有機酸對芘在土壤中的吸附影響研究

彭 章，龔香宜，熊武芳，胡宏元，任大軍

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢430081；2.湖北理工學(xué)院礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復(fù)湖北省重點實驗室，湖北 黃石435003；3.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗，武漢430081）

多環(huán)芳烴（PAHs）是一類具有致畸、致癌、致突變等作用的持久性有機污染物。PAHs 在土壤當中廣泛存在，是我國土壤中常見的一類重要有機污染物[1-2]。多環(huán)芳烴中的芘（Pyrene），擁有4 個苯環(huán)。芘在環(huán)境介質(zhì)中的含量與PAHs 的總量之間具有良好的相關(guān)性，常作為環(huán)境PAHs 污染的重要指示物。因此，芘常作為PAHs 的代表性物質(zhì)用于相關(guān)的試驗研究[3]。

檸檬酸是具有一至數(shù)個羧基的小分子碳水化合物，在根際廣泛存在，是根系分泌物中性質(zhì)最為活躍的組分之一[4]。富里酸在溶解性有機質(zhì)（DOM）中占比較大，而DOM 對有機污染物在土壤中的遷移行為有明顯影響[5-6]。且富里酸分子中包含有親水部分和疏水部分，后者是與PAHs 結(jié)合的主要部位[7]。據(jù)文獻報道，有機酸對污染物在土壤中的吸附有雙重作用，如孫冰清等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低分子量有機酸對黃棕壤吸附菲有抑制作用，且加入量越大，抑制作用越強。還有研究發(fā)現(xiàn)有機酸能夠促進土壤吸附污染物[9-10]。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)低分子量有機酸在低濃度時表現(xiàn)出促進作用，在高濃度時表現(xiàn)出抑制作用[11-12]，可見有機酸對土壤作用的復(fù)雜性。有機質(zhì)是土壤中的重要成分，根據(jù)理化性質(zhì)不同可以將有機質(zhì)分為低聚合的、松散的軟碳和高聚合的、密集的硬碳兩種成分[13]。所以除有機質(zhì)含量影響外，有機質(zhì)理化性質(zhì)對土壤吸附污染物也有較大影響，但是當土壤中有機質(zhì)含量或成分變化時，有機酸對土壤吸附有機污染物的影響研究未見報道。

因此，本文主要通過研究富里酸和檸檬酸對不同有機質(zhì)含量和成分的土壤吸附芘的影響，來探討有機酸的性質(zhì)對土壤吸附PAHs 的影響，以及在這種吸附中土壤中的硬碳和軟碳所起的作用，以期為PAHs 在土壤中的遷移研究及土壤污染修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗土壤采自江漢平原中部長湖至漢江一帶的某水稻田，取樣深度為0～30 cm。土樣采回后自然風干，除去動植物殘體以及石塊等，然后研磨，過20 目篩備用。土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤的理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of soil

甲醇，色譜純；H2O2、NaN3、重鉻酸鉀、98%濃硫酸、磷酸、檸檬酸、無水CaCl2均為分析純；芘標準品，購自SIGMA-ALDRICH 公司；富里酸，購于原液生物有限公司。

UltiMate 3000高效液相色譜儀；SHA-B恒溫振蕩儀；Apollo9000 TOC 儀；SX-2-4-10 馬弗爐；AB204-E分析天平；101電熱鼓風干燥箱；PB-10 pH計；TGL-16高速離心機。

1.2 土樣的制備

將未經(jīng)處理的土壤樣品稱作原土土樣。為保留部分有機質(zhì)（去除軟碳保留硬碳），對風干土壤進行如下處理：將50 g 風干土加入500 mL 燒杯中，同時不斷加入H2O2（質(zhì)量分數(shù)為10%）溶液，直至不再有氣體（CO2）產(chǎn)生，由此制備的土樣為H2O2處理土樣。為去除全部有機質(zhì)，將研磨過篩之后的原土土樣通過馬弗爐600 ℃灼燒至恒質(zhì)量，由此制備的土樣為灼燒土樣[13]。

1.3 試驗方法

（1）等溫吸附試驗

利用0.01 mol·L-1CaCl2（作為背景電解質(zhì)溶液，以調(diào)節(jié)試驗體系中介質(zhì)的離子強度）和100 mg·L-1NaN3（抑制微生物生長）的水溶液，根據(jù)常溫下芘在水中的溶解度，將芘的甲醇儲備液稀釋成濃度為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 mg·L-1的芘溶液。

各稱取0.6 g 原土土樣、H2O2處理土樣和灼燒土樣放入棕色樣品瓶中，分別加入12 mL 濃度為50 mg·L-1檸檬酸或富里酸溶液以及濃度為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 mg·L-1芘溶液（水土比為20∶1），另設(shè)置不加有機酸的對照組，加蓋密封，置于25 ℃、150 r·min-1恒溫振蕩器中，振蕩12 h（前期試驗表明12 h 后芘在土壤中吸附能夠達到平衡），離心分離，取上清液利用高效液相色譜儀測定其中芘的含量，計算土樣對芘的吸附量，進行3 次平行試驗。將不加土樣的處理作為空白對照。

（2）不同濃度的有機酸對土壤吸附芘的影響

稱取0.6 g原土土樣放入棕色樣品瓶中，分別加入12 mL濃度為0、5、20、50、80、100 mg·L-1的檸檬酸或富里酸溶液和濃度為1.0 mg·L-1芘溶液，加蓋密封恒溫振蕩，振蕩條件同上，取上清液測定其中芘的含量，每種處理設(shè)3個平行。另做不加土樣的空白試驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

吸附量的計算：

使用以下線性模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合：

Qe=Kd×Ce+d

式中：Qe指的是土壤對芘的吸附量，μg·g-1；C0指的是芘的初始濃度，mg·L-1；Ce指的是吸附平衡后溶液中芘的濃度，mg·L-1；V指的是溶液體積，mL；m指的是投加土壤的質(zhì)量，g；Kd為線性模型的吸附常數(shù)，L·kg-1；d為常數(shù)。

每次試驗均設(shè)置3 個平行樣，取平均值作為測定結(jié)果，用Origin 9.0和Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 檸檬酸對土壤吸附芘的影響

加檸檬酸后土壤吸附芘的等溫吸附曲線如圖1所示。從圖1（a）可以看到，隨平衡濃度的增加，吸附量也隨之增加，加檸檬酸后的原土土樣等溫吸附曲線與不加相比變化不大，曲線比較接近。從圖1（b）和圖1（c）可以看到，加檸檬酸后的H2O2處理土樣和灼燒土樣等溫吸附曲線有所變化，但變化依舊較小。

等溫吸附線性擬合結(jié)果如表2 所示，其中Kd值可以表示土壤的吸附能力。從表2 中可以看到，加檸檬酸后的3 種處理相關(guān)系數(shù)R2都較高，分別是0.937 1、0.988 8 和0.952 5，擬合情況較好。加檸檬酸后原土土樣、H2O2處理土樣和灼燒土樣的Kd值分別為104.070、22.625 L·kg-1和10.200 L·kg-1。與不加檸檬酸相比原土土樣Kd值降低了16.43%，降幅較?。欢鳫2O2處理土樣和灼燒土樣的Kd值分別降低了31.29%和30.47%，兩種處理土樣Kd值降幅較大，且降幅接近。

2.2 富里酸對土壤吸附芘的影響

加富里酸后土壤吸附芘的等溫吸附曲線如圖1所示。從圖1（a）可以看到，加富里酸后原土土樣的等溫吸附曲線變化較大，與檸檬酸相比較為明顯。從圖1（b）與圖1（c）可以看到，加富里酸后的H2O2處理土樣和灼燒土樣等溫吸附曲線變化明顯，同時變化幅度也較檸檬酸明顯。

圖1 有機酸對3種不同處理土樣吸附芘的影響曲線Figure 1 Effect of organic acid on adsorption of pyrene in three different treated soil samples

等溫吸附線性擬合結(jié)果如表3所示。從表3可以看到，加富里酸后的3 種處理相關(guān)系數(shù)R2都較高，分別是0.959 0、0.992 4和0.972 9，擬合情況也較好。加富里酸后原土土樣、H2O2處理土樣和灼燒土樣的Kd值分別為26.036、17.197 L·kg-1和7.922 L·kg-1。與加檸檬酸后的Kd值相比，原土土樣的差距較大，H2O2處理土樣和灼燒土樣的差距較小。從圖1（a）也可以看到，檸檬酸曲線與富里酸曲線有較大區(qū)別，從圖1（b）與圖1（c）可以看到，檸檬酸曲線與富里酸曲線差距較小。與不加富里酸相比原土土樣Kd值降低了79.09%，降幅較大；而H2O2處理土樣和灼燒土樣Kd值分別降低了47.78%和46.00%，降低幅度接近。

2.3 土壤吸附芘的影響因素

2.3.1 有機質(zhì)含量與組分的影響

不同有機質(zhì)含量與組分的土壤吸附芘的等溫吸附曲線如圖2 所示。從圖2 可以看出，土壤對芘的吸附量都是隨平衡濃度的增加而增大，等溫吸附曲線原土土樣的斜率最大，H2O2處理土樣的斜率次之，灼燒土樣的斜率最小。表明原土土樣吸附效果最好，H2O2處理土樣次之，灼燒土樣吸附效果最差。

表4 為3 種處理土樣的等溫吸附線性模擬結(jié)果。從表4 可以看到，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.994 2、0.980 2和0.950 2，線性擬合較好。原土土樣、H2O2處理土樣和灼燒土樣的Kd值分別為124.530、32.930 L·kg-1和14.672 L·kg-1，原土土樣吸附性能最好，H2O2處理土樣和灼燒土樣稍差。與原土土樣相比，H2O2處理土樣吸附Kd值降低了73.36%，灼燒土樣吸附Kd值降低了88.22%，灼燒土樣的Kd值降幅更大。

圖2 有機質(zhì)含量或組分對土壤吸附芘的影響Figure 2 Effects of organic matter content and components on adsorption of pyrene in soils

2.3.2 有機酸濃度的影響

有機酸不同濃度對原土土樣吸附芘的影響如圖3 所示。從圖3 可以看出，檸檬酸濃度在0～50 mg·L-1時，土壤對芘的吸附量隨檸檬酸濃度的增加而增加，當濃度超過50 mg·L-1后，隨檸檬酸濃度增加，土壤對芘的吸附量則隨之減少。隨著檸檬酸濃度的增加，原土土樣對芘的吸附量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。而隨著富里酸濃度的增加，土壤對芘的吸附量隨之減少，呈現(xiàn)一直減少的趨勢。

表2 檸檬酸存在下土樣的等溫吸附線性模擬結(jié)果Table 2 Linear simulation results of isothermal adsorption of soil samples in the presence of citric acid

表3 富里酸存在下土樣的等溫吸附線性模擬結(jié)果Table 3 Linear simulation results of isothermal adsorption of soil samples in the presence of fulvic acid

表4 3種土樣的等溫吸附線性模擬結(jié)果Table 4 Linear simulation results of isothermal adsorption of three soil samples

圖3 有機酸濃度對原土土樣吸附芘的影響Figure 3 Effect of organic acid concentration on adsorption of pyrene in original soil sample

3 討論

3.1 檸檬酸對芘的吸附影響

土壤對PAHs 的吸附可分為兩部分，一是PAHs與有機質(zhì)結(jié)合，二是PAHs 吸附在土壤膠體里面的吸附位點上[14]。在土壤中，有機質(zhì)通過羧基及羥基等官能團與土壤無機組分作用形成鍵橋而形成穩(wěn)定的有機-無機復(fù)合體。大約有52%～98%的有機質(zhì)以這種方式吸附在土壤中[15]。土壤中的鐵鋁氧化物和硅酸鹽礦物能夠通過其羥基官能團與有機質(zhì)的羧基官能團作用，進行配體交換而被吸附[16]。酸加入土壤后，降低了土壤溶液的pH 值，酸解離出來的H+與土壤有機質(zhì)的羧基與羥基作用，破壞鍵橋，使土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成DOM 進入溶液中，然后芘與溶液中的DOM 相結(jié)合，從而降低了土壤對芘的吸附。

本研究結(jié)果表明，檸檬酸對3 種土樣吸附芘均有一定的抑制作用，但是對原土土樣的吸附抑制作用不大。這可能與檸檬酸性質(zhì)及結(jié)構(gòu)相關(guān)，檸檬酸分子量較小，屬于低分子量有機酸，含有3 個羧基和一個羥基，是一種親水性酸類物質(zhì)。檸檬酸能夠提供的H+含量較少，使得土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成DOM 的含量較少，土壤中依然有部分有機質(zhì)可以吸附芘，導(dǎo)致土壤吸附芘的能力下降得不明顯。

檸檬酸對于H2O2處理土樣與灼燒土樣的吸附抑制較為明顯。H2O2處理土樣中的硬碳是結(jié)構(gòu)較為致密的高聚合碳，檸檬酸解離出來的H+很難將硬碳有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOM，而灼燒土樣則不含有機質(zhì)，因此此時檸檬酸的抑制作用主要體現(xiàn)在檸檬酸與芘之間的競爭吸附。楊麗華等[17]在研究低分子量有機酸對二氯喹啉酸在土壤中吸附-解吸的影響時，就推測含更多羧基和羥基的低分子量有機酸可能在土壤表面占據(jù)更多的結(jié)合位點。徐仁扣[18]在論文中解釋了檸檬酸可通過在針鐵礦表面形成內(nèi)圈型表面絡(luò)合物而被牢固吸附，與在氧化鋁表面的吸附相似。在這一吸附過程中，有機酸的羧基與氧化物表面的羥基發(fā)生配位交換反應(yīng)，羧基中的氧原子與礦物表面的鐵或鋁原子形成化學(xué)鍵，形成穩(wěn)定的表面螯合物。H2O2處理土樣與灼燒土樣去除了軟碳，導(dǎo)致土壤中的鐵鋁氧化物和硅酸鹽礦物暴露出來，這些物質(zhì)更易與有機酸吸附，而不是與芘吸附，由此降低了芘的吸附量。另外有研究顯示上述配位交換過程可能會導(dǎo)致土壤微孔減少[19]，因減少土壤上的吸附位點，間接減少了土壤對芘的吸附量。所以檸檬酸破壞土壤微孔結(jié)構(gòu)也是其抑制土壤吸附芘的原因之一。

上述分析也說明軟碳對土壤吸附芘作用很大，在加入有機酸后能起到一定的緩沖作用，由于檸檬酸先與有機質(zhì)軟碳部分發(fā)生作用，沒有進一步破壞土壤結(jié)構(gòu)，而去除軟碳后，檸檬酸直接與硬碳和礦物質(zhì)作用，破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤微孔減少，進而減少土壤對芘的吸附。所以檸檬酸對高有機質(zhì)含量或含軟碳土壤吸附抑制作用較弱，而對低有機質(zhì)含量或只含硬碳和礦物質(zhì)的土壤吸附抑制作用較強。任麗麗[20]在研究檸檬酸對土壤吸附菲的影響時也得出相似結(jié)論，即土壤有機質(zhì)含量越低，檸檬酸對土壤吸附菲的抑制作用越明顯。

3.2 富里酸對芘的吸附影響

富里酸的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)比檸檬酸更加復(fù)雜，其分子量遠大于檸檬酸，含有的羧基與羥基也多于檸檬酸，其具有親水性與疏水性組分，但以疏水性為主，是一類疏水性酸類物質(zhì)。本研究結(jié)果表明，與檸檬酸相比，富里酸對原土土樣吸附芘有更明顯的抑制作用，其降低土壤吸附芘的能力可能由多種因素共同作用。

首先，富里酸作為酸性物質(zhì)，能夠產(chǎn)生與檸檬酸相似的效果，同時由于富里酸比檸檬酸含有更多的羧基，會釋放更多的H+，因此可能會使更多的土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成DOM，進入溶液中與芘相結(jié)合，從而導(dǎo)致對土壤吸附芘的抑制更強。

其次，富里酸作為一類疏水性物質(zhì)，其疏水結(jié)構(gòu)可以與芘發(fā)生作用而吸附芘，從而減少土壤對芘的吸附量。李圓圓等[21]在富里酸組分對多環(huán)芳烴芘的吸附研究中就提出富里酸可以通過疏水組分對芘進行吸附，這也是以富里酸為主要成分的DOM 能夠吸附有機污染物的原因。

最后，溶液里出現(xiàn)的疏水微區(qū)可能影響了土壤對芘的吸附。很早就有研究顯示，酸性條件會促進DOM 分子的自卷繞和聚集。離散的疏水微環(huán)境可以聚集在一起形成較大的疏水區(qū)域，松散的盤繞結(jié)構(gòu)可以形成更緊湊的結(jié)構(gòu)。當幾個分子一起形成更大的聚集體，就可以形成膠束樣構(gòu)象，并且可以在低pH值條件下增強與PAHs 的結(jié)合[22]。孫紅文等[23]認為在較低的pH 值條件下，可以通過氫鍵作用，使得DOM 趨向具有致密結(jié)構(gòu)，從而有利于疏水性有機物的吸附。DOM 除自身卷繞聚集，還可能同土壤發(fā)生作用，唐東民等[24]認為土壤與DOM 結(jié)合后，可能會改變原有的土-液界面性質(zhì)，如降低溶液的表面張力，從而對芘產(chǎn)生增溶作用。DOM 和土壤一起通過疏水組分形成疏水區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)部是疏水性的，外部由親水性的和離子化基團構(gòu)成，這導(dǎo)致土水界面更具親水性，更易吸附水分子而不是芘分子，從而減少土壤對芘的吸附。黃賽花[25]也提及土壤與DOM 結(jié)合后，通過疏水組分形成疏水區(qū)域來抑制土壤對芘的吸附。另外，研究表明[26-27]，DOM 可以與土壤礦物表面的羥基官能團發(fā)生配體交換而被吸附，從而競爭土壤表面的吸附位點，減少土壤對有機污染物的吸附。

富里酸對H2O2處理土樣和灼燒土樣的抑制也較為明顯，但是沒有原土土樣的變化大。這可能與土壤組分相關(guān)，H2O2處理土樣只含玻璃態(tài)的硬碳，灼燒土樣不含有機質(zhì)，由于硬碳是結(jié)構(gòu)較為致密的高聚合碳，富里酸解離出來的H+很難將硬碳有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOM，此時硬碳作用與礦物質(zhì)一致，富里酸的抑制主要體現(xiàn)在其疏水組分對芘的吸附、富里酸與芘的競爭吸附和富里酸對于微孔結(jié)構(gòu)的破壞，所以導(dǎo)致在H2O2處理土樣以及灼燒土樣中，富里酸的抑制效果是一致的。同時沒有有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為DOM，抑制效果較原土土樣差，說明富里酸對高有機質(zhì)含量土壤或土壤軟碳組分抑制更明顯，對低有機質(zhì)含量土壤或土壤硬碳與礦物質(zhì)抑制效果一般。另外，由于富里酸的疏水性質(zhì)以及比檸檬酸更多的羧基以及羥基，導(dǎo)致富里酸在原土土樣、H2O2處理土樣、灼燒土樣的抑制能力都要強于檸檬酸。

3.3 土壤吸附芘的影響因素

3.3.1 有機質(zhì)含量與組分的影響

本研究結(jié)果顯示有機質(zhì)含量越高，土壤吸附芘的能力越強。且吸附過程使用線性模型擬合較好，線性關(guān)系明顯（R2＞0.95），說明分配作用是土壤吸附芘的主導(dǎo)機制，這與前人研究結(jié)果一致[28]。對于不同有機質(zhì)組分，灼燒土樣相比H2O2處理土樣吸附性能降低不明顯，而H2O2處理土樣相比原土土樣吸附性能降低明顯，說明軟碳對土壤吸附芘的貢獻大于硬碳，這與何江濤等[29]的結(jié)果一致。推測原因可能是軟碳與硬碳的性質(zhì)差異，軟碳是一種結(jié)構(gòu)較為松散的低聚合碳，它決定了疏水性有機物在土壤中以分配方式進行線性、相對較快、且沒有競爭的吸附；而硬碳是一種結(jié)構(gòu)較為致密的高聚合碳，它決定了疏水性有機物在土壤中進行非線性、相對較慢以及有競爭的吸附[30]?？偟膩碚f，原土土樣保留全部有機質(zhì)，且土壤組分中含有軟碳、硬碳和礦物質(zhì)，所以吸附效果最好；H2O2處理土樣保留部分有機質(zhì)，土壤組分有硬碳以及礦物質(zhì)，所以吸附效果一般；灼燒土樣不含有機質(zhì)，土壤組分中只含礦物質(zhì)，所以吸附效果最差，但仍有一定吸附能力。說明土壤吸附芘是有機質(zhì)與礦物質(zhì)共同作用的結(jié)果，但是以有機質(zhì)的吸附為主，尤其是以軟碳吸附為主。

3.3.2 有機酸濃度的影響

本研究結(jié)果表明檸檬酸在低濃度時，促進土壤對芘的吸附；在高濃度時，抑制土壤對芘的吸附。有研究報道檸檬酸在低濃度時通過抑制土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成DOM，來促進土壤對芘的吸附；而檸檬酸在高濃度時，又促進土壤有機質(zhì)大量轉(zhuǎn)化成DOM，來抑制土壤對芘的吸附[11-12]。而富里酸濃度越高，對土壤吸附芘的抑制作用越大。從富里酸對土壤吸附芘的分析可知，富里酸通過其自身的酸性、疏水性來影響土壤對芘的吸附。隨著富里酸濃度的增加，溶液中H+增加，土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成DOM 增加，從而通過DOM 吸附芘，減少土壤對芘的吸附；溶液中富里酸增加，疏水物質(zhì)增加，富里酸對芘的吸附增強，土壤對芘的吸附也就減少；另外土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的DOM、富里酸的疏水組分和土壤可能會相互作用形成疏水微區(qū)，由此減少土壤對芘的吸附。

4 結(jié)論

（1）不同有機質(zhì)含量土壤吸附芘的等溫吸附曲線和加入有機酸后土壤吸附芘的等溫吸附曲線都呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系，說明分配機制為土壤吸附芘的主導(dǎo)機制。

（2）不同有機質(zhì)含量和組成的土壤吸附芘的能力有差別，有機質(zhì)含量越高的土壤吸附芘的能力越強，其中，軟碳的吸附貢獻大于硬碳。

（3）檸檬酸和富里酸對土壤吸附芘的影響不同，檸檬酸在低濃度時促進土壤吸附芘，在高濃度時抑制土壤對芘的吸附；富里酸對土壤吸附芘起抑制作用，且濃度越大，抑制作用越強。因此需要關(guān)注土壤有機酸濃度，考慮芘向地下水遷移的可能。

（4）有機質(zhì)的含量和組分會影響有機酸對土壤吸附芘的抑制能力。對于有機質(zhì)含量高或者含軟碳組分的土壤，富里酸抑制作用明顯；對于有機質(zhì)含量低或者只含硬碳或礦物質(zhì)的土壤，檸檬酸抑制作用明顯。因此，對于不同有機質(zhì)含量的芘污染土壤，可以選擇不同的有機酸進行洗脫修復(fù)。