泡沫分離法提取并富集底泥中的有機磷

張青松　張連水　潘騰飛　齊樹亭　孟會賢　丁軍

摘要：泡沫分離技術是近幾十年以來發展的一個新型技術。本實驗設計了一套泡沫分離裝置，并進行了底泥中有機磷的分離和富集。實驗表明相比傳統方法NaOH-EDTA萃取法，泡沫分離法富集有機磷的能力更強，用于底泥有機磷核磁共振分析的樣品中有機磷含量更高，且泡沫分離方法富集的有機磷檢測到了一個磷酸二脂信號峰，而傳統方法檢測不到，且測定所需時間縮短到傳統方法的2/3。

關鍵詞：泡沫分離；有機磷；核磁共振；NaOH-EDTA萃取法

磷是水體富營養化的限制性影響因子，水體中磷濃度高于0.02 mg/L[1]時，很容易引起水體富營養化。減少外源磷污染進入水體能夠顯著降低水體磷的濃度[2]，改善水體的富營養狀況，改善水質。但是底泥所釋放的內源磷成為阻礙河流、湖泊等水體生態系統修復的主要因素[3]。來自于歐洲的Carvalho.L[4]、Scharf.W.[5]和北美的Welch et al.[6]、Larsen et al.[7]等分別詳細報道了湖泊內源磷污染現象。當外源磷污染減少時，藻類數量并沒有降低，內源磷負荷推遲或阻止了水體生態系統的修復進程。另外據Jensen H.S.[8]報道即使底泥在有氧環境中，其釋放磷可占到進入水體總磷量的99%，所以由底泥所釋放的磷污染，即內源磷負荷不容忽視。

目前，底泥磷的核磁共振分析普遍采用NaOH-EDTA萃取法，限于萃取物中有機磷含量，雖然經過了冷凍干燥來富集有機磷，但是溶液中有機磷含量仍然不能滿足測定需要，底泥的31P-NMR測定需要很長時間，一般需要12～72 h[9-10]，且譜圖的分辨率和信噪比較低。

底泥中有機磷主要有磷酸單酯（phosphate monoester）、磷酸雙酯（phosphatediester，DNA-P、膦酸（phosphonate）等，其中磷酸單脂和磷酸雙脂是生物體細胞膜的主要組成部分具有表面活性，膦酸含有疏水的脂肪族鏈烴以及親水的磷酸頭部，也具有兩性。DNA-A雖然是親水性高分子聚合物，但是在細菌細胞內DNA分子上結合有很多表面結合蛋白，形成的生物大分子也具有不同程度的表面活性，所以理論上可以利用泡沫分離法來進行底泥有機磷的富集，目的是提高用于核磁共振分析底泥萃取液樣品中有機磷的濃度。

1實驗裝置和方法

1.1實驗裝置

泡沫分離器是由空氣壓縮機，氣體流量計，氣體分布器，泡沫分離塔，泡沫收集裝置組成。空氣壓縮機將壓縮的空氣通過膠管輸送到氣體流量計，氣體流量計用于調節進入泡沫分離塔的氣速。從氣體流量計出來的空氣通過膠管進入泡沫分離塔底部的空氣分布器，空氣通過空氣分布器進入泡沫分離塔，底閥用于調節泡沫分離塔中待分離溶液的液位高度。泡沫分離過程中，可以看到泡沫分離塔中液面以上部分的泡沫，泡沫層高度為0.6～0.8 m，隨著空氣持續通入泡沫分離塔，塔中泡沫流入泡沫分離塔上部放置的泡沫收集裝置，泡沫收集裝置中的泡沫自然破裂形成溶液即為泡沫分離收集的有機磷溶液。泡沫分離塔的材質為有機玻璃管，直徑為50 mm。裝置如圖1。

1.2實驗方法

取同一采樣點底泥樣品，分為兩份，其中一份采用分級萃取法提取底泥無機磷，另外一種用泡沫分離方法富集有機磷。

泡沫分離的方法，將底泥真空冷凍干燥24 h，取干燥泥樣300 g，添加到3 L 0.25 mol/L NaOH溶液中，將溶液置于25 ℃恒溫搖床上，震蕩萃取16 h[11]。將制得的底泥混合液4 000 r/min離心10 min，去除大部分底泥雜質，然后將離心所得上清溶液以10 000 r/min離心30 min，用0.45 μm濾膜過濾，收集濾液。濾液中含有大量的氫氧化鈉，pH呈強堿性，不利于泡沫的形成，需要調節溶液的pH，用3 mol/L HCl調節溶液的pH值到8.0。應用泡沫分離器，對萃取液中的樣品進行泡沫分離，空氣流速設定為20 mL/min，收集泡沫流出液體積20 mL。將泡沫分離法得到溶液于-50 ℃，小于20 pa真空度下進行真空冷凍干燥，待樣品干燥后，刮取干燥后的有機層，取600 mg重新溶解于約2 mL 10 mol/L的NaOH溶液中，而后10 000 r/min離心去除不溶物質，取上清加入核磁共振管中，再加入0.1 mL重水D2O，進行核磁共振分析。

核磁共振試驗溫度為環境溫度約20～25 ℃。采用德國BRUKER400核磁共振儀，外磁場強度為161.976 MHz，采樣時間0.4 s，延遲時間12 s[12]。

2實驗結果與分析

從圖2和圖3中可以看到，采用泡沫分離法，在化學位移為1.14 mg/L處出現了兩個吸收峰，這是傳統NaOH-EDTA萃取法檢測不到的。從兩個圖中可以看到，都可以檢測到正磷酸額信號，雖然正磷酸不具有表面活性，理論上不會被泡沫分離法所富集，但是由于其含量較高，容易混入富集分離溶液中，所以兩種分離液都檢測到了。另外泡沫分離法檢測到了更多的磷酸單脂吸收峰。總測定時間，傳統方法測定需要12 h，采用泡沫分離方法測定需要8 h。

總之，相比傳統方法NaOH-EDTA萃取法，泡沫分離法富集有機磷的能力更強，用于底泥有機磷核磁共振分析的樣品中有機磷含量更高，且泡沫分離方法富集的有機磷檢測到了一個磷酸二脂信號峰，而傳統方法檢測不到，且測定所需時間縮短到傳統方法的2/3。

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（收稿日期：2014-10-31）