臨界膠束濃度(CMC)，Guetzloff和Rice已經(jīng)證明腐植酸在濃溶液和堿性溶液中會形成膠束，本文中我們從他們的工作中拓展開，并假設(shè)當(dāng)其濃度變化時，表面張力發(fā)生類似變化行為意味著膠束的形成。本文研究的H A0樣品的CMC在6.5和10.5 g/L之間。與HA0相比，相同濃度下的HA1幾乎沒有表面活性。盡管有些樣品能夠降稍稍降低水的表面張力(平均約3 dyn/cm)，但這些數(shù)值與水的表面張力差距極小，因此，該組分很難被視為表面活性物質(zhì)。這使我們相信H A1之所以表現(xiàn)出一些殘余表面活性可能是在溶液萃取過程中沒有將L1萃取完全而造成的。

與之相反的是，H A2組分表現(xiàn)出很強(qiáng)的表面活性，與H A0相比，它們是更好的表面活性劑。例如，風(fēng)化褐煤中的H A2組分水溶液的表面張力低至57 d y ne/cm，而相同濃度下H A0溶液的表面張力為64 dy n/cm(圖4)。圖4中的數(shù)據(jù)說明，HA2溶液的表面張力一般隨其濃度的增加而降低。按照溶液的表面張力隨濃度的變化圖，假設(shè)拐點(diǎn)意味著體系中開始形成膠束，H A2組分似乎在這個濃度范圍內(nèi)沒有形成膠束。這與形成膠束的H A0體系相反。

圖4 溶液表面張力隨HA0(◆)，HA1(□)和HA2(△)濃度的變化圖Fig. 4 Variation of surface tension with concentration for HA 0(◆), HA 1(□) and HA 2(△) fractions

由此看來，腐植酸含量最少的組分H A2的存在即便不是H A0形成膠束的唯一原因，也是它的首要因素。然而，其他組分HA1或者L1必然對HA0膠束的形成起誘導(dǎo)或輔助作用。H A1和H A2中的H A01和H A02組分是相同的，且能作為一個單一的組分(H A00，圖1B)在腐植酸分離之前從原材料中用類似萃取L0的方式被萃取出來。而H A00體系中，表面張力隨濃度的變化沒有表現(xiàn)出CM C(圖5)，因此，H A1似乎不會輔助膠束形成。這說明只有L1能夠輔助或者誘導(dǎo)形成膠束。L1的核磁譜(圖2)在29～33 p p m之間主要為烷基鏈的共振峰，這說明，這些組分的出現(xiàn)有利于其在腐植酸溶液中形成膠束樣的聚集體。

圖5 溶液表面張力隨HA0(△)和HA00(◆)的濃度變化圖Fig.5 Surface tension variation with concentration for fraction HA0(△) and HA00(◆)

我們認(rèn)為它們之所以具有此類行為是因?yàn)樗鼈兙哂写罅康氖杷鶊F(tuán)，能夠?yàn)楸旧聿痪哂惺杷饔媚芰Φ腍 A2提供大量疏水作用的機(jī)會。Smejkalová和Piccolo在最近的研究中報(bào)道了只有兩種腐植酸樣品具有類膠束行為。他們認(rèn)為，盡管這些組分中具有疏水基團(tuán)，但是這些基團(tuán)要么鏈太短，要么量太少，因此不能形成膠束。圖2L1核磁譜中顯示出來的長鏈脂肪烴能克服這些缺點(diǎn)從而有助于腐植酸形成膠束。

3 結(jié)論

本文研究證明了腐植酸中不同的組分對其聚集行為有不同的貢獻(xiàn)。其中，H A2對其聚集過程起主導(dǎo)作用，而L1則有利于膠束的形成，腐植酸的聚集行為可以視為不同組分之間的相互作用而導(dǎo)致的。但是這不能排除H A1在聚集行為中所起的作用。本文同時證明腐植酸中僅1/3的組分具有兩親性質(zhì)。該結(jié)論證實(shí)了Guetzloff和Rice提出的不是所有腐植酸都能參與膠束形成的觀點(diǎn)。本文同時也證實(shí)了其他學(xué)者提出的腐植酸組分具有連續(xù)兩親性質(zhì)的觀點(diǎn)。

致謝和參考文獻(xiàn)(略)