水溶性淀粉在蒙脫土和高嶺土上的吸附保護(hù)

張 璐，石 林，尹夢(mèng)楠，張 凰

（1.昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650500；2.昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南昆明650500）

0 引言

土壤作為最大的碳庫(kù)，每年有機(jī)碳流失量為75～100 Pg C［1-2］，比人類(lèi)活動(dòng)釋放碳的速率高一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，研究者對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性進(jìn)行了廣泛的關(guān)注，發(fā)現(xiàn)除受自身物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)特征的影響外，礦物的吸附保護(hù)也是極為重要的穩(wěn)定機(jī)制.例如：金屬氧化物通過(guò)配體交換作用優(yōu)先吸附保護(hù)不飽度低、含氧量高的芳香組分［3-4］；黏土礦物則通過(guò)疏水作用優(yōu)先吸附保護(hù)飽和度高、含氧量低的脂類(lèi)物質(zhì)［5-6］.以往這些研究普遍關(guān)注的是以腐殖質(zhì)為代表的土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定組分，需要指出的是，在土壤有機(jī)質(zhì)各主要組分中，根際分泌物和生物質(zhì)中可溶性組分如碳水化合物、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸等的穩(wěn)定性差，極易被降解和氧化，半衰期僅為數(shù)周［7］，對(duì)土壤碳排放貢獻(xiàn)巨大，是影響土壤碳行為的關(guān)鍵土壤組分（非腐殖質(zhì)活性組分）［8］.土壤非腐殖質(zhì)活性組分輸入量巨大，占土壤新輸入有機(jī)質(zhì)的一半以上［9］.而且由于其較高的降解流失率，對(duì)碳排放的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定組分的貢獻(xiàn)［8］.然而其溶解性大、易于被降解和氧化的性質(zhì)，致使其被外界所忽略，事實(shí)上，土壤非腐殖質(zhì)活性組分的穩(wěn)定是土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性提高的核心環(huán)節(jié).然而，到目前為止，還沒(méi)有研究系統(tǒng)闡述土壤非腐殖質(zhì)活性組分受礦物吸附保護(hù)的特征和機(jī)制.

此外，研究者普遍關(guān)注于礦物的吸附保護(hù)對(duì)腐殖質(zhì)的穩(wěn)定機(jī)制.對(duì)于土壤非腐殖質(zhì)活性組分而言，由于其具有較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、較小的分子量和較大的溶解度，可能更有利于其在土壤礦物上吸附保護(hù).其次，由于土壤非腐殖質(zhì)活性組分自身物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，礦物的吸附保護(hù)對(duì)其穩(wěn)定性的提高可能貢獻(xiàn)更大.然而，到目前為止，還沒(méi)有研究系統(tǒng)闡述土壤非腐殖質(zhì)活性組分受礦物吸附保護(hù)的特征和機(jī)制.由于礦物種類(lèi)多樣，晶型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同礦物，甚至晶型結(jié)構(gòu)不同的同種礦物，對(duì)土壤非腐殖質(zhì)活性組分的吸附保護(hù)特征可能也完全不同.例如：1∶1型黏土礦物（如高嶺石）層間為氫鍵緊密聯(lián)結(jié)，層間距極小且不可變，可能僅對(duì)溶解度較大的小分子有機(jī)酸等組分提供保護(hù)；而蒙脫土等2∶1型黏土礦物的層間距可以隨含水量的增大而增大［10］，對(duì)溶解度較大的大分子蛋白質(zhì)等組分也可能提供保護(hù).然而，對(duì)于礦物類(lèi)型特別是晶型結(jié)構(gòu)如何影響其對(duì)土壤非腐殖質(zhì)活性組分吸附保護(hù)作用的研究還鮮有報(bào)道.

基于以上論述，本研究選擇輸入量大且易降解的水溶性淀粉作為代表性的土壤非腐殖質(zhì)活性組分，選取晶型結(jié)構(gòu)不同的高嶺土和蒙脫土，通過(guò)批量等溫吸附實(shí)驗(yàn)，探究?jī)煞N礦物對(duì)水溶性淀粉的吸附特征和機(jī)制.通過(guò)批量高錳酸鉀氧化實(shí)驗(yàn)，探究礦物吸附前后，水溶性淀粉的抗氧化性，用以評(píng)估礦物吸附保護(hù)的貢獻(xiàn)，為探索土壤非腐殖質(zhì)活性組分在土壤固碳中的關(guān)鍵作用提供理論依據(jù).

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用水溶性淀粉，購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，純度為分析純；高嶺土（Kao，粒徑為11μm），購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；蒙脫土K10（Mon）購(gòu)于阿法埃莎化學(xué)有限公司；鹽酸、氫氧化鈉均購(gòu)置于四川西隴化工有限公司，純度為分析純；高錳酸鉀購(gòu)置于廣東汕頭化工廠，純度為分析純；實(shí)驗(yàn)所用超純水由Milli-Q Reference超純凈水機(jī)制備.

1.2 蒙脫土和高嶺土的性質(zhì)特征

通過(guò)BET比表面積測(cè)定儀（JW-BK132F，中國(guó)）對(duì)蒙脫土和高嶺土的比表面積進(jìn)行表征分析.通過(guò)濕式比表面分析儀（Xigo Nanotools Acorn Area，美國(guó)）對(duì)礦物的濕式表面進(jìn)行分析.礦物100 mg，水土比為200∶1（質(zhì)量比），調(diào)節(jié)pH至6.0，測(cè)定礦物懸浮液的H1弛豫時(shí)間（T）.弛豫率（Rsp），即弛豫時(shí)間（T）的倒數(shù)，是吸附水和游離水弛豫率的加權(quán)平均數(shù)，可通過(guò)以下公式推導(dǎo)得出.當(dāng)?shù)V物濃度為C（mg/mL）時(shí)，吸附水占系統(tǒng)中所有水的比例為：

整理得：

式中：ɑ為吸附水占系統(tǒng)中所有水的比例，c為每一個(gè)質(zhì)子（氫原子核）在束縛態(tài)的時(shí)間分?jǐn)?shù)，C為顆粒濃度（mg/mL），Tbound和Tfree分別為自由和束縛溶劑的弛豫速率常數(shù)，Rsp為弛豫率，T為弛豫時(shí)間.顆粒濃度相同時(shí)，弛豫率Rsp可反映顆粒表面吸附水的量多少，即可有效反映顆粒吸附水分子的能力大?。?1］，進(jìn)而體現(xiàn)顆粒表面的親水性及極性有機(jī)質(zhì)親和性.

通過(guò)傅里葉變換紅外光譜儀（Varian640-IR，美國(guó)）表征蒙脫土和高嶺土的化學(xué)官能團(tuán)類(lèi)型.樣品制備采用KBr壓片法，KBr與礦物比例為200∶1，樣品掃描波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1，分辨率為2 cm-1，圖譜由掃描50次累加而后自動(dòng)基線校正和自動(dòng)平滑處理.

1.3 蒙脫土和高嶺土對(duì)可溶性淀粉的吸附實(shí)驗(yàn)

按照預(yù)實(shí)驗(yàn)確定的固液比1∶200（質(zhì)量比），稱取100 mg礦物（Kao/Mon）于40 mL棕色瓶?jī)?nèi)，加入10 mL去離子水，用0.10 mol/L HCl或0.10 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH至（6.0±0.1）；分別配制濃度為20～200 mg/L的水溶性淀粉溶液，調(diào)節(jié)溶液pH至（6.0±0.1），取10 mL加入至上述棕色瓶中.根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)吸附動(dòng)力學(xué)平衡時(shí)間，全部樣品于暗處25℃下以120 r/min速度振蕩24 h.懸濁液以3000 r/min的速度離心15 min，取10 mL的上清液，用0.45μm水相針式過(guò)濾器過(guò)濾，通過(guò)高效液相色譜（Agilent1260）對(duì)過(guò)濾液中的水溶性淀粉進(jìn)行定量分析.具體方法為：糖柱（安捷倫，Hi-Plex H）；示差折光檢測(cè)器；流動(dòng)相pH=6.0的HCl溶液，流速為1.5 mL/min，進(jìn)樣量為20μL，柱溫箱溫度為30℃.本實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)平行處理.

根據(jù)方程（4）計(jì)算蒙脫土和高嶺土對(duì)水溶性淀粉的吸附量：

式中：Qe為礦物對(duì)水溶性淀粉的吸附量，mg/g；C0和Ce分別為水溶性淀粉初始和吸附平衡時(shí)的濃度，mg/L；V為溶液體積，L；m為礦物質(zhì)量，g.

吸附等溫線以Langmuir和Freundlich模型擬合，公式如下：

Langmuir模型：

Freundlich模型：

式中：Qe和Qm分別為固體平衡吸附量和最大吸附量，mg/g；Ce為液相平衡濃度，mg/L；KL為L(zhǎng)angmuir模型吸附系數(shù)，L/mg；KF為Freundlich模型吸附系數(shù)，（mg/g）·（mg/L）n；n為Freundlich常數(shù).

1.4 高錳酸鉀氧化降解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

稱取1 g礦物（Kao/Mon）于250 mL棕色瓶?jī)?nèi)，加入100 mL去離子水，用0.10 mol/L HCl或0.10 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH至（6.0±0.1）；配置濃度為200 mg/L的水溶性淀粉溶液，調(diào)節(jié)溶液pH至（6.0±0.1），取100 mL加入至上述棕色瓶中；同時(shí)設(shè)置無(wú)礦（None）的空白組作對(duì)照.于25°C下振蕩24 h后，加入1 mL pH=6.0、濃度為120 mmol/L的高錳酸鉀溶液，振蕩后分別在1、2、5、10、15、20、30、60、120、180 min取樣，過(guò)0.45μm水相針式過(guò)濾器.實(shí)驗(yàn)采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（UV-2600，日本島津）檢測(cè)高錳酸鉀的吸光度.本實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)平行處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 蒙脫土和高嶺土性質(zhì)特征分析

以水溶性淀粉為代表的有機(jī)碳在礦物表面的吸附與礦物的表面物理特征和化學(xué)特征密切相關(guān).借助BET和Xigo對(duì)兩種礦物進(jìn)行表征，結(jié)果如表1所示.BET測(cè)定結(jié)果表明，蒙脫土的比表面積（200.76 m2/g）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高嶺土的比表面積（6.10 m2/g），但是高嶺土具有較大的孔徑，與Septian等人研究相符［12］.基于N2吸附的BET法測(cè)量的是干燥礦物的比表面積，無(wú)法直觀體現(xiàn)礦物在溶液中可被利用的表面［13］.Xigo濕式比表面分析儀基于核磁共振原理測(cè)定礦物溶液的弛豫時(shí)間（T），用以描述溶劑中的顆粒表面的性質(zhì).礦物顆粒濃度相同時(shí)，Rsp（Rsp=Tfree/T-1）反映了顆粒吸附水分子的能力和顆粒表面的親水性大?。?］.蒙脫土Rsp大于高嶺土，表明蒙脫土顆粒表面吸附水分子的能力強(qiáng)于高嶺土，蒙脫土顆粒表面的親水性更大［11］.

表1 高嶺土和蒙脫土的BET和Xigo數(shù)據(jù)Tab.1 Bet and Xigo data of kaolin and montmorillonite

借助傅里葉紅外光譜進(jìn)一步印證蒙脫土的親水性.如圖1所示，高嶺土和蒙脫土的表面官能團(tuán)種類(lèi)大致相同，高嶺土和蒙脫土的Si-O-Si鍵在468 cm-1處彎曲振動(dòng)；Si-O-Al鍵分別在560、731 cm-1和530、799 cm-1處發(fā)生彎曲振動(dòng)；Si-O鍵伸縮振動(dòng)則分別在1 100 cm-1和1 051 cm-1處出現(xiàn)［14］.而關(guān)于吸附水的彎曲、伸縮振動(dòng)則分別發(fā)生于1 640、3 445 cm-1和1 640、3 445 cm-1［14］.需要強(qiáng)調(diào)的是，蒙脫土還在3 620 cm-1處產(chǎn)生內(nèi)表面的-OH鍵振動(dòng)［14］，表明蒙脫土表面有更多的水分子存在，與Xigo濕式比表面分析儀測(cè)定結(jié)果相吻合.高嶺土和蒙脫土的波數(shù)差異主要與其礦物類(lèi)型有關(guān).高嶺土屬于1∶1型層狀硅酸鹽類(lèi)礦物，層間為氫鍵緊密聯(lián)結(jié)，層間沒(méi)有水分子和陽(yáng)離子，層間距固定.礦物顆粒較大，呈六角形片狀，比表面小，以外表面為主，陽(yáng)離子交換量很低［15］.蒙脫土則是2∶1型層狀硅酸鹽粘土礦物，晶層間通過(guò)靜電和van der Waals鍵結(jié)合.層間能吸水膨脹，有較強(qiáng)的膨脹性，礦物顆粒較小，有很大的比表面積，且以內(nèi)表面為主［15］.

圖1 高嶺土和蒙脫土的傅立葉紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectra of kaolin and montmorillonite

綜合來(lái)看，兩種礦物的晶形結(jié)構(gòu)決定了蒙脫土的吸附以內(nèi)表面為主，高嶺土的吸附以外表面為主.此外，蒙脫土顆粒表面吸附水分子的能力強(qiáng)于高嶺土，水分子優(yōu)先通過(guò)氫鍵吸附于蒙脫土表面，形成一層水化膜［16］.

2.2 蒙脫土和高嶺土對(duì)水溶性淀粉的吸附特性

高嶺土和蒙脫土吸附水溶性淀粉的等溫線通過(guò)Langmuir和Freundlich模型擬合如圖2所示，兩種模型均顯出較好的擬合效果，相應(yīng)的擬合參數(shù)列于表2.水溶性淀粉在高嶺土上的吸附遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在蒙脫土上的吸附.從Langmuir擬合結(jié)果來(lái)看，水溶性淀粉-高嶺土體系的吸附系數(shù)KL（1.51×10-2L/mg）約為水溶性淀粉-蒙脫土體系（0.41×10-2L/mg）的4倍.然而，從飽和吸附量來(lái)看，蒙脫土的最大吸附值Qm（5.58 mg/g）大于高嶺土（3.98 mg/g）.Freundlich擬合結(jié)果也顯示，水溶性淀粉-高嶺土體系的平衡系數(shù)KF（0.15（mg/g）·（mg/L）n）約是水溶性淀粉-蒙脫土體系（0.034（mg/g）·（mg/L）n）的4倍，且均為非線性吸附（n＜1）.

圖2 高嶺土和蒙脫土對(duì)水溶性淀粉的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherms of water soluble starch on kaolin and montmorillonite

表2 高嶺土和蒙脫土對(duì)水溶性淀粉的吸附等溫線擬合參數(shù)Tab.2 Fitting parameters of adsorption isotherms of water soluble starch by kaolin and montmorillonite

水溶性淀粉主要是由支鏈淀粉構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)單元是α-D-吡喃葡萄糖，結(jié)構(gòu)排列不規(guī)則，分子量可達(dá)幾百萬(wàn)，結(jié)晶度差，可溶于冷水，粘度大［17］.水溶性淀粉的單體物質(zhì)葡萄糖是一種多羥基的有機(jī)質(zhì)，可以通過(guò)氫鍵作用吸附到礦物表面［18］.此外，憎水性作用也是水溶性淀粉與黏土礦物相互作用的重要機(jī)制之一［19］.水溶性淀粉占據(jù)黏土礦物高嶺土和蒙脫土表面的吸附位置后，在礦物表面形成有機(jī)分子層，為繼續(xù)吸附水溶性淀粉創(chuàng)造了潛在的吸附點(diǎn)位［20］，可能表現(xiàn)出多層吸附.水溶性淀粉濃度越高，“進(jìn)入”礦物表面較規(guī)則的層狀“礦物-有機(jī)質(zhì)”復(fù)合體中更容易，表現(xiàn)出更大的吸附量［21］，類(lèi)似于一種有機(jī)質(zhì)“疊層”模型——有機(jī)質(zhì)在礦物表面形成了類(lèi)似洋蔥的層狀結(jié)構(gòu)［22］.一般而言，黏土礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附主要與本身的比表面積有關(guān)：黏土礦物比表面積越大，所提供的氫鍵位點(diǎn)越多，其對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附越強(qiáng)［23］.然而，水溶性淀粉在高嶺土和蒙脫土上的吸附結(jié)果卻與此規(guī)律不符，原因可能是：（1）高嶺土雖然比表面積較小，但以外表面為主，表面利用率較高；蒙脫土盡管有很大的比表面積，但以內(nèi)表面為主，由于層間距有限（大約為1～2 nm［15］），大分子水溶性淀粉可能難以進(jìn)入其層間.（2）兩種礦物的濕式比表面測(cè)定和紅外測(cè)定結(jié)果都表明蒙脫土表面有更多的水分子存在，憎水性的降低可能導(dǎo)致了蒙脫土吸附能力的下降.

2.3 高錳酸鉀氧化降解水溶性淀粉

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)可知，水溶性淀粉溶液中加入高錳酸鉀氧化后，中間產(chǎn)物會(huì)對(duì)剩余高錳酸鉀在545 nm處的測(cè)定產(chǎn)生影響，因此，在氧化實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)剩余高錳酸鉀定量時(shí)應(yīng)扣除產(chǎn)物二氧化錳等在545 nm處的影響［24］.根據(jù)高錳酸鉀在300～600 nm范圍內(nèi)的全掃描圖（圖3（a）），其在419 nm處無(wú)紫外光吸收.水溶性淀粉在300～600 nm范圍內(nèi)無(wú)紫外光吸收，加入高錳酸鉀后的還原產(chǎn)物二氧化錳在419 nm處有紫外光吸收.因此，向過(guò)量水溶性淀粉溶液中加入不同量的高錳酸鉀，使高錳酸鉀完全反應(yīng)，通過(guò)建立545 nm處與419 nm處吸光度的關(guān)系（圖3（b）），用于氧化實(shí)驗(yàn)中基于419 nm處吸光度增加量對(duì)545 nm處吸光度的扣除，從而建立修正后545 nm處的吸光度.以往方法或是直接測(cè)定545 nm處吸光度，無(wú)法得到氧化過(guò)程中整個(gè)體系內(nèi)確切的高錳酸鉀剩余量［25］.或用硫代硫酸鈉淬滅高錳酸鉀的氧化反應(yīng)進(jìn)行間接測(cè)定，無(wú)法在氧化過(guò)程中直接取樣測(cè)得測(cè)定高錳酸鉀剩余量［25］.上述方法一方面可以得到氧化過(guò)程中整個(gè)體系內(nèi)確切的高錳酸鉀剩余量，另一方面可以在反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中直接取樣測(cè)定，不需要再加入硫代硫酸鈉等終止劑，與以往方法相比［25］，在方法學(xué)上具有一定的創(chuàng)新性.

圖3 （a）過(guò)量水溶性淀粉溶液與不同量的高錳酸鉀反應(yīng)后紫外光譜圖示意；（b）545 nm處吸光度與419 nm處吸光度關(guān)系.隨著高錳酸鉀加入量的增加，419 nm處吸光度不斷增大，將419 nm處吸光度與545 nm處吸光度建立關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的正相關(guān).Fig.3（a）The UV spectrum of the reaction of excessive water-soluble starch solution with different amount of potassium permanganate；（b）The relationship between the absorbance at 545 nm and 419 nm.With the increase of the amount of potassium permanganate，the absorbance at 419 nm increased.The relationship between the absorbance at 419nm and the absorbance at 545 nm was established.

利用上述比例關(guān)系扣除中間產(chǎn)物的影響后，得到剩余高錳酸鉀濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示.顯然，180 min內(nèi)，高嶺土-水溶性淀粉體系對(duì)高錳酸鉀的消耗量（1.74×10-2mmol/L）低于蒙脫土-水溶性淀粉體系（1.92×10-2mmol/L），且均低于無(wú)礦物體系（2.24×10-2mmol/L）.有礦物體系較無(wú)礦物體系在相同時(shí)間內(nèi)消耗高錳酸鉀的量更少，說(shuō)明礦物可以通過(guò)吸附作用，對(duì)水溶性淀粉起到保護(hù)作用，降低高錳酸鉀對(duì)其的氧化作用.未被吸附的水溶性淀粉中的極性基團(tuán)數(shù)量較多，易于被氧化［26］；礦物體系中水溶性淀粉的極性基團(tuán)與礦物表面的活性位點(diǎn)直接作用，使礦物-有機(jī)質(zhì)表面呈現(xiàn)出疏水性，從而減弱了水溶性淀粉與高錳酸鉀的反應(yīng)［26］.此外，與蒙脫土相比，高嶺土對(duì)水溶性淀粉的吸附保護(hù)作用更強(qiáng)，可能歸因于高嶺土對(duì)水溶性淀粉較高的吸附量（該條件下，每克高嶺土吸附量為2.28 mg，高于蒙脫土的吸附量1.37 mg）.

圖4 剩余高錳酸鉀濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Change curve of residual potassium permanganate concentration with time

3 結(jié) 論

1）高嶺土對(duì)水溶性淀粉的吸附能力高于蒙脫土，憎水性作用可能是主導(dǎo)吸附機(jī)理.

2）礦物可以通過(guò)吸附作用保護(hù)水溶性淀粉免受高錳酸鉀的氧化，且高嶺土由于較高的吸附量，具有更強(qiáng)的保護(hù)能力.

基于以上結(jié)論，我們認(rèn)為對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)和評(píng)估，需要更加關(guān)注輸入量大且易降解的土壤非腐殖質(zhì)活性組分，發(fā)掘優(yōu)先吸附保護(hù)此類(lèi)有機(jī)質(zhì)的土壤礦物，從分子層面理解礦物晶型結(jié)構(gòu)在土壤非腐殖質(zhì)活性組分吸附保護(hù)中的作用機(jī)制，為理解土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)更替，調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，增加土壤肥力、固碳能力和污染物鎖定能力提供理論基礎(chǔ).