土壤鎘元素一步萃取技術(shù)比較研究

王凱 林國(guó)冰 王琳

摘要 為優(yōu)化土壤攝入過(guò)程中Cd生物可給含量的評(píng)估方法，以土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSF-5（GBW07445）和GSF-3（GBW07443）為樣本比較一步萃取法、PBET法和賦存形態(tài)的關(guān)系，并采集長(zhǎng)沙市周邊40個(gè)土壤樣本進(jìn)行方法驗(yàn)證。結(jié)果表明，Cd在胃相中的生物可給含量與前4種結(jié)合形態(tài)密切相關(guān);一步萃取法中6種萃取劑對(duì)土壤中Cd的提取能力從強(qiáng)到弱依次為EDTA-2Na>DTPA>CH3COONa> CH3COOH >NH4NO3>CaCl2，EDTA-2Na最優(yōu)的萃取劑濃度為0.02 mol/L;測(cè)定實(shí)際樣本的結(jié)果表明，優(yōu)化后的一步萃取方法[0.02 mol/L EDTA-2Na，pH=7，固液比1∶20（W/V），溫度（25±2）℃，轉(zhuǎn)速200 r/min，時(shí)間2 h]與相應(yīng)的PBET方法模擬的Cd生物可給含量具有高度相關(guān)性，其回歸方程R2為0.98，證明土壤一步萃取技術(shù)在某種程度上可以代替PBET方法來(lái)評(píng)估土壤中的某些重金屬生物可給性，簡(jiǎn)化土壤重金屬生物可給性的研究。

關(guān)鍵詞 鎘;一步萃取法;生物可給性;土壤污染

中圖分類號(hào) X53? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）10-0059-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.015

Comparative Study on One-step Extraction Method of Cadmium in Soil

WANG Kai，LIN Guo-bing，WANG Lin

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Central South University，Changsha，Hunan 410083）

Abstract In order to optimize the evaluation method of Cd bioavailable content in the process of soil uptake， the relationship between one-step extraction method， PBET method and occurrence form was compared with soil standard substances GSF-5 （GBW07445） and GSF-3 （GBW07443） as samples.And 40 soil samples around Changsha City were collected for method verification. The results showed that the bioavailable content of Cd in the gastric phase was closely related to the first four binding forms.The six extractants in the one-step extraction method could extract Cd in the soil as follows： EDTA-2Na> DTPA> CH3COONa> CH3COOH> NH4NO3>CaCl2， the optimal extractant concentration of EDTA-2Na was 0.02 mol/L.The results of measuring actual samples showed that the optimized one-step extraction method （0.02 mol/L EDTA-2Na， pH=7， solid-liquid ratio =1∶20（W/V） ， temperature 25±2 ℃， speed = 200 r/min， time=2 h） was highly correlated with the Cd bioavailable content simulated by the corresponding PBET method. The regression equation R2 was 0.98， which proved the one-step soil extraction technology could replace the PBET method to assess the bioavailability of certain heavy metals in the soil to some extent， simplifying the research on the bioavailability of heavy metals in the soil.

Key words Cadmium;One-step extraction method;Bioavailability;Soil pollution

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41977351）;中南大學(xué)研究生自主探索創(chuàng)新項(xiàng)目（1053320210996）。

作者簡(jiǎn)介 王凱（1997—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向：土壤污染和水稻污染。通信作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事環(huán)境化學(xué)、環(huán)境工程和食品安全相關(guān)研究。

收稿日期 2021-10-11

工業(yè)生產(chǎn)和冶煉活動(dòng)可能會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成較大的重金屬污染[1]，全國(guó)土壤污染調(diào)查顯示，我國(guó)耕地土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種重金屬元素均有不同程度的超標(biāo)，以Cd污染程度最重，超標(biāo)率為7.0%[2]。張建輝等[3]對(duì)湖南省108組土壤樣品檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤Cd超標(biāo)率達(dá)90.7%。土壤中Cd可以通過(guò)食入、吸入和皮膚接觸的方式輕易進(jìn)入人體[4]，嚴(yán)重危害人體的健康，且具有長(zhǎng)期性、隱蔽性和不可逆性等特點(diǎn)[5]。因?yàn)檎`食土壤可能會(huì)極大地影響化學(xué)物質(zhì)暴露估計(jì)值，所以土壤攝入量問(wèn)題也得到相當(dāng)多的關(guān)注并因此出臺(tái)了許多關(guān)于土壤和灰塵攝入量的推薦規(guī)范[6-7]。大量研究表明，攝入土壤中的Cd能引起一系列的健康問(wèn)題[8-9]，土壤攝入率（SIR）已經(jīng)成為對(duì)污染土壤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要指標(biāo)之一[10]。

體外模擬法[11]接近人體內(nèi)真實(shí)的生理環(huán)境，常用來(lái)評(píng)估人體所攝入物質(zhì)中的重金屬可給性，但體外模擬法步驟煩瑣，因此在大批量土壤分析中有很大局限性。對(duì)于Cd元素來(lái)說(shuō)，其在基質(zhì)中的可給性部分主要是在胃相中的酸性條件下釋放的。基于這個(gè)原因，很多簡(jiǎn)化的一步萃取法被開(kāi)發(fā)出來(lái)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)體外模擬法來(lái)模擬Cd在胃相生物可給性[12]。因此，筆者研究了生物原理提取法（PBET）和一步萃取法以及土壤中Cd賦存形態(tài)的關(guān)系，并分析了一步萃取方法中不同萃取劑的萃取。

1 材料與方法

1.1 土壤實(shí)際樣品的采集與處理

從長(zhǎng)沙市周邊的農(nóng)田中隨機(jī)采集40個(gè)土壤樣本（約500 g），每個(gè)樣本均采自距土壤表層0～20 cm深的耕作層，用自封袋封裝后帶回實(shí)驗(yàn)室陰干，隨后剔除土壤中的石塊、木屑等雜物并過(guò)2 mm尼龍篩，使樣本充分混勻。取大約10 g混勻后的樣本進(jìn)一步研磨、混勻，過(guò)0.2 mm尼龍篩后用自封袋封裝并置于干燥器中。

1.2 土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSF-5（GBW07445）和GSF-3（GBW07443）被用來(lái)研究PBET和一步萃取法對(duì)土壤中重金屬的提取效率以及提取的重金屬生物可給含量與相應(yīng)的賦存形態(tài)之間的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSF-5和GSF-3中的重金屬賦存形態(tài)包括水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。

1.3 基于PBET法測(cè)定土壤重金屬生物可給性

采用PBET法提取土壤中的生物可給重金屬，PBET法所需試劑見(jiàn)表1。具體操作步驟如下：稱取0.2 g土壤粉末樣品并轉(zhuǎn)移至50 mL密封的離心管中，加入20 mL胃相溶液混合。將離心管放在水浴搖床中于37 ℃、150 r/min 條件下進(jìn)行模擬消化。每個(gè)樣品設(shè)置6個(gè)平行。在反應(yīng)進(jìn)行1 h時(shí)取出對(duì)應(yīng)樣品的3個(gè)離心管（3個(gè)平行），以9 000 r/min離心10 min后上清液過(guò)0.22 μm濾膜得到胃相消化液。同時(shí)，其余3個(gè)離心管用飽和的碳酸氫鈉溶液將pH調(diào)升至7，再分別加入35 mg豬膽汁鹽和10 mg胰酶，然后在37 ℃、150 r/min條件下繼續(xù)反應(yīng)4 h。待反應(yīng)結(jié)束后將離心管以9 000 r/min離心10 min并過(guò)0.22 μm濾膜得到腸相消化液。胃相和腸相消化液保存在4 ℃條件下并在24 h內(nèi)進(jìn)行As總量與形態(tài)分析。

為了分析重金屬生物可給含量的變化趨勢(shì)，用GSF-5和GSF-3土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)模擬土壤重金屬生物可給含量。對(duì)于PBET胃相，檢測(cè)了0.5、1.0、1.5、2.0 h時(shí)的重金屬含量。對(duì)于PBET腸相，檢測(cè)了1.0、2.0、3.0、4.0 h時(shí)的重金屬含量。

1.4 基于一步萃取法測(cè)定土壤重金屬生物可給性

用6種常用的一步萃取法萃取土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSF-5和GSF-3，以檢測(cè)不同萃取劑的萃取能力并比較不同萃取劑的萃取濃度及其賦存形態(tài)之間的關(guān)系。不同萃取劑的試劑濃度和萃取條件如表2所示。稱取1 g土壤樣品置于50 mL離心管中，加入20 mL萃取劑在200 r/min、（25±2）℃條件下萃取2 h。待萃取結(jié)束后，將離心管在4 000 r/min下離心10 min，并將上清液過(guò)濾、稀釋、酸化，隨后用ICP-MS在24 h內(nèi)檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)沙市周邊農(nóng)田土壤Cd總量

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)沙市周邊40個(gè)農(nóng)田土壤Cd總量平均值（0.78 mg/kg）高于湖南?。?.08 mg/kg）[13]和全國(guó)（0.097 mg/kg）[14]土壤背景值，分別達(dá)到湖南省和全國(guó)背景值的9.75和8.04倍，表明長(zhǎng)沙市周邊農(nóng)田土壤存在較為嚴(yán)重的Cd污染。Cd含量最大值（2.46 mg/kg）分別達(dá)到湖南省和全國(guó)土壤背景值的30.75和25.36倍，表明在個(gè)別農(nóng)田土壤中存在著極為嚴(yán)重的Cd污染情況，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視并采取相應(yīng)的措施。

2.2 Cd生物可給性和賦存形態(tài)之間的關(guān)系

通過(guò)對(duì)GSF-5和GSF-3 土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的體外PBET模擬研究了Cd的可給性變化，以及重金屬生物可給含量與結(jié)合形態(tài)之間的關(guān)系，試驗(yàn)條件及生物可給含量變化的趨勢(shì)如圖1所示。

在胃相和腸相體系中，Cd生物可給含量均隨著時(shí)間的增加而增加。對(duì)于腸相和胃相過(guò)程，Cd在腸相中的生物可給含量低于在胃相中的含量，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因之一是腸相中的 pH 從 2.5 急劇升高到 7.0，模擬消化液中的Cd元素形成沉淀或與其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)形成共沉淀[15]。對(duì)于Cd在胃相和腸相中生物可給含量與賦存形態(tài)的關(guān)系，其在胃相中的生物可給含量與前4種結(jié)合形態(tài)（水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和腐殖酸態(tài)）密切相關(guān)。

2.3 一步萃取法的比較和優(yōu)化

從圖2可以看出，6種萃取劑（0.05 mol/L EDTA-2Na、0.005 mol/L DTPA、1? mol/L CH3COONa、0.1 mol/L CH3COOH、0.1 mol/L NH4NO3、0.01 mol/L CaCl2）對(duì)土壤中Cd的提取能力存在較大差別。平均而言，6種萃取劑對(duì)土壤中Cd的提取能力從強(qiáng)到弱依次為EDTA-2Na>DTPA>CH3COONa>CH3COOH>CaCl2>NH4NO3，其中 EDTA-2Na、DTPA的提取能力顯著高于其他4種提取劑。目前，主流的有效鎘提取劑包括絡(luò)合劑、稀酸、緩沖溶液和中性鹽溶液等[16]。EDTA-2Na、DTPA是常用的絡(luò)合劑，可通過(guò)離子螯合作用將部分與土壤固相結(jié)合的Cd置換并生成螯合物，可提取水溶態(tài)、可交換態(tài)和部分碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的Cd[17]，具有較強(qiáng)的提取能力。

在該試驗(yàn)中，EDTA-2Na萃取劑的提取能力和PBET法最相近，因此對(duì)EDTA-2Na萃取劑進(jìn)行單因子優(yōu)化，研究EDTA-2Na的最佳萃取濃度。從圖3可以看出，EDTA-2Na萃取劑濃度在0.01～0.10 mol/L時(shí)，其對(duì)Cd的萃取能力出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。在GSF-5和GSF-3中，EDTA-2Na分別在0.02和0.03 mol/L時(shí)表現(xiàn)出了最強(qiáng)的萃取能力，表明當(dāng)EDTA-2Na萃取劑濃度過(guò)低或過(guò)高時(shí)其萃取能力都會(huì)受到抑制，有類似研究也得到相近結(jié)果[18]。相比GSF-3，GSF-5具有更高的Cd含量，因此該研究選擇0.02 mol/L的EDTA-2Na作為一步萃取法中的萃取劑。

2.4 一步萃取法與PBET法的比較

采用0.02 mol/L EDTA-2Na萃取劑和PBET法對(duì)長(zhǎng)沙市周邊40個(gè)農(nóng)田土壤實(shí)際樣品進(jìn)行萃取，并比較一步萃取含量和PBET模擬的生物可給含量之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示。對(duì)于Cd元素，一步萃取含量和胃相中的生物可給含量非常接近且大于腸相中的生物可給含量。結(jié)果表明，對(duì)于實(shí)際土壤樣品，采用0.02 mol/L EDTA-2Na作為萃取劑的一步萃取法和PBET法胃相模擬也具有接近的提取能力。

如圖5所示，對(duì)40個(gè)農(nóng)田土壤中的一步萃取Cd含量和PBET法模擬的胃相Cd生物可給含量的回歸方程和相關(guān)性進(jìn)行比較，可知優(yōu)化的一步萃取法對(duì)Cd有接近于PBET法胃相模擬的提取能力，一步萃取Cd含量（x）與胃相Cd生物可給含量（y）具有較好的相關(guān)性，其回歸方程為y=0.89x+0.01（R2=0.98），表明一步萃取法可以用來(lái)代替Cd元素在PBET法中相應(yīng)的生物可給含量，從而避免PBET法相對(duì)復(fù)雜、煩瑣的問(wèn)題。

3 結(jié)論

（1）Cd胃相濃度隨著 PBET模擬時(shí)間的增加趨近于其在土壤中前4種賦存形態(tài)（水溶態(tài)、離子交換態(tài)、 碳酸鹽結(jié)合態(tài)和腐殖酸態(tài)）之和，證明這4種賦存形態(tài)的Cd在攝入后可被人體吸收，具備生物可給性。

（2）6種常用萃取劑比較表明，EDTA-2Na萃取劑一步萃取Cd的效果最接近PBET法，針對(duì)EDTA-2Na萃取劑進(jìn)行單因子優(yōu)化，EDTA-2Na萃取劑在0.02 mol/L時(shí)表現(xiàn)出最強(qiáng)的萃取能力。

（3）對(duì)長(zhǎng)沙市周邊40個(gè)農(nóng)田土壤進(jìn)行一步萃取法的方法驗(yàn)證，結(jié)果證明，優(yōu)化的一步萃取法對(duì)Cd有接近于PBET法胃相模擬的提取能力，一步萃取含量與胃相生物可給含量具有較好相關(guān)性，其回歸方程R2為0.98，可代替PBET法進(jìn)行大批量土壤中Cd生物可給含量的分析。

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