湖泊沉積物磷形態(tài)分級(jí)提取及分析方法研究進(jìn)展

方慶軍,唐亞?wèn)|,王小明,徐一峰,彭 來(lái),吳振斌,張 義

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢 430070;2.中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430072;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北武漢 430070)

磷是水生環(huán)境中的必需營(yíng)養(yǎng)元素,也是湖泊初級(jí)生產(chǎn)的限制性營(yíng)養(yǎng)元素之一[1-2]。目前普遍觀點(diǎn)認(rèn)為,磷等營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)剩是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題產(chǎn)生的重要原因之一。一般認(rèn)為,湖泊中磷元素的來(lái)源有外源輸入和內(nèi)源釋放兩個(gè)方面。外源部分主要是含磷的工業(yè)廢水、農(nóng)田灌溉污水、生活污水等輸入,內(nèi)源部分則來(lái)自于長(zhǎng)期積累在沉積物中磷的釋放。相關(guān)學(xué)者[3-4]通過(guò)對(duì)歐洲和北美35個(gè)湖泊進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),湖泊內(nèi)源磷在外源輸入得到有效控制之后的10～15年內(nèi)仍會(huì)發(fā)生持續(xù)釋放,在個(gè)別湖泊中可達(dá)到20年。沉積物內(nèi)源磷在外部條件發(fā)生變化時(shí),更容易通過(guò)間隙水交換進(jìn)入上覆水中,提高了湖泊水生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力[5-6]。磷素在沉積物與和上覆水之間循環(huán)時(shí),沉積物在“源”和“匯”角色之間轉(zhuǎn)化。磷素在匯集到沉積物顆粒表面后,與發(fā)生吸附與解吸過(guò)程密切相關(guān)[7]。近年來(lái)出現(xiàn)的湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題中,由外源輸入引起的情況相對(duì)減少,更多則是沉積物內(nèi)源磷持續(xù)釋放引起較為嚴(yán)重的水華。因此,對(duì)沉積物磷內(nèi)源釋放的控制是解決水體持續(xù)性富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的關(guān)鍵。

研究沉積物磷的關(guān)鍵是準(zhǔn)確進(jìn)行沉積物磷的提取及測(cè)定。本文綜述了磷分級(jí)提取方法的起源與發(fā)展,對(duì)磷連續(xù)提取方法做了較為詳細(xì)介紹,分析提取方法優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)介紹了目前在分子水平上的磷形態(tài)主流分析方法,最后對(duì)未來(lái)的磷分級(jí)提取與分析方法進(jìn)行了展望,以期為湖泊沉積物磷的變化規(guī)律研究提供一定的指導(dǎo)。

1 磷分級(jí)的生態(tài)學(xué)意義

在湖泊水環(huán)境中,磷的分布和賦存形態(tài)會(huì)直接或間接地影響到水體初級(jí)生產(chǎn)力及浮游生物的分布情況。湖泊通常被認(rèn)為是污染源的“匯”,外源磷進(jìn)入湖泊后會(huì)轉(zhuǎn)變成不同形態(tài)。

不同賦存形態(tài)的磷,生物有效性和釋放風(fēng)險(xiǎn)存在差異。例如,磷酸鹽被吸附到沉積物表面形成的可交換態(tài)磷(exchangeable P,ex-P),可直接被浮游植物利用,在膠州灣的沉積物研究[8]顯示,總磷(TP)中ex-P的占比會(huì)限制浮游植物的生長(zhǎng)。鐵結(jié)合態(tài)磷(Fe-P)在磷酸鹽和鐵氧化物或氫氧化物的共沉淀時(shí)形成,在還原條件下容易解吸,進(jìn)入上覆水體[9]。鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)則主要是生物磷灰石、碳酸鈣配合磷酸鹽或自生碳酸鹽氟磷灰石等物質(zhì)組成[10],其形成需要很長(zhǎng)的時(shí)間,通常在深海沉積物中存在。

研究[11-12]表明,不同形態(tài)的磷生物活性及其在水環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化和循環(huán)路徑不同,僅僅依靠TP含量來(lái)判斷富營(yíng)養(yǎng)化情況的傳統(tǒng)方法已不能揭示水華暴發(fā)的過(guò)程與機(jī)制。因此,研究磷賦存形態(tài),發(fā)展分級(jí)提取的方法有利于研究磷素行為,針對(duì)性解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題,尤其對(duì)沉積物中磷內(nèi)源釋放的研究和治理具有重要意義。

2 沉積物磷的賦存形態(tài)

3 沉積物磷分級(jí)提取方法發(fā)展

一般認(rèn)為,通過(guò)化學(xué)試劑提取不同形式沉積物磷的方法都起源于土壤中的磷分級(jí)提取方法[19],其基本原理是使用特定的化學(xué)試劑選擇性地與沉積物中特定形態(tài)的磷結(jié)合,按照其結(jié)合的不同順序進(jìn)行連續(xù)提取,以獲得沉積物中不同形態(tài)的磷。

沉積物磷的特征形態(tài)往往決定了磷的遷移、轉(zhuǎn)化及歸趨過(guò)程。僅通過(guò)TP或有效磷含量并不能全面、準(zhǔn)確、長(zhǎng)效地評(píng)估湖泊或者海洋沉積物的養(yǎng)分供應(yīng)能力和生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),要深入研究沉積物磷對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的作用機(jī)制,則需要能夠科學(xué)表征、從分子層面準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)磷形態(tài)[11]。因此,在研究初期出現(xiàn)了以提取分析為主的傳統(tǒng)分析方法,隨著技術(shù)發(fā)展,演變?yōu)楝F(xiàn)在以光譜法為主的分子層面分析技術(shù)。

3.1 IP分級(jí)提取方法發(fā)展

Dean[20]最早提出了土壤磷素分級(jí),即用酸和堿試劑連續(xù)萃取來(lái)表征土壤中不同形式的IP,而由于當(dāng)時(shí)磷的測(cè)定難度較高,直到1957年Chang提出的IP分級(jí)體系才得到廣泛應(yīng)用[20-21]。該分級(jí)體系將土壤中的IP分級(jí)提取分離為離散態(tài)磷形式,區(qū)分了Fe-P和Al-P,并首次明確提出了閉蓄態(tài)磷(O-P)的概念。這些磷形態(tài)主要包括鋁結(jié)合態(tài)磷(Al-P)、Fe-P、Ca-P、還原性水溶態(tài)磷(RSP)和O-P。

1967年—1976年Williams等[22-24]對(duì)Chang-Jackson方法進(jìn)行了改進(jìn),并應(yīng)用到了沉積物中,將提取的磷分為磷灰石磷(AP)、非磷灰石磷(NAIP)和OP,并指出了在富含鈣的沉積物中用NH4F提取鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe/Al-P)時(shí)易形成CaF2而重新吸附磷酸鹽的缺點(diǎn)。

Hieltjes等[25]在1980年的研究則認(rèn)為,當(dāng)沉積物中的鈣鹽含量較高時(shí),易出現(xiàn)NaOH提取的Fe-P被鈣鹽重新吸附,導(dǎo)致測(cè)定不準(zhǔn)確的情況。其將Williams法改進(jìn),將沉積物磷分為不穩(wěn)定性磷、Fe/Al-P、 Ca-P和殘留態(tài)磷(residual-P)。

Psenner等[26]在1988年提出的磷提取方案與Chang關(guān)于在沉積物中磷形態(tài)的化學(xué)或礦物學(xué)定義的最初想法一致,即在第一步中使用1 mol/L NH4Cl代替H2O提取松散吸附的磷。該提取方案最初是針對(duì)硅質(zhì)沉積物開(kāi)發(fā),此時(shí)碳酸鹽對(duì)磷的再吸附在鈣質(zhì)沉積物中是不可避免的[27]。

在Hieltjes等[25]基礎(chǔ)之上,通過(guò)用NaOH反復(fù)提取,Golterman[28]發(fā)現(xiàn)可以多提取出30%的正磷酸鹽,表明用NaOH提取出的不僅是Fe-P。其認(rèn)為在磷提取過(guò)程中應(yīng)避免使用強(qiáng)酸和強(qiáng)堿溶液,而是通過(guò)使用螯合劑來(lái)提取Fe/Al-P。最初,Golterman[29]建議使用0.01 mol/L次氮基三乙酸鈉溶液提取,隨后改用0.05 mol/L次氮基三乙酸鈣和0.05 mol/L次氮基三乙酸鈉溶液依次溶解Fe/Ca-P,最終次氮基三乙酸及其鹽又被乙二胺四乙酸(EDTA)所取代[28]。然而此法的缺點(diǎn)是EDTA會(huì)干擾正磷酸鹽和Fe的測(cè)定。

1992年,Ruttenberg[30]為海洋沉積物開(kāi)發(fā)了SEDEX提取法,單獨(dú)量化了5種形態(tài)的磷,即不穩(wěn)定性磷、Fe-P、碳酸氟磷灰?guī)r磷(CFAP)、碎屑磷灰石磷(FAP)和OP。

歐洲委員會(huì)于1996年發(fā)起了沉積物磷的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序 (the standards, measurements and testing programme,SMT),以Williams法為基礎(chǔ)確定了提取方案[31]。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用,可操作性強(qiáng),在分離不同的形態(tài)磷同時(shí)還能估計(jì)磷的潛在來(lái)源,因此,被廣泛使用。SMT程序缺點(diǎn)在于使用強(qiáng)酸強(qiáng)堿作提取劑,對(duì)OP提取有影響且對(duì)OP的劃分不夠細(xì)致。表1總結(jié)了每種方法所涉及的步驟以及發(fā)展。

表1 IP分級(jí)提取方法發(fā)展

1998年,Jensen等[32]開(kāi)發(fā)了一種用于海洋沉積物磷的6步連續(xù)提取方案,該方案是針對(duì)Psenner法的修改。主要修改是在第一步中使用1 mol/L MgCl2代替1 mol/L NH4Cl來(lái)提取松散吸附的磷,并在用NaOH提取之后和HCl提取之前加入額外的乙酸鹽緩沖液[32]。此外,在每個(gè)提取步驟后用NaCl洗滌,可以減少磷酸鹽的再吸附。

3.2 OP分級(jí)提取方法發(fā)展

1985年,Psenner等[33]提出了新的沉積物磷提取方法,他將磷分為水溶態(tài)磷(WSP)、RSP、Fe/Al-P、Ca-P和惰性磷。但該方法與Williams法類(lèi)似,當(dāng)沉積物堿質(zhì)含量較高時(shí),仍存在碳酸鹽對(duì)磷的重吸附現(xiàn)象。

Golterman[29]在1977年—1988年的研究則認(rèn)為,應(yīng)該使用氨基三乙酸(NTA)替代強(qiáng)酸強(qiáng)堿作為提取劑,以減少對(duì)黏土結(jié)合態(tài)磷(一部分可交換態(tài)磷)和OP的破壞。然而該方法使用時(shí)樣品準(zhǔn)備程序復(fù)雜,提取時(shí)間較長(zhǎng),試驗(yàn)操作過(guò)程比較繁瑣,可操作性不強(qiáng)。

1998年,Ivanoff等[34]重點(diǎn)研究了土壤中的OP連續(xù)提取方法,研究將沉積物磷形態(tài)按照活性強(qiáng)弱分為活性有機(jī)磷(LOP)、中活性有機(jī)磷(MLOP)和非活性有機(jī)磷(NOP),其中,MLOP為鹽酸態(tài)有機(jī)磷和富里酸態(tài)有機(jī)磷,NOP中又細(xì)分為胡敏酸磷和殘?jiān)鼞B(tài)磷。表2總結(jié)了OP分級(jí)提取方法的發(fā)展及優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 OP分級(jí)提取方法發(fā)展

4 沉積物磷的光譜學(xué)分析方法

盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多連續(xù)分級(jí)方法來(lái)表征沉積物磷[35-36],但這些方法僅根據(jù)磷與基質(zhì)組分間的相互作用強(qiáng)度,通過(guò)不同萃取劑中的溶解度差異來(lái)提取各種形態(tài)的磷,并不能確定特定的IP或OP的形態(tài)[35-37]。此外,在這些分級(jí)方法中,通常將未經(jīng)消化的磷進(jìn)行比色法測(cè)量并稱(chēng)為IP,TP和IP之間的差異稱(chēng)為OP。復(fù)雜的IP如焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽等形態(tài)將包含在OP中,盡管它們不含碳[35]。此外,比色分析所需的低pH可能會(huì)降解OP或多聚磷酸鹽,并釋放正磷酸鹽。湖泊中的OP可以被降解和礦化,最終水解或分解成為IP而被生物利用,但仍有相當(dāng)一部分OP被保留在沉積物中,這部分OP被提取就較為困難。雖然可以通過(guò)分級(jí)提取或者計(jì)算的方式獲得OP含量,但始終存在局限性[38-39]。識(shí)別特定磷形態(tài)的完整化學(xué)形式需要提取單個(gè)形式(如磷脂、RNA等)或先進(jìn)的光譜技術(shù),如X射線吸附光譜(X-ray absorption spectroscopy, XAS)或31P NMR光譜等[40-44]。以下將重點(diǎn)對(duì)幾種應(yīng)用廣泛的典型磷形態(tài)表征技術(shù)進(jìn)行介紹。

4.1 XAS

XAS可用于土壤、沉積物中多種元素的形態(tài)分析,因其需要較高的X射線通量和能量可調(diào)性,目前僅在同步加速器上可用。XAS的主要特征是“吸收邊”,它基本上對(duì)應(yīng)于光電子釋放的閾值能量。XAS通常分為兩個(gè)能量區(qū)域:X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜(X-ray absorption near edge structure, XANES)和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜(extended X-ray absorption fine structure, EXAFS)。XANES光譜部分包括邊前區(qū)域、吸收邊以及邊后區(qū)域約為50 eV;EXAFS光譜為超出XANES的高能區(qū)域。

Ca-P、Al-P和Fe-P是沉積物中磷的主要賦存形式,具有不同的XANES特征峰,因此,可以通過(guò)吸收光譜來(lái)區(qū)分定量。對(duì)于Ca-P,XANES在白線峰位置的高能區(qū)域具有肩峰,磷灰石更加明顯,而易溶態(tài)的磷酸鈣則不明顯。這些峰歸因于堿土金屬陽(yáng)離子的激發(fā)光電子多次散射產(chǎn)生的連續(xù)共振[45-46]。邊后的肩峰和2 160～2 170 eV其他次要光譜峰的位置和強(qiáng)度共同成為了Ca-P獨(dú)特的指紋識(shí)別方法。Al-P在白線峰的低能區(qū)域產(chǎn)生肩峰,這在勃姆石(γ-AlOOH)吸附磷酸鹽的XANES中不明顯。此肩峰歸因于磷 1 s電子激發(fā)為P(3p)-O(2p)-Al(3p)反鍵態(tài)[46-47]。XANES中磷酸鐵和吸附在氧化鐵上的磷酸鹽的顯著特征是在白線峰低能一側(cè)2～5 eV處出現(xiàn)較弱的邊前吸收峰。此邊前峰的強(qiáng)度和能量位置與鍵合到金屬磷酸鹽中的過(guò)渡金屬(如Zn、Co、Fe等)中的3 d電子數(shù)量有關(guān)。此邊前峰歸因于磷 1 s電子轉(zhuǎn)變?yōu)镕e(3 d)型反鍵態(tài),盡管根據(jù)電偶極子選擇規(guī)則不允許s→d過(guò)渡,而p軌道混合成Fe(3 d)態(tài)允許這種過(guò)渡[48]。通過(guò)聯(lián)用磷K邊XANES和紫外可見(jiàn)吸收光譜并應(yīng)用于一系列含有不同單齒和雙齒鍵合比例的Fe-PO4絡(luò)合物的水溶液,Khare等[47]認(rèn)為這些特征涉及將1 s電子激發(fā)為Fe(4p)-O(2p)反鍵態(tài)。此外,對(duì)于具有不同結(jié)晶度、吸附相和絡(luò)合物的礦物XANES,該特征峰的強(qiáng)度隨Fe-O-P鍵數(shù)量的增加而增加。

除了對(duì)形態(tài)的鑒定,XAS還可以判斷界面反應(yīng)類(lèi)型,如內(nèi)圈、外圈配位、表面沉淀、共沉淀以及氧化還原等[49]。Khare等[50]采集了水鐵礦吸附磷酸根樣品的磷K邊XANES,發(fā)現(xiàn)有磷的邊前峰出現(xiàn),表明磷酸根以內(nèi)圈配位的形式吸附在水鐵礦表面。且隨著Fe/P的增加,XANES中白線峰的位置向高能一側(cè)偏移了0.6 eV,遠(yuǎn)高于磷酸根質(zhì)子化導(dǎo)致的白線峰偏移量(0.2 eV),同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算,可以揭示磷酸根在水鐵礦表面的配位方式由單齒單核配位向雙齒雙核配位轉(zhuǎn)化[51]。

4.2 原子配對(duì)分布函數(shù)(pair distribution function, PDF)

PDF是基于X射線的總散射技術(shù),是對(duì)粉晶X射線衍射結(jié)構(gòu)模擬和XAS很好的補(bǔ)充,顯示了與另一個(gè)原子在給定距離r處找到一個(gè)原子的概率[52-53]。最近,隨著第三代同步加速器的發(fā)展,由于其能夠提供更高通量和更短波長(zhǎng)的X射線,以及可同時(shí)收集總散射圖譜的快速讀取探測(cè)器的應(yīng)用,差分原子配對(duì)分布函數(shù)(differential pair distribution function, d-PDF)分析變得適用于更廣泛的系統(tǒng)[54]。

4.3 核磁共振光譜(NMR)

NMR是研究原子核自旋行為以及原子核自旋與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種波譜學(xué)分析技術(shù),其可以提供3種信息:化學(xué)位移、耦合常數(shù)以及積分曲線。其中化學(xué)位移對(duì)化學(xué)環(huán)境非常敏感,可以用來(lái)提供物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)信息,是NMR中最重要的參數(shù)[49]。

沉積物中相關(guān)磷化合物(有機(jī)或無(wú)機(jī))的化學(xué)位移通常處于25～25 mg/L。這些磷包括:膦酸酯、正磷酸鹽、正磷酸單酯、正磷酸二酯(磷脂和脫氧核糖核酸)、焦磷酸鹽、多聚磷酸鹽等。由于31P是唯一天然存在的磷同位素(100%自然豐度),理論上可以通過(guò)NMR法檢測(cè)樣品中的所有磷化合物。因此,如果選擇了適當(dāng)?shù)牟杉瘏?shù),則每個(gè)峰面積與該特定類(lèi)型的磷數(shù)量成正比,從而運(yùn)用NMR可以定量鑒定樣品中不同的磷形態(tài)。因此,31P NMR是研究土壤或沉積物磷的重要工具,極大地提高了對(duì)磷形態(tài)尤其是OP的認(rèn)識(shí)。

31P NMR已被廣泛用于表征土壤或沉積物中的OP組分[13,59-61]。其中,液相NMR主要針對(duì)OP測(cè)定,其應(yīng)用最早是從生態(tài)學(xué)研究發(fā)展過(guò)來(lái)的。NMR具有檢出限低、分辨率高等特點(diǎn),對(duì)于水體和沉積物中的微量元素具有很好的分析效果。

化學(xué)位移與化學(xué)結(jié)構(gòu)尤其是配位結(jié)構(gòu)具有一定的對(duì)應(yīng)性,可以用于判斷物質(zhì)的形態(tài)如內(nèi)圈配位、外圈配位以及表面沉淀。Yan等[62]通過(guò)固態(tài)31P/27Al NMR研究了植酸在無(wú)定形氫氧化鋁(AAH)表面的吸附,證實(shí)了在植酸在AAH表面由吸附態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為類(lèi)似于Al-IHP的表面沉淀。Lookman等[63]研究了吸附在無(wú)定型氧化鋁表面的磷酸根形態(tài),證明吸附方式以內(nèi)圈配位為主。以上3種常見(jiàn)的光譜分析方法優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 3種光譜學(xué)分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)

4.4 其他分析方法

除了上述介紹的幾種分析方法外,一些表征方法如磷氧同位素以及理論計(jì)算如密度泛函理論等也越來(lái)越多用于磷形態(tài)的表征,尤其是磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程[64-65]。由于沉積物中磷酸鹽響應(yīng)成巖作用、溶解/沉淀和生物循環(huán)的不同反應(yīng)性,磷酸鹽的氧同位素比(δ18OP)可以攜帶這些過(guò)程的獨(dú)特特征,揭示特定磷形態(tài)的起源[66-68]。Yuan等[69]利用磷酸鹽的氧同位素以及沉積物化學(xué)表征如X-射線衍射和57Fe-M?ssbauer光譜方法,分析了淺水湖泊沉積物的磷循環(huán)過(guò)程。結(jié)果表明,沉積物磷庫(kù)的δ18OP值顯著偏離平衡,因此,可以區(qū)分潛在的磷源或轉(zhuǎn)化途徑。自生磷的同位素值比平衡態(tài)低,說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的再礦化和磷灰石的沉淀是自生磷形成的主要途徑。18Al結(jié)合的磷(18.9‰～23.5‰)和Fe結(jié)合的磷(16.79‰～19.86‰)的OP值可能表明潛在的陸地來(lái)源,但后者更接近平衡值意味著來(lái)源于磷的還原溶解和釋放。結(jié)果證實(shí)了好氧/缺氧振蕩和溶解/再沉淀反應(yīng)以及預(yù)期的同位素偏移。這些發(fā)現(xiàn)為更好地理解與淺淡水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化相關(guān)磷的起源和生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。

5 展望

總體而言,國(guó)內(nèi)外對(duì)于沉積物磷的賦存形態(tài)、磷素提取及分析方法的發(fā)展始于二十世紀(jì)六七十年代,到目前為止,已經(jīng)趨于成熟?？傮w來(lái)看,我國(guó)在沉積物磷的賦存形態(tài)及轉(zhuǎn)化的機(jī)制方面的研究水平和深度仍然有待提高,應(yīng)該向著分子水平繼續(xù)深入,細(xì)化對(duì)各種形態(tài)磷的分類(lèi),創(chuàng)新不同形態(tài)磷的分析方法,深刻闡釋湖泊沉積物磷素轉(zhuǎn)化機(jī)制,這對(duì)控制和解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題具有深遠(yuǎn)的意義。