（分析化学专业论文）污染土壤修复植物中痕量砷的赋存形态及其解毒机制研究.pdf

污染土壤修复植物中痕量砷的赋存形态及其解 毒机制研究 作者简介：卢伢，女，1 9 8 1 年5 月出生，2 0 0 4 年7 月师从于成都理工大学邓天龙教授， 于2 0 0 7 年7 月获硕士学位。 摘要 修复植物作为监测环境污染物一种有效的生物指标，以超富集植物为基础的植物修 复技术是目前环境科学的研究热点。本研究受到导师主持的国家自然科学基金项目 ( 4 0 5 7 3 0 4 4 ) 、教育部留学回国人员基金( 2 0 0 4 5 2 7 ) 和四川省科技厅应用基础研究基金 ( 0 5 j y 0 2 9 0 8 8 1 ) 联合资助。以都江堰川芎g a p 基地的肾蕨为研究对照，在实验室开 展了模拟污染的水培、土培盆栽肾蕨修复植物试验，并以盆栽肾蕨植物为主要研究对象， 开展了肾蕨中痕量砷的赋存形态及其解毒机制研究。 主要研究内容：探索不同形态砷a s ( 1 1 1 ) 、a s ( 、，) 、m m a 、d m a 的树脂分离一氢 化物一原子荧光光谱分析法；肾蕨水培研究；植物样品浸提液的选择；通过盆栽 实验对肾蕨中砷的形态分析，揭示超富集植物中砷的富集、转化规律。 本文主要结论：建立了不同形态砷m m a 、d m a 的树脂分离一氢化物一原子荧 光光谱分析法；采用树脂分离一氢化物一原子荧光光谱分析法对不同形态砷a s ( i i o 、 a s ( v ) 、m m a 、d m a 测定，首次揭示了不同形态砷a s ( i i i ) 、a s0 0 、m m a 、d m a 在 植物( 生物样品) 中的分布、迁移、转化规律。研究结果表明：在g a p 基地肾蕨各部 位砷含量的分布特征为：根部 叶 茎。而各个形态的分布特征为：a s ( i i d a s ( v ) m m a d m a ；通过调节p h 值以及添加e d t a 和腐植酸，发现肾蕨在碱性条件以及 添加e d t a 的条件下对砷污染的修复效果更为明显，且现植物中的砷最后转化为有机砷 储存在叶片中，来防止植物中毒，这一研究可为超富集植物的解毒机制提供科学依据。 关键词：植物修复，肾蕨，砷，形态分析 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o n so ft r a c ea r s e n i cs p e c i e si np h y t o r e m e d i a t i o n p l a ta n dt h ed e t o x i c t i v em e c h a n i c so fn e p h r o l e p i s a u r i c u l a t a a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v eb i o l o g i c a lm o n i t o rt od e t e c tc o n t a m i n a n t si nt h ee n v i r o r t m e n i t h e p h y t o - r e m e d i a t i o nt e c h n i q u eb a s e do na c c u m u l a t e dp l a n t si so n eo fh o tr e s e a r c hf i e l di nt h e e n v i r o n m e n t a la r o u n dt h ew o r l da tp r e s e n t i nt h et h e s i s ，t h ea r s e n i cc o n t a m i n a t e ds o i l si n g a pb a s e so ft h ec h i n e s el ”r bo fn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t ac h u a n x o n g d u j i a n g y a nc i t y i t w a ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 4 0 5 7 3 0 4 4 ) ，t h es c i e n t i f i c r e s e a r c hf o u n d a t i o nf o rt h er e t u r n e do v e r s e a sc h i n e s es c h o l a r s ，s t a t ee d u c a t i o nm i n i s t r y ( 2 0 0 4 5 2 7 ) ，a n da p p l i e db a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yb u r e a uo f s i c h u a np r o v i n c e ( 0 5 j y 0 2 9 0 8 8 一1 ) t om y s u p e r v i s o r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g ：a r s e n i cs p e c i a t i o na n a l y s i sb yt h er e s i n s e p a r a t i o n h y d r i d eg e n e r a t i o n a t o m i cf l u o r e s c e n ts p e c t r o m e t r y ；s t u d yo nt h et r a i n i n g o fa q u e o u sc u l t u r e dn a u r i c u l a t a ( l ) ；t h ec h o o s eo fp l a n te x t r a c t i o nl i q u i d ；b yt h e a n a l y s i so fd i f f e r e n tf o r m so fa r s e n i cc o n t a i n e di nt h ep l o t t e dn e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a , t h e e n r i c h m e ma n dt r a n s f o r m a t i o nb e h a v o r so fa r s e n i ci nt h ea c c u m u l a t e dp l a n t sa r ef o u n d ；t h e a n a l y t i c a lm e t h o do f a r s e n i cf o r m si nt h ep l a n t s ( b i o l o g ys a m p l e ) i se s t a b l i s h e d t h em a i ns o l u t i o ni nt h es t u d yc a nb es u m m a r i z e da s ：e s t a b l i s h e dt h er e s i n s e p a r a t i o n h y d n d a t o m i cf l u o r e s c e n ts p e c t r o m e t r ya n a l y t i c a lm e t h o do f d i f f e r e n tf o r m so f a r s e n i cs u c ha sa s ( i i i ) ，a s ( v ) ，m m a , d m a ；t h ee n r i c h m e 鸭m i g r a t i o na n d t r a n s f o r m a t i o nr u l e so fa r s e n i ci nt h ea c c u m u l a t e dp l a n t sa r ef o u n da f t e ra n a l y z i n gd i f f e r e n t f o r m so f a r s e n i cs u c ha sa s ( i i i ) ，a s ( v ) ，m m a ，a n dd m aw i t ht h ea n a l y t i c a lm e t h o do f r e s i n s e p a r a t i o n - - h y d r i d eg e n e r a t i o n a t o m i cf l u o r e s c e n ts p e c t r o m e t r y a n dt h er e s u l ts h o w st h a t t h ed i s t r i b u t i o nf e a t u r ei sa s ( i i i ) a s m m a d m a ； ) t l l er e m e d i a t i o ne f f e c to f n e p h r o l e p i sa u r i c u l a t at ot h ec o n t a m i n a t i o no fa r s e n i ci ss i g n i f i c a n t l yo b v i o u si nb a s i c c o n d i t i o nw h e np hr e g u l a t e d , a n da d d i n ge d t ao rh u m i ca c i da d d e da p p r o p r i a t e l y i tw a s f o u n dt h a ta r s e n i ci nt h ep l a n t sf i n a l l yt r a n s f o r m e di n t oo r g a n i ca r s e n i ca n ds t o r e di nl e a v e si n o r d e rt op r e v e n tt h ep o i s o n i n go fp l a n t s t h e r e f o r e ，t h i sr e s e a r c hc a r lp r o v i d es c i e n t i f i c f o u n d a t i o nf o r t h ed e t o x i f i c a t i o nm e c h a n i s mo f a c c u m u l a t e dp l a n t s k e y w o r d s ：p h y t o r e m e d i a t i o n ，n e p h r o l e p i sa u r i e u l a t a ( l ) ，a r s e n i c ，s p e c i a t i o na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名： 学位论文作者签名：# 积 移磁 i 2 0 0 1 年 5 月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 瓴 蜘7 年 5 月 2 0 日 第一章前言 第一章前言 肾蕨( n e p h r o l e p i sa u r i c u l a t a 三r r i m a n ) ，又名石黄皮，属蕨类植物门俨，e ，i d o p h y t a ) ， 骨碎补科( d a v a l l i a c e a e ) 。根状茎有直立的主轴向四方发出的长匍匐茎，并从长匍匐茎的 短枝上长出圆形茎块，主轴和根状茎上有密的钻状披针形鳞片，匍匐茎，叶柄和叶轴疏 生钻行鳞片。叶簇生、草质、光滑、无毛、叶片披针形，长3 0 8 0 c m ，宽3 - 5 c m ，一回 羽叶无柄，以关节着生于叶柄，边缘有疏浅钝齿。包子囊群生于每组侧脉的小侧小脉顶 端，囊群呈肾行，故名肾蕨。茎块含淀粉，入药治感冒咳嗽，肠炎腹泻；全草治五淋白 浊、崩带、乳痈，产后浮肿等症。分布于四川、福建、广东、广西、云南、贵州、湖南 南部和浙江和亚热带其它地区【l j 。 根据邓天龙等【2 】研究表明，肾蕨不仅具有药用价值而且还是一种用于治理重金属污 染的超富集植物。 1 1 研究意义 1 1 1 环境中的砷来源和危害 砷污染的主要来源为：( 1 ) 砷化物的开采和冶炼，特别是在我国流传广泛的土法炼 砷，所造成砷对环境的持续污染；( 2 ) 工业排放物，某些有色金属的开发和冶炼中，常 常有或多或少的砷化物排出，污染周围环境；( 3 ) 砷化物的广泛利用，如含砷农药的生 产和使用，又如作为化肥、木材、化工、制革、纺织、陶器、颜料、玻璃等工业的原材 料，均增加了环境中的砷污染量；( 4 ) 煤的燃烧，煤中含砷平均可达2 5 i _ t g k g ，故煤的燃 烧可使周围空气的砷浓度达0 0 2 p g m 3 ，含砷煤燃烧所产生的烟气也是砷污染的重要污 染源。 在我国调查的公害危害中，环境砷污染引起的慢性中毒病例最多。1 9 8 7 - 1 9 8 9 年曾 对某地冶炼企业及乡镇企业砷污染区4 8 4 8 例居民检查，结果慢性砷中毒4 4 0 例，患病 率9 1 ；1 9 9 4 年湖南雄黄矿对附近居民的调查表明，慢性砷中毒1 6 7 例，其患病率为 2 5 7 7 ；广东连南在土法炼砷停止多年仍存在环境污染，据1 9 9 3 年调查显示，慢性砷 中毒1 6 8 例，患病率达2 1 6 5 。 此外，砷化物的致癌作用已为i a r c 所肯定，具有潜伏期较长的远期效应。无机绅 为重点污染物在u s e p a 列表中被认为是1 号毒素，普遍认为环境砷污染引发明显的 全球健康问题。经估计印度和孟加拉国约6 千万至1 亿人群目前处在饮水砷污染的风险 中，中国某些地区( 包括台湾省) 、越南、尼泊尔有砷中毒流行四。 成都理工大学硕+ 学位论文 重庆市綦江县化工陶瓷厂排放的有毒废水污染河流，造成沿河1 2 9 名村民发生亚急 性砷中毒1 4 1 。1 9 6 8 年报道我国台湾省西岸某地区的井水中含砷为o 2 5 加8 5 p g g ，3 7 个 村庄的4 万人中发现4 2 8 人患有砷引起的皮肤癌，患病率达1 0 5 9 【5 】；生活在3 1 2 世纪的智利印地安人木乃伊骨骼中含砷高达9 2 - 2 4 8m g & g ，表明在当时当地已是砷中毒 病区。另外，世界上由砷引起的急性中毒事件也曾发生多起，如1 9 0 0 年在英国曼彻斯 特，由于发酵啤酒时使用了含砷的葡萄糖，结果导致7 0 0 0 多人急性中毒、1 0 0 0 人死亡 的严重事件【6 j 。 1 1 2 环境中砷的形态分析研究现状 由于植物样品中含的砷的量很低，对检测仪器提出了较高的要求。原子光谱在砷的 形态分析中具有很好的灵敏度。根据国内外文献的报道，对于植物样品包括药用植物中 砷的形态检测手段主要有：氢化物电感耦合等离子原子吸收光谱法( h g i c p - a a s ) 、高 效液相色谱一等离子质普法( h p l c i c p m s ) 、氢化物原子荧光光谱法( h g a f s ) 。 1 1 2 1 氢化物发生原子吸收光谱法( h g a a s ) 自h o l a k 于1 9 6 9 年首次将氢化物发生法用于原子吸收测定砷以来，h g - a a s 已成 为最常见的检测方法，该法由于具有简便、快速、灵敏和经济的特点，已广泛应用于水 果、蔬菜及环境中总砷分析测定的标准方法。在8 0 年代，火焰原子吸收光谱用来作为 高效液相色谱的检测器测砷的形态，但是由于其灵敏度低和背景值高，不能单独用来检 测砷的含量。据b r a m a n 及其相关报导f 7 】，关于砷的形态分析方法的氢化物发生法，其 原理是不同的砷化物在不同的条件下被硼氢化钠选择性的还原，生成相应的砷化氢及其 有机衍生物，从而实现不同形态砷的测定。a s ( i i i ) 在p h = 4 - - 9 时被硼氢化钠还原成砷 化氢，a s ( v ) 在p h = i - - 2 时被氢基硼氢化钠还原成a s ( 1 i d ，并在相同p h 下进一步还 原成砷化氢。c h 3 a s o ( o h ) 2 和( c h 3 ) 2 a s 0 ( o h ) 在p n = 1 2 时分别被硼氢化钠还原成 c h 3 a s h 2 和( c h 3 ) 雄s h 。产生的气态砷化物在液氮下被吸附柱捕集，在不同温度下分别 将其加热气化后实现分离与测定。砷化氢的沸点为5 5 ，甲基砷化氢的沸点为2 ，而 二甲基砷化氢的沸点为5 5 。 杨莉丽等i s h g a a s 用测定中药中的a s ( i i i ) 、a s ( v ) 。在p h5 6 “0 时，a s ( 1 l i ) 与 硼氢化钾作用生成气态氢化物，而a s ( 、，) 不发生反应；在2 t o o l l 盐酸溶液中，用硫脲 和抗坏血酸还原a s ( v ) 为a s ( i i i ) ，同法测总砷，用差减法求得a s ( v ) 含量。方法检出 限为7 5 肚g l ，r s d 为1 4 5 。回收率为8 9 2 * o - - 1 1 4 6 。利用本方法成功地对六种中 成药中的无机砷进行了形态分析。 李巧等 9 1 采用树脂吸附分离技术，用7 3 2 # 选择性吸附d m a ( 二甲基胂酸) ，7 1 7 # 选择性吸附a s ( v ) + m m a ( - - i 甲基胂酸) ，用石墨炉原子吸收法( g f a a s ) 测定中药黄芩中 2 第一章前言 砷化合物的形态，a s ( 1 i d 、a s ( v ) 、m m a 、d m a 以及总砷的回收率均取得了满意结果。 刘志红掣1 0 1 采用离子交换树脂吸附分离技术，对植物浸取液中各形态砷化合物进行分 离，并用g f a a s 测定厥、大白菜、生菜、鬼什草和椰菜中的a s ( i i i ) 、a s ( v ) 、m m a 、 d m a ，砷的回收率为8 6 一9 3 。 就原子吸收法测定砷而言，通常采用氢化物发生法和石墨炉法。尽管石墨炉法灵敏 度虽高，但存在严重的基体干扰，且易挥发损失，常需要加入适当的基体改进剂以提高 砷的灰化温度消除基体干扰。而传统的间断氢化物发生法分析费时、样品耗量大、干扰 因素较多，并且操作繁琐。近年在其基础上发展了流动注射氢化物发生一原子吸收光 谱法( f i h g - a a s ) 。邓世林等l l l 】利用f i h g - a a s 测定中药提取物中微量砷，砷的检出 限为o 5 6 峪几，线性范围0 6 - - 3 0 嵋，l ，相对标准偏差小于5 。方法操作简便、快速， 灵敏度及自动化程度高。 l 1 2 2 高效液相色谱一等离子质谱法( h p l c i c p m s ) h p l c 与i c p m s 联用技术的关键是接口技术，即样品溶液经h p l c 分离后在线引 入i c p 的雾化系统。由于h p l c 流动相的流速通常为0 。1 l m l m i n ，这与i c p 常用的 气动式雾化器、交叉流( c r o s sf l o w ) 雾化器、b a b i n g t o n 雾化器和同一l 、( c o n c e n t d c ) 雾化器 的样品导入流速是相匹配的，且h p l c 的柱后流出液压力与i c p m s 的样品导入系统 在常压下进行【1 2 】。感耦合等离子质光谱与高效液相色谱联用具有灵敏度高、多元素及 其同位素测定。近年来，h p l c i c p m s 在砷的形态分析中具有广泛的应用。 何小青等【1 3 】分别用三氧化二砷( a l d r i c h ，9 9 9 9 5 ) 、五氧化二砷( a l d r i c h ，9 9 9 9 ) 、 一甲基胂酸钠( f l u k a ，9 9 5 ) 和二甲基胂酸( f l u k a ，9 9 ) 配制而成a s ( i l i ) 、a s ( v ) 、 m m a 、d m a 四种形态的储备液( 1 m g m l ) 。通过对流动相的组成、浓度、p n 值等色 谱条件以及雾化气、辅助气、等离子体气流量等条件的优化，建立了一种应用反相离子 对高效液相色谱电感耦合等离子体质谱( h p l c i c p m s ) 联用技术进行砷化合物形态 分析方法。用1 0 m m o l l 的四丁基氢氧化铵( t b a h ) 溶液为流动相，丙二酸调节p h 值 ( p h = 6 6 ) ，成功地分离了a “i l d 、a s ) 、m m a 、d m a 四种砷化合物。 刘桂华等【1 4 】通过h p l c i c p m s 联用技术初步探讨了紫菜中砷的形态，研究了用 纯水萃取、甲醇稀释，用阴离子交换色谱柱经h p l c 分离，再用i c p m s 测定，实验 发现了2 个未知形态色谱峰。s a v e r w y n s 等【15 】亦发现了该未知峰，并指出砷的形态分析 中，色谱分离条件的选择是关键，作者分别用阴离子交换柱和阳离子交换柱，研究了不 同的条件下标准品a s ( i i i ) 、d m a 、m m a 、a sm 、a s b ( 砷甜菜碱) 、a s c ( 砷胆碱) 均为1 0 0 “g i 。，t m a o ( 三甲胂氧化物) 为2 肛g l 中砷形态的分离，发现选用阴离子交换 色谱柱分离的a s 的形态最多，但样品在阳离子交换色谱柱中并未检测出a s b 、a s c ， 成都理工丈学硕士学位论文 其它形态5 次测定重现性良好( r s d 0 4o o - - 2 8 ) ，但仍未能确定和解释该2 个未知砷形 态的色谱峰。 目前应用最多的方法是以水 1 6 , 17 】或甲醇水混合液提取，h p l c i c p m s 分离检测， 加压液体提取( p l e ) ，时间虽短( s m m ) ，但效率过低。虽然可以通过升高提取温度的方 法提高浸提率，但其它有机物的溶解度也随温度升高而增加，色泽变深，干扰加大【1 “。 近年来，h p l c 与原子吸收光谱、原子发射光谱、原子荧光光谱和质谱的联用分 析技术逐渐应用于痕量砷的形态分析和检测，h p l c 有它不容置疑的优点：对那些高沸 点、难挥发性的物质，不经衍生即可直接进样；另外，h p l c 有更多的操作参数可选择， 其固定相和流动相均可获得良好的分离效果。 1 1 2 3 氢化物原子荧光光谱法( h g a f s ) 邓天龙等【2 】详细研究了砷的h g a f s 测定干扰的消除和还原剂的选择，得出了还原 剂以日溶液的最佳浓度是0 0 5 和最佳掩蔽剂8 羟基喹啉最佳浓度是0 o l ，用 h g a f s 分析方法实现了对中药川芎和肾蕨植株样品中三价砷a s ( i i i ) ，五价砷a s ( v ) 和有机砷的测定，砷的回收率约1 0 0 。成功地建立了可靠的痕量和超痕量元素砷的 h g a f s 分析方法，为植物样品中痕量和超痕量元素砷的化学形态测定奠定了基础。 赵永红等【1 9 】研究了土壤样品中微量砷的形态分析，其方法是：土壤样品依次用水、 磷酸二氢钾、盐酸、氢氧化钠作为提取剂，用h g a f s 法控制酸度差减法测定提取液 中a s ( i i d 和总砷的含量，a s f v ) 的含量由两者之差求得，并讨论了提取时间、各种形态 提取液的浓度等实验条件的选择，但浸提步骤较为繁琐。 值得指出的是：近年来，微波消解的广泛运用，它结合高压和微波快速特点，与传 统的溶样方法相比，具有消解快、试剂耗量少、空白值低、避免挥发损失等优点，还能 消解传统溶样法难以消解的样品，尤为适合各类植物样品的前处理，尤其是痕量与超痕 量分析。而且h g a f s 与h g i c p a a s 、h p l c i c p m s 相比，其分析成本低，仅是 i c p a a s 的2 1 5 、h p l c i c p m s 的1 3 0 1 2 0 1 。 1 1 2 4 其它检测方法 目前最常用的砷形态分析技术是h g i c p a a s 、h p l c i c p m s 、h g a f s 法， c e i c p m s 和氢化物发生电感耦合等离子发射光谱法( h g i c p a e s ) 也开始受到重 视。陈世忠等【2 l 】应用( h g i c p a e s ) n g 黄姜中总a s ，检出限( d l ) 为1 8 n g m l ，相对标 准偏差( r s d ) 3 3 ，回收率9 0 一1 0 8 。陈树榆等田】以h n 0 3 为介质，采用自行研制 的二级气液分离器代替膜分离器，采用h g i c p m s 对a s 测定，其检出限为0 0 2 2 n m l 。 王亮等【2 3 i 应用离子交换树脂和溶剂萃取相结合的分离技术，分离了云南中草药鬼针草 中微量砷的四种形态化合物：a s ( i i ) 、a s ( v ) 、m m a 、d m a ，采用i c p - a e s 进行测定， 4 第一章前言 回收率达9 3 以上。 f i 在线预富集技术与a a s 、e t - a a s 、i c p - a e s 、i c p a f s 等联用，被越来越多地 应用于环境和生物样品中的形态分析。 玎，l c i c p m s 是研究元素化学形态的常用方法， 其灵敏度高且快速，但需与标准物质比对来确定未知物，与电喷雾质谱( e s i m s ) 联用从 化合物撞击诱导解离得到碎片离子来判断初始化合物的分子结构瞄】。 近年来植物修复技术受到了国内外的广泛关注。黄泽春等【2 5 】通过同步辐射扩展x 射线吸收精细结构( s re x a f s ) 研究超富集植物大叶井口边草中砷的化学形态及其在植 物体中的转化，该方法是测定分子结构的有力手段，它不需要预分离或化学预处理过程， 不会破坏其化学形态，可以直接对复杂的植物活体样品进行无损分析，得到植物体内微 量元素的氧化态、近边原子和配位数等化学形态信息1 2 6 。齐文启等 2 7 1 比较了f - a a s 、 g f - a a s 、i c p - a e s 、i c p m s 不同分析方法砷元素的检出限，高分辨i c p a e s 及i c p m s 对于a s 的痕量分析是目前灵敏度最高、检测限最低的手段。 由于h p l c i c p m s 和c e i c p m s 均不能提供化合物的分子结构信息，因此在缺 少标准的情况下e s i m s 是不可缺少的形态分析工具。由于e s i m s 的灵敏度低，且易 受试样基体的干扰，因此分析物在分析前需分离、纯化、富集，才能保证分析结果的可 靠性【2 引。 毛细管电泳技术是最近2 0 年迅速发展起来的一种分离技术，其应用范围十分广泛。 c e 具有高分辨、高速度的优点，柱效很高，每米理论塔板数为几十万甚至上百万。对 同一元素的不同形态，只要有结构或电荷上的差别，即可用c e 进行分离。但是c e 常 用的u v 检测器，由于各砷化物的吸收系数小，其检测限仅为m g r l 水平，这对只有n g l 浓度的植物样品、生化样品( 血样、尿样) 而言是远不够的，在一定程度上限制了其在形 态分析中的应用。但是近几年人们通过衍生化，或使c e 与h g i c p m s 、h g i c p a e s 或与激光诱导荧光检测器( l i f ) 联用，使c e 在形态分析中的灵敏度得到极大的提高 【2 9 】。 元素的毒性与元素存在的形态密切相关，以砷化合物的半致死量l d 5 0 计算，其毒 性依次为a s h 3 a s ( 1 i d a s ( v ) m a a d m a a t m a a a s c a s b 【3 0 ) ”。由此可见，不 同形态砷的毒性不同，无机砷的毒性最大，有机砷的毒性较小，而a s b 和a s c 通常被 认为是无毒的。但是，近年在人尿中检测出了t m a a 后，关于有机砷对人体毒性问题 有待深入研究。另一方面，鉴于植物样品的复杂性，加之待测分析物标准参考物质缺乏， 未知化合物的化学结构鉴定乃存在障碍，在选择简便、快速的分离富集技术以及高灵敏 性、高选择性的检测方法仍然是一个具有挑战性的课题，无疑将是今后植物样品中砷不 同形态分析及其结构测定研究的重点。 成都理工大学硕+ 学位论文 1 2 植物修复研究的国内外研究现状 “植物修复技术”( p h y t o r e m e d i a t i o n ) 是一种利用自然生长植物或者遗传工程培育 植物修复污染土壤特别是金属污染土壤的环境技术总称。它通过植物系统及其根际微生 物来吸收、移去、挥发或稳定土壤环境污染物。它包括：( 1 ) 植物提取( p h y t o e x t r a c t i o n ) 也称为植物积累。是指利用专性植物把土壤中的金属元素吸收到根部并易位到地表部位 积累，在通过收获地上部分而减少污染物。( 2 ) 根系过滤( r h i z o f i t r a t i o n ) ：是指植物根 系范围内呈溶解态的金属元素被植物的根系吸收或在植物根系的影响下沉淀在根系外 表面。根系的过滤与植物提取的概念相近，很容易混淆。但根系过滤主要是用于处理污 染地下水丽非污染土。( 3 ) 植物的稳定作用( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) ：是指利用植物根系把污 染土壤中有害金属元素转变成无毒或毒性较小的形态，但并为真正能够去除它。( 4 ) 植 物挥发作用( p h y t o v o l a t i o n ) ，即通过植物使土壤中的某些重金属转化成气态而挥发出 来，如有些植物的根系能够吸收环境中的有害元素硒和永。并将其转化为挥发态的二甲 基化硒和汞蒸气。这样就形成植物挥发法去除金属元素。有些植物具有非凡的积累金属 元素的能力，被称为“超量累积植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) ”或“超富集植物”。“超积累 植物”是指能将土壤中某些重金属元素富集到植物地上部分并达到干重0 1 或地上部 分重金属元素浓度与其在植物根中的浓度之比超过l 的植物 3 2 1 。 植物修复的前提是找到对某种( 某些) 重金属具有特殊吸引富集能力的植物种或基 因型，即重金属的“超富集体”，然后通过种植这些超富集植物，利用植物的提取、过 滤、稳定、挥发等机理，达到净化被污染土壤的目的。 m a 等【3 3 】在美国佛罗里达中部发现一种能超富集砷的植物一蜈蚣草( p ，e 廊v i t t a t a ) ， 蜈蚣草在含可溶性砷酸盐5 0 - - 1 5 0 0 m g k g 的土壤中生长2 周，其羽叶砷含量随土壤砷含 量的增加而增加，最高达1 5 8 6 1 m g k g ：生长6 周，其羽叶中最高砷含量高达2 2 6 3 0 m g k g ： 其生物富集系数在1 5 1 1 0 2 6 ；其根部砷含量 9 9 ) 溶液在1 0 0 0 m l 的蒸馏水中，此溶液在4 c 左右可稳定保存4 0 d ，供使用； 8 羟基喹啉溶液( 1 o ) ：称取1 0 9 的8 羟基喹啉溶解在1 0 0 m l 的无水乙醇( 9 9 8 ) 中，然后用3 0m o f l 的h c l 稀释n l o o 0 m l 的带盖的聚乙烯管中，此溶液放置于4 0 ( 2 下， 成都理：1 二大学硕+ 学位论文 能稳定三个月，供使用； 8 羟基喹啉溶液( o 1 ) ：称取o i g 的8 羟基喹啉溶解在2 o r a l 的无水乙醇( 9 9 8 ) 中， 然后用3 om o l 几的h c l 稀释到1 0 0 0 m l 的带盖的聚乙烯管中，此溶液放置于4 c 下，能稳 定二个月，供使用； 1 0 ，5 盐酸：移取1 0 0 o m l 的浓h c l 用蒸馏水稀释到1 0 0 0 m l ，配得1 0 盐酸溶液； 移取5 0 0 m l 的浓h c i 用蒸馏水稀释到1 0 0 0 m l ，配得5 盐酸溶液； a s ( i i i ) 标准储备液( 1 0 0 0 m g l ) ：准确称取0 1 7 3 4 9 偏砷酸钠( n a a s 0 4 ) 固体溶解在l 0 0 0 m l 浓度为3 o m o l l 的h c l 溶液中，并放置在冰箱中4 c 下保存； a s ( v ) 标准储备液( 5 0 0 m g l ) ：准确称取0 2 8 3 0 9 的砷酸钠( n a 3 a s 0 4 1 2 8 2 0 ) 固体溶 解在1 0 0 0 m l 浓度为5 0 m o l l 的h c l 溶液中，并放置在冰箱中4 c 下保存； o 4 ( w v ) 氢氧化钾溶液：称取k o h0 8 9 溶于2 0 0 m l 蒸馏水中； 2 5 ( w v ) 硼氢化钾溶液：称取k b h 45 0 9 溶于2 0 0 m lo 4 ( w v ) k o h 中； m m a 标准储备液( 1 0 0 0 m g l ) ：准确称取o 2 4 5 9 甲基砷酸氢二钠( c h 3 a s n a 2 0 3 ) 固体溶解在1 0 0 0 m l 浓度为l o h c l 溶液中，并放置在冰箱中4 下保存； d m a 标准储备液( 1 0 0 0 m g l ) ：准确称取o 1 8 4 9 - - 甲基砷酸钠( c 2 h 7 a s 0 2 ) 固体 溶解在1 0 0 0 m l 浓度为l o h c l 溶液中，并放置在冰箱中4 下保存； 7 3 2 强酸性苯乙稀系阳树脂预处理：使用饱和食盐水，取其量约等于被处理树脂体 积的两倍，将树脂置于食盐溶液中浸泡1 8 2 0 h ，然后放尽食盐水，用清水漂洗净，使排 出水不带黄色：其次再用2 - - 4 n a o h 溶液，其量与上相同，在其中浸泡2 0 h ( 或作小 流量清洗) ，放尽碱液后，冲洗树脂直至排出水接近中性为止。最后用5 h c l 溶液，其 量亦与上述相同，浸泡和8 h ，放尽酸液，用清水漂流至中性待用。 7 1 7 强酸性苯乙烯系阴树脂的预处理：其预处理方法中的第一步与阳树脂预处理方 法中的第一步相同；而后用5 h c i 浸泡4 8 h ，然后放尽酸液，用水清洗至中性；而后用 2 , - , 4 n a o h 溶液浸泡4 - - 8 h 后，放尽碱液，用清水洗至中性待用。本实验使用的部分器 皿均在1 0 的硝酸中浸泡2 4 h 以上，后经蒸馏水反复洗涤、烘干后备用。 日本园试配方【州；母液( 浓缩液) 种类分成a 、b 、c 三个母液，a 液包括 c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 和k n 0 3 ，b 液包括n i - h h 2 v 0 4 和m g s 0 4 7 h 2 0 ，c 液包括n a f f e e d t a 和各微量元索。计算各母液化合物用量按园试配方要求配制1 0 0 0 m l 母液，经计算 各化合物均量为：a 液： c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 01 8 9 0 9 和k n 0 31 6 1 8 9 。b 液： n h 4 h 2 p 0 43 0 6 0 9 和m g s 0 4 7 h 2 09 8 6 0 9 。c 液：n a 2 f e e d t a2 0 0 0 9 、h 3 8 0 3 2 8 6 0 9 、m n s 0 4 4 h 2 02 1 3 0 9 、z n s 0 4 7 h 2 0o 2 2 9 、c u s 0 4 5 h 2 0o 0 8 0 9 、 ( n h 4 ) 6 m 0 7 0 2 4 4 h 2 00 0 2 0 9 。 n a 2 f e e d t a 也可用f e s 0 4 7 h 2 0 和n a 2 - e d t a 自制代替。方法是按1 0 0 0 倍母液取 第二章实验部分 f e s 0 4 7 t t 2 01 3 9 9 与n a 2 - e d t a l 8 6 9 混容即可。 工作营养液的配制：用上述母液配制2 0 0m l 的工作营养液。分别量取a 母液和b 母液各o 2 5m l ，c 母液o 0 5m l ，在加入各母液的过程中，务必防止出现沉淀。方法 如下：在贮液池内先放人相当于预配工作营养液体积4 0 的水量，即2 0 m l 水，再 将量好的a 母液倒入其中。将量好的b 母液慢慢倒入其中，并不断加水稀释，至达 到总水量的8 0 为止。将c 母掖按量加入其中，然后加足水量并不断搅拌。 霍格兰氏液的配方：母液( 浓缩液) 种类分成大量元素、微量元素母液各f e e d t a 母 液三个母液，经计算各化合物均量为：大量元素的配置：取1 3 9 ( n i h h s 0 4 和1 7 9 n a 2 e d t a 溶于9 0 0 m l 蒸馏水中，调节p h 值至8 5 稀释母液至1 0 0 0 m l ，用时取3m l ： 微量元素的配制：h 3 8 0 32 8 6 9 、m n s 0 4 4 h 2 02 1 3 9 、z n s 0 4 7 h 2 0o 2 2 9 、c u s 0 4 5 h 2 0 0 0 8 9 、( n i - h ) 2 m 0 0 4 4 h 2 0o 0 2 9 、k n 0 3 0 51 9 、c a ( y 0 3 ) 2o 8 2 9 、m g s 0 4 7 h 2 0 o 4 9 9 、k h 2 p 0 40 1 3 6 9 、f e s 0 4 7 h 2 0o 6 0 9 ，稀释母液至1 0 0 0 m l ，用时取3m e ； f e e d t a 的配制：取一定量的h c l 和n a 2 e d t a 溶液各1 0 m l 稀释至1 0 0 0 m l ， p h 值为6 8 ，用时取1 m l ； 工作营养液的配制：用上述母液配制2 0 0m l 的工作营养液。分别量取大量元素和 微量元素母液各3m l ，f e - e d t a 母液1m l ，然后加足水量并不断搅拌。 2 3 实验原理 2 3 1 微波消解原理 微波消解是一种利用微波为能量对样品进行消解的新技术，包括溶解、干燥、灰化、 浸取等，该法适于处理大批量样品及萃取极性与热不稳定的化合物【5 5 1 ，其结构图见图 2 1 微波消解法以其快速、溶剂用量少、节省能源、易于实现自动化等优点而广为应用。 已用于消解废水、淤泥、河床沉积物等环境样品及生物组织、流体、医药以至矿粉等试 样。有人将其称为“理化分析实验的一次技术革命”。美国公共卫生组织已将该法作为 测定金属离子时消解植物样品的标准方法。 2 3 2 离子交换分离方法 ( 1 ) 离子交换树脂的化学性剧5 6 1 交联度离子交换树脂是具有立体网状结构的高聚物。为使单体上下左右具合成 立体网状结构，在制备时需加入一种物质是单体分子联结，这种物质称为交联剂。交联 成都理工大学硕士学位论文 剂在原料总重量中所占的百分比称为树脂的交联度。通常树脂的交联度常用“”表示， 7 1 7 树脂标有“1 0 x ”，即表示该树脂交联度为1 0 。树脂的交联度越大时，加水后树 脂的膨胀度小，交换反应速率缓慢，体积大的离子不容易进入树脂，因而具有一定的选 择性。 l 一聚丙稀外壳：2 - - p ”e 压力容器( 体积为2 5 m l ) 3 - - t e f l o np f a 内部容器( 体积为7 m l ) ；4 一样品、碱及过氧化氢的混合物；5 珈5 m l 水 图2 1 微波消t e f l o n 解容器 f i g u r e2 - lm i c r o w a v ed i g e s t i o nt e f l o nc o n t a i n e r 2 l 一玻璃砂：2 一树脂 图2 - 2 离子交换树脂柱示意图 f i g u r e2 - 2i o ne x c h a n g ec o l u m n i a t i o nr e s i ns e p a r a t i o n 交换容量交换容量表示离子交换树脂的交换能力，这种交换能力的大小是由离 子交换树脂中活性基团的数目多少决定的，活性基团越多，交换容量越大。树脂的交换 容量常以每克干树脂或每毫升溶胀后的树脂能交换离子相当于一价离子物质的毫摩尔 数来表示，一般使用的树脂其交换容量为l 也m m o l m l 湿树脂。 ( 2 ) 柱式离子交换的操作方法【5 7 1 第二章实验部分 离子交换的操作可分为两种