土壤修復：腐植酸作為天然表面活性劑淋洗高度污染土壤

Pellegrino Conte, Anna Agretto, Riccardo Spaccini,

Alessandro Piccoloa,b

a意大利，那不勒斯大學，土壤，植物與環境科學系

b意大利，INCA那不勒斯研究中心

土壤修復：腐植酸作為天然表面活性劑淋洗高度污染土壤

Pellegrino Contea,b,＊, Anna Agrettoa,b, Riccardo Spaccinia,b,

Alessandro Piccoloa,b

a意大利，那不勒斯大學，土壤，植物與環境科學系

b意大利，INCA那不勒斯研究中心

修復位于意大利北部的前ACNA化工廠（薩沃納）附近的高污染場地是意大利的當務之急。文章目的是致力于尋找環境友好型的新技術用于修復ACNA污染場地的土壤。從ACNA場地獲取質地和有機污染物數量和類型都不同的兩種土壤樣本A和B，采用多種洗滌劑對兩種土壤樣本進行淋洗，比較這些洗滌劑去除土壤污染物的效率。實驗采用的洗滌劑包括：水，兩種合成表面活性劑：十二烷基硫酸鈉（SDS）和Triton X- 100（TX100）和腐殖酸（HA）作為臨界膠束濃度的天然表面活性劑溶液。在土壤樣本淋洗前后分別采用超聲處理和索氏法提取污染物。土壤A富含多環芳烴，而土壤B含有大量噻吩。處理細質土壤B時，超聲處理具有更高的分析效率，處理粗質土壤A，索氏法的處理效率處于正常水平。采用清水洗滌土壤不能完全從土壤中除去污染物，而用后幾種方法除去污染物時，所有有機表面活性劑的效率基本相同（高達90%）。因此，使用含天然腐殖酸的溶液淋洗高度污染的土壤似乎是一個更好的選擇，因為含天然腐殖酸的溶液能夠促進土壤中微生物的活性，而合成表面活性劑則相反，會使被淋洗過的土壤出現進一步的自然衰減。

土壤修復；土壤洗滌；索氏；超聲；污染土壤

1. 介紹

土壤是一個與其他環境組分如水和空氣永久相互影響的復雜基質[1]，因此其污染可以直接影響到地表和地面水以及空氣[2]。土壤污染可能是由工業事故（溢出、泄漏、地下儲油罐泄漏）[3-5]和人為活動（森林和農業火災，化石燃料燃燒）[6,7]造成的，土壤污染物是一種長期的環境污染源。土壤成分和污染物之間的相互作用弱[8-14]，如果污染物脫離相互作用，就可能會再次釋放到其他環境組分中[15-17]，并影響人類食物鏈[18-20]。

新的土壤修復技術強調污染物的轉化和脫毒。例如，生物修復成本低，并能夠原地修復并永久消除污染物。然而生物修復受限于以下幾個方面：選擇正確的活性微生物；保持微生物活性的適宜土壤條件；生物降解不能除去的頑固污染物；和可能比母體污染物[21]毒性更強的代謝產物。

在土壤修復的其他技術中，土壤洗滌可能是一個有效且相對低廉的生物修復替代方法[22]。它是通過清水[23]或有機表面活性劑[24,25]對污染物解吸來實現土壤修復的，有機表面活性劑包括非離子型[26,27]和陰離子型[28]。為了完全脫毒，對包含脫附污染物的液體進行進一步的化學或生化處理[29]。

根據被移除的污染物的性質，采用不同類別的表面活性劑對土壤進行淋洗。例如，除去農藥可以采用非離子型表面活性劑，如Triton X-100；以及生物表面活性劑，如鼠李糖脂[30]。除去多環芳烴碳氫化合物（PAH）可以采用烷基酚乙氧基化物[31]，羥丙基——環糊精[32]，和其他陰離子表面活性劑如十二烷基苯磺酸鈉，單烷基化蜘磺酸鹽二苯醚，以及二烴化合物蜘磺酸鹽二苯醚[28]。在一般情況下，水溶性表面活性劑可分散不混溶于水的固體和液體，形成微乳液的表面活性劑的增溶烴類，而油溶性表面活性劑可促進水的循環利用[22]。然而，用于清洗受污染場地的表面活性劑可能受土壤質地和其固有生物毒性的限制。土壤含大量細紋理顆粒（淤泥和粘土），很大地減少了表面活性劑的效率[22,4]。已報道表面活性劑對一些土壤微生物細胞的毒性可能會阻止污染物的進一步生物降解和破壞洗滌過土壤的生物活性平衡[33]。腐殖質（HAs），天然表面活性劑，開始被認為可能有助于土壤生物修復。通過向污染土壤中添加外源腐植物質，多氯聯苯[34]和多環芳香烴[35]的生物利用度似乎得到了提高。此外，已發現腐殖質表面活性劑具有能減少有機污染物吸附于錐形土壤的能力，從而實現多環芳烴[35-38]，四氯二苯二氧[39]，重金屬[40,41]的解吸和修復。但是，迄今沒有報道過將腐殖質作為表面活性劑應用于真正高度污染的土壤淋洗中。

這項工作的目的是比較腐植酸（HA），普通表面活性劑（十二烷基硫酸鈉和Triton X-100）和水在兩個污染土壤樣本淋洗實驗中的效率。這兩個高度污染的土壤樣本來自于化工廠的污染工業區。兩個樣本具有不同的土壤質地和污染物組分。一個富含多環芳香烴，而另一個是含有大量的噻吩。此外，對兩種處理方法（索氏法和超聲處理）的效率也進行了比較，以便確定土壤污染物測定的最好分析方法。

2. 材料和方法

2.1 被污染的場地

自1882年SIPE開始生產炸藥以來，位于意大利北部的Cengio工業區（薩沃納附近）受到嚴重污染，原因是一直對地表及地表下土壤層的污染物進行不規則處理。后來，SIPE更名為ACNA（Aziende CHIMICHE Nazionali Associate），開始生產苯酚、硫酸、硝酸和一些其他工業有機中間體。1939年，ACNA另外制造了一系列彩色有機化合物（更多信息：http://www.bonificare.it/）。 由于ACNA場地環境（土壤和水域）污染嚴重，1999年被ACNA場地列入國家重點環境修復名單，并由校際聯盟“環境化學”發起了許多關于土壤修復的科學研究（INCA，威尼斯，意大利；http://helios.unive. it/inca）。

2.2 土壤

從ACNA場地獲取兩種不同的土壤樣本（A和B）。空氣干燥后，首先對土壤進行2.00mm篩選，然后，分析土壤的紋理，以及碳和氮的含量（Fisons EA 1108元素分析儀）。分析結果列于表1。

2.3 土壤洗滌劑

用于土壤洗滌的溶液包括：(1) MilliQ級水；(2) 4%（w/v）十二烷基硫酸鈉（SDS）；(3) 4%（v/v）Triton X-100（TX100）溶液；(4) 10毫克/升的腐殖酸（HA）溶液。據報道后者是腐殖酸的臨界膠束濃度[42]。SDS和Triton溶液方案出自Sigma公司（Milano，意大利），無需進一步純化即可使用。從北達科他州褐煤分離出腐殖酸（得克薩斯州，休斯敦，Mammoth，Chem公司），并于另一處進行純化[43]。腐殖酸懸浮于蒸餾水上，并在氮氣流中采用0.1M氫氧化鈉溶液，由一個自動滴定儀滴定至pH為7（哥本哈根，視頻滴定儀VIT 909）。然后將所得的腐植酸鈉通過微孔濾膜0.45 ，并冷凍干燥。

表1 從ACNA場地采集的土壤樣本A和B的特征

2.4 土壤淋洗

土壤（10g）懸浮在100 mL的土壤洗滌液上，在轉速為10轉/分的旋轉振蕩器上振蕩24h。在1萬轉/分的轉速下持續10min，對玻璃試管的所有懸浮物進行離心處理，以便從洗滌液中分離固體殘留物。在40℃下，干燥固體殘留物，采用超聲處理或索氏提取。

2.5 超聲處理提取

將淋洗前或淋洗后的土壤樣品（10g）懸浮于100mL的丙酮/正己烷（1∶1）的混合液上，用Misonix XL2020超聲波儀進行聲波處理。采用功率為55W的電源對土壤懸浮液充電12min，得到總能量為39.6kJ。超聲處理后，采用瓦特曼紙40過濾器對懸浮液進行過濾，以便從萃取液中分離殘余物。

2.6 索氏提取

對經過索氏濾波器淋洗前后的每個土壤樣品（10g）進行稱重，并用裝有100mL丙酮/正己烷（1∶1）混合物的索氏設備進行回流提取，提取時間總長48h。根據EPA SW 3630 B法，酸性的有機污染物（如有機酸和酚類）被含有NaOH，pH= 11的提取液除去。用Na2SO4處理有機相，用于去除殘留的水，并通過Whatman 40過濾器進行過濾。

2.7 樣品預處理

過濾后，來自超聲處理或索氏萃取的有機萃取液，首先在40℃下，用旋轉蒸發器對其進行干燥，然后溶解于5mL的CH2Cl2中，用固相萃取液（SPE）純化1mL的CH2Cl2。根據EPA SW8270 B方法，采用含30mL正己烷的Bond-Elut C-18碳粉盒（500mg/3mL瓦里安）進行脫洗。已洗脫的正己烷餾分在40℃下的旋轉蒸發器中干燥，并再溶解于1mL的CH2Cl2和1mL的100mg/mL的CH2Cl2的八氟萘溶液中，作為內部標準。用GC-MS確定污染物相對八氟萘的濃度。

2.8 GC-MS分析

珀金埃爾默公司的自動系統TMXL氣體色譜圖，配備了一個程序升溫分流/不分流進樣器與可編程氣動控制裝置，保持恒溫為250℃，Restek的Rtx-5MS毛細管柱（5%二苯基-95%二甲基聚硅氧烷，長度為30m，內徑為0.25mm和0.25df），并將珀金埃爾默公司的TurboMass質譜儀，用于定性和定量分析污染物，污染物來自原土壤和土壤洗滌后萃取的殘留物中。用于氣相色譜分析的條件如下：(1) 初始溫度為40℃并持續5min；(2) 250℃下，速率為3℃/min； (3) 等溫吸附20min。總的氣相色譜分析運行時間為95min。氦氣為氣體載體，速度是1.5mL/min，以30mL/min的速度分流。GC-MS系統的進氣管路溫度設定為280℃，而MS源的溫度設定為180℃。聚集質譜以防燈絲損壞之前，可用的溶劑延遲時間為5min。質譜儀的m/z的低和高限度分別是50和400原子質量單位。NIST質譜庫（1.7版）被用于峰鑒別。

2.9 數據處理

將土壤洗滌前和洗滌后的每份土壤分為一式三份，分別進行索氏提取和超聲處理。將每份有機提取物分為一式兩份，用GC-MS分析。對GC-MS分析的定量結果進行重量平均，找出實驗誤差。

3. 結果與討論

3.1 土壤質地對污染物萃取的影響

索氏提取和超聲處理是最常見的從土壤樣本中獲取污染物[44]的液-固相萃取程序。前者需要加熱，而超聲處理的基礎是固體懸浮液的超聲振動[45]。這兩種方法都從土壤中除去半揮發性和非揮發性有機物（US EPA方法3540和3550）。然而，這兩種方法的去除效率都受到土壤特性和土壤質地的強烈影響[46,47]。土壤的細粉末質地是造成膠質土壤顆粒表面上的有機物疏水性吸附的主要原因，從而有利于從微觀聚集體轉變成宏觀聚集體[46-48]。隨之而來的是，被包裹的有機材料受到物理保護而沒有被生物降解，并且變得用普通方法難以提取，除非通過應用機械或超聲能量將土壤大團聚體破壞掉[47,49-51]。相反，粗質土壤顆粒不太容易形成以有機質為媒介的較大土壤聚集體[52]。因此，有機化合物只處于粗糙碎片表面，采用索氏和超聲處理除去有機物的效率相同[46,48,49]。

對于兩份ACNA土壤樣品，樣品A富含較大的粗顆粒，而土壤B富含細砂、淤泥和粘土（表1）。因此導致無論是索氏或超聲處理從兩種土壤中提取的有機污染物含量都不同（表2）。土壤A富含多環芳香烴（PAH）、單芳鹵代烴、含氮化合物，而土壤B富含噻吩、砜和聯苯（表2）。然而，采用索氏或超聲處理方法從土壤A中提取的污染物總量是差不多的，而土壤B用超聲處理則能提取出更多的污染物（表2）。

這可能是由于土壤A和B質地不同造成提取方法的效率不同。由于土壤A含大量粗顆粒，具有較低聚合穩定性，這導致索氏和超聲處理提取總顆粒外表面吸附的有機化合物的效率基本相同（表2）。相反，對于細質土壤B，有機污染物被吸附于含更多結構穩定的大雜石的細顆粒表面上。因此，簡單地基于溫度的索氏提取，只能洗去小部分主要存在于大雜石表面的污染物，而超聲波振動，通過向大雜石施加能量[53,54]，能夠溶解內部細顆粒表面的污染物。基于這個原因，超聲處理從土壤B中提取的污染物大于索氏提取的（表2）。然而一個例外是，用索氏和超聲處理方法從土壤B中獲取了等量的噻吩。這表明，噻吩被優先吸附于大雜石外表面上，因此用索氏和超聲處理時，能以相同效率溶于淋洗劑中。

3.2 土壤洗滌

只用水淋洗土壤A，不能有效地去除土壤中的污染物（圖1）。事實上，采用索氏和超聲處理Milli-Q級水淋洗過的土壤A和沒有淋洗過的土壤A，從淋洗過的土壤A中獲得的污染物只略低于沒有淋洗過的土壤A中的污染物。而用水淋洗土壤B后則能更有效地去除污染物，特別是用超聲處理提取污染物。這可能是由于細質土壤的泥土顆粒在水中聚集[55-57]，因此采用索氏提取法限制了污染物的溶解。

表2 同時利用索氏抽提和超聲萃取從土壤A和B中提取的特定污染物的量（mg/kg）

有報道稱合成表面活性劑可以去除被污染土壤中的有機污染物，機理是通過污染物再分配，在水中形成表面活性劑膠束相。然而，只有當表面活性劑溶液接觸土壤顆粒表面，并且污染物被解吸成膠束相狀態，這個過程才會發生[27,28,32,58]。

在這項工作中，無論是合成的（SDS和TX100）或天然的表面活性劑（HA）都比水能更有效地去除高度污染土壤的污染物（圖1）。一般來說，這里所使用的合成表面活性劑，能夠將土壤污染物的含量減少80%到90%以上，之前的文獻研究證實了這一點[35,39,59]。這項工作首次證明了天然無毒表面活性劑如腐殖酸能和合成表面活性劑一樣，能有效地去除被污染土壤中的污染物（圖1）。

土壤淋洗（SW）可能會影響土壤結構層次，因為發生了聚集顆粒大小再分配[52]。采用索氏和超聲處理被水淋洗前后的土壤，兩次實驗獲得了基本相同數量的多環芳烴、多氯聯苯、親水鹵化物、含氮化合物、噻吩和砜（見表3）。因此，土壤A中占主導地位的粗粒結構不會在水中進一步生成影響污染物去除的顆粒聚集體。土壤B質地更細，土壤顆粒具有形成聚集體的傾向，可能是超聲處理比索氏提取更能去除大量污染物的原因（表4）。

在土壤淋洗技術中，使用合成的或天然的表面活性劑都有可能增加土壤結構的穩定性，這是因為表面活性劑的疏水性對固體土壤顆粒的聚集影響[48]。這可能反過來影響測量過程中的污染物溶解程序，影響程度取決于污染物的具體結構。

圖1 采用H2O、SDS、TX100和HA對土壤進行淋洗后，運用索氏法和超聲波處理從土壤A和土壤B中獲得的總污染物含量（mg/kg）

土壤洗滌后，土壤聚集體結構的變化可用于解釋特殊污染物去除的原因。對于土壤A，用SDS淋洗后，超聲處理比索氏提取能更有效地去除多環芳烴（表3）。相反，索氏能夠去除更多的噻吩，聯苯基和單芳香基的含氮化合物和鹵代物（表3）。TX100洗滌土壤后，超聲處理能夠提取更多的疏水多環芳烴和砜類，而索氏則能更有效地獲得噻吩和聯苯（表3）。這些結果的形成原因可能是，采用表面活性劑處理后土壤顆粒聚集體發生變化，以及隨后發生的污染物在新土壤聚集體的內表面或外表面的不同分布。

表3 采用H2O、SDS、TX100和HA對土壤進行淋洗后，運用索氏法和超聲波處理從土壤A中獲得的污染物含量 （mg/kg）

表4 采用H2O、SDS、TX100和HA對土壤進行淋洗后，運用索氏法和超聲波處理從土壤B中獲得的污染物含量 （mg/kg）

此外，用HA淋洗土壤，用這種天然有機物進行處理可能已經產生了一種替代土壤A的塊狀物，并隨之產生了不同污染物溶液。然而，相對于SDS和TX100，采用索氏或超聲處理（表3），用HA洗滌土壤A能夠除去大量PAHs。這可能是由于HA膠束相的異質性，和具有不同結構的同等效率的多環芳烴相結合的能力[34]。盡管如此，超聲處理比索氏提取去除了更多的氯化單芳硝基，鹵代化合物和聯苯，而索氏比超聲處理能更高效地提取噻吩（表3）。

相對土壤A，由于洗滌導致細質土壤B的聚集體結構變化，這可能是能從土壤B中除去特殊污染物的原因。 除了TX100，采用所有其他洗滌劑，通過超聲處理除去多環芳烴（表4）。砜是土壤B中的較大污染物（表2），采用超聲處理比采用土壤淋洗程序后的索氏法更容易除去大量砜（表4）。除了少數例外，在經過完整的土壤淋洗程序后，采用超聲處理能除去更多的土壤B中的剩余特殊污染物。在運用土壤淋洗程序后，采用超聲處理能夠更有效去除特殊污染物，這一點針對沒有淋洗過的土壤也是同樣有效的。再次，這要歸因于土壤結構的穩定性，粒間的相互作用力很強，超過了超聲處理的破壞力，因此依靠簡單的索氏提取不能使特殊污染物溶解。

4. 結論

這項工作已經證實，水不能從被污染土壤中高效地去除污染物，并且在土壤洗滌程序中，應該依賴有機表面活性劑。然而，能有效洗滌土壤的合成表面活性劑如SDS和TX100，因為他們具有生物毒性，有可能會帶來新的環境問題。而天然表面活性劑如腐殖酸溶液，在洗滌污染土壤方面，與合成表面活性劑的效率相同。推薦使用環保的腐殖質修復污染嚴重的土壤的重要性應該是不言而喻的。腐植酸類物質，甚至可以提高被洗土壤的生物活性，并有助于異地修復后的土壤的進一步自然衰減[34,60]。此外，殘留在土壤中的部分腐殖質可能對植物生長起到有利的作用，從而有助于被處理過的土壤完全復原[61]。

研究結果還表明，土壤質地是需要考慮的一個重要參數，選擇最合適的分析技術移除和確定土壤污染物。當土壤具有手感細膩的特征時，通過超聲處理而非索氏法能更有效地定量地除去污染物。而在處理粗糙質地的土壤時，兩種方法去污效果相同。然而，由于超聲處理的速度比索氏快（在實驗工作中，相對于索氏所需的48h，超聲處理只用了12min），推薦超聲處理為所有類型土壤的標準處理程序。

（丁宇 編譯）

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