何 坤，謝忠雷，高傳宇，靳 前，王國平

(1. 吉林大學(xué) 新能源與環(huán)境學(xué)院，長春130012；2. 中國科學(xué)院 濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春130102;3.吉林大學(xué) 植物科學(xué)學(xué)院，長春130062)

多環(huán)芳烴(PAHs)是由兩個及兩個以上的苯環(huán)稠化并以線狀、 角狀或簇狀等方式排列而成，僅含碳和氫的持久性有機(jī)污染物, 因其在環(huán)境中廣泛存在, 并具有致畸、 致癌和致突變等特點(diǎn)而備受人們關(guān)注[1-3]. 多環(huán)芳烴廣泛存在于水體、 大氣和土壤中, 是環(huán)境中化合物種類最多且分布最廣的一類有機(jī)污染物. 多環(huán)芳烴的來源包括自然源和人為源: 自然源主要是火山噴發(fā)、 森林火災(zāi)和生物合成等; 人為源主要是煤、 石油等燃料的不完全燃燒以及交通運(yùn)輸排放[4-5]等. 土壤中的多環(huán)芳烴主要來源于大氣多環(huán)芳烴的干濕沉降和含有多環(huán)芳烴的污水灌溉[6], 土壤中遠(yuǎn)高于其他環(huán)境介質(zhì)中多環(huán)芳烴的含量[7]. 土壤中的多環(huán)芳烴可能會脅迫和抑制植物生長, 使動物群落結(jié)構(gòu)改變[8], 也可能在土壤微生物作用下產(chǎn)生毒性更強(qiáng)的物質(zhì)[9], 可見多環(huán)芳烴可直接或以食物鏈傳遞的方式對人體健康產(chǎn)生潛在危害[10]. 因此, 準(zhǔn)確測定土壤中多環(huán)芳烴的含量及判斷土壤多環(huán)芳烴的來源, 對正確評價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量具有重要意義. 土壤中多環(huán)芳烴測定的前處理過程包括土樣干燥、 提取和凈化[11-12]. 由于不同環(huán)數(shù)的多環(huán)芳烴具有不同程度的揮發(fā)性[11], 不同干燥方式可導(dǎo)致土壤中多環(huán)芳烴的不同程度損失, 因此, 不同干燥方式將直接影響土壤中多環(huán)芳烴含量測定的準(zhǔn)確性. 文獻(xiàn)[13]對多環(huán)芳烴的提取和凈化提供了幾種推薦方法, 但未對土壤樣品的干燥方式提出明確規(guī)定. Beriro等[14]用烘干、 自然風(fēng)干和冷凍干燥對采自煤氣廠附近的土壤干燥處理后，測定其中多環(huán)芳烴含量, 結(jié)果表明，自然風(fēng)干和冷凍干燥可減少低環(huán)多環(huán)芳烴的損失； Belkessam等[11]研究表明，多環(huán)芳烴中的萘極易揮發(fā), 在干燥過程中無法判斷哪種方式能減小該誤差. 目前, 對土壤中多環(huán)芳烴的提取均使用干樣, 一般通過冷凍干燥(凍干)或風(fēng)干方式獲得土壤干樣[15-17]. 凍干效率高, 風(fēng)干處理方便快捷. 由于多環(huán)芳烴可被土壤有機(jī)質(zhì)強(qiáng)烈吸附[18], 因此土壤有機(jī)質(zhì)對土壤干燥過程中多環(huán)芳烴的揮發(fā)損失影響較大[19]. 煤和石油等燃料燃燒產(chǎn)生PAHs標(biāo)志化合物的含量不同： 石油源主要產(chǎn)生低相對分子質(zhì)量PAHs, 煤炭源主要產(chǎn)生高相對分子質(zhì)量PAHs. 由于PAHs同分異構(gòu)體具有相似的理化性質(zhì)和環(huán)境行為, 其相對含量受外界影響較小, 因此, 可用PAHs同分異構(gòu)體比值區(qū)別PAHs的石油源和煤炭源[20-21].

基于回收率可表示多環(huán)芳烴含量的測定準(zhǔn)確度, 同分異構(gòu)體比值可判斷多環(huán)芳烴不同來源, 本文以回收率和同分異構(gòu)體比值為評價(jià)指標(biāo), 選用有機(jī)質(zhì)含量差異顯著的兩種類型土壤(泥炭土和農(nóng)田土)以及目前常用的兩種土壤干燥方式(凍干和風(fēng)干), 通過向土壤中添加不同含量的外源多環(huán)芳烴(內(nèi)含16種單體, 以模擬不同的土壤污染水平), 測定兩種干燥方式下土壤多環(huán)芳烴的含量, 分析不同干燥方式對土壤中多環(huán)芳烴回收率和同分異構(gòu)體比值的影響, 以明確不同干燥方式下土壤中多環(huán)芳烴測定準(zhǔn)確度和來源判斷差異, 為土壤多環(huán)芳烴測定選擇合適的土壤干燥方式提供參考.

1 材料與方法

1.1 土壤樣品的采集及制備

泥炭土采自黑龍江省大興安嶺地區(qū)北部(51°37′12″N, 124°14′24″E), 海拔高度為550 m, 年平均溫度為-2.8 ℃, 年平均降水量為518 mm，pH=4.70，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.00%; 農(nóng)田土采自吉林省某鎳礦區(qū)農(nóng)田(42°51′～43°16′N, 126°04′～127°24′E), 土壤類型為暗棕壤，pH=6.60，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.79%.

將兩種土樣自然風(fēng)干, 研磨過20目篩, 每種土壤各取5份, 分別加入不同量的多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)攪拌均勻(多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)購于北京壇墨質(zhì)檢科技有限公司, 內(nèi)含16種多環(huán)芳烴單體, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同), 使土壤中多環(huán)芳烴的質(zhì)量比分別為0.2，0.4，0.8，1.0，2.0 μg/g. 以未加外源多環(huán)芳烴的土壤為對照. 根據(jù)土壤干燥處理前的含水率狀況, 分別向泥炭土和農(nóng)田土中加入不同量的去離子水, 攪拌均勻, 模擬土壤的濕潤狀態(tài).

1.2 干燥方法

將上述已制備的土壤分為兩組： 一組置于室內(nèi)自然風(fēng)干; 另一組置于真空冷凍干燥儀(BT85B型, 美國Millrock科技公司)中凍干, 凍干溫度為-85 ℃. 待土壤完全干燥, 研磨過100目篩.

1.3 提取方法

取凍干和風(fēng)干土壤各1.00 g置于錐形瓶中, 加入1.00 g無水硫酸鈉, 以10 mLV(二氯甲烷)∶V(丙酮)=1的混合溶劑為提取劑, 置于超聲清洗儀(SB-5200DT型, 寧波新芝生物科技股份公司)中進(jìn)行輔助加速提取20 min, 將提取后的溶液轉(zhuǎn)移至離心管中, 以2 500 r/min離心5 min, 將上清液轉(zhuǎn)移至50 mL玻璃試管中, 重復(fù)上述步驟2次, 合并提取液, 用氮?dú)獯蹈蓛x(N-EVAP112型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)將提取液濃縮至2.00 mL, 加入4.00 mL環(huán)己烷進(jìn)行溶劑置換, 繼續(xù)用氮?dú)獯蹈蓛x濃縮至2.00 mL, 待凈化.

1.4 凈化方法

先在直徑為10 mm的玻璃層析柱底部依次加入脫脂棉、 2.00 g無水硫酸鈉、 10.00 g硅膠和3.00 g無水硫酸鈉, 再將層析柱自下而上敲實(shí). 用40.00 mL戊烷淋洗已制備的層析柱, 棄去淋洗液, 在上端無水硫酸鈉層暴露于空氣前關(guān)閉層析柱活塞, 將2.00 mL濃縮提取液加入層析柱, 盛裝濃縮液的玻璃試管用2.00 mL環(huán)己烷沖洗3次, 將3次沖洗液全部移入層析柱, 打開活塞. 緩慢加入25.00 mL戊烷淋洗, 淋洗后棄去淋洗液. 再用25.00 mLV(二氯甲烷)∶V(戊烷)=1的淋洗液洗脫, 收集全部洗脫液. 用氮?dú)獯蹈蓛x將洗脫液濃縮至1.00 mL, 加入2.00 mL正己烷進(jìn)行溶劑置換, 再用氮?dú)獯蹈蓛x定量濃縮至1.00 mL.

1.5 儀器及工作條件

1.5.1 測試內(nèi)容

1.5.2 工作條件

DB-5ms型熔融的石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm，美國安捷倫科技公司), 離子源溫度設(shè)置為250 ℃, 電離能量為70 eV, 載氣使用氦氣, 流速為1.5 mL/min.

1.5.3 測試條件

進(jìn)樣口溫度為320 ℃, 柱起始溫度為50 ℃, 持續(xù)1 min, 先以25 ℃/min持續(xù)升溫至200 ℃, 持續(xù)1 min, 再以10 ℃/min升溫至280 ℃, 持續(xù)30 min.

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

回收率計(jì)算方法:

(1)

3種同分異構(gòu)體比值計(jì)算方法：

(2)

(3)

(4)

所有數(shù)據(jù)均為3個平行樣測定結(jié)果扣除對照后所得的平均值. 用Origin 2018軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖, 用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種干燥方式對土壤中多環(huán)芳烴總量回收率的影響

圖1為不同干燥方式下兩種土壤中外源多環(huán)芳烴的總量回收率. 由圖1可見, 兩種干燥方式對兩種土壤多環(huán)芳烴回收率影響程度不同. 對于泥炭土： 添加不同量多環(huán)芳烴, 風(fēng)干處理均高于凍干處理的回收率, 但差異不顯著； 隨著多環(huán)芳烴添加量的增加, 同一種干燥方式下多環(huán)芳烴的回收率均呈先降低后增大的趨勢. 對于農(nóng)田土： 凍干處理高于風(fēng)干處理后土壤中多環(huán)芳烴總量回收率, 且在不同添加量下兩種干燥方式差異顯著； 隨著多環(huán)芳烴添加量的增加, 凍干處理組的多環(huán)芳烴回收率呈波動趨勢, 風(fēng)干處理組的多環(huán)芳烴回收率呈降低趨勢. 因此, 在凍干處理下，當(dāng)多環(huán)芳烴添加量較低時(shí)，農(nóng)田土高于泥炭土的多環(huán)芳烴回收率, 隨著多環(huán)芳烴添加量的增加, 泥炭土高于農(nóng)田土的多環(huán)芳烴回收率; 在風(fēng)干處理下, 不同多環(huán)芳烴添加量下泥炭土均高于農(nóng)田土的多環(huán)芳烴回收率.

圖1 不同干燥方式下兩種土壤中外源多環(huán)芳烴的總量回收率Fig.1 Total recovery rate of exogenous PAHs in two kinds of soil under different drying methods

不同干燥處理方式下兩種土壤中外源多環(huán)芳烴的回收率差異可能與土壤有機(jī)質(zhì)含量不同有關(guān). 疏水性有機(jī)化合物多環(huán)芳烴易在有機(jī)質(zhì)含量高的土壤中被吸附固定[22], 且土壤中多環(huán)芳烴的吸附固定能力與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)[23-24]. 本文所用泥炭土有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.00%, 遠(yuǎn)高于農(nóng)田土有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.79%, 由于泥炭土遠(yuǎn)大于農(nóng)田土對外源多環(huán)芳烴的吸附固定能力, 因此, 經(jīng)凍干和風(fēng)干處理后, 泥炭土中多環(huán)芳烴的損失小、 回收率高，農(nóng)田土中多環(huán)芳烴的損失大、 回收率低.

2.2 兩種干燥方式對土壤中多環(huán)芳烴單體回收率的影響

圖2和圖3分別為泥炭土和農(nóng)田土經(jīng)干燥處理后多環(huán)芳烴的單體回收率. 由圖2可見, 在不同多環(huán)芳烴添加量下, 對泥炭土中的低環(huán)單體多環(huán)芳烴(如萘、 苊、 蒽和芴), 風(fēng)干處理均高于凍干處理的單體回收率, 且在低添加量時(shí)兩種干燥方式間差異顯著. 對高環(huán)多環(huán)芳烴, 凍干處理高于風(fēng)干處理的回收率, 在高添加量時(shí)兩種干燥方式差異顯著. 在多環(huán)芳烴的5個不同添加量下, 萘的兩種干燥方式回收率均較低. 當(dāng)外源多環(huán)芳烴單體添加量為0.8 μg/g, 干燥方式為冷凍干燥時(shí)，萘的回收率最低, 為(26.83±4.75)%. 可見，在16種多環(huán)芳烴單體中, 萘的損失最顯著.

圖2 不同干燥方式下泥炭土中外源多環(huán)芳烴的單體回收率Fig.2 Monomer recovery rate of exogenous PAHs in peat soil under different drying methods

圖3 不同干燥方式下農(nóng)田土中外源多環(huán)芳烴的單體回收率Fig.3 Monomer recovery rate of exogenous PAHs in farmland soil under different drying methods

由圖3可見, 農(nóng)田土與泥炭土中單體多環(huán)芳烴回收率的變化趨勢不同, 在不同多環(huán)芳烴添加量下, 農(nóng)田土凍干處理均高于風(fēng)干處理的單體回收率, 但相對于高環(huán)多環(huán)芳烴, 兩種干燥方式對農(nóng)田土低環(huán)多環(huán)芳烴的影響較大. 經(jīng)凍干和風(fēng)干后, 16種單體多環(huán)芳烴的回收率變化幅度較大： 萘的回收率隨外源添加量的增大而降低, 當(dāng)添加量為2 μg/g時(shí), 萘的回收率僅為(8.36±0.56)%; 蒽和苯并[a]芘凍干和風(fēng)干回收率基本不變, 但總體回收率均較低.

干燥方式對兩種土壤中低環(huán)多環(huán)芳烴的影響不同, 泥炭土中低環(huán)多環(huán)芳烴風(fēng)干處理高于凍干處理后的回收率, 農(nóng)田土中低環(huán)多環(huán)芳烴凍干處理高于風(fēng)干處理后的回收率, 雖然兩種干燥方式對低環(huán)多環(huán)芳烴均有影響, 但由于土壤性質(zhì)不同導(dǎo)致干燥方式的影響程度也不同. 含水率差異可能是導(dǎo)致兩種土壤中低環(huán)多環(huán)芳烴受干燥方式影響不同的主要原因： 泥炭土中含水率較高, 使低環(huán)多環(huán)芳烴在冷凍干燥過程中因水以冰態(tài)升華過程導(dǎo)致的損失大于風(fēng)干干燥的損失[11]; 農(nóng)田土含水率低, 風(fēng)干過程的多環(huán)芳烴揮發(fā)是導(dǎo)致其低環(huán)多環(huán)芳烴損失的主要因素, 同時(shí), 風(fēng)干過程中多環(huán)芳烴光解也可能導(dǎo)致低多環(huán)芳烴損失[11]. 對于兩種土壤中的高環(huán)多環(huán)芳烴, 凍干處理均高于風(fēng)干處理的回收率. 泥炭土的高環(huán)多環(huán)芳烴受水以冰態(tài)升華影響因素較小, 而風(fēng)干導(dǎo)致的揮發(fā)和光降解使兩種土壤中高環(huán)多環(huán)芳烴凍干處理均高于風(fēng)干處理后的回收率. 兩種干燥方式均使兩種土壤中低環(huán)多環(huán)芳烴總體低于高環(huán)多環(huán)芳烴的回收率, 這與低環(huán)多環(huán)芳烴易揮性有關(guān)[16].

2.3 兩種干燥方式對土壤中多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體比值的影響

圖4為不同干燥方式下不同土壤多環(huán)芳烴的同分異構(gòu)體比值.

圖4 不同干燥方式下土壤多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體比值Fig.4 Ratios of PAHs isomers in soil under different drying methods

用多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體含量的比值可判斷多環(huán)芳烴不同來源, 由于環(huán)境中的多環(huán)芳烴是各種排放源的綜合結(jié)果, 因此, 確定多環(huán)芳烴的來源對研究多環(huán)芳烴的污染特征、 環(huán)境行為以及制定多環(huán)芳烴污染的削減措施是必要的. 常用比值法解析多環(huán)芳烴的來源, 即利用多環(huán)芳烴的同分異構(gòu)體比值判斷其來源[25]: 當(dāng)Flt/(Flt+Pyr)>0.5時(shí), 表明多環(huán)芳烴來源于生物質(zhì)燃燒, 比值為0.4～0.5時(shí), 表明多環(huán)芳烴來源于液體化石燃料燃燒; 當(dāng)BaA/(BaA+Chr)>0.35 時(shí), 表明多環(huán)芳烴來自燃燒源燃燒, 比值為0.2～0.35時(shí), 表明多環(huán)芳烴來自石油源和燃燒源燃燒; 當(dāng)Ipy/(Ipy+Bpe)<0.2時(shí), 表明多環(huán)芳烴來源于石油污染, 如汽油、 柴油和原油的泄漏等, 比值>0.5 時(shí), 表明多環(huán)芳烴由木材及煤的燃燒產(chǎn)生, 比值為 0.2～0.5時(shí), 表明多環(huán)芳烴由化石燃料的燃燒產(chǎn)生. 利用Flt/(Flt+Pyr)、 BaA/(BaA+Chr)和Ipy/(Ipy+Bpe) 3種多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體含量比值, 模擬多環(huán)芳烴的源解析, 以及兩種干燥方式下同分異構(gòu)體比值的顯著性差異, 從而明確不同干燥方式是否影響對多環(huán)芳烴的污染來源判定. 由圖4可見, 當(dāng)泥炭土中多環(huán)芳烴單體添加量為低質(zhì)量比(0.2 μg/g)時(shí), 兩種干燥方式處理下同分異構(gòu)體比值差異性顯著，將對多環(huán)芳烴的來源判定產(chǎn)生一定的影響. 在其他添加量下, 干燥方式對多環(huán)芳烴的的同分異構(gòu)體比值影響不顯著, 即對多環(huán)芳烴的源解析影響較小. 在5種添加量下, 農(nóng)田土中3種同分異構(gòu)體比值呈顯著性差異, 當(dāng)外源多環(huán)芳烴單體添加量為高質(zhì)量比(1.0，2.0 μg/g)時(shí), 3種同分異構(gòu)體的比值均呈顯著性差異, 表明兩種干燥方式對判定農(nóng)田土中多環(huán)芳烴的來源影響較大.

可見, 當(dāng)研究土壤中多環(huán)芳烴來源時(shí), 對土壤的干燥方式應(yīng)慎重選擇, 為保證多環(huán)芳烴來源分析的準(zhǔn)確性, 需利用預(yù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行判斷. 本文僅比較兩種干燥方式下多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體比值, 根據(jù)比值判定兩種干燥方式是否對多環(huán)芳烴來源產(chǎn)生影響. 同分異構(gòu)體比值法僅能對污染物的來源進(jìn)行初步判斷[26], 實(shí)際應(yīng)用中需將多種方法相結(jié)合判斷多環(huán)芳烴的來源.

3 結(jié) 論

綜上所述，本文研究了兩種干燥方式對土壤中多環(huán)芳烴(PAHs)的回收率和同分異構(gòu)體比值的影響, 反映兩種干燥方式下土壤中多環(huán)芳烴測定準(zhǔn)確度和來源判斷差異, 可得如下結(jié)論:

1) 泥炭土在不同添加量下自然風(fēng)干處理高于冷凍干燥處理的多環(huán)芳烴總量回收率, 表明泥炭土經(jīng)自然風(fēng)干后其多環(huán)芳烴總量測定準(zhǔn)確度較高; 農(nóng)田土中冷凍干燥處理高于自然風(fēng)干處理的多環(huán)芳烴總量回收率, 表明農(nóng)田土經(jīng)冷凍干燥處理的多環(huán)芳烴總量測定準(zhǔn)確度較高.

2) 泥炭土中低環(huán)組分自然風(fēng)干處理高于冷凍干燥處理的單體回收率； 高環(huán)組分中, 冷凍干燥處理高于自然風(fēng)干處理的單體回收率； 農(nóng)田土中的各單體多環(huán)芳烴回收率均為冷凍干燥處理高于自然風(fēng)干處理, 且二者差異性顯著.

3) 在不同多環(huán)芳烴添加量下干燥方式對泥炭土中多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體比值無影響, 表明用多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體比值法判斷多環(huán)芳烴來源時(shí), 干燥方式不影響多環(huán)芳烴的來源判定; 農(nóng)田土中多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體比值受干燥方式影響顯著, 表明用多環(huán)芳烴同分異構(gòu)體比值法判斷農(nóng)田土多環(huán)芳烴來源時(shí)需考慮選擇合適的土壤干燥方式.