土壤無機磷酸鹽中氧同位素分析方法的研究及應用

張晗 王佳妮 朱永官 張嫻

(中國科學院城市環境研究所環境與健康重點實驗室分析測試中心,廈門 361021)

土壤無機磷酸鹽中氧同位素分析方法的研究及應用

張晗 王佳妮 朱永官 張嫻*

(中國科學院城市環境研究所環境與健康重點實驗室分析測試中心,廈門 361021)

土壤磷酸鹽氧同位素在生物地球化學研究領域中具有重要的應用,土壤成分復雜,氧同位素來源多樣,可靠的樣品富集和純化技術是磷酸鹽氧同位素研究的前提保障。本研究以土壤無機磷酸鹽氧同位素為研究對象,采用多步沉淀法對土壤中無機磷酸鹽進行提取,并轉化成Ag3PO4沉淀分離,用于磷酸鹽氧同位素測試。以氨水重結晶方法對Ag3PO4進行純化,通過XRD和元素分析驗證了產品純度。結果表明,通過H2O2漂洗去除有機質后,輔助氨水重結晶可有效去除Ag3PO4中夾雜的Ag2O和Ag單質等無機雜質,未產生同位素分餾,采用標準KH2PO4對方法全流程安全性進行驗證。對3種不同利用類型的土壤中磷酸鹽進行分析,結果表明,方法的平行性良好,不同類型土壤磷酸鹽氧同位素差異顯著,δ18Op值在15.2‰～19.5‰之間,可用于土壤磷溯源研究。

土壤;無機磷酸鹽;磷酸銀;氧同位素

1 引 言

磷酸鹽氧同位素組成的研究為認識磷源的貢獻[1～3],示蹤磷酸鹽生物化學循環途徑[4,5]、反應微生物或酶反應活性[6]、磷酸鹽所處周邊環境溫度變化[7],以及海洋生態系統磷循環研究發揮了重要作用。近年來,土壤中磷酸鹽氧同位素在生物地球化學研究中備受關注。在地表自然條件下,單純無機過程對磷酸鹽氧同位素沒有影響,而生物或酶作用卻可使磷酸鹽與周邊環境中的氧發生交換,使磷酸鹽中δ18Op發生變化。磷酸鹽氧同位素組成的變化一定程度反應了土壤生態系統的活動性。由于不同的土壤磷源具有不同的反應活力,其給予植物和土壤微生物的養分的能力不同,磷酸鹽氧同位素與微生物的關聯使人們有可能闡明有機磷源和無機磷源在土壤中對植物及微生物的作用過程,以及在不同動植物物種之間的差異。因此磷酸鹽氧同位素有望成為土壤生態系統磷循環研究的重要途徑和手段,以及新型研究土壤磷生物化學反應過程的有力工具。

目前,土壤中δ18Op的報道仍十分有限[8～11],土壤中含有豐富的有機質和其它復雜底質,氧元素的多種來源使得土壤中磷元素的提取過程異常復雜,不僅要避免處理過程中激烈酸堿條件或高溫帶來焦磷酸鹽或有機磷酸鹽水解或氧交換產生的氧同位素偏移,更需徹底去除磷酸鹽沉淀過程其它氧元素附著的干擾?？煽康臉悠犯患图兓夹g是磷酸鹽氧同位素研究的前提保障,也是目前土壤磷酸鹽氧同位素研究的重點和難點。文獻[8～10]開展了系列土壤磷酸鹽的富集、純化方法的研究。Tamburini等[8]介紹了提取以HCl可溶解的土壤磷酸鹽方法,先后采用磷酸鉬胺和磷酸銨鎂使磷酸鹽在相對溫和的條件下通過多次沉淀與其它雜質分離,并最終轉化為Ag3PO4進行測試;Weiner等[9]介紹了提取土壤表面易被植物吸收的無機磷源的方法,以陽離子交換樹脂和土壤在去離子水中振蕩吸附磷酸鹽,用酸將磷酸鹽從膜中洗脫,轉為CePO4沉淀,再通過陽離子樹脂去除Ce3+,并轉為Ag3PO4沉淀;而Zohar等[10]則先后以H2O、弱堿NaHCO3、強堿NaOH和強酸HCl對土壤中磷酸鹽逐級進行提取,并將每步提取的磷酸鹽分別沉淀為Ag3PO4單獨測試,發現不同形態的磷酸鹽氧同位素存在差異。

由于土壤中的無機磷一般占土壤全磷的50% ～80%[12],本研究選擇土壤無機磷酸鹽作為研究對象,選取了不同利用類型的土壤,采用多步沉淀法[8]對土壤中無機磷酸鹽進行提取,并探討了Ag3PO4的純化方法、純化效果及方法對同位素分餾影響,為土壤中無機磷酸鹽的氧同位素研究奠定基礎。

2 實驗部分

2.1 儀器、試劑與材料

Sterifil衛生過濾系統(Millipore公司);CR22GII高速離心機、Universal 320R低速離心機(Hettich公司);ZHWY-211B搖床(上海智誠公司);X′Pert PRO X射線衍射儀、AxiosmAX X射線熒光光譜儀(PAN-alytical公司);Delta V advantage元素分析儀-穩定同位素質譜儀(Thermo Fisher公司)。

DAX-8樹脂(40～60目,Sigma-Aldrich公司);AG 50W-X8樹脂(H+型,100～200目,BioRad公司); Millipore聚碳酸酯濾膜(0.22 μm);鉬酸銨、NH4NO3、檸檬酸、氨水、MgCl2(分析純,上海國藥集團); AgNO3(分析純,上海申博化工),Ag3PO4(99%,Alfa Aesar公司)。

土壤樣品自然晾干,過200目分子篩后備用。

2.2 實驗方法

(1)提取無機磷酸鹽 稱取30 g土壤于聚丙烯瓶,向其中加入120 mL新配1 mol/L HCl,室溫搖蕩過夜。離心,收集褐色濾液A。(2)去除有機質 向溶液A中加入25 mL DAX-8樹脂漿,搖床振蕩過夜,收集濾液B。(3)第一次沉淀分離(形成磷鉬酸銨沉淀) 將B中加入30 mL 4.2 mol/L NH4NO3溶液,50℃水浴攪拌中緩慢加入50 mL 0.5 mol/L鉬酸銨溶液,逐漸析出亮黃色磷鉬酸銨沉淀,轉移至搖床50℃搖蕩18 h。冷卻,過濾,以0.6 mol/L NH4NO3淋洗。將沉淀轉移至錐形瓶中,加入檸檬酸溶液至沉淀全部溶解,得到溶液C。(4)第二次沉淀分離(形成磷酸胺鎂沉淀) 室溫攪拌,向溶液C中加入鎂溶液30 mL(5 g MgCl2和10 g NH4Cl溶解于50 mL H2O,用12 mol/L HCl調至pH 1.0),逐漸有白色沉淀析出,攪拌過夜。過濾,以氨水-去離子水(1∶1,V/V)淋洗,沉淀用0.5 mol/L HNO3溶解,得到溶液D。(5)去除陽離子 將活化后的樹脂漿(BioRad AG50WX8)10 mL倒入D中,室溫搖蕩18 h后取出,過濾,以少量去離子水淋洗,收集濾液E至錐形瓶中。(6)形成Ag3PO4沉淀 濾液E為強酸性,用1.5 mol/L NH4NO3-3 mol/L NH4OH混合液9 mL調至pH中性。向溶液E中加入AgNO3溶液(8 g,16 mL去離子水)2 mL,立即析出黃色沉淀;滴入AgNO3至無黃色沉淀生成即可。用0.2 μm濾膜過濾,去離子水多次洗滌。(7)Ag3PO4純化 以H2O2漂洗去除Ag3PO4中殘余有機質,以氨水重結晶方法去除Ag3PO4中微量無機雜質。(a)H2O2提純法:以15% H2O2浸泡過夜,其間多次攪拌。過濾,以去離子水洗滌,50℃烘干。(b)氨水提純法:取100 mg樣品溶于5～10 mL氨水,濾掉少量深色雜質,收集無色清亮濾液置于50℃水浴中,讓NH3緩慢揮發。每0.5 h添加少量去離子水,保持體積。至溶液pH＜7.5,冷確至室溫,過濾,去離子水清洗,50℃烘干。

2.2.2 Ag3PO4穩定同位素的測量氧同位素測量采用元素分析儀-穩定同位素質譜儀分析。EA方法:關閉注氧,將Ag3PO4包入銀舟壓實,在1380℃高溫下與裂解爐內石墨反應生成CO。CO在He載氣(流速100 mL/min)吹掃下進入色譜柱,在85℃條件下與載氣中痕量N2分離,進入穩定同位素質譜分析。IRMS條件:高壓3.017 kV,磁場9172 steps,電流1.5 mA,采用純 Ag3PO4(Strem Chemicals, Ag3PO4,＞99%,)作為實驗室工作標準,質譜CO參考氣校準采用國際原子能機構提供的IAEA601校準(δ18O=23.3‰)。

3 結果與討論

3.1 提取方法的改進

3.1.1 調節pH值在文獻[8]中,Ag3PO4沉淀步驟為直接向溶液E加入銀氨混合溶液。實驗發現,以該方法得到的Ag3PO4產物中含有少量Ag2O雜質,影響Ag3PO4純度,本研究對該步驟做了改進:先以NH4NO3和氨水混合溶液調節溶液E(強酸性)pH至中性,然后再滴加Ag3PO4溶液,使Ag3PO4在中性條件下析出,可有效避免Ag2O產生。

3.1.2 氨水重結晶部分樣品經過文獻[8～12]方法以H2O2處理后,Ag3PO4仍呈現墨綠色。由于Ag3PO4溶于氨水,采用氨水重結晶方法對樣品進一步純化。為驗證方法的可靠性,本研究同時采用兩家公司Ag3PO4標樣(Ag3PO4-1:99%,Alfa Aesar公司;Ag3PO4-2:99%,Strem Chemicals公司)和土壤中提取樣品F進行氨水重結晶測試(表1),實驗表明,氨水重結晶方法安全可靠,未產生同位素分餾,經過氨水重結晶的磷酸銀樣品形成良好的晶體形態,可有效排除雜質干擾。

表1 氨水重結晶對標樣物質和樣品δ18Op結果影響比較Table 1 Comparison of δ18Opin standard Ag3PO4and sample purified by NH4OH method

3.2 純化結果

3.2.1 XRD檢測采用X射線衍射儀對純化前后的樣品進行測定,并與標準做比較。以土壤樣品S1為例,圖1a為S1的提取產物,通過與數據庫比較發現含有AgCl和Ag雜質,該雜質可通過氨水重結晶有效去除(盡管AgCl和Ag亦可形成銀氨絡合物溶于氨水,由于量少,隨著NH3的揮發,其結晶速度低于Ag3PO4,及時過濾出Ag3PO4沉淀即可去除),圖1c為標準Ag3PO4樣品,樣品純化結果見圖1b。

3.2.2 元素分析采用文獻[8]的方法,稱取不同樣品量,通過元素分析,以樣品量與裂解產生的CO的量作圖,并與標準物質做比較,進一步考察樣品的純度。選取土壤F樣品和土壤S3樣品與標準Ag3PO4-2作比較,結果見圖2。實驗表明,本方法提取的土壤磷酸鹽所得到的磷酸銀樣品與標準物質純度相當,其純度甚至優于文獻[8]。部分樣品(如土壤F)盡管顏色偏深,但經過H2O2純化或氨水重結晶均可有效改善。

圖1 Ag3PO4的XRD譜圖Fig.1 XRD spectrum of Ag3PO4

圖2 Ag3PO4標準與本方法提取樣品的樣品量與其裂解產生的CO量線性圖Fig.2 Weight of analyte plotted against the area of the CO peak for Ag3PO4satandard and sample treated with this method

3.3 判斷全流程氧同位素分餾

Tamburini等[8]通過向樣品提取液中添加18O標記的水來全程跟蹤是否發生同位素分餾,結果證實方法安全可靠。本實驗借鑒海水溶解磷酸鹽氧同位素提取方法[13],以KH2PO4在中性條件下與AgNO3反應直接生成Ag3PO4沉淀和KH2PO4以1 mol/L HCl溶解,經過本方法全部流程后形成Ag3PO4沉淀,比較以上兩種結果可知,直接反映得到的Ag3PO4沉淀δ18Op值為6.5‰(n=3,σ=0.14‰),經過全部流程后的Ag3PO4沉淀δ18Op值為6.9‰(n=3,σ=0.11‰),在方法可接受范圍(σ＜0.5‰),表明本方法全程未產生同位素分餾。

3.4 樣品量對Ag3PO4穩定同位素測量結果的影響

由于氧同位素測試精度與進入質譜CO的量密切相關,樣品量過低,裂解產生的CO不足以使質譜獲得穩定的統計信號,影響測量準確度;而樣品量過高,裂解不完全則有可能產生同位素分餾,同樣無法反映真實值。由于不同類型的樣品高溫裂解效率存在差異,而Ag3PO4為含金屬元素的無機鹽,性質穩定,難于裂解,本研究考察了3種不同豐度樣品(標準樣(Ag3PO4-2)、土壤F和土壤S3)的樣品量對測試結果的影響。

圖3 不同進樣量對測定結果的影響Fig.3 Effect of different weight of sample on δ18Op

由圖3可見,當Ag3PO4樣品量在0.3 mg以下時,δ18Op值波動較大,標準偏差在0.5‰～1.5‰之間,而當樣品量增至1 mg以上時,部分樣品δ18Op值出現貧化現象,而0.3～1.0 mg間δ18Op值相對平穩。密集考察了0.4～0.5 mg樣品量的δ18Op值穩定情況,3種豐度樣品的標準偏差均在0.1‰左右(n=4～8),質譜信號約為8000 mV,結果精準可靠,后續測試樣品量均采用此范圍。

3.5 方法的回收率

為了研究本提取方法的回收率,以農田土壤為例(每個樣品平行測定2次),采用鉬銻抗分光光度法對第1步中1 mol/L HCl土壤提取液中磷酸鹽進行測定,測得濃度以P計,記為PHCl溶液,每30 g土壤提取實際得到Ag3PO4的質量MAg3PO4和以P計質量PAg3PO4同列于表2。

由表2可見,由于經過多步沉淀和過濾,在樣品轉移過程中不可避免造成損失,方法的回收率在56.4%～72.2%之間,然而對于經過施肥富含磷酸鹽的農田土壤,30 g土壤可得到452～512 mg Ag3PO4,而穩定同位素測試僅需要約0.4 mg,即可滿足實驗需求。

3.6 不同類型土壤樣品測定結果

本實驗選取了森林、公園和農田3種不同利用類型的土壤樣品進行考察。森林土壤F取自廈門集美后溪坂頭水庫深處,土層表面林木自然生長,不受人為磷源干擾,通過X射線熒光光譜儀測得其總磷含量為0.21 mg/g。公園土壤G1～G3取自廈門集美杏東公園,土層表面人工栽種觀賞植物,總磷含量為0.41～0.59 mg/g,隨機取3處表層土壤,平行測試。農田土壤取自廈門集美后溪農田,多年耕種,廣泛施肥,總磷含量高達2.38～2.68 mg/g,為了消除采樣的誤差,進一步驗證方法的準確度,對富含磷酸鹽的農田3組樣品均進行了方法的平行實驗,結果如表3所示。

表2 土壤提取無機磷酸鹽方法的回收率Table 2 Recovery of inorganic phosphate extracted from soil

表3 不同類型土壤的磷含量和氧同位素結果Table 3 Total phosphorous and δ18Opof phosphate in different type of soils

由表3可見,本土壤中無機磷酸鹽的提取方法的平行性和精度均非常好,高度證實了方法的可靠性,10組樣品氧同位素測量標準偏差均在0.2以下。3種不同利用類型的土壤磷酸鹽氧同位素表現出較為顯著的差異,無人為磷源干擾的森林土壤磷酸鹽氧同位素值最為貧化,為15.2‰,在Tamburini等[8]對瑞士和以色列兩地未施肥或施以有機肥或礦物磷肥土壤變化無機磷酸鹽氧同位素研究范圍為13.5‰～17.6‰;而農田土壤的磷酸鹽18O同位素最為富集,為19‰左右,與Young等[14]研究的以色列化學肥料中磷酸鹽氧同位素比值范圍(18.2‰ ～21.3‰),Gruau等[15]研究的法國農用化學肥料(19.6‰～23.1‰)以及Mclaughlin等[16]報道的兩種化學肥料(19.4‰和20.5‰)中氧同位素比值變化范圍一致,磷酸鹽氧同位素比值與總磷含量測定結果均表明該農田土壤經過了充分施肥,磷酸鹽供給主要來源于化學肥料。公園土壤磷酸鹽氧同位素為17‰左右,磷元素含量亦顯示該地土壤磷含量高于天然森林土壤,表明該土地略經施磷肥,土壤磷酸鹽氧同位素表現出原始磷源和化學肥料的共同貢獻。

4 結 論

建立了土壤中無機磷酸鹽氧同位素組成的分析方法,考察了以氨水重結晶方法的純化效果。通過H2O2漂洗去除有機質后,輔助氨水重結晶可有效去除磷酸銀中夾雜的氧化銀和銀單質等無機雜質,未產生同位素分餾。對3種不同利用類型的土壤中磷酸鹽氧同位素進行分析,結果表明,本提取方法的平行性和精度高,證實了方法的可靠性。不同類型土壤的磷酸鹽氧同位素存在顯著差異,本方法為進一步開展磷酸鹽氧同位素的溯源和循環研究提供了參考。

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This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21207126)and the Natural Science Foundation of Fujian Province,China(No.2011J0533 )

中國化學會第十一屆全國發光分析學術研討會征文通知(第一輪)

中國化學會主辦,西南大學化學化工學院,西南大學發光與實時分析教育部重點實驗室和北京化工大學承辦的第十一屆全國發光分析學術研討會定于2015年4月24～26日于重慶召開。會議旨在總結和交流近年來在發光材料、發光分析、發光器件及相關應用領域、發光儀器、發光機理研究等方面所取得的研究成果和最新進展,探討發光研究面臨的機遇和挑戰,規劃未來的發展方向,凝練科學目標,并集中國內優勢資源攻克前沿科學問題,促進我國發光領域及其交叉科學領域的發展。大會誠邀相關領域的專家學者參加。

一.征稿內容

1.熒光、磷光、化學發光、生物發光、電化學發光、共振光散射等新的分析方法及相關發光機理研究;2.發光材料、新發光試劑和發光標記物的合成研究;3.色譜、毛細管電泳、生物芯片及微全分析系統的發光檢測器研究;4.發光免疫分析、發光成像分析、單細胞與單分子發光檢測技術研究;5.光學化學和生物傳感器的研究;6.發光分析在食品、環境、臨床檢測等領域的應用研究;7.化學計量學在發光分析中的應用

二.征稿要求

1.只接收未在國內外學術刊物上公開發表或未在國際、國內學術會議上報告過的原創論文。

2.來稿應是論文詳細摘要,每篇1頁(包括圖表),內容依次為:論文題目、作者姓名、單位、地址、郵編、正文。具體格式要求請參考會議網址(www.syfgfx.com)上的“投稿須知”,下載會議論文模板。

3.會議籌備組將組織專家對應征論文進行評審。錄用的論文將在會議上報告或報展,并在會前出版摘要論文集。所有稿件請自留底稿,恕不退還。

4.征文截稿日期2015年3月30日。來稿可在線上傳(會議網址www.syfgfx.com)或E-mail電傳(faguangfenxi@ 163.com)

三.聯系人:

卓穎E-mail:yingzhuo2006@qq.com;yingzhuo@swu.edu.cn

電話:023-68253172;傳真:023-68253172 地址:重慶北碚天生路2號西南大學化學化工學院

Research and Application of Analytical Technique on δ18Opof Inorganic Phosphate in Soil

ZHANG Han,WANG Jia-Ni,ZHU Yong-Guan,ZHANG Xian*
(Key Laboratory of Urban Environment and Health,Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences,Xiamen 361021,China)

Analytical technique on oxygen isotope composition of phosphate in soil has important applications in biogeochemical research.As the composition of the soil is complex with multiple oxygen sources,a liable phosphate enrichment and purification technology is important for phosphate oxygen isotope research.Here wepresented a protocol on the analysis of the δ18Opof inorganic phosphate in soil,and phosphate was purified with multiple mineral precipitations and finally precipitated as silver phosphate.The efficiency of NH4OH purification method was examined and the purity of the product was verified through XRD and element analysis.The result showed that treatment of the Ag3PO4sample by recrystallizing with ammonia could remove the impurity efficiently without significantly modifying oxygen isotope compositions.The validity of sample processing and reliability of isotope analyses were confirmed by processing a KH2PO4standard in parallel with soil P sample.The analytical result of three soil types indicated that this method provided good precision of 0.2‰.The differences of δ18Opbetween three soils groups are significant(From 15.2‰ to 19.5‰)and can be used to tracing P sources.

Soil;Inorganic phosphate;Silver phosphate;Oxygen isotope composition

26 July 2014;accepted 12 October 2014)

2014-07-26收稿;2014-10-12接受

本文系中國科學院知識創新工程青年人才領域前沿項目(No.IUEQN-2012-02)、國家自然科學基金(No.21207126)、福建省自然科學基金(No.2011J05033)資助

*E-mail:xzhang@iue.ac.cn

10.11895/j.issn.0253-3820.140637