不同有机质含量的土壤中DDT对小麦根系的生物有效性

1、郭丽青等：不同有机质含量的土壤中DDT对小麦根系的生物有效性 137不同有机质含量的土壤中DDT对小麦根系的生物有效性郭丽青，陶澍*北京大学城市与环境学系，地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京 100871摘要：对不同有机质含量的土壤中，分别选用水、正己烷、正己烷/丙酮混合溶剂作为DDT的提取剂，用这3种提取剂逐级连续提取，研究了这3级提取剂所提取的DDT量的差别及其与小麦根吸收的关系。结果表明，有机氯的水提取量随土壤DOC的增加而上升，正己烷提取量随土壤TOC的增加而下降，正己烷/丙酮提取量随土壤TOC的增加而上升。根吸收与水提取量没有确定的关系，但与正己烷提取量具正相关关系，与正己烷/

2、丙酮提取量有负相关关系。关键词：土壤；有机质；DDT；小麦；快速溶剂提取；生物有效性中图分类号：X13 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2003）02-0135-04农业土壤中残留的有机氯农药可能造成生态系统和人体健康的危害。其对植物的生物有效性关系到进入食物的途径和速率。有机氯在土壤中的存在方式与土壤有机质含量的关系通常比它与土壤其他因素如粒径、土壤结构、无机成分更为重要12。一般而言，土壤中有机质越多，有机物被结合得越紧，就越难被生物有效地利用，也越难用化学方法提取出来。生物有效性实验周期一般很长，加上生物个体差异大，实验精度一般较低。因此，用化学提取来模拟生物吸收成为无机污

3、染物的生物有效性研究的重要手段3。近年来，也有研究者开始探讨用化学提取手段模拟有机污染物的生物有效性4。如果能建立这样的模拟手段，就可以为持久性有机污染物的生物有效性研究提供重要途径。土壤中有机污染物的提取方法很多，常用的有索氏提取、超声波提取、超临界提取和微波提取等方法5。快速溶剂提取是最近发展起来的高效提取技术6。本研究的目的即探讨不同的快速溶剂提取对不同有机质含量的土壤中DDT的提取量及其对小麦根系生物有效性的关系。1 材料与方法土壤样品采自北京大学未名湖南面山坡阳坡，取回后置于室内（25 左右）自然风干，过20目筛。称取5份一定量的土样，混匀，浸泡到4种不同浓度的腐殖酸水溶液中。自然风

4、干后，分别浸泡到相等浓度的DDT-丙酮溶液中，最后p, p-DDT浓度达到200 mg/kg。浸泡后的土样置于通风橱内，待丙酮完全挥发后，将土样放置在玻璃缸中，于25 下避光培养35 d，然后取出栽培植物。植物栽培采用根垫法，具体方法见文献7。实验中选用小麦为栽培植物。每个系列3个平行设置，并做空白实验对照。选用水、正己烷、正己烷/丙酮混合溶剂为提取剂。使用的加速溶剂提取仪为DIONEX ASE-300型。用上述3种提取剂连续提取。取5 g土壤样品装入加速溶剂萃取仪的33 ml的萃取池中，并用石英砂填满萃取池。提取温度120 ，压强1500 Pa，预热 min，静态提取 min。用溶剂快速冲洗

5、样品，氮气吹扫收集全部提取液，加上系统清洗液，总计每个样品用溶剂40 ml，耗时22 min。提取液用Florisil层析柱净化，用100 ml 含10%丙酮的正己烷溶液以2滴/s的速度淋洗，用旋转蒸发器浓缩、全部转移，氮吹浓缩。用配有ECD的HP-6890气相色谱仪测定。具体净化、测定条件和质量控制见有关文献8。植物采集后自然风干，搅碎，准确称取样品干质量，全部转移到萃取柱中，用正己烷和丙酮作溶剂（VV = 11），在120 下静态提取10 min。提取液用浓H2SO4磺化除脂，然后再用Florisil层析柱净化。用100 ml含10%丙酮的正己烷溶液以2滴/s的速度淋洗层析柱，淋洗液收集于

6、茄形瓶中，旋转蒸发至微量，氮吹浓缩，气相色谱测定。具体处理方法及气相测定条件见文献9。2.50.3 0.85可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)水提o, p1-DDT水提p, p1-DDT水提p, p1-DDD水提p, p1-DDE0.642.02.52.00.40.2321.51.01.51.01.52.01.50.51.5 2.01.02.01.00.50 02.01.51.00.50100.5 00.50DOC/(mgg-1)DOC/(mgg-1)DOC/(mgg-1)DOC/(mgg-1)1.0000可提取量/(mgk

7、g-1)可提取量/(mgkg-1)804200.5可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)正已烷提o, p1-DDT正已烷提p, p1-DDT正已烷提p, p1-DDD正已烷提p, p1-DDE360151220401050.4DOC/(mgg-1)DOC/(mgg-1)DOC/(mgg-1)DOC/(mgg-1)00.50.52.01.51.00.502.01.01.0002.01.51.0002.01.51.00.50 0.3图1 不同溶剂提取量与土壤DOC的关系实验用丙酮、正己烷试剂均为农药残留级；浓硫酸为分析纯；无水硫酸钠在650 灼烧 h，冷却后储于密闭容器中；氟罗里硅土

8、（80100目，农残级）购自迪马公司，在130 活化6 h，冷却后储于密闭容器内备用。样品混合用的DDT由天津大沽化工厂提供。玻璃器皿用KQ-500B型超声波清洗器清洗后灼烧。2 结果与讨论2.1 有机质对不同溶剂提取效果的影响不同溶剂从不同有机质含量的土壤中提取的各DDT异构体的含量如图1所示。可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)正己烷/丙酮提p, p1-DDE正己烷提o, p1-DDT正己烷提p, p1-DDT正己烷提p

9、, p1-DDD正己烷提p, p1-DDE图2 不同溶剂提取量与TOC的关系TOC/%正己烷/丙酮提o, p1-DDTTOC/%TOC/%正己烷/丙酮提p, p1-DDT正己烷/丙酮提p, p1-DDDTOC/%1871161514604020 0181716151420015010050 01817161514 40302010018171615142.01.51.00.50TOC/%TOC/%18TOC/%TOC/%0.38141817161514321017161514453015 01817161514 106218171615140.420.340.300.464 60从图1结果可以

10、看出，随着土壤中水溶性有机碳（DOC）的增加，所研究的4种DDT异构体的水提取量有不同程度的上升。p, p-DDE系列4的水提取量是系列1的80倍左右，p, p-DDD在7倍左右，p, p-DDT在8倍左右，而o, p-DDT在4倍左右。与水提取量相反，正己烷对各种DDT的提取量随DOC的增加大致呈下降趋势。p, p-DDE系列4的提取量是系列1的100%左右，没有很大变化，p, p-DDD在31%左右，p, p-DDT在23%左右，o, p-DDT在37%左右。这可能与实验中添加的腐殖酸含大量水溶性FA有关，实验中观察到随着腐殖酸添加浓度升高，提取液颜色不断加深，表明土壤中的FA也被大量提出

11、，同时吸附在腐殖酸上的有机氯农药随腐殖酸进入到水溶液中。Chiou等人10在研究中也发现，随着DOC的增加，水溶液中的p, p-DDT, 2, 4, 5, 2, 5-PCB, 2, 4, 4-PCB, 1, 2, 3-trichlorobenzene，林丹的量也线性地上升。实际上，土壤中有机质含量越高，有机物就被结合得越紧，再加上前一级提取效率提高，所以正己烷的提取量呈不断下降的趋势。图2显示，除p, p-DDE外，随着土壤中总有机碳（TOC）的增加，p, p-DDD, p, p-DDT, o, p-DDT的正己烷提取量都呈线性下降。p, p-DDE系列4的提取量是系列1的100%左右，没有发

12、生很大变化，p, p-DDD在31%左右，p, p-DDT在23%左右，o, p-DDT在37%左右。除p, p-DDD随TOC增加而略有下降外，其它3种化合物的正己烷/丙酮提取量均上升。对有机氯而言，水是一种溶解能力很弱的溶剂，正己烷提取能力相对较弱，而正己烷/丙酮则是一种较强的提取剂11。随着土壤有机质含量的增加，DDT与土壤结合越来越紧密，从而不容易被弱提取剂提取出来；提取量下降速度随溶剂不同、化合物不同而不同。由于正己烷是较弱的提取剂，其对DDT的提取能力随TOC的增加而下降得很快。相比之下，正己烷/丙酮混合液的提取能力很强，至少在实验涉及的有机质含量范围没有表现出提取能力下降的趋势。

13、其提取量上升的原因是在连续提取过程中，前两步提取的效率下降导致DDT异构体在土壤中的相对残留量上升。事实上，本实验中3种溶剂提取总量大致不变。2.2 根吸收量与不同溶剂提取量的关系3种提取剂从土壤中提取的DDT量与小麦根吸收量的关系见图3。图中显示，各种化合物的植物根吸收量与水提取量没有确定的关系。实验得到的p, p-DDE和p, p-DDT的土壤总的水提取量远低于植物吸收总量，而p, p-DDD和o, p-DDT的土壤总水提取量仅略高于植物吸收量。这些化合物很低的溶解度导致其在土壤溶液中含量很低。显然，土壤中DDT的植物有效部分除土壤溶液中的溶解态化合物外，弱吸附在土壤固相的部分化合物也能被

14、植物利用。有关研究曾发现土壤中添加树脂的水溶液提取多环芳烃量与微生物吸收量相关1213。这可能与多环芳烃较高的溶解度以及提取液中添加树脂有关。此外，微生物吸收机理和植物根系不同也可能导致这样的差异。物种也是影响生物有效性的一大因素（White, et al., 1997; Kelsey, 1997）。可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(mgkg-1)可提取量/(

15、mgkg-1)水提p, p1-DDE图3 小麦根吸收量与不同溶剂提取量的关系正/丙提o, p1-DDT正/丙提p, p1-DDT正/丙提p, p1-DDD正/丙提p, p1-DDE根吸收/(mgg-1)根吸收/(mgg-1)根吸收/(mgg-1)根吸收/(mgg-1) 200600400204060408012016000.00.40.81.21.62.01020304060402000604020000151050正已烷提o, p1-DDT正已烷提p, p1-DDT根吸收/(mgg-1)根吸收/(mgg-1)123204060根吸收/(mgg-1)正已烷提p, p1-DDD591115120

16、4060根吸收/(mgg-1)正已烷提p, p1-DDE0.320.340.360.380.4015105 6040200400600400200000 水提o, p1-DDT 根吸收/(mgg-1)000.20.40.60.8根吸收/(mgg-1)03.12.21.30.4水提p, p1-DDD 根吸收/(mgg-1)0.20.81.420水提p, p1-DDD根吸收/(mgg-1)0.10.20.3604020060040020006040200 151050 由图中还可看出，各个化合物的根吸收量和正己烷提取量具有正相关关系，可见，在本次实验条件下，土壤中易交换的有机化合物对植物有效性贡献

17、大；各化合物的根吸收量和正己烷/丙酮提取量大致呈负相关关系，说明与土壤结合紧密的那部分有机物对植物的有效性贡献不大。相关系数检验结果见表1和表2。表1结果表明，在0.05的显著性水平下，除p, p-DDE根吸收量和正己烷提取量没有显著相关外，p, p-DDE, p, p-DDD, o, p-DDT均显著相关。表2结果显示，在0.05的显著性水平下，p, p-DDE, p, p-DDD, p, p-DDT, o, p-DDT的根吸收量和正己烷/丙酮提取量均显著相关。从以上这些实验结果可以看出，土壤中易交换有机氯和植物有效部分随土壤有机质同时消长，可见用合适的溶剂提取方法来模拟土壤中有机污染物的生

18、物有效性是可能的。表1 根吸收量与ASE-正己烷提取量的相关系数化合物样本量/nRp, p-DDE120.519p, p-DDD120.775p, p-DDT120.992o, p-DDT120.903临界值=0.553，=0.05表2 根吸收量与ASE-正己烷/丙酮提取量的相关系数化合物样本量/nRp, p-DDE120.910p, p-DDD120.822p, p-DDT120.591o, p-DDT120.713临界值=0.553，=0.053 结论随着土壤中DOC的增加，有机氯DDT的水提取量不断上升。随着TOC含量增加，正己烷提取量不断下降，正己烷/丙酮提取量不断上升，表明有机化合物

19、与土壤的结合强度随土壤有机质含量的增加而增强。在本组实验条件下，有机氯化合物水提取量对生物有效性的贡献不大；正己烷提取量与生物有效性具有正相关关系；正己烷/丙酮提取量与生物有效性具有负相关关系。参考文献：1 BEALL M L, NASH R G. Crop seedling uptake of DDT, dieldrin, endrin, and heptachor from soilsJ. Agron J, 1969, 61: 571-575.2 CORNELISSEN G, VAN NOORT P C M, GROVERS H A J. Desorption kinetics of ch

20、lorobenzenes, polycyclic aromatic hydrocarbons, and polychlorinated biphenyls sediment extraction with tenax and effects of contact time and solute hydrophobicityJ. Environ Toxic Chem, 1997, 16: 1351-1357.3 陈能场, 陈怀满. 重金属元素的根际化学A. 见：陈怀满等著. 土壤-植物系统中的重金属物污染M. 北京: 科学出版社, 1996: 309-333.4 KELSEY J W, KOTT

21、LER B D, ALEXANDER M. Selective chemical extraction to predict bioavailability of soil aged organic chemicalsJ. Environ Sci Technol, 1997, 31(1): 214-217.5 GEVAO B, SEMPLE K T, JONES K C. Bound pesticide residues in soils: a reviewJ. Environ Pollut, 2000, 108: 3-14.6 GAN J, PAPIERNIK S K, KOSKINEN W

22、 C, YATES S R. Evaluation of accelerated solvent extraction (ASE) for analysis of pesticide residues in soilJ. environ Sci Technol, 1999, 33(18): 3249-3253.7 刘芷宇, 李良谟, 施卫明. 根际研究法M. 南京: 江苏科学技术出版社, 1996: 309-314.8 朱雪梅, 郭丽青, 崔艳红, 等. 污灌水稻土有机氯农药残留分析的样品净化J. 环境化学, 2002, 21(2): 177-182.9 樊德方. 农药残留量分析与检测M. 上

23、海: 上海科学技术出版社, 1982: 138-155.10 CHIOU C T, MALCOLM R M, et al. Water solubility enhancement of some organic pollutants and pesticides by dissolved humic and fulvic acidsJ. Environ Sci Technol, 1986, 20(5): 502-508.11 程能林, 胡声闻. 溶剂手册M. 北京: 化学工业出版社, 1986.12 CORNELISSEN G, VAN NOORT P C M, GROVERS H A J.

24、 Mechanism of slow desorption of organic compounds from sediments: a study using model sorbentsJ. Environ Sci Technol, 1998, 32: 3124-3131.13 REID B J, JONES K C, SEMPLE K T. Can bioavailability if PAHs be assessed by a chemical means?A. In: LEESON A, ALLERMAN B, eds. Proceedings for the Fifth in situ and on-site Bioremediation International SympsiumC. Columbia, OH: Battelle Press, 1999, 8: 253-258. Bioavailability of DDT in soils with various organic matter level to wheat rootsGUO Li-qing, TAO ShuDepartment of Urban and Environmental Sciences, Pe