不同提取劑提取土壤中重金屬能力的對比研究

王建樂， 謝仕斌， 王 冠， 涂國權， 方戰(zhàn)強

(華南師范大學環(huán)境學院∥廣東省水環(huán)境生態(tài)治理與修復工程技術研究中心，廣州 510006)

重金屬具有不可降解、易遷移、危害健康的特性，隨著工業(yè)的發(fā)展，土壤重金屬污染問題已成為我國較嚴重的環(huán)境問題之一[1]. 重金屬在土壤中過度積累會對人體健康造成影響[2]，據(jù)調(diào)查，珠江三角洲地區(qū)的Cd、Hg、Pb等重金屬污染已對居民健康和農(nóng)產(chǎn)品安全構成嚴重威脅[3]，使得重金屬污染的研究熱度不斷提高.

重金屬在土壤中的形態(tài)決定著重金屬的生物有效性[4]，由于土壤中重金屬的形態(tài)在適當?shù)臈l件下可以發(fā)生轉(zhuǎn)變[5]，因此研究土壤中重金屬的有效形態(tài)才能客觀地評價重金屬的毒性. 近年來，國內(nèi)外對土壤重金屬有效態(tài)的研究不斷增加，旨在為重金屬土壤修復效果提供評估標準.

目前，土壤重金屬的提取方法分為單級提取法和多級提取法，單級提取法是利用單一或者混合提取劑一次性將土壤有效態(tài)重金屬提取出來，多級提取法是利用提取能力不同的提取劑分幾步從活躍到穩(wěn)定的順序?qū)⑼寥乐械闹亟饘偃刻崛〕鰜?，其中單級提取法的特點是操作簡單、用時較短，但參考性弱，常用的提取方法有水平振蕩法、硫酸-硝酸法、TCLP法(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP)、DTPA法(Diethylenetriaminepentaacetic Acid,DTPA)、CaCl2浸提法[6]. 多級提取法以歐共體標準物質(zhì)局提出的BCR連續(xù)提取和SEP連續(xù)提取法(Sequential Extraction Procedures, SEP)最為權威[7]，其特點是參考性強，但操作復雜、用時較長. MENZIES[8]、劉峰[9]和羅澤嬌[10]等針對單級提取劑比較了不同浸提劑對重金屬的浸提能力，而劉丹丹[11]則主要比較了多級提取法中BCR法和SEP法提取重金屬的形態(tài)分布. 單一的浸提劑對不同重金屬的浸提能力存在差異[12]，不同提取劑的浸提能力的比較有待研究. 同時，關于單級提取與多級提取聯(lián)系的研究尚未成熟，不同浸提劑浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與土壤中重金屬形態(tài)之間的關系也有待研究.

因此，本文選取Cu、Ni、Pb、Cd作為研究對象，通過實驗對標準方法中去離子水、硫酸-硝酸、二乙烯三胺五乙酸、醋酸緩沖溶液、氯化鈣溶液等浸提劑的浸提能力進行對比，同時比較BCR法提取的重金屬形態(tài)分布和SEP法提取的重金屬形態(tài)分布的聯(lián)系與差異，探究浸提劑浸出的Cu、Ni、Pb、Cd的質(zhì)量分數(shù)與BCR、SEP法提取的重金屬形態(tài)分布的關系，為重金屬污染土壤修復評估標準提供參考依據(jù).

1 實驗部分

1.1 供試土壤及試劑

以廣東省廣州市某酸性稻田土(113.38E，23.06N)作為供試土壤，土壤采自表層土壤0～20 cm土層. 為保證浸出液中重金屬質(zhì)量分數(shù)盡量保持在標準曲線的中間部分，減少因重金屬質(zhì)量分數(shù)太低或太高需稀釋引入的誤差，向土壤中外加已知質(zhì)量濃度的硝酸銅、硝酸鎳、硝酸鉛和硝酸鎘溶液(m(土)∶V(水)=1∶3)，使模擬土壤中重金屬總質(zhì)量分數(shù)控制在100～300 mg/kg，電力攪拌24 h充分混合均勻后，自然風干至恒質(zhì)量，將制備的污染土磨碎后過0.30 mm篩，貯于廣口瓶中于干燥器內(nèi)保存，靜置2周后待用. 經(jīng)測定，土壤理化性質(zhì)如表1所示. 實驗中所使用的試劑均為分析純.

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of the test soil

1.2 單級提取法

用去離子水(DI)、硫酸-硝酸(AA)、二乙烯三胺五乙酸(DTPA)、醋酸緩沖溶液(TCLP)、氯化鈣浸提劑(CC)分別對模擬污染土壤進行單級提取(表2)，提取后的溶液經(jīng)0.45 um聚醚砜濾膜過濾，濾液用火焰原子吸收光譜法檢測，Cu、Ni、Pb、Cd元素的檢測波長分別為234.7、232.0、283.3、228.8 nm，原子吸收儀的設備型號為TAS-986.

1.3 多級連續(xù)提取法

參照歐洲共同體標準物質(zhì)局的BCR連續(xù)提取法[17](表3)和TESSIER[18]提出的SEP連續(xù)提取法(表4)進行提取，除最后一步外，每個步驟完成后進行離心處理，保留上清液，每一個步驟之間用去離子水洗滌干凈后進行離心處理，倒掉上清液，重復2～3次. 提取后各形態(tài)的浸出溶液經(jīng)0.45 um微孔濾膜過濾，濾液用火焰原子吸收光譜法檢測，譜線波長和設備型號同上.

BCR連續(xù)提取法規(guī)定土壤中重金屬各種形態(tài)的穩(wěn)定性由低到高依次是弱酸可提取態(tài)(B1)、可還原態(tài)(B2)、可氧化態(tài)(B3)、殘余態(tài)(B4)[17]， SEP連續(xù)提取法規(guī)定土壤中重金屬各種形態(tài)的穩(wěn)定性由低到高依次是可交換態(tài)(S1)、碳酸鹽結合態(tài)(S2)、鐵錳氧化態(tài)(S3)、有機結合態(tài)(S4)、殘余態(tài)(S5)[19]，這2種提取法常被用來確定重金屬在土壤中的形態(tài)分布[7].

表2 單級提取法Table 2 The single-stage extraction method

表3 BCR連續(xù)提取法Table 3 The BCR extraction method

表4 SEP連續(xù)提取法Table 4 The SEP extraction method

1.4 分析方法

土壤中Cu、Ni、Pb、Cd的總質(zhì)量分數(shù)測定參考文獻[20]，土壤pH、土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、土壤陽離子交換量的測定分別參考文獻[21]、[22]和[23].

1.5 數(shù)據(jù)處理及對比分析

浸提率的計算：浸提劑的浸提率=單位土壤中提取的重金屬質(zhì)量分數(shù)/單位土壤中重金屬的總質(zhì)量分數(shù)

實驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010、Origin 8、SPSS 16.0等軟件進行統(tǒng)計分析，對不同浸提劑的浸提率進行比較，進一步分析BCR和SEP多級連續(xù)提取法的重金屬形態(tài)分布.

2 結果與討論

2.1 不同浸提劑對重金屬提取能力的比較

不同浸提劑提取4種重金屬的容易程度從高到低依次為Cd、Ni、Cu、Pb(表5). 對于Cd元素，DTPA的浸提率為89.90%，這是由于Cd在土壤中比較活躍[24]. 對于Pb元素，DTPA的浸提率為13.50%，而CC、TCLP、AA、DI無法提取出土壤中有效形態(tài)的Pb元素，這是因為Pb在中性環(huán)境下溶解性低，能提取出來的Pb元素非常少[7]. 5種浸提劑的浸提能力由高到低依次為DTPA、TCLP、CC、AA、DI，該規(guī)律對Cu、Ni、Pb、Cd這4種元素具有普適性，浸提能力最弱的AA和DI對Cu、Ni、Pb、Cd的浸提率均不足3.00%. DTPA的浸提能力最強，可能是因為DTPA中的螯合劑可以較好地捕獲土壤中的重金屬，劉鋒等[25]比較了AA和TCLP提取能力的區(qū)別，結果表明TCLP的提取能力遠大于AA的提取能力，與本研究中得出的結論一致. 由于DTPA和TCLP的強浸提能力，這2種浸出方法被廣泛應用于土壤重金屬的穩(wěn)定性分析[26].

表5 不同浸提劑對重金屬的浸提率Table 5 The extraction rate of heavy metals with different extractants %

2.2 BCR法和SEP法的重金屬提取形態(tài)分布比較

研究[27]表明不同重金屬在土壤中的形態(tài)分布存在差異. BCR法和SEP法提取的Cu和Ni的活躍形態(tài)存在聯(lián)系(圖1)，對于Cu、Ni元素，BCR法的B1和B2形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)總和(分別為52.0%和60.4%)與SEP法的S1、S2和S3的質(zhì)量分數(shù)總和(分別為50.0%和60.3%)相近；對于Pb元素，2種提取方法的聯(lián)系較弱，BCR法中Pb在土壤中主要以B2形態(tài)為主，可能是Pb元素極易被碳酸鹽和氧化物強烈吸附所致[28]，SEP法中Pb在土壤中的S1形態(tài)分布較少，無顯著的分布規(guī)律. 對于Cd元素，2種提取方法的聯(lián)系較弱，BCR法中Cd的B3形態(tài)分布較少，B1、B2和B4形態(tài)分布較多；SEP法中Cd以S1和S2形態(tài)為主，較穩(wěn)定的S4和S5形態(tài)的Cd非常低，可能是受污染的Cd土壤殘余態(tài)比例會顯著減少[29].

圖1 不同提取法下土壤中重金屬形態(tài)的分布圖Figure 1 The species distribution of heavy metals in soil with different extraction methods

2.3 浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與提取的重金屬形態(tài)分布的聯(lián)系

2.3.1 DTPA浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與提取的重金屬形態(tài)的聯(lián)系 DTPA浸提劑可以模擬植物根系吸收土壤中重金屬的過程，能被DTPA提取出來的重金屬具有生物有效性[30]. DTPA浸出Cu的質(zhì)量分數(shù)為 58.1 mg/kg(圖2)，土壤中Cu的B1和B2形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為40.9、42.2 mg/kg，DTPA能提取土壤中Cu元素的B1和B2形態(tài)的一部分；土壤中Cu的S1、S2、S3形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為1.7、28.3、50.2 mg/kg， DTPA能提取土壤中Cu元素的S1～S3形態(tài)的一部分.

DTPA浸出Ni的質(zhì)量分數(shù)為66.1 mg/kg，土壤中Ni的B1形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)為68.3 mg/kg，DTPA僅能提取出Ni元素的B1形態(tài)的一部分；土壤中Ni的S1、S2和S3形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為18.3、39.1、57.2 mg/kg，DTPA能提取土壤中Ni元素的S1～S3形態(tài)的一部分.

DTPA浸出Pb的質(zhì)量分數(shù)為36.5 mg/kg，Pb的B1和B2形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為4.6、169.2 mg/kg，DTPA能提取土壤中Pb元素的B1和B2形態(tài)的一部分；土壤中Pb的S1、S2和S3形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為1.4、39.3、92.5 mg/kg，DTPA能提取土壤中Pb元素的S1～S3形態(tài)的一部分.

DTPA浸出Cd的質(zhì)量分數(shù)為113.9 mg/kg，接近土壤中的總鎘質(zhì)量分數(shù)(126.7 mg/kg)，DTPA能提取出土壤中Cd的B1～B4形態(tài)的一部分；土壤中Cd的S1、S2和S3形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為55.8、52.8、26.3 mg/kg，DTPA能提取土壤中Cd元素的S1～S3形態(tài)的一部分.

在BCR連續(xù)提取法中，DTPA對不同重金屬的提取能力存在較大差異，造成這種差異主要是因為復雜的土壤環(huán)境下重金屬離子之間互相影響[31-32]及根際微生物所引起的重金屬形態(tài)變化[33]. 在SEP連續(xù)提取法中，DTPA對不同重金屬的提取能力比較接近，DTPA普遍能提取出土壤中S1、S2形態(tài)全部的重金屬和S3形態(tài)一部分的重金屬.

圖2 DTPA浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與土壤中重金屬形態(tài)分布的關系Figure 2 The relation between DTPA-based leachability of heavy metal fractions and heavy metal species distribution in soil

2.3.2 TCLP浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與提取的重金屬形態(tài)的聯(lián)系 在美國，TCLP浸提劑常用于評估固體廢物浸出毒性[16]. 在BCR連續(xù)提取法中，TCLP對不同重金屬的提取能力比較接近(圖3A)，Pb的B1形態(tài)的比例明顯低于其他重金屬[34]，這解釋了提取能力較強的TCLP浸提劑無法浸出Pb元素的現(xiàn)象. TCLP浸出Cu、Ni、Cd的質(zhì)量分數(shù)分別為15.8、44.2、45.5 mg/kg，土壤中Cu、Ni、Cd的B1形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為40.9、68.3、45.0 mg/kg，TCLP只能提取出土壤中B1形態(tài)一部分的重金屬，該結果與劉丹丹[8]等的結論一致. TCLP浸出的重金屬質(zhì)量分數(shù)與BCR連續(xù)提取法中重金屬形態(tài)存在緊密聯(lián)系，TCLP能提取出B1形態(tài)一部分的重金屬，原因可能是TCLP浸提劑的主要原料是醋酸，BCR法第一步用的也是醋酸. 在SEP連續(xù)提取法中(圖3B)，TCLP對不同重金屬的提取能力存在差異. 土壤中Cu的S1、S2形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為1.7、28.3 mg/kg，TCLP能提取土壤中Cu元素的S1和S2形態(tài)的一部分；土壤中Ni的S1、S2形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)分別為18.3、39.1 mg/kg，TCLP能提取土壤中Ni元素的S1和S2形態(tài)的一部分；TCLP無法提取出土壤中的Pb元素；土壤中Cd的S1形態(tài)的質(zhì)量分數(shù)為55.8 mg/kg，TCLP僅能提取土壤中Cd元素的S1形態(tài)的一部分. JOSE等[35]證明了CC提取重金屬的質(zhì)量分數(shù)與土壤中S1形態(tài)含量相近，這也能解釋本實驗發(fā)現(xiàn)比CC提取能力強的TCLP可以提取Cu、Ni的S1和S2形態(tài). CC、AA、DI浸提劑與土壤中重金屬形態(tài)分布無顯著聯(lián)系，可能與土壤本身性質(zhì)有關[36].

圖3 TCLP浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與土壤中重金屬形態(tài)分布的關系Figure 3 The relation between TCLP-based leachability of heavy metal fractions and heavy metal species distribution in soil

3 結論

(1)本研究表明：5種常見單級提取法的浸提能力由大到小依次為DTPA、TCLP、CC、AA、DI，浸提劑提取4種重金屬的容易程度由大到小依次為Cd、Ni、Cu、Pb. 多級提取實驗顯示：不同重金屬在土壤中的形態(tài)分布存在差異，對于Cu和Ni元素，BCR法提取的活躍形態(tài)(B1+B2)的質(zhì)量分數(shù)與SEP法提取的活躍形態(tài)(S1+S2+S3)的質(zhì)量分數(shù)相近.

(2)通過對比分析單級提取和多級提取的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：TCLP浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與BCR連續(xù)提取法中重金屬形態(tài)存在緊密聯(lián)系，TCLP能提取出B1形態(tài)一部分的重金屬；DTPA浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與SEP連續(xù)提取法中重金屬形態(tài)也存在緊密聯(lián)系，DTPA浸提劑能提取出S1、S2形態(tài)全部的重金屬和S3形態(tài)一部分的重金屬；CC、AA、DI浸出重金屬的質(zhì)量分數(shù)與BCR、SEP法提取形態(tài)分布均無顯著聯(lián)系，不同重金屬的浸出規(guī)律也存在差異. 建議直接用單級提取法中的DTPA提取法和TCLP提取法進行土壤Cu和Ni的浸出毒性研究，使用BCR或者SEP多級提取法進行Pb和Cd的浸出毒性研究. 浸出重金屬質(zhì)量分數(shù)與形態(tài)分布的規(guī)律在不同重金屬污染程度和理化性質(zhì)土壤中的普遍適用性問題則有待進一步研究.