土壤中砷元素的形態(tài)變化及其檢測方法研究進(jìn)展

王曦婕，邢 云，李 秋，韓麗萍

（陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所有限公司，陜西西安 710054）

砷是土壤中具有較強(qiáng)毒性和致癌作用的類金屬元素，被稱為土壤五大污染元素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年向土壤中輸入的砷約0.94×105t[1]，導(dǎo)致我國受砷、鎘、鉛等污染耕地近2.0×107hm2，占耕地總面積的1/5以上[2-4]，其中尤以云南、山西、廣東、內(nèi)蒙古、湖南等地砷污染最嚴(yán)重，土壤砷含量最高達(dá)7 610mg/kg[5]。人們非常關(guān)注土壤中砷污染的遷移轉(zhuǎn)化和生物有效性。本文就土壤中砷污染的來源和主要形態(tài)、土壤砷污染對(duì)土壤微生物學(xué)性質(zhì)影響、土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化影響因素及土壤砷提取技術(shù)等進(jìn)行綜述。

1 土壤砷主要來源及形態(tài)

土壤中砷的來源主要為自然來源和人為來源。土壤中砷背景含量主要來源于成土母質(zhì)，其濃度大小和分布由成土過程的環(huán)境因素所決定。砷在地殼中的平均含量大約為3mg/kg，我國土壤砷的背景平均含量為9.2mg/kg[6]。造成土壤砷污染的主要原因是人為來源，包括礦產(chǎn)開采（如雄黃，雌黃，砷礦）、化石燃料燃燒及農(nóng)業(yè)、林業(yè)上農(nóng)藥、殺蟲劑及肥料使用。特別是農(nóng)業(yè)上農(nóng)藥、化肥的使用，是重要的農(nóng)田砷污染輸入途徑。無機(jī)砷化物被用作廣譜的土壤殺菌劑和除草劑，由于難降解和毒性，現(xiàn)已被有機(jī)As除草劑如甲基胂酸取代，雖然它們對(duì)哺乳動(dòng)物毒性較少，但能在土壤中持久存在并且可為植物所利用[7-8]。

土壤中的砷通常集中在表土層0~10cm，砷進(jìn)入土壤后通過溶解、沉淀、吸附等各種反應(yīng)與土壤作用，形成不同化學(xué)形態(tài)，也可以被淋溶至較深土層。土壤砷的生物有效性和毒性都依賴于砷的形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中砷的形態(tài)復(fù)雜多樣，但一般以無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)存在，且無機(jī)態(tài)毒性大于有機(jī)態(tài)。土壤中無機(jī)態(tài)砷主要以三價(jià)砷和五價(jià)砷存在，且三價(jià)砷的毒性是五價(jià)砷的60~100倍，是甲基砷（如一甲基砷酸和二甲基砷酸）毒性的70倍[9]。而砷甜菜堿（AsB）和砷膽堿（AsC）則被認(rèn)為毒性很小或基本無毒性[10]。土壤中的砷可以轉(zhuǎn)移進(jìn)入植物并通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物及人體。砷對(duì)作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的影響正逐步成為世界關(guān)注的問題。由于砷的價(jià)態(tài)與其毒性大小密切相關(guān)，而土壤中三價(jià)砷和五價(jià)砷可以相互轉(zhuǎn)化，并對(duì)土壤環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。因此，研究砷在土壤中價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化的影響因素及其對(duì)土壤微生物活性的影響在理論和實(shí)踐上均具有十分重要的意義。

2 土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響因素

土壤中砷的形態(tài)轉(zhuǎn)化主要受土壤氧化還原狀況及土壤微生物的影響。在一定的條件下，受氧化-還原條件變化的影響，土壤中三價(jià)砷和五價(jià)砷可以相互轉(zhuǎn)化。受土壤氧化還原狀況影響，土壤中易溶性和難溶性砷化合物之間也相互轉(zhuǎn)化，間接影響土壤中不同價(jià)態(tài)砷含量。土壤微生物，如細(xì)菌，也是影響砷不同形態(tài)之間轉(zhuǎn)化的重要因素。

2.1 土壤pH

土壤的酸堿度和氧化-還原狀況對(duì)土壤中的砷的濃度、價(jià)態(tài)和毒性都有非常明顯的影響。吸附態(tài)砷向溶解態(tài)砷轉(zhuǎn)化主要與土壤pH、pe有關(guān)。升高pH或者降低pe都將增大可溶態(tài)砷的濃度。土壤砷的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化中常伴隨著H+的吸收或釋放，因此通常用pe+pH來定量研究土壤中三價(jià)和五價(jià)砷的含量。蔣成愛等[11]認(rèn)為在氧化性土壤（pe+pH＞10）中，五價(jià)砷為主要形態(tài)；而三價(jià)砷是還原條件下（pe+pH ＜8）的主要形態(tài)。在酸性條件下，亞砷酸不像砷酸那樣容易被土壤吸附固定，同時(shí)，酸性條件還可使砷酸鈣的溶解度極大高。李小平等[12]研究認(rèn)為砷酸鐵在酸性土壤和還原條件下，F(xiàn)e3+容易還原為Fe2+，同時(shí)使As（Ⅴ）還原為As（Ⅲ），從而提高砷的溶解性和對(duì)水稻的毒性。Onken等[13]等發(fā)現(xiàn)被洪水淹沒的土壤中As（Ⅲ）的濃度會(huì)增加，并解釋為淹水后，隨著土壤pH改變，對(duì)As（Ⅴ）有很強(qiáng)親和力的3價(jià)鐵氧化物被還原為溶解度較大的2價(jià)鐵氧化物，釋放出所吸附的砷。

2.2 土壤水分

一般而言，土壤在長時(shí)間淹水條件下，隨著還原性的增強(qiáng)，五價(jià)的無機(jī)砷可逐步轉(zhuǎn)化為三價(jià)砷，從而使土壤中三價(jià)砷的含量相應(yīng)增加并逐步成為土壤溶液中主要的存在形 態(tài)[14-15]。沈東升等[16]研究認(rèn)為五價(jià)砷進(jìn)入土壤后，在65%的最大田間持水量條件下，部分五價(jià)砷被還原為三價(jià)砷，且外源添加五價(jià)砷濃度越大，還原為三價(jià)砷的量越高，但還原率越小，且一般情況下，還原的三價(jià)砷在3d內(nèi)可重新氧化為五價(jià)或被固定。

2.3 土壤礦物

土壤礦物主要通過氧化三價(jià)砷或吸附固定三價(jià)和五價(jià)砷進(jìn)而影響土壤中兩種價(jià)態(tài)砷的量。王永等[17]研究認(rèn)為在酸性條件下，土壤中的氧化鐵、氧化鋁、碳酸鈣、高嶺石等均不能氧化三價(jià)砷，土壤中氧化三價(jià)砷的主要是氧化錳，故可測定Mn2+的釋放量表征三價(jià)砷的氧化量。王強(qiáng)等[18]發(fā)現(xiàn)赤鐵礦對(duì)砷的氧化是隨著加入三價(jià)砷濃度增大，氧化量增大，但氧化率卻降低；升高溫度（25~35℃）有利于赤鐵礦對(duì)砷離子的氧化作用；溶液pH＜6.0時(shí)，隨著pH的增加三價(jià)砷的氧化量、氧化率逐漸增大；而當(dāng)pH＞6.0，隨著pH增加三價(jià)砷的氧化量反而降低。氧化鋁，碳酸鈣等礦物主要通過吸附、解吸來影響三價(jià)和五價(jià)砷在土壤中的含量。

2.4 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中可變電荷的重要來源。土壤有機(jī)質(zhì)具有大量不同的功能團(tuán)、較高的陽離子交換量和較大的表面積，它們能通過表面絡(luò)合、離子交換和表面沉淀三種方式增加土壤對(duì)重金屬的吸附能力[19]，同時(shí)可能對(duì)價(jià)態(tài)砷進(jìn)行氧化或還原。翁煥新等[20]認(rèn)為土壤中砷含量與有機(jī)質(zhì)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，吸附實(shí)驗(yàn)也得到相同的結(jié)論，即有機(jī)質(zhì)的存在導(dǎo)致土壤對(duì)砷陰離子的吸附較弱，砷的移動(dòng)性增強(qiáng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，土壤對(duì)As（III）和As（V）吸附量明顯減少，但這種現(xiàn)象多存在于As（III）中，故推斷有機(jī)質(zhì)對(duì)As（III）的移動(dòng)性有很大影響，即增加了As（III）的移動(dòng)性。肖虹濱等[21]研究了膠州灣水體中As（V）的還原作用，結(jié)果表明水體中As（III）的含量與沉積物中有機(jī)質(zhì)有很好的相關(guān)性，說明水體中的As（III）有相當(dāng)?shù)囊徊糠謥碜猿练e物中有機(jī)質(zhì)的還原作用。

2.5 土壤微生物

在微生物的作用下，土壤砷通過甲基化或脫甲基化作用實(shí)現(xiàn)砷的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化。在五價(jià)砷向三價(jià)砷轉(zhuǎn)化的過程中，受土壤氧化-還原條件的影響，細(xì)菌、真菌和藍(lán)藻菌的種群和數(shù)量均發(fā)生了相應(yīng)的變化，并在砷形態(tài)轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著十分重要的作用，這些微生物在一定的條件下具有將土壤中的砷最終還原成AsH3的能力[22]。但是，由于砷在土壤中存在生物的和非生物的轉(zhuǎn)化過程，因此，土壤中微生物活動(dòng)對(duì)砷形態(tài)轉(zhuǎn)化和遷移的量化研究是十分困難的[23]。也有研究者認(rèn)為土壤中現(xiàn)有形態(tài)砷（包括三價(jià)砷和五價(jià)砷）的轉(zhuǎn)化主要是由微生物的數(shù)量和代謝活動(dòng)所控制的[24]。

3 土壤砷的提取及分析技術(shù)

土壤中無機(jī)砷的價(jià)態(tài)一般包括三價(jià)和五價(jià)，在提取過程中，如何使各種土壤原始價(jià)態(tài)砷能很好地提取出來而不發(fā)生價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化，是砷價(jià)態(tài)研究的第一步、也是最為關(guān)鍵的一步。由于在提取過程中三價(jià)的無機(jī)態(tài)砷很容易轉(zhuǎn)化成五價(jià)砷，因此，研究能有效防止該過程發(fā)生的提取方法，已成為土壤砷價(jià)態(tài)研究的前提。從已有的研究看，砷化合物在提取過程中按照使用輔助儀器的不同，可以分為溶劑萃取、振蕩提取、超聲波提取、離心提取和微波輔助提取等；按照提取劑種類，可分為水提取、酸提取及堿提取等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的提取劑及提取方式至關(guān)重要。

目前土壤中砷價(jià)態(tài)提取的方法主要有：

1）磷酸+抗壞血酸浸提-微波提取法。Roser等研究了磷酸提取、磷酸+抗壞血酸提取土壤價(jià)態(tài)砷，表明單獨(dú)磷酸提取會(huì)在提取過程及提取液中氧化三價(jià)砷，磷酸+抗壞血酸提取則保證了三價(jià)砷和五價(jià)砷的穩(wěn)定性。Gerald等比較了HCl振蕩提取、磷酸水浴提取、磷酸鹽加NaDDC振蕩提取及磷酸加抗壞血酸微波提取四種方式對(duì)土壤總砷和價(jià)態(tài)砷的提取效率，研究表明1mol/L磷酸加0.5mol/L抗壞血酸為提取劑，60W微波提取10min是提取土壤價(jià)態(tài)砷最為合適的方式。

2）磷酸重復(fù)提取法。Pizarro等研究了土壤中不同形態(tài)砷的提取方法和時(shí)間及其對(duì)砷形態(tài)穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明，用1mol/L的磷酸浸提的提取率明顯高于用超純水、甲醇-水（1∶1、9∶1 和 1∶1-9∶1）的提取率，經(jīng)過3次重復(fù)提取后，土壤中三價(jià)砷、五價(jià)砷、一甲基砷（MMA）及二甲基砷（DMA）的提取率可高達(dá)98%左右。

3）HCl和NaHCO3提取。Woolson等認(rèn)為，在pH＜5 的土壤上，用0.05mol/L HCl作為浸提劑較好，而在pH較高的土壤上則以0.5mol/L NaHCO3為佳。涂從等在比較了0.5mol/L NaHCO3（pH=8.5），1.0mol/L NH4Cl，0.1mol/L HCl 對(duì)紫色土和黃壤有效砷的提取效果后認(rèn)為3種提取劑都可以作為土壤有效砷的浸提劑，但以0.5mol/L NaHCO3為佳。

土壤價(jià)態(tài)砷的測定有多種方法。國內(nèi)常用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法進(jìn)行價(jià)態(tài)砷測定，國外常采用儀器聯(lián)用技術(shù)測定。由于NaBH4具有較強(qiáng)的還原性和較高的選擇性，各種形態(tài)的砷化合物都可在不同酸度下被選擇性地還原為砷氫化物，再通過原子熒光光譜儀測定不同價(jià)態(tài)砷的熒光強(qiáng)度來測定價(jià)態(tài)砷的含量。因此氫化物發(fā)生法（HG）也成為迄今為止對(duì)砷的富集和形態(tài)分離中應(yīng)用最多的方法。陳錦鳳[32]等研究了控制酸度差減法不分離價(jià)態(tài)砷而直接測定的方法；彭玨[33]等研究了利用標(biāo)準(zhǔn)回歸方程法直接測定土壤中的價(jià)態(tài)砷的方法；Patricia等則利用調(diào)節(jié)HCl和NaBH4濃度方法建立回歸方程測定了魚類、土壤中As（III）、As（V）、MMA、DMA的含量。但這些方法都是采用了不分離價(jià)態(tài)砷而直接進(jìn)行測定，因此對(duì)樣品的保存與及時(shí)測定要求很高，且測試精度有待 商榷。

儀器聯(lián)用技術(shù)與單一的砷形態(tài)分析技術(shù)比較，聯(lián)用技術(shù)一般集中了幾種方法的優(yōu)點(diǎn)，因而其選擇性、靈敏度都比較高。對(duì)于土壤砷的測定，常用的聯(lián)用技術(shù)包括HPLC-ICP-MS、HPLC-HG-AFS聯(lián)用，特別是將LC與AFS的聯(lián)用，已經(jīng)成為檢測A s、Se、Sb、Sn等元素不同化學(xué)形態(tài)的最靈敏手段之一，其檢測能力甚至已經(jīng)接近或超過了價(jià)格昂貴的HPLCICP-MS[35]。張靜[36]等選取磷酸作為提取劑，研究了超聲和水浴兩種方法提取土壤中不同形態(tài)的砷，離子色譜一氫化物發(fā)生原子熒光光譜聯(lián)用法（IC-HG-AFS）測定砷的4種形態(tài)，測定結(jié)果良好。

4 結(jié)論及研究展望

1）作為一種重要的污染元素，土壤中砷的環(huán)境行為已進(jìn)行了大量的研究，得出了豐碩的研究成果?？偨Y(jié)已有研究成果，主要為：①土壤砷的形態(tài)轉(zhuǎn)化受土壤類型、pH、水分、有機(jī)質(zhì)、微生物等因素影響，微生物對(duì)土壤砷形態(tài)轉(zhuǎn)化研究有待深入研究；②根據(jù)研究目的不同，土壤砷提取可選用不同提取劑；砷的測定較好方法為儀器聯(lián)用技術(shù)，可以解決砷的價(jià)態(tài)測定問題。

2）關(guān)于土壤砷污染問題，以下幾方面研究仍然不足，亟須開展：①被土壤膠體吸附砷的解吸過程和動(dòng)力學(xué)及其產(chǎn)生的環(huán)境危害等方面的研究；②環(huán)境因素作用（pH，水分，耕作等）下砷對(duì)土壤微生物活性的影響及其機(jī)理研究；③探索土壤砷污染的長期高效可行的微生物和植物修復(fù)技術(shù)，也是目前研究重點(diǎn)及熱點(diǎn)問題。