張春蘭，張嘉琪?，趙玉杰，宋志廷,王曉麗（.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384；.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 3009）

利用DGT實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬根系吸收土壤重金屬

張春蘭1，張嘉琪1?，趙玉杰2，宋志廷2,王曉麗1
（1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

為了研究植物根系對(duì)土壤重金屬吸收的動(dòng)態(tài)情況，并進(jìn)一步評(píng)估土壤中的重金屬濃度，運(yùn)用DGT擴(kuò)散膜和電化學(xué)工作站結(jié)合的方式，對(duì)10、100μ g· L-1的Cd2+溶液進(jìn)行模擬植物根系吸收重金屬試驗(yàn)。當(dāng)土壤中重金屬Cd2+濃度大于等于100μ g· L-1時(shí)，選擇差分脈沖伏安法監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)擴(kuò)散；當(dāng)濃度小于100μ g·L-時(shí)，選擇線性掃描伏安法監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)擴(kuò)散。結(jié)果表明，這種方式不僅能真實(shí)地模擬植物根系的動(dòng)態(tài)吸收情況，而且實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果真實(shí)可靠，相比先取溶液再測(cè)定的方法具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、靈敏度高、誤差小等優(yōu)勢(shì)。

土壤；梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)（DGT）；擴(kuò)散膜；重金屬；電化學(xué)工作站

X833

A

作為人類的食物及各種營(yíng)養(yǎng)元素的主要來源之一，農(nóng)作物的安全和質(zhì)量與人們的生活、健康息息相關(guān)。隨著工業(yè)與科技的發(fā)展，重金屬污染對(duì)農(nóng)作物的影響越來越明顯。重金屬不僅在生態(tài)鏈中具有極大的危害，且具有累積效應(yīng)。隨著各部門對(duì)農(nóng)作物中重金屬的重視程度越來越高，對(duì)農(nóng)田中重金屬的檢測(cè)要求也越來越高。

對(duì)土壤重金屬進(jìn)行有效態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)量比較困難，在大部分研究中，土壤中的有效態(tài)（Labile Species）是通過對(duì)采集來的土壤樣品進(jìn)行金屬形態(tài)分析而獲得［1］。實(shí)際上，土壤環(huán)境是個(gè)包含化學(xué)、物理和生物的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，任何土壤顆粒物和溶液間的平衡極易受所處環(huán)境條件影響，從而導(dǎo)致采樣過程和提取過程中金屬形態(tài)發(fā)生變化。梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)（Thetechnique of diffusive gradients in thinfilms，DGT）是一種用于提取水體、底泥和土壤中重金屬生物有效態(tài)的技術(shù)［2］，它引入了一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，是基于菲克（Fick）擴(kuò)散第一定律，通過模擬植物或者其他生物對(duì)重金屬的吸收過程進(jìn)行重金屬生物有效性的研究。DGT主要由擴(kuò)散膜、結(jié)合膜和支撐固定膜材料的外套組成［3］，其中，擴(kuò)散膜為介質(zhì)中的離子態(tài)金屬和有機(jī)結(jié)合易解離態(tài)金屬提供擴(kuò)散及解離通道。這兩種重金屬形態(tài)也是植物可吸收的主要形式［4-6］，其提取的重金屬活性部分與植物、動(dòng)物吸收的重金屬含量存在較好的相關(guān)性，是現(xiàn)在公認(rèn)的提取重金屬生物有效態(tài)較合理的方法［4，7-10］。林繁等［11］采用的是先擴(kuò)散再定時(shí)采樣測(cè)量的方法，這種將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過制樣、上機(jī)檢測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)輸出等過程的方式獲得的重金屬檢測(cè)量不能真實(shí)反映重金屬對(duì)農(nóng)作物的危害情況，無法直接用于指導(dǎo)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)。

電化學(xué)法是近幾年發(fā)展較快的一種快速檢測(cè)重金屬的方法。該方法不僅操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、檢出限低，且可快速測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)中重金屬。本文在電化學(xué)法的基礎(chǔ)上，通過基于LabVIEW自主研發(fā)的重 金屬分析儀工作站［12］，主要利用差分脈沖伏安法和陽極溶出伏安法檢測(cè)重金屬，通過一體化裝置檢測(cè)擴(kuò)散膜模擬植物根系吸收土壤重金屬離子，從而可以很好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地重金屬的檢測(cè)及安全評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

重金屬分析儀（LabCHEM-10M，自主研發(fā)），AM3250B恒溫磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司），三電極系統(tǒng)（工作電極、參比電極、輔電極），丙烯酰胺（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），DGT凝膠交聯(lián)劑（濃度為2%，購自DGT ResearchLtd.，Lancaster，UK），Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000.00μg·mL-1，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心），Hg標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000.00μg·mL-1，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心），醋酸-醋酸鈉緩沖液（0.1mol·L-1，pH 4.0），實(shí)驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級(jí)純，實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 玻碳電極預(yù)處理

將玻碳電極進(jìn)行預(yù)處理后把三電極系統(tǒng)放入50mg·L-1汞離子溶液中，在-1～1V電位區(qū)間內(nèi)進(jìn)行循環(huán)伏安掃描活化處理，至循環(huán)穩(wěn)定后于-0.6V電位下沉積240s，在玻碳電極表面鍍上一層質(zhì)地均勻的銀灰色汞膜備用。

1.3 擴(kuò)散膜的制備

擴(kuò)散膜的制備方法：移取15mL DGT凝膠交聯(lián)劑，15g丙烯酰胺，用超純配制得丙烯酰胺溶液100mL。取10mL上述溶液放入100mL燒杯中，加入70μL 10%過硫酸銨引發(fā)劑，25μLN，N，N，N-四甲基乙二胺（TEMED）作為催化劑攪拌。將混合溶液倒入兩塊一定間隙光滑的玻璃夾板中。將玻璃夾板在42～46℃條件下靜置反應(yīng)1h，待凝膠形成后，立即放入超純水中水化，24h內(nèi)換4次水。水化完全后的擴(kuò)散膜低溫儲(chǔ)存在0.1mol·L-1NaNO3溶液中。實(shí)驗(yàn)所用擴(kuò)散膜厚度為0.8mm。

1.4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)擴(kuò)散裝置

自動(dòng)監(jiān)測(cè)擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由兩個(gè)127mL的有機(jī)玻璃容器組成，原液室A，待測(cè)室B，容器A的左側(cè)面和容器B的右側(cè)面中央均有直徑為2.0cm的圓形開口。準(zhǔn)備兩張適宜尺寸的硅膠板，上面打上均勻的透過孔，然后將相同尺寸的擴(kuò)散膜夾在兩張硅膠片中間，作為一個(gè)整體夾在A、B兩室之間，通過螺母、螺絲固定，A、B兩室上面都有對(duì)應(yīng)的上蓋，上蓋上有三個(gè)螺紋孔，以便讓三電極插入溶液中并固定，通過電化學(xué)工作站測(cè)定B室溶液里重金屬的濃度。擴(kuò)散膜能是模擬植物根系吸收重金屬情況，所以該裝置完全能模擬植物根系的動(dòng)態(tài)吸收。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重金屬鎘（Cd2+）的擴(kuò)散

目前，對(duì)農(nóng)田土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，從單項(xiàng)污染指數(shù)來看，土壤中的鎘達(dá)到重度污染水平［13］，且受污染的農(nóng)田面積較大，土壤中重金屬鎘的含量可以達(dá)2.34mg·Kg-1［14］。同時(shí)考慮土壤環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)值鎘的背景值0.2mg·Kg-1，所以自然界土壤中的Cd2+濃度范圍為1～300μg·L-1。本實(shí)驗(yàn)選擇100、10μg·L-1兩個(gè)濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。A、B兩室同時(shí)加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸緩沖溶液，然后于A室中單獨(dú)加入Cd2+，使A室中Cd2+的濃度分別為100、10μg·L-1，同時(shí)開啟電化學(xué)工作站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)B室中Cd2+的濃度。

1.6 平行樣的測(cè)定統(tǒng)計(jì)分析

圖2 B室Cd2+濃度隨時(shí)間的變化曲線（100μg·L-1）

取四川某地土壤進(jìn)行消解處理后，對(duì)土壤樣品進(jìn)行分析，將樣品溶液分成10組平行樣，5組用ICPMS測(cè)定其中的重金屬Cd2+離子的濃度，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)參照，另外5組用自主開發(fā)的電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)定，比較其中重金屬Cd2+的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1.1 100μg·L-1Cd2+樣品的擴(kuò)散

將備用的鍍上汞膜的工作電極、參比電極、對(duì)電極連入裝置，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：-1V電位下沉積240s，差分脈沖伏安法在-1～0V的電位下進(jìn)行掃描，并于0V電位下清洗，實(shí)驗(yàn)循環(huán)6h。A、B兩室同時(shí)加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸緩沖溶液，然后向A室加入100μg·L-1Cd2+樣品，開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擴(kuò)散到B室的重金屬濃度，做出B中Cd2+濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖2。

當(dāng)兩室溶液濃度平衡后，分別取A、B溶液測(cè)平衡時(shí)溶液100mL，用標(biāo)準(zhǔn)加入法分別求出溶液中B室平衡時(shí)，Cd2+為19.634μg·L-1；A室平衡時(shí)，Cd2+為13.860 6μg·L-1，然后，根據(jù)擴(kuò)散系數(shù)D（cm2·s-1）用式（1）計(jì)算［15，16］。

式（1）中：A為擴(kuò)散池圓形開口面積（12.57），cm2；Δg為擴(kuò)散膜或透析膜的厚度，擴(kuò)散膜的厚度為0.08mm；slope是每分鐘原溶液中鎘擴(kuò)散到受體溶液的質(zhì)量，以μg·min-1計(jì)；C為原溶液濃度，以μg·L-1計(jì)；60是時(shí)間從分轉(zhuǎn)化為秒的系數(shù)，得出當(dāng)原溶液濃度為100μg·L-1時(shí)，其擴(kuò)散系數(shù)如圖3所示。

圖3 Cd2+隨時(shí)間的擴(kuò)散系數(shù)變化（100μg·L-1）

通過上圖分析可以發(fā)現(xiàn)，由于開始A、B兩室重金屬Cd2+的濃度差較大，考慮到通過擴(kuò)散膜的時(shí)間，其擴(kuò)散速率是先增加達(dá)到最高值后，逐漸減少至兩室濃度分別平衡。

圖4 B室Cd2+濃度隨時(shí)間的變化曲線（10μg·L-1）

2.1.2 10μg·L-1Cd2+的擴(kuò)散

將備用的鍍上汞膜的工作電極、參比電極、對(duì)電極裝入裝置，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置在-1V電位下沉積480s，用線性掃描伏安法在-1～-0.4V的電位下進(jìn)行掃描，在0V電位下清洗，實(shí)驗(yàn)循環(huán)20h。A、B兩室同時(shí)加入100mL 0.1mol·L-1pH=4.0的醋酸緩沖溶液，然后向A室加入10μg·L-1Cd2+樣品，開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)擴(kuò)散到B室的重金屬濃度，做出B室中Cd2+濃度隨時(shí)間的變化曲線如下圖4。

當(dāng)兩室溶液濃度平衡后，分別取A、B溶液測(cè)平衡時(shí)溶液100mL，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法求出B室平衡時(shí)，Cd2+為1.857μg·L-1；A室平衡 時(shí)，Cd2+為7.906μg·L-1，帶入上述擴(kuò)散系數(shù)D（cm2·s-1）用式（1）計(jì)算，求出當(dāng)原液濃度為10μg·L-1時(shí)，溶液中Cd2+離子 的擴(kuò)散系數(shù)如下圖5。

圖5 Cd2+隨時(shí)間的擴(kuò)散系數(shù)變化（10μg·L-1）

通過圖5分析可知，由于擴(kuò)散膜本身的性質(zhì)及濃度梯度差的影響，開始A、B兩室重金屬Cd2+有一定的濃度差，隨著Cd2+不停擴(kuò)散，其擴(kuò)散速率不斷減少，直至兩室濃度分別平衡，所需時(shí)間較長(zhǎng)。

通過上述實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)原液濃度不同時(shí)，由于擴(kuò)散本身濃度差和擴(kuò)散膜的影響，溶液里的重金屬擴(kuò)散速率變化不同，原液重金屬離子濃度越高，植物根系吸收的速率越快，且不同濃度的溶液所采取的監(jiān)測(cè)濃度的方法是不同的。因此，在應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)濃度的實(shí)時(shí)測(cè)定時(shí)，應(yīng)根據(jù)農(nóng)田中土壤重金屬的大概濃度，選擇合適的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法。通過上述裝置和方法不僅可以成功模擬植物根系吸收重金屬的動(dòng)態(tài)情況，還可以計(jì)算出隨著時(shí)間的累積，根系從土壤中吸收的重金屬質(zhì)量，從而進(jìn)一步估算出農(nóng)產(chǎn)品所在土壤的重金屬是否超標(biāo)，方便快速安全評(píng)價(jià)分析。

2.2 測(cè)定誤差分析

取四川某地土壤，消解后分成10組平行樣，5組用ICP-MS測(cè)定其中的重金屬Cd2+離子濃度，并以此作為標(biāo)準(zhǔn)參照，另外5組用自主開發(fā)的電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)定，比較其中重金屬Cd2+的濃度（見表1）。

表1 平行樣品中Cd2+濃度（n=5）

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，本LabCHEM-10M電化學(xué)工作站所測(cè)得的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，靈敏度較高，且電化學(xué)工作體積小，是一種便攜式儀器，方便對(duì)農(nóng)田中土壤的重金屬進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)比100、10μg·L-1Cd2+的擴(kuò)散可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度較高時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用差分脈沖伏安法，重金屬離子通過擴(kuò)散膜達(dá)到平衡的時(shí)間較短；當(dāng)濃度較低時(shí)，采用線性掃描伏安法，此時(shí)，重金屬透過擴(kuò)散膜達(dá)到平衡所用的時(shí)間較長(zhǎng)。無論是高濃度還是低濃度離子，通過擴(kuò)散膜的濃度在一段時(shí)間內(nèi)都成線性增長(zhǎng)。

（2）同樣的擴(kuò)散膜，重金屬濃度不同時(shí)，離子的擴(kuò)散系數(shù)不一樣，濃度高時(shí)，離子擴(kuò)散系數(shù)高；濃度低時(shí)，離子的擴(kuò)散系數(shù)較低，但在同一次擴(kuò)散中，擴(kuò)散系數(shù)都是逐漸降低的，且成線性降低。

（3）通過本裝置可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通過擴(kuò)散膜的重金屬的濃度，這種方法可以避免采用取樣后在測(cè)濃度中帶來的誤差。實(shí)驗(yàn)初步形成以“安全信息快速采集、檢測(cè)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)傳輸”主為體的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全支持硬件體系模型。雖然該裝置只是模擬植物根系吸收重金屬，但這種裝置便攜性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)精確度較高，有望用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

[1] Holm P E, Christensen T H, Tjell J C, et al. Speciation of Cadmium and Zinc with Application to Soil Solutions [J]. Journal of Environmental Quality,1995(1):183-190.

[2] Harper M P,Davison W,Zhang H,et al.Kinetics of Metal Exchange between Solids and Solutionsin Sediments and Soils Interpreted from DGT Mesured Fluxes-modelling the Interplay of Sediment and Reaction [J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1998(16):2757-2770.

[3] 羅軍,王曉蓉,張昊,等.梯度擴(kuò)散薄膜技術(shù)（DGT）的理論及其在環(huán)境中的應(yīng)用I：工作原理、特性與在土壤中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011(2):205-213.

[4] Williams P N, Zhang H, Davison W, et al.Evaluation of in Situ DGT Measurements for Predicting the Concentration of Cd in Chinese Field Cultivated rice:Impact of soil Cd∶ Zn ratios[J].Environmental Science& Technology,2012(15):8009-8016

[5] 宋寧寧,王芳麗,趙玉杰,等.基于梯度薄膜擴(kuò)散技術(shù)評(píng)估黑麥草吸收Cd 的研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)報(bào),2012(10):1826-1831.

[6] 王芳麗,宋寧寧,王瑞剛,等.土壤-甘蔗作物系統(tǒng)中鎘的生物有效性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012(5):904-912.

[7] Yin H B, Cai Y J, Duan H T, et al. Use of DGT and Conventional Methods to Predict Sediment Metal Bioavailability to a Field Inhabitant Freshwater snail（Bellamya aeruginosa）from Chinese eEutrophic Lakes[J].Journal of Hazardous Materials,2014(264):184-194.

[8] Bade R, Oh S, Shin W S. Diffusive Gradients in thin Films（DGT）for the Prediction of Bioavailability of Heavy Metals in Contaminated Soils Toearthworm（Eisenia foetida）and Oral Bioavailable Concentrations [J]. Science of the Total Environment,2012(416):127-136.

[9] Clarisse O, Lotufo G R, Hintelmann H, et al. Biomonitoring and Assessment of Monomethylmercury Exposure in Aqueous Systems Using the DGT Technique[J].Science of the Total Environment,2012(416):449-454.

[10] Mundus S, Lombi E, Holm P E, et al. Assessing the Plant Availability of Manganese in Soils using Diffusive Gradients in Thin films（DGT）[J].Geoderma,2012(183):92-99.

[11] 林繁,趙玉杰,鄧仕槐,等.透析膜和凝膠膜生物有效態(tài)鎘提取性能比較[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014(8):1546-1552.

[12] 胡發(fā)志.工作場(chǎng)所中重金屬檢測(cè)及其危害的研究[D].天津:天津理工大學(xué),2014.

[13] 陳京都,戴其根.江蘇省典型區(qū)農(nóng)田土壤及小麥中重金屬含量與評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012(11):3487-3496.

[14] 謝建治,劉樹慶.保定市郊土壤重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查及其評(píng)價(jià)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)報(bào),2002(1):38-41.

[15] Scally S, Davison W, Zhang H. In Situ Measurements of Dissociation Kinetics and Labilities of Metal Complexes in Solution Using DGT[J]. Environmental Science & Technology, 2003(7):1379-1384.

[16] Scally S, Davison W, Zhang H. Diffusion Coefficients of Metals and Metal Complexes in Hydrogels Used in Diffusive Gradients in Thin Films[J].Analytica Chemical Acta,2006(1-2):222-229.

Real-time Monitoring Simulation Absorption of Heavy Metals in Soil Root DGT

ZHANG Chun-lan1, ZHANG Jia-qi1?, ZHAO Yu-jie2, SONG Zhi-ting2, WANG Xiao-li1
College of Environmental Science and Safety Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384; 2.Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191)

In order to develop the dynamic of the plant root system absorption of heavy metals and make the further evaluation in the soil, using the method of the combination of electrochemical workstation and DGT diffusion membranes do experiment on the Cd2+concentration of 10、100μ g· L-1. According to the different concentration of Cd2 +in soil, through the analysis it concluded that the differential pulse voltammetry is suitable for the concentration of Cd2 +exceeded 100μ g· L-1, the linear sweep voltammetry is suitable for the concentration of Cd2 +under 100μ g· L-1. The experiment result is accurately, compared to other methods for applying the solution first, then monitoring, the main advantage of this method is real-time monitoring, high sensitivity and small errors.

Soil; Diffusive gradients in thin-films (DGT); Diffusion membrane; Heavy metals; Electrochemical workstation

2096-0387（2015）01-0012-04

簡(jiǎn)介：張嘉琪（1962-），男，天津人，教授。

張春蘭（1982-），女，天津人，研究生，工程師，研究方向：環(huán)境工程。