洞庭湖沉積物腐殖酸的配位性與酸堿性研究*

曾 蕾,易 誠,周崇文,陳 科

(湖南環境生物學院,湖南衡陽421005)

洞庭湖沉積物腐殖酸的配位性與酸堿性研究*

曾 蕾,易 誠,周崇文,陳 科

(湖南環境生物學院,湖南衡陽421005)

通過電位滴定研究了從洞庭湖沉積物中分離得到的腐殖酸(HA)的酸堿性和配位性,采用修正格蘭函數進行了數據擬合。表征了六類可滴官能團含量和分布,pKa數值在2.35～10.50之間,羧基占可電離中心總數的62%,利用銅離子選擇電極和汞齊電極(Pb、Cd和Zn)研究了腐殖酸與Cu2+、Pb2+、Cd2+和Zn2+配位性質,借助Scatchard方法對數據進行了處理,顯示銅和鉛為二配體,鎘和鋅為單配體。平均穩定常數順序為:logKHA-Pb>logKHA-Cd>logKHAtZn,配位能力順序為:Pb>Cu>Cd≈Zn。

腐殖酸;酸堿滴定;配位能力;穩定常數

近三十年來,由于工業的快速發展,各種重金屬離子通過河流、大氣沉降和人為傾倒等方式大量涌入河流與湖泊,嚴重威脅到水生生物的生存。重金屬離子在自然環境中的降解速度取決于重金屬離子濃度、水體沉積物性質、可溶性無機鹽類型、水生生物的組成以及水流情況等因素。水體沉積物在消除重金屬離子影響過程中起著重要的作用。從沉積物構成來看,主要包括有機質、碳酸鹽、鐵錳氧化物水合物和硅鋁酸鹽。腐殖酸是一種結構和組成非常復雜的大分子有機物質,是自然界有機質的主要構成部分,這些物質通過動植物和微生物的降解在水體和陸地環境中形成。腐殖質根據結構和性質上的差異可分為:富里酸(Fulvic acid)、棕色胡敏酸(Brown hum ic acid)和灰色胡敏酸(Grey hum ic acid),三類腐殖酸結構上均含有大量可離解官能團,如羧基和酚羥基。這些基團具有較強的配位能力,能與許多重金屬離子形成穩定的絡合物。據文獻報道,腐殖質對重金屬離子的捕獲容量很大,1克腐殖質往往能夠與數克金屬離子絡合。腐殖質也能夠與礦物質結合,形成一類配位能力和吸附能力更強的微球囊,因此,腐殖酸對重金屬離子的捕獲是消除重金屬離子污染的主要途徑[1-5]。

洞庭湖是我國四大淡水湖之一,幾經歲月變遷,如今的水域面積已經不足其原來的二分之一。隨著湖南工業化速度的加快,洞庭湖也日益受到重金屬的污染,這些離子多來源于湘江及其支流。本文主要是研究洞庭湖淤泥中的腐殖酸對Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的配位能力,從而為評估洞庭湖重金屬離子的污染狀況提供參考。

1 實驗

1.1 裝置與試劑

電位差計、酸度計和自動電位滴定儀。

A g/A gCl復合玻璃電極、A g/A gC參比電極和滴汞電極。

微量滴管、恒溫循環水浴鍋。

752N型紫外-可見光分光光度計、元素分析儀(C、H、N)

AA 320火焰原子吸收分光光度計。

所有的試劑均選用分析純、實驗用水為二重蒸餾水。

配備的標準溶液:Cu2+,Pb2+,Cd2+和Zn2+標準溶液;氫氧化鈉標準溶液等。

1.2 樣品采集與腐殖酸制備[6-7]

沉積物樣品從位于洞庭湖湖區的益陽、岳陽兩市八個鄉鎮三十余個點位采集(河口鄉、雙豐鄉、團洲鄉、磊石鄉、巖汪湖鎮、茶盤洲鎮、麻塘鄉和中洲鄉),點位距湖岸50～500 m,采集后的樣品封裝在聚乙烯瓶中,保存溫度為4～6°C。腐殖酸分離和提純按照國際腐殖酸協會(H ISS)提出的標準方法操作:將樣品混合,并在室溫下風干5天,稱取已干燥的沉積物樣品1 kg,裝入聚乙烯容器中,首先加入10L 0.1mol·L-1HCl,調節pH值至1～2之間。懸浮液在振蕩器中搖動1小時,然后澄清12小時。上層清液丟棄,用1mol·L-1N aOH調節固體殘留物pH值到7.0,為防止腐殖酸氧化,在氮氣保護下,加入10L 0.1mol·L-1N aOH,容器中充入氮氣后密封,水平搖動4小時,然后靜置12小時。離心分離20m in,得到清液8 kg,固相丟棄。加入6 mol·L-1HCl溶液至pH=1.0,溶液中的腐殖質沉淀,放置15 h,液相丟棄,在氮保護氣氛下,腐殖酸沉淀溶解在適量的0.1 mol·L-1KOH溶液中,通過添加KCl調節離子強度到0.3 mol·L-1,促使膠體凝結,通過離心作用與部分礦物質沉淀分離。調節溶液的pH到1.0,通過離心作用腐殖酸被分離的出來。保存在0.1mol·L-1HCl和0.3mol·L-1HF溶液中,放置12 h,促使硅石與硅酸鹽溶解。最后,通過膜透析分離出腐殖酸,直至滲析袋外面的水溶液電導率不發生變化。懸浮液在容量瓶中稀釋,并存儲在4°C環境中,濃度約為3.96 g·L-1。

1.3 表觀摩爾質量測定[8-9]

表觀摩爾質量分布通過凝膠滲透色譜法測定,用Sephadex G-100作固定相、含1×10-3mol·L-1硼酸緩沖溶液(pH=9.20)的0.1 mol·L-1N aCl溶液作洗脫液。層析柱長90 cm、內徑1.5 cm,用于分子量標定的球狀蛋白質為:5.0 mg·mL-1牛白蛋白(66,000D),2.0 mg ·mL-1碳酸酐酶(29,000D),2.0 mg·mL-1細胞色素C(12,400D)、3.0 mg·mL-1抑肽酶(6,500D),用藍葡聚糖2000檢測柱子的空體積(V0)和滿體積(V)·流動相流速恒定在0.718±0.006 mL·m in-1,在280 nm處測量光密率變化。按照與球蛋白質相同的沖洗條件,腐殖酸懸浮液(1 mg·mL-1)用含有1×10-3mol·L-1硼酸緩沖溶液和0.1 mol·L-1N aCl洗脫液沖洗。

1.4 酸堿滴定[9-10]

在滴定腐殖酸之前,用H+濃度代替活度校準玻璃電極,將腐殖酸懸浮在50.00mL離子強度為0.1 mol·L-1N aCl溶液中,腐殖酸含量約為1.105 g·L-1,用含相同N aCl濃度的0.100 mol·L-1N aOH標準溶液滴定。也可以將30mg腐殖酸懸浮在50.00mL離子強度為0.02 N aNO3溶液中,用相同離子強度的0.005 mol·L-1N aOH標準溶液滴定。

1.5 配位滴定法[11-12]

滴定操作和儀器校正在25.0±0.1°C環境下進行,離子強度為0.02mol·L-1N aNO3和pH為6.00±0.05。為了研究腐殖酸與Pb2+,Cd2+和Zn2+的配位能力,需準備配有滴汞電極的高阻抗電位差計,實驗試劑、溶液必須充入超純氮氣以脫出溶解氧,滴定操作也必須在氮氣保護下進行。測定Cu2+需再準備一只銅離子選擇電極。

配腐殖酸溶液,濃度在20至30 mg·L-1之間,取20.00 mL腐殖酸懸浮液進行滴定,從滴定管中滴加參考量20μL的滴定劑(5.00×10-3mol·L-1Cu+2,Pb+2,Cd+2或者Zn+2)。通過從另一支滴定管中滴加足夠量的2×10-3mol·L-1N aOH溶液以保持pH在6.00±0.05,滴定劑和N aOH溶液均含0.02 mol·L-1N aNO3。當滴定進行時,滴定劑的用量增加到100uL,以便記錄30個點體積消耗值和相應的電位值同樣,取20.00 mL 0.02 mol·L-1N aNO3溶液進行標定。在加入滴定劑和補償pH之后,平衡5m in后,記錄電位值,直至電位漂移小于0.555 mV·m in-1。

1.6 洞庭湖沉積物和腐殖酸絡合物中金屬離子的測定[13-15]

沉積物經消解后,測定其中的鐵、銅、錳、鋁、鋅、鎘和鉛成分。操作如下:稱取1.0 g干燥的沉積物,首先加4mL濃HNO3消煮30 m in,再加2 mL 30%(w/w)雙氧水和1mL濃HNO3一起消煮,直到有機物質完全分解。溶液用0.50μmM illex膜過濾,用1%HNO3稀釋至50 mL容量瓶中,然后通過火焰原子吸收光譜法分析各金屬含量,加入KCl以避免電離干擾作用。腐殖酸絡合物分析與沉積物分析方法相同,只是取樣為0.1 g。

2 結果與討論

2.1 元素組成與灰分含量

表1給出了元素成分和灰分含量,焚化后的腐殖酸灰分含量較低,表明在提取與純化過程中較好地去除了礦物質,對來源于不同地點的多種腐殖酸元素測定,其結果差別不大,C/ H、C/N和C/O平均比率分別為0.94、11.80和1.87。與土壤和水體中的腐殖酸相比較,沉積物腐殖酸的N/C比率較高,原因是它們形成的機理和前體材料不同,沉積物腐殖酸主要由浮游生物和水生植物在死亡后經一系列生化過程轉化而來,這些前體材料的N/C元素比通常在0.11～0.16之間。從西洞庭湖水域提取的腐殖酸其元素比為:C:H:O:N=38:40:18: 3,C/H平均比率為0.93,高于土壤中腐殖酸的C/H,表明含有較多的芳環結構。

表1 洞庭湖沉積物腐殖酸元素組成、灰分含量與摩爾比率Table 1 Elemental compositions,ash contents and molar elemental ratios of hum ic acids in sedi ments from Dongting Lake

2.2 摩爾質量分布

圖1為腐殖酸洗脫曲線與球狀蛋白凝膠滲透色譜比較圖(掃描波長280 nm),腐殖酸分

子量分布非常寬,最大分布區域在3,701±117D,部分腐殖酸分子量甚至達到65000。

2.3 酸堿特性[16-18]

表2給出部分數據的計算結果和電離平衡常數pK值,根據修正Gran函數,可以確定在0.1mol·L-1N aCl介質中腐殖酸有六種可滴定形體。洞庭湖沉積物腐殖酸的羧基和酚基含量比土壤和水中的低,而羰基含量高。腐殖酸中羧基含量在2.68 mmol·g-1,質子化有機胺和酚羥基總量在1.42 mmol·g-1。根據腐殖酸酸性官能基總量在4.2±0.1 mmol· g-1,可推測腐殖酸每一個可離子化結構單元的摩爾質量在208～216 g·mol-1。與棕黃酸和從土壤獲得的腐殖質相比,沉積物中的腐殖酸可離解羧基官能團的含量明顯偏低,暗示在腐殖酸分子結構中存在未電離的游離羧酸官能團,這可能與腐殖酸分子量大、結構復雜有關,造成空間位阻較高、妨礙了質子的電離。

為了研究腐殖酸的酸堿性,仿照配位滴定法相似條件,選擇0.02mol·L-1N aNO3溶液作介質,進行堿量滴定操作,腐殖酸濃度為30 mg·L-1,結果見表,在這一條件下,只有五種形體可以被滴定。化學計量數據小于在0.1mol·L-1N aCl介質中測得的數據。其中HA 1為一強酸,無法得到相應的pKa數據,這一現象無法解釋。

圖1 凝膠滲透色譜洗脫曲線Fig.1 GPC elution curves

表2 腐殖酸懸浮物電位滴定線性回歸擬合Table 2 L inear regression f ittings for acid base potentiometric titration of hum ic acids extracted from suspendedmaterials

2.4 絡合特征

表3給出了條件穩定常數的數值(lgK)和根據Scatchard曲線得到的腐殖酸配位能力數據,[ML]/[M2+]與[ML]曲線關系見圖2,其中[M2+]表示Cu2+、Pb2+、Cd2+、或Zn2+濃度, [ML]為金屬絡合物濃度。Cd2+、Zn2+形成單配體絡合物,lgK數據是絡合物離解平衡常數平均值,而Cu2+和Pb2+形成雙配體絡合物,lg1K、1Cc和lg2K、2Cc不僅是數據平均值,而且反映了兩級絡合能力的差異。根據Scatchard曲線上的曲度情況,可以看出Cu和Pb形成的絡合物較穩定,Cu的一級穩定常數lgK在7.6±0.1,比它形成的二級絡合穩定,一級絡合容量大約是二級絡合容量的一半,絡合總量大約為1250μmol·g-1,根據以0.1 mol·L-1N aCl溶液為介質、腐殖酸濃度為1.010 g·L-1獲得的電位分析數據,在pH=6.0時,大約有2.365 mmol·g-1羧基沒有參與絡合,可以推測每個銅離子與腐殖酸分子中的兩個可離解基團形成雙齒結構的螯合物,1250 umol·g-1銅離子與95%的未電離部位結合。另一方面,在離子強度為0.02 mol·L-1N aNO3,腐殖酸濃度為30mg·L-1,獲得的電離常數pKa數據顯示在pH=6.0時,有2080 mol·g-1的未絡合羧化物中心存在。因此,在形成絡合結構中,兩個羧基參與的形式不一樣,一個羧基以鹽的形式結合,另一個形成配位鍵,而酚羥基和氨基在pH =6的酸性介質中,沒有參與絡合。相比空白對照,腐殖酸在滴定過程中,需要加入大量的2 mmol·L-1N aOH溶液,才能保持pH在6.00±0.05,額外增加的OH-,相當于從未分離的結合部位釋放的H+,每克腐殖酸釋放的質子總量見表3。然而,與所有研究的四種金屬離子的配位容量相比,釋放的質子數量非常少,暗示已離解的羧酸根、羰基、醇氧或氮原子在螯合物形成過程中參與了螯合鍵的形成,鉛也是含兩個不同鍵合部位的原子,但是不像觀察到的銅原子,兩級離解常數差(lgK)僅僅0.6個單位。在離子強度為0.1mol·L-1N aCl溶液中測定的Pb2+絡合總容量為2260mol·g-1,說明在pH=6.0時82.5%為自由離解的官能團。考慮到在離子強度為0.02 mol·L-1N aNO3,腐殖酸濃度為30mg·L-1時測定的pKa數據,羧基中心總容量在2260mol·g-1,或羧酸根在2040mol·g-1。Pb2+與腐殖酸構成的雙齒螯合物一定有近一半的配位鍵是與羰基或醇氧原子或者氮原子形成。當觀察銅原子時,在pH= 6.0,未解離官能基釋放質子,但僅僅是配位容量總量的小部分。

表3 絡合物穩定常數(jK)和絡合容量(jCc)Table 3 Stability constants(jK)and complexing capacity(jCc)of complex compound

表4 沉積物及腐殖酸中金屬離子含量Table 4 M etallic ion contents extracted from sedi ments and hum ic acids

圖2 洞庭湖沉積物中提取的腐殖酸配位分析Scatchard曲線(a=Cu,b=Pb,c=Cd,d=Zn)Fig.2 Scatchard curves of coordinate analysis of hum ic acids extracted from sedi ments of Dongting L ake(a=Cu,b=Pb,c=Cd,d=Zn)

鎘和鋅的結果相似,形成不穩定絡合物,與銅鉛相比,而且配位容量低。絡合物的穩定性順序與金屬陽離子關系為Cu>Pb>Cd≈Zn。結果與Slavek等得到的結果一致,他在研究用濃N aCl溶液和絡合劑從腐殖酸上選擇提取金屬陽離子時,證實銅的保留時間大于鉛的保留時間。鹽溶液僅僅提取50%的銅和鉛,而絡合劑(EDTA和DTPA)可以提取90%的金屬離子,鎘和鋅與腐殖酸結合較弱,近80%的鎘和鋅能被濃鹽溶液抽提出來。Slavek保留時間順序為Cu>Pb>Cd>Zn。

2.5 腐殖酸和沉積物中的金屬及有機碳含量

表4表示了通過HNO3/雙氧水處理從沉積物中提取的金屬含量,以及經分離和提純后保持在腐殖酸中金屬含量。在實驗中,鉛和鎘沒有被檢出,而在沉積物和腐殖酸中檢出銅和鋅,且銅的量比鋅多,與絡合滴定法測定的穩定常數一致。洞庭湖沉積物中金屬離子的保留情況說明這些金屬離子與天然有機物質分子中的某些基團具有較強的親和能力,銅鋅這兩種金屬元素的存在進一步解釋了它們作為微量營養元素對浮游生物和其它生物體起著重要作用,在沉積物樣本中,有機碳含量較低可以通過粒度分析的結果來解釋,僅僅24%的粒度<63μm(被抽提濃縮的有機物質部分的粒度<20μm),如果把這部分有機物質計算在內,有機碳含量也只有12%。

鋁和鐵是沉淀物主要成分,在腐殖酸中含量相當高,說明這些金屬與天然有機物存在較強的作用,鐵和鋁對于腐殖酸三級結構的形成起著非常重要的作用。

3 結論

IHSS抽提程序適用于湖底沉積物中腐殖質的分離,洞庭湖沉積物腐殖酸分子量較大,灰分含量較低,湖底沉積物腐殖酸分子結構中存在未電離的羧基和酚羥基,而羧基和酚羥基是絡合物主要的鍵合點,不同重金屬離子與腐殖酸配位能力存在差異,銅、鉛、鎘和鋅離子與腐殖酸絡合物穩定性順序為:Cu>Pb>Cd>Zn,配位容量順序為:Pb>Cu>Cd≈Zn。因此,反映Cu、Pb、Cd和Zn對洞庭湖污染程度也不一樣,其中Cu和Pb與腐殖酸結合穩定,不易解離,因此不會對洞庭湖產生長期性污染,而Cd與腐殖酸結合較弱,容易造成污染,應加強對Cd的排放管制。

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Study on coordination properties and acidity-basicity of hum ic acids extracted from sedi ments of Dongting Lake

ZEN G Lei,YICheng,ZHOU Cong-wen,CHEN Ke
(H unan Environm ent&B iolog ic Poly technic,H engyang421005,China)

The acidity-basicity and coordination property of hum ic acids isolated from sediments of Dongting L ake by using of potentiometric titration method and the data fitting by using of modified Gran function are studied.The contents and distribution of six classes of titratable groups are characterized,the pKa values are varied between 2.35～10.50,the carboxyl groups are accounted for 66%of total ionizable sites.The coordination properties of hum ic acids w ith Cu2+,Pb2+,Cd2+and Zn2+by using of Cu-ion selective electrode or amalgam electrode(Pb,Cd and Zn)are discussed.The data treatment by the Scatchard method reveals a double coordination for copper and lead and a single coordination for cadm ium and zinc.The average stability constants are in the follow ing order:logKHA-Pb> logKHA-CdlogKHA-Zn,while the coordination capacity order is:Pb>Cu>Cd≈gZn.

hum ic acid;acid-basetitrimetry;coordination properties;stability constants

book=136,ebook=31

O 636.9

A

1671-4814(2010)02-136-08

2009-07-30

國土資源部科技司自由選題項目(編號992008)資助。

曾 蕾(1965～)男,湖南祁東人,碩士,副教授,從事儀器分析和環境化學研究。