（环境科学专业论文）沉积物中重金属的形态分析及生物有效性的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文以b c r 连续分级提取法为基础，以沉积物标准样g b w 0 7 3 1 0 和南水北调东 线沿线南四湖、东平湖和梁济运河沉积物样品为研究对象，验证了可将有机结合态重 金属和硫化物结合态重金属分级提取的四级五步连续分级提取法对实际沉积物样品 的普适性，得出沉积物样品中不同形态重金属的含量；以模拟小麦、玉米、苹果、百 羽扇豆、肥田萝卜、高麦草等六种植物根系分泌的低分子量有机混酸为提取剂，对沉 积物样品分别进行单级提取及多级连续提取，将提取结果与沉积物样品中不同形态重 金属的含量进行对比，以此来研究沉积物样品中重金属元素的生物有效性 实验所采用的四级五步连续分级提取法对南水北调东线沿线南四湖、东平湖和梁 济运河九个采样点沉积物样品进行连续提取的结果表明，四级五步连续分级提取法的 提取步骤合理，能够将沉积物样品中化学特性和毒理特点不同的有机结合态和硫化物 结合态完全分离，而且四级五步连续分级提取法在改变了提取剂和提取步骤的情况下 并没有引用较大的分析误差，对实际沉积物样品具有普适性 实验模拟植物根系分泌的有机混酸对沉积物样品进行提取的结果表明，一步提取 能够提取沉积物中的可交换态、可还原态和有机结合态重金属，是最全面、最能反映 植物分析分泌的有机酸对沉积物中重金属元素的活化吸收情况的提取步骤，因此其提 取量能代表与该植物相关的重金属生物可利用量。 在模拟植物根系分泌的有机混酸对沉积物样品中不同形态的重金属进行提取时， 对可交换态的提取比例最大，对有机结合态的提取比例为其次，对可还原态的提取比 例为最小，说明重金属可交换态是最易被生物活化的形态，有机结合态在其次，可还 原态为最小 实验所模拟的六种植物根系分泌的有机混酸中，对同种重金属元素，以商麦草根 系分泌的有机混酸的提取结果相对较大，以肥田萝卜根系分泌的有机混酸的提取结果 相对较小 关键词：重金属；形态分析；生物有效性 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , g b w 0 7 3 1 0a n dn i n es e d i m e n ts a m p l e sw e r et r e a t e dw i t hb c r p r o c e d u r ea n df o u r - g r a d e f i v e s t e pp r o c e d u r ew i t ht h ei n t e n t i o nt oi n d i c a t et h eh i g h a c c u r a c yo ft h ef o u r - g r a d e - f i v e - s t e pp r o c e d u r e a n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fh e a v ym e t a lo f d i f f e r e n tf r a c t i o n sw e r eg o t a tt h es a m et i m e ，s i xm i x e do r g a n i ca c i d so fl o wm o l e c u l a r w e i g h tw h i c hp r o d u c e db yp l a n tr o o t sw e r eu s e dt o e x t r a c th e a v ym e t a li ns e d i m e n t s a m p l e sw i t hd i f f e r e n te x t r a c tp r o c e d u r e s t h ec h e m i c a la n dt o x i c o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i co fh e a v ym e t a l s ，w h i c ha s s o c i a t i o nw i t h t h eo r g a n i cm a t t e ra n ds u l p h i d e ，i sd i f f e r e n t t h et w od i f f e r e n ts p e c i a t i o n so fh e a v ym e t a l s h a v ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so nt h em i g r a t i o n , c o n v e r s i o na n dt o x i c i t yo fm c t a l s t h ee x t r a c t r e s u l t st h a tt r e a t e dw i t hg b w 0 7 3 0 1a n ds e d i m e n ts a m p l e si n d i c a t e dt h a tt h ef l - a c t i o no f d i f f e r e n tb i o l o g i c a la v a i l a b i l i t yc o u l db es e p a r a t e d ；t h ep r e - 七x t r a c t i o no ft h ef r 拼t i o nb o u n d t ot h eo r g a n i cm a i l e rw a se l i m i n a t e d a n ds o ，t h ef o u r - g r a d e - f i v e - s t e pp r o c e d u r ec o u l d d i s t i n g u i s ht h em e t a ls p e c i a t i o nb o u n dt oo r g a n i cm a t t e rf r o mt h a tt ot h es u l p h i d e c o m p l e t e l yo nd i f f e r e n ts e d i m e n ts a m p l e s , s h o w i n gt h eg o o da d a p t a b i l i t y 0 1 1d i f f e r e n t l o c a t i o n s t h ee x t r a c tr e s u l t so fm i x e do r g a n i ca c i d ss h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v y m e t a le x t r a c t e di no n es t e pc o n t a i n e de x c h e n g e a b l ef r a c t i o n , r e d u c i b l ef r a c t i o na n d o x i d a b l e 缸d c t i o n e x t r a c t i n gi no n es t e pi st h eb e s te x t r a c tp r o c e d u r ew h i c hc o u l dt o t a l l y a n de x a c t l ys h o wt h ea c t i v a t ec o n c e n t r a t i o na n de x t r a c tc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a li n s e d i m e n t sb ym i x e do r g a n i ca c i d s t h ec o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a le x l r a c t l ! db ym i x e d o r g a n i ca c i d si no n es t e pe q u a l st ot h cc o n c e n t r a t i o no f h e a v ym e t a lt h a tc o u l db ea b s o r b e d b yp l a n t s i nt h et h r e ef r a c t i o n so fh e a v ym e t a li ns e d i m e n ts a m p l e st h a te x t r a c t e db ym i x e d o r g a n i ca c i d s ，t h em o s te x t r a c tp e r c e n t a g eo fh e a v ym e t a li se x e h e n g e a b l ef 残d g t i o n ，t h e s e c o n di so x i d a b l ef r a c t i o n , a n dt h el e a s ti sr e d u c i b l ef r a c t i o n s ow ec o u l dc o n c l u d et h a t t h ee x e h e n g e a b l ef l a c ：t i o no fh e a v ym e t a li st h em o s te a s i l ya c t i v a t ea n de x t r a c tf r a c t i o n a b s o r b e db yp l a n t s , o x i d a b l ef i a c t i o ni st h es e c o n d ，a n dr e d u c i b l ef l a c t i o ni st h el e a s t i nt h es i xk i n d so fm i x e do r g a n i ca c i d ss i m u l a t e di nt h ee x p e r i m e n t , f o rt h es a t n e h e a v ym e t a l ，t h ec o n c e n t r a t i o ne x t r a c t e db ym i x e do r g a n i ca c i d so fg r a s s r o o ti st h el a r g e s t , a n dt h ec o n c e n t r a t i o ne x t r a c t e db ym i x e do r g a n i ca c i d so f r a d i s h sr o o ti st h el o w e s t k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l ，s p e c i a t i o na n a l y s i s ，b i o a v a i l a b i l i t y 2 山东大学硕士学位论文 前言 1 研究目的和意义 随着现代社会人口剧增及工农业生产的快速发展，人类生产生活中产生的大量重 金属污染物排入了水体，其中绝大部分易于由水相通过悬浮物沉降进入沉积物，造成 对沉积物的污染沉积物中重金属污染物的化学行为和生态效应复杂，对水体存在潜 在危害且难于治理。其物理化学行为如沉淀与溶解、氧化与还原、吸附与解吸等多具 有可逆性，在外界条件发生变化时，沉积物中的重金属可能再次进入水体，因此其成 为对水质具有潜在影响的次生污染源【l l 。 环境分析通常仅对环境介质中重金属污染物的总量或总浓度进行测定，虽然可以 提供沉积物受污染的状况，但大量生物分析与毒理研究表明，特定环境中重金属元素 的生物活性和毒性以及它们在生物体内、生态环境中的迁移转化过程与其在环境中存 在的形态 2 - 3 | 密切相关只依靠重金属元素的总量往往很难表征其污染物特性和危害， 为了准确评价沉积物中重金属污染物的污染程度，还必须分析其具体的形态 沉积物中重金属元素存在的形态较为复杂 4 - 6 1 ，根据不同地质化学相结合的程度， 其存在形态大体可以分为七种用：( 1 ) 在沉积物表面存在的可交换离子；( 2 ) 吸附于 沉积物表面；( 3 ) 与铁锰氧化物结合共沉淀；( 4 ) 与硫化物、碳酸盐、磷酸盐等结合 沉淀予沉积物中；( 5 ) 与有机物以各种形式结合；( 6 ) 被二级矿物质包埋；( 7 ) 结合 在原生矿物晶格中 沉积物中不同的地球化学组分结合重金属元素后所形成的不同物理化学形态具 有选择性和专一性，因此可使用不同的提取剂，按照结合程度由弱到强的顺序，对沉 积物中同一重金属元素的不同组分进行分离提取，以测定与沉积物中不同组分相结合 的重金属元素i s , g 代表性的分级提取方法是加拿大学者a t e s s i e r 【1 哪等人于1 9 7 9 年提 出的，称为t i e s s e r 形态分析分类法。k e r s t e n 1 i j 和f o r t s n e r 在此基础上于1 9 8 6 年提出 了改进的六步提取法。欧盟共同体众多学者在研究了1 l e s s e r 法和其他研究工作中的改 进意见后，提出了现在欧盟地区通用的b c r 多级形态分类法【1 2 1 在这几种常用的重金属连续提取方法中，重金属有机结合态与硫化物结合态被统 归在一起提取随着对沉积物中有机金属化合物与硫化物研究的不断深入开展，人们 逐渐认识到这两类物质具有不同的化学特性与毒理特点，当环境条件发生改变时，这 两类物质对重金属元素的迁移、转化和毒性有着各自不同的影响【1 3 1 为研究这两种不 ， 山东大学硕士学位论文 同形态重金属的迁移转化规律及对生物的影响，应对其进行分别提取。四级五步连续 分级提取法【1 4 】是基于b c r 法基础上的，添加了提取重金属有机结合态的提取剂，将 重金属有机结合态与硫化物结合态分级提取的方法。利用四级五步连续分级提取法可 以分级提取沉积物样品中不同形态的重金属元素，为进一步研究沉积物中重金属元素 的生物有效性提供依据。 重金属的生物有效性是指重金属对生物产生毒性效应或被生物吸收的性质，包 括毒性和生物可利用性两个方面这个概念在1 9 7 5 年首次提出，被认为是在水体环 境中污染物在生物传输和生物反应中被利用的程度阍。后来，这个概念扩展到了土壤、 底泥以及大气环境中生物有效性的问题。生物有效性所包涵的内容非常广泛，在很长 一段时间以来，一直没有得到统一的认识，而基于化学概念上的生物有效性则是指污 染物质如重金属元素是否能被生物吸收以及其潜在的毒性，其实质在于研究污染物与 生物之间的相互关系。 沉积物作为水体环境中重金属最主要豹蓄积她，直接反殃了水体受重金属污染 的严重程度。由于沉积物中重金属化学行为的多样性，其无论是对水体环境中水生生 物还是对用沉积物作为土壤底质的农作物都有十分复杂的生态效应河流或湖泊沉积 物经常被用作农田肥料或作为土壤底质，其中的重金属元素可通过植物尤其是农作物 进入人体之中。因此对沉积物中金属元素生物有效性的研究无论是从农业还是从环境 角度考虑都有非常重要的意义。 根系分泌的低分子量有机酸在重金属元素的形态变化和生物有效性方面扮演着 重要角色，已经引起越来越多研究者的关注。植物根系分泌的低分子量有机酸在环境 中具有特别重要的意义，其参与成土作用、促进矿物溶解；改变根际土壤理化性状， 促进植物对养分的吸收；缓解缺氧症状，降低金属等有毒元素对植物的毒害等，其在 重金属元素的形态变化和生物有效性方面扮演着重要角色，已经引起越来越多研究者 的关注。 本文旨在将四级五步连续分级提取法应用于沉积物重金属的连续提取中，并对比 改进的b c r 法的提取结果，以此验证四级五步连续分级提取法对实际沉积物样品的 普适性，从而对沉积物样品进行分析，并结合有机混酸提取剂对沉积物样品进行提取 的结果进行比较分析，进而分析植物根系分泌的有机混酸对重金属元素的活化吸收能 力，为正确评价重金属的生物有效性提供依据。 4 山东大学硕士学位论文 2 研究内容和路线 本文以b c r 连续分级提取法为基础，以南水北调工程东线沿线南四湖、东平湖 和梁济运河的沉积物为研究对象，运用b c r 法和四级五步连续分级提取法对沉积物 样品进行分级提取，验证了四级五步连续分级提取法对实际沉积物样品的普适性，得 出沉积物样品中不同形态重金属的含量；同时模拟六种植物根系分泌的低分子量有机 混酸为提取剂，对沉积物样品分别进行一步提取，四级五步连续分级提取法第一步后 提取和四级五步连续分级提取法第二步后提取，将提取结果与沉积物样品中不同形态 重金属的含量进行对比，以此来研究沉积物样品中重金属元素的生物有效性。 ( 1 ) 对沉积物标准样g b w 0 7 3 1 0 和取自南水北调工程东线沿线南四湖、东平湖和 梁济运河的沉积物样品应用b c r 法和四级五步连续分级提取法，分级提取样品中的 重金属元素，对结果进行比较分析，以此验证四级五步连续分级提取法对实际沉积物 样品的普适性。 ( 2 ) 应用四级五步连续分级提取法对南水北调工程东线沿线南四湖、东平湖和梁 济运河的沉积物样品进行提取，对样品中的重金属元素进行形态分析 ( 3 ) 选择北方常见的粮食作物小麦和玉米、经济作物苹果、白羽扇豆和肥田萝卜， 以及草本植物高麦草六种植物根系分泌的低分子量有机混酸为提取剂，进行沉积物中 重金属元素生物有效性的研究分析 ( 4 ) 模拟植物根系分泌的低分子量有机混酸为提取剂，对沉积物样品分别进行一 步提取、四级五步连续分级提取法第一步后提取和四级五步连续分级提取法第二步后 提取，对同种有机酸的提取结果进行对比，找出最能代表生物可利用量的提取步骤 ( 5 ) 将有机混酸的提取结果与重金属形态分析结果进行对比，得出有机混酸所提取 的重金属的形态分布，并与沉积物中的相应形态进行对比，分析有机混酸对各形态重 金属的活化吸收能力， ( 6 ) 对不同有机混酸的提取结果进行比较分析，找出不同植物根系分泌的有机混 酸对重金属活化能力的大小 研究技术路线见图1 5 葺兰一q器-o。苫盘oio叠l盆臣一皎苗 错蛰*辎氓摩_匝 议智毯扑书匿扑k婚弓 山东大学硕士学位论文 第一部分文献综述 1 1 沉积物中重金属形态分类法研究概述 1 1 1 沉积物成份分析研究概述 沉积物在地质学中是指一种沉积在陆地或水盆地中的松散矿物质颗粒或有 机物质，如砾石、砂、粘土、灰泥、生物残骸等现代沉积物中是以矿物为主体 的。尽管各种不同水体中的沉积物在组成上会因地理环境条件变化、沉积物的来 源不同而存在差异，但是从总体上看，根据沉积物中组分的形成类型和组分的化 学与矿物特征，一般可把沉积物的组分分为四大部分【l 司：火成岩和变质岩风 化残留矿物，包括氧化物、硅酸盐、微量盐类( 碳酸盐、磷酸盐，硫化物) 低 温和水成矿物，包括粘士矿物、氧化物和氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐、硫化物、 硫酸盐和卤化物。有机组分，包括植物碎屑和生物尸体及其腐烂风化形成的氨 基化合物、糖类及衍生物、脂类、类固醇、多环化合物、酚、醛、腐殖质、碳氢 化含物、沥青流动相，主要包括沉积物中各种类型的水以及气体和油类。 从环境科学意义上来看，火成岩和变质岩风化残留矿物对污染物的影响和作 用并不显著，它主要以沉积物的残渣形态出现，比较稳定，表面电荷少，化学活 性差。低温和水成矿物是沉积物中比较重要的部分，它们不仅具有巨大的比表面 积，而且表面还拥有大量的活性官能团，对污染物有很强的界面反应能力。因而 是污染物分布与存在形态研究中不可缺少的内容。有机组分中的腐殖质( 胡敏酸、 富里酸和胡敏素) 在各种污染物的环境行为中同样发挥着重大作用，也是众多环 境化学家十分重视的研究对象。 污染物在沉积物或其它固相中都是以各种不同的形态，而不是简单的以某一 离子或基团存在，所以在研究沉积物污染物的迁移转化机理、治理技术以及控制 对策时，深入了解和探讨污染物含量及其分布形态是极其重要的，而污染物含量 和形态分布又是和沉积物的矿物组成密切相关的，其中，沉积物地球化学组成和 性质对沉积物吸持重金属的影响已被广泛研究l m ，因此，沉积物的组成变化直接 影响化学元素的富集程度和存在形态，了解沉积物中各种自然胶体及矿物组成、 化学组分具有十分重要的意义许多研究者1 1 8 2 0 l 经对沉积物的地球化学特征以 7 山东大学硕士学位论文 及混合矿物体系的矿物一水界面进行了研究和探讨，冯素萍叫1 等采用透射电镜、 红外光谱、x r a y 粉末衍射光谱、原子吸收光谱等现代技术分析测试复杂河流 底泥沉积物的主要成份、次要成份以及污染物的物种或化学分子形态。 1 1 2 重金属的形态 随着现代社会人口剧增及工农业生产的快速发展，人类生产生活中产生的 大量重金属污染物捧入了水体，其中绝大部分易于由水相通过悬浮物沉降进入沉 积物，造成对沉积物的污染。沉积物中重金属污染物的化学行为和生态效应复杂， 对水体存在潜在危害且难于治理。其物理化学行为如沉淀与溶解、氧化与还原、 吸附与解吸等多具有可逆性，在外界条件发生变化时，沉积物中的重金属可能再 次进入水体，因此其成为对水质具有潜在影响的次生污染源【“ 通常，环境分析仅对环境介质中重金属污染物的总量或总浓度进行测定。 虽可提供沉积物受污染的状况，但大量生物分析与毒理研究表明，特定环境中重 金属元素的生物活性和毒性以及它们在生物体内、生态环境中的迁移转化过程与 其在环境中存在的形态1 2 3 】密切相关。只依靠重金属元素的总量往往很难表征其 污染特性和危害，为了正确对沉积物的重金属污染程度进行评价，还必须分析其 具体的形态。 形态词包含“状态”、“形式”、物种”或“种形”等含意1 2 2 j ，其区别不仅在于 价态，还在于其不同的结合形式，如无机态与有机态、离子态与非离子态等。沉 积物中重金属元素存在的形态较为复杂m ，根据不同地质化学相结合的程度， 其存在形态大体可以分为七种啊：( 1 ) 在沉积物表面存在的可交换离子；( 2 ) 吸 附于沉积物表面；( 3 ) 与铁锰氧化物结合共沉淀；( 4 ) 与硫化物、碳酸盐、磷酸 盐等结合沉淀于沉积物中；( 5 ) 与有机物以各种形式结合；( 6 ) 被二级矿物质包 埋；( 7 ) 结合在原生矿物晶格中。 1 1 3 重金属形态分析 形态分析可以分为化学形态分析与物理形态分析两大类。 1 1 3 1 化学形态分析 化学形态分析包括筛选形态、分组形态、分配形态和个体形态2 3 1 。 0 山东大学硕士学位论文 筛选形态只测定样品中金属元素一种特定的形态，是化学形态分析中最为 简单的，如测定沉积物中c r 6 + 的含量；分组形态是对在不同化合物中以不同形态 和价态存在的某一熏金属元素的测定，如一组化合物中不同形态的铜，包括元素 铜、无机铜、有机铜等的测定；分配形态是对金属元素在互有关联的相或介质中 含量的测定，如对上覆水与表层沉积物中金属含量的测定；个体形态分析是化学 形态分析中最难的，生物体内，金属元素易与多糖、脂类及蛋白质等结合而生成 难挥发的大分子跚、络合物及鳌合物等拉5 l ，如魂物体内的金属硫蛋白，个体形 态分析就是利用各种分离与分级手段来分析这些物质的结构形态 1 1 3 2 物理形态分析 天然水中痕量重金属元素的物理形态一般有两种分类方法如按照其粒径 大小分类，可分为水合金属离子、无机络合物、有机络合物、无机胶体、有机胶 体、颗粒物六类水合金属离子和无机络舍物粒径均为l n m 左右，有机络合物 粒径为2 - 5 r i m ，无机胶体和有机胶体粒径大约为l o - 2 0 0 n m ，颗粒物粒径 4 5 0 h m 也有人根据金属元素的不同结合方式，将其形态分为七类，即游离金属离子，与 有机络合物结合的易变态金属、与有机络合物持久性结合的金属、与无机络合物 结合的易变态金属、与无杌络合物持久性结合的金属、有机物吸附金属以及无机 物吸附金属陶 对沉积物中金属元素的形态分析一般分为三类：第一类是一步提取法测定 沉积物中元素的生物有效态，但由于沉积物是一种非常复杂的混合物，采用一步 提取法不能对金属元素的各种不同形态进行区分；第二类是根据提取剂或操作程 序将沉积物组分分离；第三类是以特定化合物或氧化物分类，如“甲基汞”或“重 铬酸盐”等，这种分类法能够准确区分元素的存在形态。但直接测定较为困难 在实际样品的分析工作中，由于沉积物中重金属元素的成分较为复杂且含量较 少，如对其直接进行分离测定存在一定难度 2 r l ，因此一般采用化学提取法进行， 常见的化学提取法一般分为两类：一步提取法和分级提取法。 1 1 3 2 1 一步提取法 一步提取法的概念是v i e t 提出的，重金属元素在沉积物中与其不同的组分 结合成不同的形式，不同结合形式的重金属元素的溶解能力不同，可以被不同种 9 山东大学硕士学位论文 类和浓度的提取剂提取勰1 。一步提取法简便有效，能得到重金属元素与沉积物特 定组分的结合信息，可用于评价因自然或人为活动而引起的沉积物重金属元素的 释放、沉淀或迁移等行为。 一步提取法最简单的提取剂是水，但水溶态金属元素只是金属元素总有效 态的- - d , 部分，之后提出和发展的一步提取法的提取剂大体可以分为三类 i 以无机盐作为提取剂，这是在文献中使用较为广泛的一类提取剂，如 c a c l 2 、n a n 0 3 、n h l n 0 3 等h o u b a l 2 9 1 汞1n o v o z a m s k y 3 0 1 推荐使用o 0 1mc a c l 2 作为提取剂，因为它与样品有柜似的组成、浓度和p h 值c m p t a 3 1 1 等人采用5 种不同的提取剂以研究c u ，z n 和c d 的生物有效性，发现o 1 mn a n 0 3 提取的 金属元素的量与植物中金属含量有较好的相关性。 以无机或有机酸作为提取剂，如h c i 、h n 0 3 、h 3 p 0 4 以及低分子量有机 酸的混合酸等。低分子量有机酸的混合酸模拟了植物根系分泌的有机酸对重金属 元素的吸收利用情况。张淑贞1 3 2 】等人使用柠檬酸和苹果酸的混合酸作为提取剂评 价土壤中稀土元素的生物有效性。王仲文口3 1 和王维生【蚓等人使用不同的低分子 量有机酸的混合物作为提取剂来预测土壤中重金属和稀土元素的生物可利用性， 目前这方面的研究开展还相对较少 以有机络合物为提取剂来评价重金属元素的生物有效性，如c h 3 c o o h 、 d n ，a 、e d t a 等，其中d t p a 和e d t a 的钠盐和铵盐应用较为广泛，因其可与 重金属离子形成稳定的水溶性络合物。但由于这些提取剂对碳酸盐和铁、铝氧化 物的溶解，它们的应用也受到了一定程度的限制。s a u e r b e c k 3 5 1 等在采用不同提 取剂研究了不同植物对n i 的吸收后发现c a c l 2 和d t p a 可用于评价n i 对植物的 有效性h a q m l 等研究了z n 、c d 、n i 和c u 的生物可利用性，发现c h 3 c o o h 可用于评价c d 和n i 的生物可利用性，c h 3 c o o n h 4 则可以评价z n 的生物有效 性。 m e h l i c h 0 7 1 于1 9 8 2 年提出了m 3 提取剂，其组成是2 m o f lh a t + 0 2 5m o f l n h , n 0 3 + o 0 5 m o p l n h 4 f + 0 0 1 3 m o l l h n 0 3 + 0 0 0 1 m o l l e d t a m 3 提取荆组成 较为复杂，其中试剂分为三组，分别提取不同形态的不同重金属元素，其中2 m o f l h a c k ) 2 5 m o f l n i g n 0 3 组成强缓冲体系，提取交换态的k 、c a 、m g 、n a 、z n 等阳离子：0 0 5 m o f l n i - 1 4 f + 0 0 1 3 m o f lh n 0 3 可提取出与无机磷源相结合的c a 、 1 0 讧东大学硕士学位论文 a l 、f c 等离子：0 0 0 1m o l le d t a 用于提取鳌合态的c u 、z n 、m n 、f e 等 m 3 提取剂可以同时提取多种常量和微量重金属元素，因此可以作为种较为通 用的提取剂 3 8 - 4 6 1 。 一步提取法能用于研究沉积物中重金属元素的生物有效性或与菜一沉积物 组分的结合态，但不能提供更多的关于沉积物中重金属元素化学形态的详细信 息，因此分级提取法得以发展并广泛应用 1 1 3 2 2 分级提取法 沉积物中不同的地球化学组分结合重金属元素后所形成的不同物理化学形 态具有选择性和专一性，因此可使用不同的提取剂，按照结合程度卣弱到强的顺 序，对沉积物中同一重金属元素的不同组分进行分离提取，以测定与沉积物中不 同组分相结合的重金属元素1 8 , 9 代表性的分级提取方法是加拿大学者a t e s s i e l l l o l 等人于1 9 7 9 年提出的，我 们称之为t e s s i e r 形态分析分类法按照这个方法沉积物中金属元素的形态可分 为可交换态、碳酸盐结合态、铁一锰氧化物结合态、有机物( 包括硫化物) 结合 态与不可提取的残渣中的硅酸盐称之为残渣晶格结合态该方法经过较长时间的 研究和严格测试，已被广泛应用于土壤和底泥沉积物重金属的物理形态分析 4 7 - 5 5 1 ，同时也有许多学者提出了改进意见。如k e r s t e n 1 1 l 和f o r t s n e r 在此基础上 予1 9 8 6 年提出了改进的六步提取法，将重金属的形态分为可交换态、碳酸盐结 合态、易可还原态、中等可还原态、氧化态及残渣态；欧盟共同体众多学者在研 究了t e s s i e r 法和其他研究工作中的改进意见后，提出了现在欧盟地区通用的 b c r 多级形态分类法【1 2 1 ，将沉积物中的形态按实验操作定义为水溶态、可交换 态与碳酸盐结合态( h a c 可提取物) 毋1 ) 、可还原态( 铁一锰氧化物结合态b 2 ) 、 可氧化态( 有机物与硫化物结合态b 3 ) 和残渣态。 相比而言【5 删，t e s s i e r 法较细的划分了重金属元素各种不同结合形态的分 布，且该方法经历了较长时间的研究与测试，应用范围较广；k e r s t e n 法更加突 出了可还原态中易可还原态( 主要是m n 还原物) 与中等可还原态的区别，其他形 态的划分与t e s s i e r 法基本相同，但这两种方法测试结果的可比对性较差。针对 这个问题，欧共体标准物质局( c o m m u n i t yb u r e a uo f r e f e r e n c e ，简称b c r ，现已 更名为t h es t a n d a r d s ，m e a s u r e m e n t sa n dt e s t i n gp r o g r a m m e ，s m & t ) 通过一系列 山东大学硕士学位论文 的比对和实验后，于1 9 9 3 年提出了一种三级四步连续提取法，并在欧洲3 5 个实 验室进行了沉积物重金属形态分析的比较实验，取得了较好的可重现性i n , 嘲与 t e s s i e r 法相比，b c r 连续分级提取法将t e s s i e r 分类法中的可交换态和碳酸盐结 合态两项结合为一项，成为h a c 可提取物，其余各形态的分类基本保留不变； 与k e r s t e n 法不同的是，b c r 连续分级提取法提取将可还原态合为一类进行提取， 这些不同充分说明了b c r 连续分级提取法是一种完全基于操作意义上的形态分 类方法，较为符合现代形态分析的理解。另外，b c r 连续分级提取法其余几种 形态的分类虽与t e s s i e r 法相同，但所用的提取剂种类、数量，提取所用的时间 及提取温度等都做了较大的改变【明。 以b c r 连续分级提取法为例，各种不同的连续提取法所包含的形态主要有 以下几个方面： h a c 可提取物( 水溶态、可交换态与碳酸盐结合态) ：沉积物中的水溶态重 金属元素一般含量较少难以检测，因此一般将其并入可交换态之中：可交换态的 重金属元素一般处在粘土矿物或腐殖质等土壤或沉积物的活性成分的交换位上， 能被c a 2 + ，m 矿或者n 矿等阳离子交换下来，常用c a c h 、n h 4 a c 、n a a c 、m g c h 等提取剂进行提取，考虑到c r l 对金属离子的络合效应，s h u m a a 7 0 l 曾用m g ( n 0 3 h 代替m g c h ：碳酸盐结合态的重金属元素一般被吸附在碳酸盐表面或与 碳酸盐以共沉淀的形式存在。 可还原态( 铁一锰氧化物结合态) ：在沉积物中，此形态的重金属元素一般被 铁锰氧化物吸附或被铁锰胶膜包裹。虽然铁锰氧化物对重金属元素的结合能力很 强，但在还原条件下不稳定，易释放出重金属元素，因此提取这部分重金属元素 通常所用的提取剂是n h 2 0 h h c i 。 可氧化态( 有机物与硫化物结合态) ：这种形态的重金属元素或与沉积物中的 有机质如烷烃、脂肪酸、腐殖酸等络合、鳌合，或与硫化矿物结合共沉淀于沉积 物中，只有较强的氧化剂才能将这部分重金属元素释放出来通常用h 2 0 2 、 n a o c i 、n a p 2 0 7 等提取剂提取。目前应用最广泛的方法是在酸性条件下用3 0 h 2 0 2 氧化后用醋酸铵提取。这种方法可以防止重金属离子的再吸附或再沉淀【7 。 残渣态：与沉积物中原生矿物或次生矿物紧密结合的重金属形态，其不能 被以上提取剂所提取。通常采用碱融法或h f 与其他强酸( h n 0 3 、h c l 0 4 ) 的混 山东大学硕士学位论文 合酸作为提取剂进行提取由于碱融法存在些问题，如易引入过量的盐分，给 随后的分析测试带来困难，故现在一般采用混合酸作为残渣态重金属元素的消解 液。 由于分级提取法在沉积物重金属形态分析中具有重要的作用，因此被广泛 应用于地球化学与环境科学等诸多学科的多个研究领域中r 勉鼍其主要应用包 括：研究沉积物中重金属元素的形态及其分布；研究沉积物中重金属元素对上覆 水环境的影响；研究水体条件变化时，沉积物中重金属元素迁移、转化的规律： 研究沉积物中各形态的重金属元素的生物有效性 1 2 沉积物中金属有机结合态与硫化物结合态研究概述 分级提取法中将重金属有机结合态与硫化物结合态统归在一起提取近年 来，随着对沉积物中有机金属化合物与硫化物研究的不断深入开展，人们逐渐认 识到这两类物质具有不同的化学特性与毒理特点，当环境条件发生改变时，这两 类物质对重金属元素的迁移、转化和毒性有着各自不同的影响1 1 3 1 因此在分级提 取法中利用恰当的提取剂并选择适宜的提取条件将这两类物质分离测定对正确 评价沉积物的环境影响及建立新的沉积物重金属质量基准都有非常重要的意义 目前，国内外的研究学者们在这方面开展的工作还相对较少。 1 2 1 有机结合态 重金属有机结合态是指重金属以不同形式进入或包裹在有机质颗粒上同有 机物络合、鳘合或形成有机金属化合物。其主要存在形式有：1 ) 有机络合物、鳌 合物，例如r c o o z n 2 + 、n t a - c d 、( n h 2 c h 2 c o o h c u 等：2 ) 高分子有机物结合 体，例如m e - 腐植酸、m e 一类脂等；3 ) 有机金属化合物，例如c h 3 h g + 、( c h 3 h h g 、 ( c h 3 h g ) 2 0 h 等 沉积物有机质主要为腐殖酸类物质【7 5 ，7 6 l 一胡敏酸、富里酸，是自然界中广 泛存在的生物化学稳定性很高的天然高分子有机物。其表面积巨大，结构复杂， 存在许多重要的络合官能团和鳌合基团7 7 ，硼。其中络合官能团有：羧基( c 0 2 国、 酚羟基h ) 、羰基( 一c - - - - o ) 和氨基( - n h 2 ) ，鳌合基团有：烯醇基( - 0 3 、氨基( - n h 2 ) 、 偶氮基( - n = n - ) 、梭基( - c 0 0 3 、醚基( - o - ) ，羰基( - c = o ) 、磺酸基( - s c h o i - i ) 、磷 酸基( - p o ( o h h ) 、羟基( - o h ) 和氢硫基( - s 壬1 ) 其中络合官能团可提供电子与重金 山东大学硕士学位论文 属元素生成重金属络合物，鳌合基团也有两个以上的给予电子配位体可与重金属 元素生成鳌合物。 腐殖酸与重金属元素形成络合物或鳌合物后，能有效降低部分有毒重金属 元素的可移动性，使之成为生物不易利用的形态，从而减轻有毒重金属对环境的 危害。但腐殖酸对金属的络合或鳌合作用受p h 影响较大，当环境条件的p h 改 变时，重金属元素的形态亦会发生变化。一般来说，腐殖酸与重金属元素的结合 量随p h 的增高而增大原因可能是随着p h 变化，腐殖酸组成分子的团聚和分 散状况发生变化，而腐殖酸各官能团的活性深受其影响。因此，在p h 值较高时， 腐殖酸会形成具有外表面和内表面的海绵结构，使重金属元素可占据的表面积增 大，引起它们在腐殖酸分子上与官能团的结合量增加 富里酸类物质既能溶于酸又能溶于碱，而胡敏酸类物质则只能溶于碱溶液， 所以在选择这两种物质的提取剂时，既要有一定浓度的酸溶液，又要有一定浓度 的碱溶液才能保证提取完全。 在重金属有机结合态中还应特别提出有机金属化合物t 7 9 ，有机金属化合物 是指至少有一个碳原子与一个金属原子之间形成一个共价键，这样金属与氮、氧 或磷生成的金属络合物就不再包含在内。沉积物中有机金属化合物的重要来源是 持久性有害有机金属化合物直接进入水体环境中，如金属锡和汞的化合物f 舯】。 由于菌类和其他环境因素的影响，大多数有机金属化合物具有甲基化的现 象，可以生成易挥发的有机金属代谢物，造成对环境的严重污染有机金属化合 物还可以通过影响生物活性，进而影响人类健康。众所周知，上世纪在日本发生 的水俣病就是由甲基汞造成的。因此，对有机金属化合物的形态分析e l 益引起各 国科学家的重视，而仪器分析技术因其较高的灵敏度和选择性，在沉积物这个复 杂体系中发挥了越来越重要的作用，如江桂斌t s l , s 2 利用气相色谱、原子吸收等仪 器分析方法对沉积物中丁基锡、甲基锗的形态进行了分离测定 1 2 2 金属硫化物 沉积物中的硫化物是硫化细菌以硫酸盐作为电子受体，通过对颗粒性有机碳 ( c h 2 0 ) 。的氧化而形成的。随后，硫化物与由铁的水合氧化物还原而形成并释放 到间隙水中的f e 2 + 生成f e s 9 l ： 2 c h 2 0 十s 0 4 2 - - - * h s 一+ 2 h c 0 3 一+ 盯 1 4 山东大学硕士学位论文 f c 2 + + h s 一一f e s ( i ) + 矿 沉积物中许多二价重金属元素可按下式从硫化铁复合物中取代f e 2 + 生成生 物不可获得的不溶性金属硫化物： m e 2 + + f e s - - * m e s + p 沉积物中重金属硫化物的主要存在形式是a v s ( a c i dv o l a t i l es u l f i d e ) a v s 是操作定义上的概念，是基于底泥酸化，硫抗氧化液( s a o b ) 吸收并测定吸收液 中的硫含量得到的，即a v s 是指在酸性介质条件下，可溶解并放出h 2 s 的沉积 物固相部分现在a v s 已成为研究水环境重金属质量评价的热点，在第2 3 届国 际环境分析化学年会上，a v s 受到了特别的强调 最近的研究表明，沉积物中a v s 的含量对重金属在间隙水与沉积物两相之 间的分配行为有决定性影响田1 在还原性沉积物中，元素硫主要以s 2 - 的形式存 在，绝大多数重金属元素可与s 2 - 形成难溶沉积物，从而使生物难以吸收利用。 当沉积物的e h 上升，s 2 一即被氧化为s q 2 _ ，释放出束缚的重金属离子，间隙水 中溶解态的金属浓度增大；当e h 下降，s o ? 一被还原为s 2 ，又能将间隙水中溶 解态的重金属元素重新固定下来，不为生物所吸收。 1 3 沉积物中重金属生物有效性研究概述 1 3 1 重金属生物有效性 重金属的生物有效性是指重金属对生物产生毒性效应或被生物吸收的性 质，包括毒性和生物可利用性两个方面。这个概念在1 9 7 5 年首次提出，被认为 是在水体环境中污染物在生物传输和生物反应中被利用的程度1 1 5 1 。后来，这个概 念扩展到了土壤、底泥以及大气环境中生物有效性的问题。生物有效性所包涵的 内容非常广泛，在很长一段时间以来，一直没有得到统一的认识，丽基于化学概 念上的生物有效性则是指污染物质如重金属元素是否能被生物吸收以及其潜在 的毒性，其实质在于研究污染物与生物之间的相互关系 生物有效性这个概念将生物体所处的环境与生物体本身有机的联为一体， 影响生物有效性的因素也就十分复杂，涉及到物理、化学、生物学等多个方面 g * o o l ，不仅仅是环境本身对其的影响，还包括生物体自身如重金属在环境中的 形态如何；重金属是如何进入生物体的；重金属在生物体内是如何参与生物体自 山东大学硕士学位论文 身生理变化；重金属的积累和潜在的毒性等等。因此，研究生物有效性的工作也 就十分复杂。 1 3 2 沉积物中重金属元素的生物有效性 沉积物作为水体环境中重金属最主要的蓄积地，直接反映了水体受重金属 污染的严重程度。由于沉积物中重金属化学行为的多样性，其无论是对水体环境 中水生生物还是对用沉积物作为土壤底质的农作物都有十分复杂的生态效应 沉积物中的重金属元素主要通过非直接和直接两种途径对水生生物产生影 响。非直接途径中，沉积物中的重金属元素通过各相之间的动态平衡进入孔隙水 中，孔隙水中的重金属再通过扩散过程进入上覆水，重金属元素中游离分子与简 单络离子可为生物体直接吸收，并在生物体内发生各种生理变化，对水生生物产 生积累和危害。直接途径是指底栖无脊椎动物直接取食沉积物，并通过食物链向