土壤富里酸的組成及結構表征分析

錢承 桂曉凡 彭玉梅 劉升 李悅 馬存俠 方佳清 張敏 張姝妍

摘 要：以土壤富里酸為研究對象，對其元素組成和結構進行了分析。結果表明：w（C）=33.72，w（H）=2.53，w（N）=1.17，w（S）=1.21，H/C摩爾比為0.90，說明其不飽和程度較高;O/C摩爾比為1.36，說明富里酸含氧官能團數量較多;紅外光譜顯示富里酸結構中含有碳氫鍵、碳碳雙鍵、碳氮雙鍵、碳氧鍵、羥基、羧基等化學鍵和官能團;1H核磁共振光譜顯示，富里酸組分中有脂肪族、芳香族、蛋白質/氨基酸、聚多糖等組分。

關鍵詞：土壤富里酸;元素分析;紅外;核磁

中圖分類號 X13文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）17-0123-02

土壤腐殖質是土壤的重要組成部分，在改善土壤理化性質、促進土壤生物活動、提供植物營養來源和提高土壤肥力等方面發揮了不可或缺的作用[1-2]。腐殖質是由自然界的生物殘體經過各種理化及生物反應形成的一類有機大分子混合物。根據腐殖質在酸堿中溶解度的差異，可將其分為胡敏酸（溶于堿不溶于酸）、富里酸（酸堿均溶）和胡敏素（酸堿均不溶）3種[3-4]。腐殖質含有各種官能團，如羧基、苯環、羥基、醛基、羰基、甲氧基等，并具有很高的反應活性，能夠和環境中的其他物質發生諸如絡合反應、氧化還原反應、配體交換反應、陽離子架橋等相互作用，對環境中的重金屬、有機污染物、氫氧化物、氧化物等物質的環境行為產生重要影響，并且在土壤酸堿調節、有害物質降解、土壤養分維持等方面發揮著重要作用[5-6]。由于土壤腐殖質是一類有機大分子混合物，其成分復雜，官能團含量豐富，對其組成和結構的研究是進一步認識土壤功能結構以及污染物土壤環境行為的關鍵，同時也是相關研究的難點。因此，筆者以土壤富里酸為研究對象，采用元素分析、傅里葉紅外光譜分析和1H核磁共振光譜分析等方法，對富里酸的組成和結構進行研究。

1 材料與方法

1.1 富里酸制備 按照劉亞子[7]的方法從土壤樣品中提取富里酸。用質量分數1%的NaOH溶液浸提土壤樣品24h，過濾取濾出液，再加入質量分數1%的HCl溶液調節pH<1，靜置24h，過濾取上清液，用RAD-8樹脂吸附富里酸組分，再用1∶1的無水乙醇和氨水（1mol/L）溶液洗脫，取洗脫液，用冷凍干燥機冷凍干燥得到富里酸樣品，保存于干燥器中備用。

1.2 富里酸表征 利用元素分析儀分析測定富里酸中的C、H、N、S的含量，然后通過質量平衡公式計算O含量，并計算各原子摩爾比。稱取1mg的富里酸樣品和100mg KBr一起加入瑪瑙研缽中，研磨壓片，進行傅里葉交換紅外光譜掃描，掃描范圍為600～4000/cm。將10mg制備好的富里酸干樣放入0.5mL二甲基亞砜-d6（DMSO-d6）中，振蕩溶解，之后放入核磁共振光譜儀中進行1H譜測定，環境溫度為25℃，核磁共振儀磁場頻率為400MHz，內標四甲基硅烷（TMS）的化學位移設為0。

2 結果與分析

2.1 元素 富里酸元素分析結果如表1所示。富里酸中主要包含C、O、H、N、S元素，其中C元素的含量為33.72%，H元素含量為2.53%，S元素含量為1.21%，N元素含量為1.17%，通過質量平衡求得O含量為61.37%;通過計算原子摩爾比得出，H/C的值為0.90，O/C的值為1.36，（N+O）/C的值為1.39。C、N元素可分布在環上和鏈上，其中N多以氨基形式存在;O大多數分布在一些官能團當中，如COOH、OH、C=O等。原子摩爾比中，H/C比值能夠表示分子結構的縮合度，富里酸中H/C的值為0.90，較小，所以富里酸的不飽和程度較高;O/C的值為1.36，該值較大，說明富里酸中含氧官能團數量較多;（N+O）/C的值為1.39，該值越大，表示富里酸的疏水性越強。

2.2 紅外光譜 傅里葉紅外光譜分析結果如圖1所示，在3400/cm處有羥基的吸收峰，在2926/cm和2850/cm處有脂肪族碳氫鍵的吸收峰，在1600/cm處有芳香族碳碳雙鍵和羧酸根不對稱伸縮振動峰，在1400/cm處有伯酰胺碳氮鍵和羧酸根對稱伸縮振動吸收峰，在1070/cm處有酚類和脂肪醇類的C-O鍵、脂肪族醚C-O鍵吸收峰，1035/cm處有硅氧鍵的吸收峰。紅外光譜圖中3400、2926、2850、1600、1400、1070、1035/cm處的吸收峰分別代表了分子結構中的羥基、碳氫鍵、碳碳雙鍵和羧基、碳氮雙鍵、碳氧鍵等特征官能團。N原子主要以碳氮雙鍵的形式存在于氨基化合物中，O原子主要與C原子和H原子結合，然后以碳氧雙鍵的形式分布于酮類、羧酸類等組分中，或者以碳氧單鍵形式存在于酚類、脂肪類醇以及脂肪醚中，再或者以羥基的形式廣泛分布于其他化合物組分中。

2.3 1H核磁共振光譜 富里酸的1H核磁共振光譜如圖2所示，信號最強的分別是化學位移位于2.5處的DMSO-d6和化學位移位于3.4處的H2O;代表脂肪族組分的峰位于0.7～2.3，它們的峰強明顯強于位于6.6～7.5的芳香族組分，說明富里酸結構中脂肪族組分的含量可能高于芳香族組分含量;化學位移位于5.3處的峰為蛋白質/氨基酸、聚多糖等物質。

3 結論與討論

由富里酸的元素分析結果可知，構成富里酸的主要元素有O、C、H、N、S等。H/C原子摩爾比為0.90，說明其不飽和程度較高;O/C摩爾比為1.36，說明富里酸含氧官能團數量較多。另外，通過（N+O）/C的摩爾比判斷出富里酸的疏水性，該值越大，表示疏水性越強。

由富里酸的傅里葉紅外光譜和1H核磁共振光譜可知，富里酸結構中含有各種類型的化學鍵和官能團，如碳氫鍵、碳碳雙鍵、碳氮雙鍵、碳氧鍵、羥基、羧基、苯環等。同時，這些化學鍵和官能團存在于不同類型的組分中，比如芳香族、脂肪族、酚類、醚類、蛋白質、聚多糖等。這些豐富的官能團在維持土壤養分、調節土壤功能以及去毒降解土壤污染物等方面發揮著重要作用。

參考文獻

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[3]郝曉地，周鵬，曹亞莉.污水處理中腐殖質的來源及其演變過程[J].環境工程學報，2017，11（1）：1-11.

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[7]劉亞子，高占啟.腐殖質提取與表征研究進展[J].環境科技，2011，24（S1）：76-80. （責編：徐世紅）