兩種干燥方式對土壤中多環芳烴回收率及同分異構體比值的影響

何 坤，謝忠雷，高傳宇，靳 前，王國平

(1. 吉林大學 新能源與環境學院，長春130012；2. 中國科學院 濕地生態與環境重點實驗室，東北地理與農業生態研究所，長春130102;3.吉林大學 植物科學學院，長春130062)

多環芳烴(PAHs)是由兩個及兩個以上的苯環稠化并以線狀、 角狀或簇狀等方式排列而成，僅含碳和氫的持久性有機污染物, 因其在環境中廣泛存在, 并具有致畸、 致癌和致突變等特點而備受人們關注[1-3]. 多環芳烴廣泛存在于水體、 大氣和土壤中, 是環境中化合物種類最多且分布最廣的一類有機污染物. 多環芳烴的來源包括自然源和人為源: 自然源主要是火山噴發、 森林火災和生物合成等; 人為源主要是煤、 石油等燃料的不完全燃燒以及交通運輸排放[4-5]等. 土壤中的多環芳烴主要來源于大氣多環芳烴的干濕沉降和含有多環芳烴的污水灌溉[6], 土壤中遠高于其他環境介質中多環芳烴的含量[7]. 土壤中的多環芳烴可能會脅迫和抑制植物生長, 使動物群落結構改變[8], 也可能在土壤微生物作用下產生毒性更強的物質[9], 可見多環芳烴可直接或以食物鏈傳遞的方式對人體健康產生潛在危害[10]. 因此, 準確測定土壤中多環芳烴的含量及判斷土壤多環芳烴的來源, 對正確評價土壤環境質量具有重要意義. 土壤中多環芳烴測定的前處理過程包括土樣干燥、 提取和凈化[11-12]. 由于不同環數的多環芳烴具有不同程度的揮發性[11], 不同干燥方式可導致土壤中多環芳烴的不同程度損失, 因此, 不同干燥方式將直接影響土壤中多環芳烴含量測定的準確性. 文獻[13]對多環芳烴的提取和凈化提供了幾種推薦方法, 但未對土壤樣品的干燥方式提出明確規定. Beriro等[14]用烘干、 自然風干和冷凍干燥對采自煤氣廠附近的土壤干燥處理后，測定其中多環芳烴含量, 結果表明，自然風干和冷凍干燥可減少低環多環芳烴的損失； Belkessam等[11]研究表明，多環芳烴中的萘極易揮發, 在干燥過程中無法判斷哪種方式能減小該誤差. 目前, 對土壤中多環芳烴的提取均使用干樣, 一般通過冷凍干燥(凍干)或風干方式獲得土壤干樣[15-17]. 凍干效率高, 風干處理方便快捷. 由于多環芳烴可被土壤有機質強烈吸附[18], 因此土壤有機質對土壤干燥過程中多環芳烴的揮發損失影響較大[19]. 煤和石油等燃料燃燒產生PAHs標志化合物的含量不同： 石油源主要產生低相對分子質量PAHs, 煤炭源主要產生高相對分子質量PAHs. 由于PAHs同分異構體具有相似的理化性質和環境行為, 其相對含量受外界影響較小, 因此, 可用PAHs同分異構體比值區別PAHs的石油源和煤炭源[20-21].

基于回收率可表示多環芳烴含量的測定準確度, 同分異構體比值可判斷多環芳烴不同來源, 本文以回收率和同分異構體比值為評價指標, 選用有機質含量差異顯著的兩種類型土壤(泥炭土和農田土)以及目前常用的兩種土壤干燥方式(凍干和風干), 通過向土壤中添加不同含量的外源多環芳烴(內含16種單體, 以模擬不同的土壤污染水平), 測定兩種干燥方式下土壤多環芳烴的含量, 分析不同干燥方式對土壤中多環芳烴回收率和同分異構體比值的影響, 以明確不同干燥方式下土壤中多環芳烴測定準確度和來源判斷差異, 為土壤多環芳烴測定選擇合適的土壤干燥方式提供參考.

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集及制備

泥炭土采自黑龍江省大興安嶺地區北部(51°37′12″N, 124°14′24″E), 海拔高度為550 m, 年平均溫度為-2.8 ℃, 年平均降水量為518 mm，pH=4.70，有機質質量分數為86.00%; 農田土采自吉林省某鎳礦區農田(42°51′～43°16′N, 126°04′～127°24′E), 土壤類型為暗棕壤，pH=6.60，有機質質量分數為2.79%.

將兩種土樣自然風干, 研磨過20目篩, 每種土壤各取5份, 分別加入不同量的多環芳烴標準物質攪拌均勻(多環芳烴標準物質購于北京壇墨質檢科技有限公司, 內含16種多環芳烴單體, 質量分數相同), 使土壤中多環芳烴的質量比分別為0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 μg/g. 以未加外源多環芳烴的土壤為對照. 根據土壤干燥處理前的含水率狀況, 分別向泥炭土和農田土中加入不同量的去離子水, 攪拌均勻, 模擬土壤的濕潤狀態.

1.2 干燥方法

將上述已制備的土壤分為兩組： 一組置于室內自然風干; 另一組置于真空冷凍干燥儀(BT85B型, 美國Millrock科技公司)中凍干, 凍干溫度為-85 ℃. 待土壤完全干燥, 研磨過100目篩.

1.3 提取方法

取凍干和風干土壤各1.00 g置于錐形瓶中, 加入1.00 g無水硫酸鈉, 以10 mLV(二氯甲烷)∶V(丙酮)=1的混合溶劑為提取劑, 置于超聲清洗儀(SB-5200DT型, 寧波新芝生物科技股份公司)中進行輔助加速提取20 min, 將提取后的溶液轉移至離心管中, 以2 500 r/min離心5 min, 將上清液轉移至50 mL玻璃試管中, 重復上述步驟2次, 合并提取液, 用氮氣吹干儀(N-EVAP112型，上海精宏實驗設備有限公司)將提取液濃縮至2.00 mL, 加入4.00 mL環己烷進行溶劑置換, 繼續用氮氣吹干儀濃縮至2.00 mL, 待凈化.

1.4 凈化方法

先在直徑為10 mm的玻璃層析柱底部依次加入脫脂棉、 2.00 g無水硫酸鈉、 10.00 g硅膠和3.00 g無水硫酸鈉, 再將層析柱自下而上敲實. 用40.00 mL戊烷淋洗已制備的層析柱, 棄去淋洗液, 在上端無水硫酸鈉層暴露于空氣前關閉層析柱活塞, 將2.00 mL濃縮提取液加入層析柱, 盛裝濃縮液的玻璃試管用2.00 mL環己烷沖洗3次, 將3次沖洗液全部移入層析柱, 打開活塞. 緩慢加入25.00 mL戊烷淋洗, 淋洗后棄去淋洗液. 再用25.00 mLV(二氯甲烷)∶V(戊烷)=1的淋洗液洗脫, 收集全部洗脫液. 用氮氣吹干儀將洗脫液濃縮至1.00 mL, 加入2.00 mL正己烷進行溶劑置換, 再用氮氣吹干儀定量濃縮至1.00 mL.

1.5 儀器及工作條件

1.5.1 測試內容

1.5.2 工作條件

DB-5ms型熔融的石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，美國安捷倫科技公司), 離子源溫度設置為250 ℃, 電離能量為70 eV, 載氣使用氦氣, 流速為1.5 mL/min.

1.5.3 測試條件

進樣口溫度為320 ℃, 柱起始溫度為50 ℃, 持續1 min, 先以25 ℃/min持續升溫至200 ℃, 持續1 min, 再以10 ℃/min升溫至280 ℃, 持續30 min.

1.6 數據處理方法

回收率計算方法:

(1)

3種同分異構體比值計算方法：

(2)

(3)

(4)

所有數據均為3個平行樣測定結果扣除對照后所得的平均值. 用Origin 2018軟件處理數據并繪圖, 用SPSS 25.0統計分析軟件進行相關性分析.

2 結果與分析

2.1 兩種干燥方式對土壤中多環芳烴總量回收率的影響

圖1為不同干燥方式下兩種土壤中外源多環芳烴的總量回收率. 由圖1可見, 兩種干燥方式對兩種土壤多環芳烴回收率影響程度不同. 對于泥炭土： 添加不同量多環芳烴, 風干處理均高于凍干處理的回收率, 但差異不顯著； 隨著多環芳烴添加量的增加, 同一種干燥方式下多環芳烴的回收率均呈先降低后增大的趨勢. 對于農田土： 凍干處理高于風干處理后土壤中多環芳烴總量回收率, 且在不同添加量下兩種干燥方式差異顯著； 隨著多環芳烴添加量的增加, 凍干處理組的多環芳烴回收率呈波動趨勢, 風干處理組的多環芳烴回收率呈降低趨勢. 因此, 在凍干處理下，當多環芳烴添加量較低時，農田土高于泥炭土的多環芳烴回收率, 隨著多環芳烴添加量的增加, 泥炭土高于農田土的多環芳烴回收率; 在風干處理下, 不同多環芳烴添加量下泥炭土均高于農田土的多環芳烴回收率.

圖1 不同干燥方式下兩種土壤中外源多環芳烴的總量回收率Fig.1 Total recovery rate of exogenous PAHs in two kinds of soil under different drying methods

不同干燥處理方式下兩種土壤中外源多環芳烴的回收率差異可能與土壤有機質含量不同有關. 疏水性有機化合物多環芳烴易在有機質含量高的土壤中被吸附固定[22], 且土壤中多環芳烴的吸附固定能力與有機質含量呈顯著正相關[23-24]. 本文所用泥炭土有機質的質量分數為86.00%, 遠高于農田土有機質的質量分數2.79%, 由于泥炭土遠大于農田土對外源多環芳烴的吸附固定能力, 因此, 經凍干和風干處理后, 泥炭土中多環芳烴的損失小、 回收率高，農田土中多環芳烴的損失大、 回收率低.

2.2 兩種干燥方式對土壤中多環芳烴單體回收率的影響

圖2和圖3分別為泥炭土和農田土經干燥處理后多環芳烴的單體回收率. 由圖2可見, 在不同多環芳烴添加量下, 對泥炭土中的低環單體多環芳烴(如萘、 苊、 蒽和芴), 風干處理均高于凍干處理的單體回收率, 且在低添加量時兩種干燥方式間差異顯著. 對高環多環芳烴, 凍干處理高于風干處理的回收率, 在高添加量時兩種干燥方式差異顯著. 在多環芳烴的5個不同添加量下, 萘的兩種干燥方式回收率均較低. 當外源多環芳烴單體添加量為0.8 μg/g, 干燥方式為冷凍干燥時，萘的回收率最低, 為(26.83±4.75)%. 可見，在16種多環芳烴單體中, 萘的損失最顯著.

圖2 不同干燥方式下泥炭土中外源多環芳烴的單體回收率Fig.2 Monomer recovery rate of exogenous PAHs in peat soil under different drying methods

圖3 不同干燥方式下農田土中外源多環芳烴的單體回收率Fig.3 Monomer recovery rate of exogenous PAHs in farmland soil under different drying methods

由圖3可見, 農田土與泥炭土中單體多環芳烴回收率的變化趨勢不同, 在不同多環芳烴添加量下, 農田土凍干處理均高于風干處理的單體回收率, 但相對于高環多環芳烴, 兩種干燥方式對農田土低環多環芳烴的影響較大. 經凍干和風干后, 16種單體多環芳烴的回收率變化幅度較大： 萘的回收率隨外源添加量的增大而降低, 當添加量為2 μg/g時, 萘的回收率僅為(8.36±0.56)%; 蒽和苯并[a]芘凍干和風干回收率基本不變, 但總體回收率均較低.

干燥方式對兩種土壤中低環多環芳烴的影響不同, 泥炭土中低環多環芳烴風干處理高于凍干處理后的回收率, 農田土中低環多環芳烴凍干處理高于風干處理后的回收率, 雖然兩種干燥方式對低環多環芳烴均有影響, 但由于土壤性質不同導致干燥方式的影響程度也不同. 含水率差異可能是導致兩種土壤中低環多環芳烴受干燥方式影響不同的主要原因： 泥炭土中含水率較高, 使低環多環芳烴在冷凍干燥過程中因水以冰態升華過程導致的損失大于風干干燥的損失[11]; 農田土含水率低, 風干過程的多環芳烴揮發是導致其低環多環芳烴損失的主要因素, 同時, 風干過程中多環芳烴光解也可能導致低多環芳烴損失[11]. 對于兩種土壤中的高環多環芳烴, 凍干處理均高于風干處理的回收率. 泥炭土的高環多環芳烴受水以冰態升華影響因素較小, 而風干導致的揮發和光降解使兩種土壤中高環多環芳烴凍干處理均高于風干處理后的回收率. 兩種干燥方式均使兩種土壤中低環多環芳烴總體低于高環多環芳烴的回收率, 這與低環多環芳烴易揮性有關[16].

2.3 兩種干燥方式對土壤中多環芳烴同分異構體比值的影響

圖4為不同干燥方式下不同土壤多環芳烴的同分異構體比值.

圖4 不同干燥方式下土壤多環芳烴同分異構體比值Fig.4 Ratios of PAHs isomers in soil under different drying methods

用多環芳烴同分異構體含量的比值可判斷多環芳烴不同來源, 由于環境中的多環芳烴是各種排放源的綜合結果, 因此, 確定多環芳烴的來源對研究多環芳烴的污染特征、 環境行為以及制定多環芳烴污染的削減措施是必要的. 常用比值法解析多環芳烴的來源, 即利用多環芳烴的同分異構體比值判斷其來源[25]: 當Flt/(Flt+Pyr)>0.5時, 表明多環芳烴來源于生物質燃燒, 比值為0.4～0.5時, 表明多環芳烴來源于液體化石燃料燃燒; 當BaA/(BaA+Chr)>0.35 時, 表明多環芳烴來自燃燒源燃燒, 比值為0.2～0.35時, 表明多環芳烴來自石油源和燃燒源燃燒; 當Ipy/(Ipy+Bpe)<0.2時, 表明多環芳烴來源于石油污染, 如汽油、 柴油和原油的泄漏等, 比值>0.5 時, 表明多環芳烴由木材及煤的燃燒產生, 比值為 0.2～0.5時, 表明多環芳烴由化石燃料的燃燒產生. 利用Flt/(Flt+Pyr)、 BaA/(BaA+Chr)和Ipy/(Ipy+Bpe) 3種多環芳烴同分異構體含量比值, 模擬多環芳烴的源解析, 以及兩種干燥方式下同分異構體比值的顯著性差異, 從而明確不同干燥方式是否影響對多環芳烴的污染來源判定. 由圖4可見, 當泥炭土中多環芳烴單體添加量為低質量比(0.2 μg/g)時, 兩種干燥方式處理下同分異構體比值差異性顯著，將對多環芳烴的來源判定產生一定的影響. 在其他添加量下, 干燥方式對多環芳烴的的同分異構體比值影響不顯著, 即對多環芳烴的源解析影響較小. 在5種添加量下, 農田土中3種同分異構體比值呈顯著性差異, 當外源多環芳烴單體添加量為高質量比(1.0，2.0 μg/g)時, 3種同分異構體的比值均呈顯著性差異, 表明兩種干燥方式對判定農田土中多環芳烴的來源影響較大.

可見, 當研究土壤中多環芳烴來源時, 對土壤的干燥方式應慎重選擇, 為保證多環芳烴來源分析的準確性, 需利用預實驗進行判斷. 本文僅比較兩種干燥方式下多環芳烴同分異構體比值, 根據比值判定兩種干燥方式是否對多環芳烴來源產生影響. 同分異構體比值法僅能對污染物的來源進行初步判斷[26], 實際應用中需將多種方法相結合判斷多環芳烴的來源.

3 結 論

綜上所述，本文研究了兩種干燥方式對土壤中多環芳烴(PAHs)的回收率和同分異構體比值的影響, 反映兩種干燥方式下土壤中多環芳烴測定準確度和來源判斷差異, 可得如下結論:

1) 泥炭土在不同添加量下自然風干處理高于冷凍干燥處理的多環芳烴總量回收率, 表明泥炭土經自然風干后其多環芳烴總量測定準確度較高; 農田土中冷凍干燥處理高于自然風干處理的多環芳烴總量回收率, 表明農田土經冷凍干燥處理的多環芳烴總量測定準確度較高.

2) 泥炭土中低環組分自然風干處理高于冷凍干燥處理的單體回收率； 高環組分中, 冷凍干燥處理高于自然風干處理的單體回收率； 農田土中的各單體多環芳烴回收率均為冷凍干燥處理高于自然風干處理, 且二者差異性顯著.

3) 在不同多環芳烴添加量下干燥方式對泥炭土中多環芳烴同分異構體比值無影響, 表明用多環芳烴同分異構體比值法判斷多環芳烴來源時, 干燥方式不影響多環芳烴的來源判定; 農田土中多環芳烴同分異構體比值受干燥方式影響顯著, 表明用多環芳烴同分異構體比值法判斷農田土多環芳烴來源時需考慮選擇合適的土壤干燥方式.