两种干燥方式对土壤中多环芳烃回收率及同分异构体比值的影响

何 坤，谢忠雷，高传宇，靳 前，王国平

(1. 吉林大学 新能源与环境学院，长春130012；2. 中国科学院 湿地生态与环境重点实验室，东北地理与农业生态研究所，长春130102;3.吉林大学 植物科学学院，长春130062)

多环芳烃(PAHs)是由两个及两个以上的苯环稠化并以线状、 角状或簇状等方式排列而成，仅含碳和氢的持久性有机污染物, 因其在环境中广泛存在, 并具有致畸、 致癌和致突变等特点而备受人们关注[1-3]. 多环芳烃广泛存在于水体、 大气和土壤中, 是环境中化合物种类最多且分布最广的一类有机污染物. 多环芳烃的来源包括自然源和人为源: 自然源主要是火山喷发、 森林火灾和生物合成等; 人为源主要是煤、 石油等燃料的不完全燃烧以及交通运输排放[4-5]等. 土壤中的多环芳烃主要来源于大气多环芳烃的干湿沉降和含有多环芳烃的污水灌溉[6], 土壤中远高于其他环境介质中多环芳烃的含量[7]. 土壤中的多环芳烃可能会胁迫和抑制植物生长, 使动物群落结构改变[8], 也可能在土壤微生物作用下产生毒性更强的物质[9], 可见多环芳烃可直接或以食物链传递的方式对人体健康产生潜在危害[10]. 因此, 准确测定土壤中多环芳烃的含量及判断土壤多环芳烃的来源, 对正确评价土壤环境质量具有重要意义. 土壤中多环芳烃测定的前处理过程包括土样干燥、 提取和净化[11-12]. 由于不同环数的多环芳烃具有不同程度的挥发性[11], 不同干燥方式可导致土壤中多环芳烃的不同程度损失, 因此, 不同干燥方式将直接影响土壤中多环芳烃含量测定的准确性. 文献[13]对多环芳烃的提取和净化提供了几种推荐方法, 但未对土壤样品的干燥方式提出明确规定. Beriro等[14]用烘干、 自然风干和冷冻干燥对采自煤气厂附近的土壤干燥处理后，测定其中多环芳烃含量, 结果表明，自然风干和冷冻干燥可减少低环多环芳烃的损失； Belkessam等[11]研究表明，多环芳烃中的萘极易挥发, 在干燥过程中无法判断哪种方式能减小该误差. 目前, 对土壤中多环芳烃的提取均使用干样, 一般通过冷冻干燥(冻干)或风干方式获得土壤干样[15-17]. 冻干效率高, 风干处理方便快捷. 由于多环芳烃可被土壤有机质强烈吸附[18], 因此土壤有机质对土壤干燥过程中多环芳烃的挥发损失影响较大[19]. 煤和石油等燃料燃烧产生PAHs标志化合物的含量不同： 石油源主要产生低相对分子质量PAHs, 煤炭源主要产生高相对分子质量PAHs. 由于PAHs同分异构体具有相似的理化性质和环境行为, 其相对含量受外界影响较小, 因此, 可用PAHs同分异构体比值区别PAHs的石油源和煤炭源[20-21].

基于回收率可表示多环芳烃含量的测定准确度, 同分异构体比值可判断多环芳烃不同来源, 本文以回收率和同分异构体比值为评价指标, 选用有机质含量差异显著的两种类型土壤(泥炭土和农田土)以及目前常用的两种土壤干燥方式(冻干和风干), 通过向土壤中添加不同含量的外源多环芳烃(内含16种单体, 以模拟不同的土壤污染水平), 测定两种干燥方式下土壤多环芳烃的含量, 分析不同干燥方式对土壤中多环芳烃回收率和同分异构体比值的影响, 以明确不同干燥方式下土壤中多环芳烃测定准确度和来源判断差异, 为土壤多环芳烃测定选择合适的土壤干燥方式提供参考.

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集及制备

泥炭土采自黑龙江省大兴安岭地区北部(51°37′12″N, 124°14′24″E), 海拔高度为550 m, 年平均温度为-2.8 ℃, 年平均降水量为518 mm，pH=4.70，有机质质量分数为86.00%; 农田土采自吉林省某镍矿区农田(42°51′～43°16′N, 126°04′～127°24′E), 土壤类型为暗棕壤，pH=6.60，有机质质量分数为2.79%.

将两种土样自然风干, 研磨过20目筛, 每种土壤各取5份, 分别加入不同量的多环芳烃标准物质搅拌均匀(多环芳烃标准物质购于北京坛墨质检科技有限公司, 内含16种多环芳烃单体, 质量分数相同), 使土壤中多环芳烃的质量比分别为0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 μg/g. 以未加外源多环芳烃的土壤为对照. 根据土壤干燥处理前的含水率状况, 分别向泥炭土和农田土中加入不同量的去离子水, 搅拌均匀, 模拟土壤的湿润状态.

1.2 干燥方法

将上述已制备的土壤分为两组： 一组置于室内自然风干; 另一组置于真空冷冻干燥仪(BT85B型, 美国Millrock科技公司)中冻干, 冻干温度为-85 ℃. 待土壤完全干燥, 研磨过100目筛.

1.3 提取方法

取冻干和风干土壤各1.00 g置于锥形瓶中, 加入1.00 g无水硫酸钠, 以10 mLV(二氯甲烷)∶V(丙酮)=1的混合溶剂为提取剂, 置于超声清洗仪(SB-5200DT型, 宁波新芝生物科技股份公司)中进行辅助加速提取20 min, 将提取后的溶液转移至离心管中, 以2 500 r/min离心5 min, 将上清液转移至50 mL玻璃试管中, 重复上述步骤2次, 合并提取液, 用氮气吹干仪(N-EVAP112型，上海精宏实验设备有限公司)将提取液浓缩至2.00 mL, 加入4.00 mL环己烷进行溶剂置换, 继续用氮气吹干仪浓缩至2.00 mL, 待净化.

1.4 净化方法

先在直径为10 mm的玻璃层析柱底部依次加入脱脂棉、 2.00 g无水硫酸钠、 10.00 g硅胶和3.00 g无水硫酸钠, 再将层析柱自下而上敲实. 用40.00 mL戊烷淋洗已制备的层析柱, 弃去淋洗液, 在上端无水硫酸钠层暴露于空气前关闭层析柱活塞, 将2.00 mL浓缩提取液加入层析柱, 盛装浓缩液的玻璃试管用2.00 mL环己烷冲洗3次, 将3次冲洗液全部移入层析柱, 打开活塞. 缓慢加入25.00 mL戊烷淋洗, 淋洗后弃去淋洗液. 再用25.00 mLV(二氯甲烷)∶V(戊烷)=1的淋洗液洗脱, 收集全部洗脱液. 用氮气吹干仪将洗脱液浓缩至1.00 mL, 加入2.00 mL正己烷进行溶剂置换, 再用氮气吹干仪定量浓缩至1.00 mL.

1.5 仪器及工作条件

1.5.1 测试内容

1.5.2 工作条件

DB-5ms型熔融的石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国安捷伦科技公司), 离子源温度设置为250 ℃, 电离能量为70 eV, 载气使用氦气, 流速为1.5 mL/min.

1.5.3 测试条件

进样口温度为320 ℃, 柱起始温度为50 ℃, 持续1 min, 先以25 ℃/min持续升温至200 ℃, 持续1 min, 再以10 ℃/min升温至280 ℃, 持续30 min.

1.6 数据处理方法

回收率计算方法:

(1)

3种同分异构体比值计算方法：

(2)

(3)

(4)

所有数据均为3个平行样测定结果扣除对照后所得的平均值. 用Origin 2018软件处理数据并绘图, 用SPSS 25.0统计分析软件进行相关性分析.

2 结果与分析

2.1 两种干燥方式对土壤中多环芳烃总量回收率的影响

图1为不同干燥方式下两种土壤中外源多环芳烃的总量回收率. 由图1可见, 两种干燥方式对两种土壤多环芳烃回收率影响程度不同. 对于泥炭土： 添加不同量多环芳烃, 风干处理均高于冻干处理的回收率, 但差异不显著； 随着多环芳烃添加量的增加, 同一种干燥方式下多环芳烃的回收率均呈先降低后增大的趋势. 对于农田土： 冻干处理高于风干处理后土壤中多环芳烃总量回收率, 且在不同添加量下两种干燥方式差异显著； 随着多环芳烃添加量的增加, 冻干处理组的多环芳烃回收率呈波动趋势, 风干处理组的多环芳烃回收率呈降低趋势. 因此, 在冻干处理下，当多环芳烃添加量较低时，农田土高于泥炭土的多环芳烃回收率, 随着多环芳烃添加量的增加, 泥炭土高于农田土的多环芳烃回收率; 在风干处理下, 不同多环芳烃添加量下泥炭土均高于农田土的多环芳烃回收率.

图1 不同干燥方式下两种土壤中外源多环芳烃的总量回收率Fig.1 Total recovery rate of exogenous PAHs in two kinds of soil under different drying methods

不同干燥处理方式下两种土壤中外源多环芳烃的回收率差异可能与土壤有机质含量不同有关. 疏水性有机化合物多环芳烃易在有机质含量高的土壤中被吸附固定[22], 且土壤中多环芳烃的吸附固定能力与有机质含量呈显著正相关[23-24]. 本文所用泥炭土有机质的质量分数为86.00%, 远高于农田土有机质的质量分数2.79%, 由于泥炭土远大于农田土对外源多环芳烃的吸附固定能力, 因此, 经冻干和风干处理后, 泥炭土中多环芳烃的损失小、 回收率高，农田土中多环芳烃的损失大、 回收率低.

2.2 两种干燥方式对土壤中多环芳烃单体回收率的影响

图2和图3分别为泥炭土和农田土经干燥处理后多环芳烃的单体回收率. 由图2可见, 在不同多环芳烃添加量下, 对泥炭土中的低环单体多环芳烃(如萘、 苊、 蒽和芴), 风干处理均高于冻干处理的单体回收率, 且在低添加量时两种干燥方式间差异显著. 对高环多环芳烃, 冻干处理高于风干处理的回收率, 在高添加量时两种干燥方式差异显著. 在多环芳烃的5个不同添加量下, 萘的两种干燥方式回收率均较低. 当外源多环芳烃单体添加量为0.8 μg/g, 干燥方式为冷冻干燥时，萘的回收率最低, 为(26.83±4.75)%. 可见，在16种多环芳烃单体中, 萘的损失最显著.

图2 不同干燥方式下泥炭土中外源多环芳烃的单体回收率Fig.2 Monomer recovery rate of exogenous PAHs in peat soil under different drying methods

图3 不同干燥方式下农田土中外源多环芳烃的单体回收率Fig.3 Monomer recovery rate of exogenous PAHs in farmland soil under different drying methods

由图3可见, 农田土与泥炭土中单体多环芳烃回收率的变化趋势不同, 在不同多环芳烃添加量下, 农田土冻干处理均高于风干处理的单体回收率, 但相对于高环多环芳烃, 两种干燥方式对农田土低环多环芳烃的影响较大. 经冻干和风干后, 16种单体多环芳烃的回收率变化幅度较大： 萘的回收率随外源添加量的增大而降低, 当添加量为2 μg/g时, 萘的回收率仅为(8.36±0.56)%; 蒽和苯并[a]芘冻干和风干回收率基本不变, 但总体回收率均较低.

干燥方式对两种土壤中低环多环芳烃的影响不同, 泥炭土中低环多环芳烃风干处理高于冻干处理后的回收率, 农田土中低环多环芳烃冻干处理高于风干处理后的回收率, 虽然两种干燥方式对低环多环芳烃均有影响, 但由于土壤性质不同导致干燥方式的影响程度也不同. 含水率差异可能是导致两种土壤中低环多环芳烃受干燥方式影响不同的主要原因： 泥炭土中含水率较高, 使低环多环芳烃在冷冻干燥过程中因水以冰态升华过程导致的损失大于风干干燥的损失[11]; 农田土含水率低, 风干过程的多环芳烃挥发是导致其低环多环芳烃损失的主要因素, 同时, 风干过程中多环芳烃光解也可能导致低多环芳烃损失[11]. 对于两种土壤中的高环多环芳烃, 冻干处理均高于风干处理的回收率. 泥炭土的高环多环芳烃受水以冰态升华影响因素较小, 而风干导致的挥发和光降解使两种土壤中高环多环芳烃冻干处理均高于风干处理后的回收率. 两种干燥方式均使两种土壤中低环多环芳烃总体低于高环多环芳烃的回收率, 这与低环多环芳烃易挥性有关[16].

2.3 两种干燥方式对土壤中多环芳烃同分异构体比值的影响

图4为不同干燥方式下不同土壤多环芳烃的同分异构体比值.

图4 不同干燥方式下土壤多环芳烃同分异构体比值Fig.4 Ratios of PAHs isomers in soil under different drying methods

用多环芳烃同分异构体含量的比值可判断多环芳烃不同来源, 由于环境中的多环芳烃是各种排放源的综合结果, 因此, 确定多环芳烃的来源对研究多环芳烃的污染特征、 环境行为以及制定多环芳烃污染的削减措施是必要的. 常用比值法解析多环芳烃的来源, 即利用多环芳烃的同分异构体比值判断其来源[25]: 当Flt/(Flt+Pyr)>0.5时, 表明多环芳烃来源于生物质燃烧, 比值为0.4～0.5时, 表明多环芳烃来源于液体化石燃料燃烧; 当BaA/(BaA+Chr)>0.35 时, 表明多环芳烃来自燃烧源燃烧, 比值为0.2～0.35时, 表明多环芳烃来自石油源和燃烧源燃烧; 当Ipy/(Ipy+Bpe)<0.2时, 表明多环芳烃来源于石油污染, 如汽油、 柴油和原油的泄漏等, 比值>0.5 时, 表明多环芳烃由木材及煤的燃烧产生, 比值为 0.2～0.5时, 表明多环芳烃由化石燃料的燃烧产生. 利用Flt/(Flt+Pyr)、 BaA/(BaA+Chr)和Ipy/(Ipy+Bpe) 3种多环芳烃同分异构体含量比值, 模拟多环芳烃的源解析, 以及两种干燥方式下同分异构体比值的显著性差异, 从而明确不同干燥方式是否影响对多环芳烃的污染来源判定. 由图4可见, 当泥炭土中多环芳烃单体添加量为低质量比(0.2 μg/g)时, 两种干燥方式处理下同分异构体比值差异性显著，将对多环芳烃的来源判定产生一定的影响. 在其他添加量下, 干燥方式对多环芳烃的的同分异构体比值影响不显著, 即对多环芳烃的源解析影响较小. 在5种添加量下, 农田土中3种同分异构体比值呈显著性差异, 当外源多环芳烃单体添加量为高质量比(1.0，2.0 μg/g)时, 3种同分异构体的比值均呈显著性差异, 表明两种干燥方式对判定农田土中多环芳烃的来源影响较大.

可见, 当研究土壤中多环芳烃来源时, 对土壤的干燥方式应慎重选择, 为保证多环芳烃来源分析的准确性, 需利用预实验进行判断. 本文仅比较两种干燥方式下多环芳烃同分异构体比值, 根据比值判定两种干燥方式是否对多环芳烃来源产生影响. 同分异构体比值法仅能对污染物的来源进行初步判断[26], 实际应用中需将多种方法相结合判断多环芳烃的来源.

3 结 论

综上所述，本文研究了两种干燥方式对土壤中多环芳烃(PAHs)的回收率和同分异构体比值的影响, 反映两种干燥方式下土壤中多环芳烃测定准确度和来源判断差异, 可得如下结论:

1) 泥炭土在不同添加量下自然风干处理高于冷冻干燥处理的多环芳烃总量回收率, 表明泥炭土经自然风干后其多环芳烃总量测定准确度较高; 农田土中冷冻干燥处理高于自然风干处理的多环芳烃总量回收率, 表明农田土经冷冻干燥处理的多环芳烃总量测定准确度较高.

2) 泥炭土中低环组分自然风干处理高于冷冻干燥处理的单体回收率； 高环组分中, 冷冻干燥处理高于自然风干处理的单体回收率； 农田土中的各单体多环芳烃回收率均为冷冻干燥处理高于自然风干处理, 且二者差异性显著.

3) 在不同多环芳烃添加量下干燥方式对泥炭土中多环芳烃同分异构体比值无影响, 表明用多环芳烃同分异构体比值法判断多环芳烃来源时, 干燥方式不影响多环芳烃的来源判定; 农田土中多环芳烃同分异构体比值受干燥方式影响显著, 表明用多环芳烃同分异构体比值法判断农田土多环芳烃来源时需考虑选择合适的土壤干燥方式.