土壤胡敏酸和富里酸的性质表征
时间：2023-04-09 19:50:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张立超，王绍伟，水 晶，关旭扬，武 周，唐习习，金 川，李文静，包先明
（1.淮北师范大学 生命科学学院，安徽 淮北 235000；
2.沈阳市市政工程设计研究院，辽宁 沈阳 110015；
3.淮北师范大学 信息学院，安徽 淮北 235000）
土壤是覆盖在地球表面，由矿物质、有机质、土壤生物、土壤气体和土壤溶液等共同构成的疏松表层. 土壤有机质在土壤固相中的质量占比较低，却是土壤不可缺少的组成部分，对土壤中污染物的迁移转化行为往往起着决定性的作用［1-3］. 土壤腐殖质是有机质的重要组分，其分子结构复杂，含有丰富的官能团，如羟基、羧基、醌基、碳链、芳香骨架等，在疏水相互作用、络合、螯合、氧化还原等反应过程中均发挥着重要作用，具有较高的反应活性. 因此，研究腐殖质的结构和性质有益于进一步揭示污染物的环境行为.
按照腐殖质在不同pH值溶液中的溶解度，一般分为3种组分：胡敏素（不论溶液pH高低均不溶解）、胡敏酸（溶于pH值较高的溶液）和富里酸（不论pH值高低均会溶解）［4］. 由于腐殖质组分的复杂性，对腐殖质不同组分的分子结构特征和反应活性的研究，一直以来均是相关研究的热点和难点. 孟凡德等［5］采用不同方法从风化煤中提取不溶性腐殖质组分，并对其进行表征，发现它们的pH、碳、羟基和灰分含量等呈现较大差异，并导致其对Pb2+的吸附方式和吸附能力也呈现出较大区别. 罗琼［6］认为揭示富里酸和腐殖酸的结构组成有助于进一步认识其环境效应，并比较几种不同的提取纯化方法对腐殖质结构组分的影响. 陈亭悦［7］认为胡敏酸和富里酸在基本分子构成单元上并无本质区别，其对重金属活性的影响可能是由于分子量大小的差异. 因此，由于腐殖质组分复杂，其对污染物环境行为的影响机制仍有不同说法，故对胡敏酸和富里酸的有机元素组成、分子量分布、官能团和结构组分差异等进行综合表征分析具有重要意义.
本研究拟采用传统的碱溶酸析法从淮北杨庄煤矿塌陷区沼泽地土壤中提取胡敏酸和富里酸组分，并运用有机元素分析仪、分子排阻色谱、傅里叶红外光谱仪和1H 核磁共振波谱仪等进一步分析其元素组成、分子量分布、化学键和官能团组成等信息，以期揭示该塌陷区土壤的胡敏酸和富里酸组分和结构差异.
1.1 胡敏酸和富里酸制备
试验采用碱溶酸析法进行土壤样品中胡敏酸和富里酸的提取［6］，土样采自淮北杨庄煤矿塌陷区沼泽地. 称取适量的土壤样品置于1 000 mL 的磨口锥形瓶中，接着倒入700 mL 质量分数为0.01 的NaOH 溶液，静置24 h后过滤取滤出液，用质量分数为0.01的HCl溶液将滤出液调至pH值＜1，静置24 h，离心分离沉淀物和上清液. 将沉淀物用冷冻干燥的方法去除水分，所得组分即为胡敏酸干样品. 将上清液以一定流速通过RAD-8树脂使其达到吸附饱和，再用纯水冲洗数次以去除未被吸附组分，再用1:1的甲酸-乙醇溶液洗脱树脂，多次重复制备，将收集到的洗脱液同样用冷冻干燥法冷干，即得富里酸干样品.
1.2 表征
称取一定质量的胡敏酸和富里酸样品，置于坩埚中放入马弗炉，在800 °C 条件下加热4 h，冷却取出，计算灰分含量. 用元素分析仪（ElementarUnicube，德国）分析胡敏酸和富里酸中碳、氢、氮、硫各元素含量，通过质量平衡计算氧含量. 用配备分子排阻色谱柱（Biosep-SEC-S2000）的高效液相色谱系统（Agilent 1200）分析胡敏酸和富里酸溶液（有机碳浓度4 mg/L）的分子量分布，进样量为100 μL，流动相为NaCl（0.01 mol/L）和磷酸盐缓冲液（1.0 mmol/L，pH 6.8），流速0.5 mL/min，波长254 nm. 将1 mg干燥的胡敏酸和富里酸样品分别与100 mg 溴化钾混合后研细均匀，而后压片处理，放入薄片夹，进行红外扫描（Thermo Scientific Nicolet iS10），测试范围为4 000～600 cm-1，采用4 cm-1分辨率. 用0.5 mL氘代二甲基亚砜（DMSO-d6）溶解适量的胡敏酸和富里酸冷干样，测定1H核磁共振谱图（Bruker Avance Ⅲspectrometer，德国）.
2.1 灰分含量与有机元素分析结果
胡敏酸和富里酸的灰分含量以及元素分析仪测定得到的各有机元素含量见表1，其中O的质量含量通过质量平衡求得. 胡敏酸中C 的质量含量最高，为54.17%，H 含量为4.52%，N 含量为1.67%，S 含量为0.18%，O为39.46%. 进一步求得胡敏酸原子摩尔比，H/C摩尔比为1.00，O/C摩尔比为0.55，（N+O）/C摩尔比为0.57. 富里酸的C含量低于胡敏酸，为33.72%，H含量为2.53%，N含量为1.17%，S含量为1.21%，O为61.37%. 进一步求得富里酸原子摩尔比，H/C摩尔比为0.9，O/C摩尔比为1.36，（N+O）/C摩尔比为1.39.
表1 胡敏酸与富里酸的C、H、N、S、O含量，原子摩尔比及灰分含量
2.2 分子排阻色谱结果
胡敏酸和富里酸溶液的分子排阻色谱分析结果如图1所示. 在前6 min内，胡敏酸和富里酸均无明显紫外吸收信号. 胡敏酸从第6 min开始有明显紫外吸收信号峰，其中6.5 min处为一个窄而高的信号峰，9 min处为一个相对较矮、峰宽较宽的峰，在12 min后紫外吸收信号强度逐渐回归基线附近. 相对于胡敏酸，富里酸在6.5 min处的峰则弱得多，但其在10 min处有一较强峰信号.
图1 胡敏酸和富里酸分子排阻色谱分析
2.3 红外光谱结果
红外光谱是利用物质分子不同化学键或官能团对红外线吸收频率的差异来鉴定化学键和官能团的方法. 胡敏酸和富里酸的红外光谱如图2所示. 其中，在3 393 cm-1处主要为醇或羧酸分子上—OH伸缩振动吸收峰，在2 925 cm-1处主要为—CH3或—CH2反对称伸缩振动吸收峰，2 855 cm-1处主要为甲基对称伸缩振动吸收峰，在1 598 cm-1处主要为羧酸盐不对称伸缩振动峰和芳香骨架振动特征峰，在1 395～1 413 cm-1处主要为伯酰胺碳氮键和羧酸根对称伸缩振动吸收峰，在1 272 cm-1处主要为酯、醚结构中C—O伸缩振动吸收峰，在1 060 cm-1处有酚类和脂肪醇类的C—O键、脂肪族醚C—O键吸收峰［8-12］. 由红外吸收光谱图可以分析出碳元素、氢元素以及氧元素的化学形态，判断胡敏酸和富里酸中官能团的种类.
图2 胡敏酸和胡敏酸的红外谱图
2.41H核磁共振波谱结果
1H核磁共振波谱是利用1H的核磁共振效应来进行分子结构信息鉴定的方法，它能够识别出胡敏酸和富里酸分子中质子的种类及周围环境，从而进一步推断腐殖质的结构信息. 如图3核磁谱图所示，将内标四甲基硅烷的化学位移设为0，则化学位移在6.7～7.4之间峰主要是富里酸中的苯环氢及稠环氢信号，化学位移在0.8～2.2之间的峰主要是甲基及亚甲基信号. 在2.2～6.7之间，化学位移2.5处是DMSO-d6峰信号，化学位移3.4处主要是H2O的吸收信号峰，化学位移在5.3处的常见有酚羟基氢和烯烃氢信号等［13-14］.
图3 胡敏酸和富里酸的1H核磁共振波谱图
2.5 分析
腐殖质的元素组成随其来源不同以及腐殖质的不同种类划分而产生差异. 从表1可以看出，胡敏酸的C、N含量高于富里酸，O、S含量低于富里酸，胡敏酸的H/C摩尔比略高于富里酸，而O/C摩尔比则低于富里酸. 一般认为H/C摩尔比和O/C摩尔比是表征腐殖质缩合度和氧化程度的指标，（N+O）/C摩尔比值可表征腐殖质的极性高低［15-16］. H/C 摩尔比越高，缩合度越低，O/C 摩尔比越高，氧化程度越高，（N+O）/C摩尔比越大，极性越强，疏水性往往减弱［16］. 因此，胡敏酸的缩合度相对富里酸略低一些，氧化程度明显低于富里酸，而疏水性则强于富里酸. 相对于胡敏酸，富里酸具有较低的C含量和较高的O含量，可能预示着富里酸含有更多的含氧官能团，如COOH，OH，C O等.
分子排阻色谱主要分析分子量范围在1 000～300 000 道尔顿之间的胡敏酸和富里酸分子. 从分子排阻色谱图结果可知，胡敏酸和富里酸紫外吸收信号均呈现两个明显的信号峰，它们在色谱柱上的保留时间不同，分子量大小也不同. 保留时间越短，分子量越大. 胡敏酸在6.5 min 处有一强吸收峰，而该处富里酸的吸收峰则很弱，说明其大分子组分要远远多于富里酸，同时信号峰较窄说明其大分子的分子量分布相对较为集中. 胡敏酸在9 min处还有一吸收峰，其强度弱于富里酸在10 min处的吸收峰，说明富里酸分子的平均分子量较胡敏酸要小的多. 同时，7～12 min的紫外吸收峰分布较宽，说明小分子组分的分子量分布范围较广，分子构成较为复杂.
观察红外光谱结果可知，胡敏酸和富里酸样品在3 393 cm-1处有非常强的—OH峰，说明两者分子结构中含有大量的醇和羧酸组分. 2 855 cm-1与2 925 cm-1处的吸收峰说明胡敏酸和富里酸分子中有长碳链结构，含有丰富的亚甲基和甲基官能团. 胡敏酸的官能团吸收峰信号更强，预示其可能含有更多的长碳链结构，故其大分子组分含量也越多，这与分子排阻色谱的结果相符. 1 598 cm-1处的强吸收峰说明胡敏酸和富里酸分子结构中含有大量的羧酸盐和芳香烃组分. 1 395～1 413 cm-1处的吸收峰同样表明胡敏酸和富里酸分子结构存在羧酸根官能团，同时这也可能是伯酰胺碳氮键的信号峰，说明N在腐殖质中的存在形态之一. 胡敏酸相对富里酸在1 272 cm-1处有更为明显的吸收峰，说明胡敏酸分子中的酯、醚键可能较富里酸更为丰富. 1 060 cm-1处富里酸更强的吸收峰，说明富里酸在元素分析结果中比胡敏酸高的多的氧元素，可能更多地分布在酚羟基和醇羟基官能团中.
由1H核磁共振波谱图可知，胡敏酸和富里酸在0.8～2.2之间的峰信号常代表其组分中的脂肪烃组分，6.7～7.4之间的峰信号常代表其组分中的芳香烃组分，同时还有一定量的酚、不饱和烯烃等组分.
由元素分析结果可知，胡敏酸含碳量显著高于富里酸，而含氧量则明显低于富里酸. 胡敏酸的疏水性强于富里酸，而缩合度和氧化程度则低于富里酸. 分子排阻色谱结果说明胡敏酸和富里酸均由大小不同的各类有机分子构成，其分子组成复杂，分子量分布较广，小分子与大分子的双组分分布特征明显，富里酸含有更多的小分子组分，而胡敏酸含有的大分子组分远远多于富里酸. 红外光谱图表明胡敏酸和富里酸含有丰富的化学键和官能团，如羟基、羧酸盐、芳香骨架、碳氮键、C—O键等. 胡敏酸的氧可能更多地以醚、酯键等形式存在，而富里酸中的氧可能更多地以酚羟基、醇羟基的形式存在.1H核磁共振波谱图进一步证实胡敏酸和富里酸的脂肪烃、芳香烃、酚、烯烃等组分.
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