摘要：

砷作為一種常見的環(huán)境污染物，其生物有效性的準(zhǔn)確測定對于評估潛在的健康風(fēng)險至關(guān)重要。為了更加合理地評價農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量，本文探討了一種可靠且高效的方法來提取土壤中的生物有效態(tài)砷（水溶態(tài)、弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)砷的總和）?；贚-半胱氨酸溶液能有效地與砷形成螯合物的特性，首先選取L-半胱氨酸溶液作為提取劑，對提取劑的質(zhì)量濃度、提取溫度、超聲時間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分別測定不同提取溫度和不同提取劑質(zhì)量濃度條件下土壤中生物有效態(tài)砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；然后與順序提取結(jié)果相比較，以確定L-半胱氨酸提取法的最佳條件。結(jié)果表明：在L-半胱氨酸質(zhì)量濃度為10 g/L、超聲溫度為40 ℃、超聲時間為30 min的條件下，DT-1樣品生物有效態(tài)砷的提取結(jié)果為7.37 μg/g，與順序提取生物有效態(tài)砷的結(jié)果（7.83 μg/g）非常接近；相比順序提取法，該方法只需要1步提取而且提取時間縮短了65 h，大大提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：砷；生物有效性；L-半胱氨酸；風(fēng)險評價；土壤；環(huán)境質(zhì)量；順序提取法doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20240339

中圖分類號：X142

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Methodological Research on L-Cysteine Method for Extraction of Biologically Active Arsenic from Agricultural Soils

Wei Siping¹， Li Bing² ，Zhao Yuyan² ，Wei Qiaoqiao² ，Wu Jinghua¹

1. College of Surveying and Mapping Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130021，China

2. College of GeoExploration Science and Technology， Jilin University， Changchun 130026，China

Abstract：

As a common environmental pollutant， accurate determination of the bioavailability of arsenic is essential for assessing potential health risks. In order to evaluate the environmental quality of agricultural soils more rationally， this paper explores a reliable and efficient method to extract bioavailable arsenic （the sum of the water-soluble， weakly acid-extractable， reducible， and oxidizable fractions of arsenic） "from soil. Based on the property that L-cysteine solution can effectively form chelates with arsenic， L-cysteine solution was selected as the extractant， and optimized around the parameters of mass fraction of extractant， extraction temperature， and ultrasonic time， etc. The mass concentration of arsenic in the soil in the effective state was determined under the conditions of different extraction temperatures and different mass concentrations of the extractant， respectively， and compared with the results of the sequential extraction to determine the optimal

extraction "conditions. The results showed that when the mass concentration of L-cysteine was 10 g/L， the ultrasonication temperature was 40 ℃， and the ultrasonication time was 30 min， the bioavailable "arsenic extracted of "DT-1 sample was 7.37 μg/g，

closely matched the results of bioavailable arsenic obtained by sequential extraction （7.83 μg/g）.

Compared with the sequential extraction method， this method requires only one step of extraction and the extraction time is shortened by 65 h， which greatly improves the efficiency.

Key words：

arsenic; bioavailability; L-cysteine; risk evaluation; soil; environmental quality； sequential extraction method

0"引言

砷是一種常見的非金屬元素，由于其潛在毒性極強，被列為重要環(huán)境污染物之一。砷元素本身無毒，但其某些化合物卻具有很高的毒性^[1-4]，特別是生物有效態(tài)砷（水溶態(tài)、弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)砷的總和）

化合物。生物有效態(tài)砷可抑制機體的免疫功能，增加病毒感染的風(fēng)險，對動物和人類的健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，其機制與砷對干擾素的抑制作用相關(guān)。因此砷的風(fēng)險評價對于環(huán)境評價至關(guān)重要，尤其是在砷污染嚴(yán)重的區(qū)域"^[5-7]。目前砷污染風(fēng)險評估數(shù)據(jù)多數(shù)基于土壤和沉積物中砷的總量^[8-11]，忽視了砷的化學(xué)形態(tài)，可能導(dǎo)致對環(huán)境質(zhì)量評估不夠嚴(yán)謹(jǐn)。因此，開展砷的形態(tài)分析，尤其是其生物有效態(tài)的快速分析和評價十分必要^[12]。

目前，進(jìn)行元素形態(tài)分析常用方法主要是BCR

（歐共體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局）法^[13]、國標(biāo)《土壤和沉積物13個微量元素形態(tài)順序提取程序》（GB/T 25282—2010）^[14]和Tessier法^[15]。國內(nèi)外專家就元素形態(tài)分析做了大量研究，取得了許多成果，如Li等^[16]利用BCR法研究了植物中金屬元素的可利用性，Tokahoglu等^[17]利用BCR法研究了茶樹對土壤中可利用性重金屬的吸收，馮素萍等^[18]利用改進(jìn)的BCR法和Tessier法分析了山東省常見的三種土壤類型的形態(tài)。這些方法可以區(qū)分不同化學(xué)形態(tài)的砷，但操作復(fù)雜且耗時。因此，為了提高砷提取的效率和準(zhǔn)確性，開發(fā)新的砷提取方法顯得尤為迫切。

生物有效態(tài)砷是指介質(zhì)中易于被生物吸收的砷，包括水溶態(tài)、弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)砷。選擇合適的提取劑及提取方法對準(zhǔn)確測定生物有效態(tài)砷至關(guān)重要。食品中砷形態(tài)提取常用的提取劑包括水^[19-20]、稀酸^[21-26]、甲醇^[27-29]和酶^[30-31]等；但目前國內(nèi)外對于土壤和沉積物中生物有效態(tài)砷提取方法的研究還不成熟，常用的提取劑主要為無機鹽^[32-34]、酸^[35-37]以及混合提取劑^[38]。

砷具有親巰性，3價砷的親巰性是5價砷的60倍，土壤中砷主要以無機砷形式存在且以5價砷為主，所以選擇有還原性、pH接近中性、含有高活性巰基基團(tuán)的L-半胱氨酸溶液作為土壤中生物有效態(tài)砷的提取劑。其作用機理是先將土壤中的5價砷還原成3價，再通過巰基官能團(tuán)與3價砷作用形成穩(wěn)定的巰基-砷螯合物，此外L-半胱氨酸中的巰基、胺基、羧酸根和氨基酸基團(tuán)也可以通過氫鍵和靜電力與砷酸根相互作用，達(dá)到生物有效態(tài)砷提取的目的。

準(zhǔn)確測定生物有效態(tài)砷還需考慮到測試方法的可行性。目前，原子熒光光譜法^{[36， 39-40]}和電感耦合等離子體質(zhì)譜法^[41-43]是檢測土壤和沉積物中砷的常用技術(shù)。但是，兩種方法的測試含量范圍有巨大差異，可以通過組合使用得到更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

為了更加合理地評價農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量，本文探討了利用L-半胱氨酸溶液提取土壤中生物有效態(tài)砷的提取條件，以獲得最佳實驗條件。

1"實驗

1.1"儀器與試劑

本實驗所用的主要儀器有Nexion 350D電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、Titan MPS微波消解儀、QM-3SP4行星球磨儀、ATY124電子分析天平、HY-8A回旋振蕩器、TDL-5A低速臺式離心機、HH-6恒溫水浴鍋和KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器。

試劑：砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（BW30018-1000-N-50），

質(zhì)量濃度為1 g/L，實驗過程中所需要的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列均利用超純水逐級稀釋配制；超純水（電阻率為18.2 MΩ·cm，常溫25 ℃）；0.11 mol/L的乙酸溶液；0.50 mol/L的鹽酸羥胺溶液；1 mol/L的乙酸銨溶液（硝酸調(diào)節(jié)pH=2）；王水；1、5、10、20 g/L的L-半胱氨酸溶液。所有溶液均是在通風(fēng)櫥中現(xiàn)用現(xiàn)配，所用試劑中濃鹽酸和濃硝酸為優(yōu)級純，其余試劑均為分析純。

1.2"儀器工作參數(shù)

原子熒光光譜法工作參數(shù)見表1，電感耦合等離子體質(zhì)譜法工作參數(shù)見表2，微波消解儀主要工作參數(shù)見表3。

1.3"樣品預(yù)處理

采集湖南省洞庭湖地區(qū)砷污染區(qū)農(nóng)田土壤及附近水系沉積物，自然風(fēng)干去除石子等粗碎屑，用行星式球磨機研磨至粉末狀，過200目篩，備用。

1.4"總砷實驗方法

根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ 803—2016）^[44]及實驗室的基本條件確定研究樣品總砷的測定方法如下。

1）樣品消解：準(zhǔn)確稱量200目土壤樣品0.25 g置于消解管中，先加入幾滴超純水潤濕后置于通風(fēng)櫥中，然后加入鹽酸6 mL，再緩慢加入硝酸2 mL，搖勻，靜置10 min；待樣品預(yù)消解結(jié)束置于微波消解儀中，按表3的升溫程序進(jìn)行消解；消解結(jié)束冷卻至室溫，用慢速定量濾紙過濾，濾液置于50 mL容量瓶中并用超純水定容至刻度。

2）上機樣品制備：先準(zhǔn)確量取過濾并定容后的樣品10 mL置于50 mL比色管中，依次加入硫脲-抗壞血酸溶液10 mL和鹽酸溶液5 mL，定容至刻度，搖勻，室溫靜置20 min；然后利用原子熒光光譜法進(jìn)行測定。

1.5"相態(tài)砷實驗方法

取1.000 g供試土壤，采用《土壤和沉積物13個微量元素形態(tài)順序提取程序》（GB/T 25282—2010）^[14]方法分析土壤中砷元素的形態(tài)，每級浸提后的混合物在3 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，上清液用于測定砷元素的質(zhì)量濃度，固體殘渣加20 mL水在3 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min后棄去上清液，用于下一級浸提。各級浸提條件如下。

1）水溶態(tài)（water-soluble fraction）：20 mL經(jīng)煮沸冷卻、pH值為7的水，先在25 ℃、180 r/min下連續(xù)振蕩16 h，然后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行測定。

2）弱酸提取態(tài)（mild acido-soluble fraction）：40 mL 0.11 mol/L的乙酸溶液，先在25 ℃、180 r/min下連續(xù)振蕩16 h，然后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行測定。

3）可還原態(tài)（reducible fraction）：40 mL 0.50 mol/L鹽酸羥胺溶液，先在25 ℃、180 r/min下連續(xù)振蕩16 h，然后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行測定。

4）可氧化態(tài)（oxidisable fraction）：先分3～4次加入10 mL過氧化氫溶液，加蓋靜置1 h，期間注意每隔10 min晃勻加速消化；然后在（85 ± 2）℃水浴條件下密閉消解1 h，期間注意每隔10 min晃勻加速消化，敞口繼續(xù)加熱至杯內(nèi)剩余樣品體積少于3 mL，取出冷卻；再重復(fù)以上步驟，加入10 mL過氧化氫溶液，最后加熱至杯內(nèi)剩余體積約1 mL，冷卻后加入50 mL 1 mol/L乙酸銨溶液，在25 ℃、180 r/min下連續(xù)振蕩16 h，利用原子熒光光譜法進(jìn)行測定。

5）殘渣態(tài)（residual fraction）：稱取烘干后的可氧化態(tài)殘渣0.25 g，按總砷實驗方法進(jìn)行測定。

1.6"生物有效態(tài)砷提取步驟

取1.000 g供試土壤置于250 mL聚四氟乙烯燒杯中，加入25 mL 10 g/L的L-半胱氨酸溶液，在（40±3）℃條件下超聲30 min，冷卻后在4 000 r/min條件下離心20 min，將上清液移至50 mL比色管中，用實驗用水定容至刻度，待測。

2"結(jié)果與討論

2.1"標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

利用逐級稀釋法將砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（BW 30018—1000-N-50）配置成10、20 、40 、60 、80和100 ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)系列（Ⅰ），以及1 、2 、4 、6 、8和10 ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)系列（Ⅱ）。在表1的參數(shù)條件下，利用原子熒光光譜法對標(biāo)準(zhǔn)系列Ⅰ進(jìn)行測定，所得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.01948x－0.36241，相關(guān)系數(shù)（R）為0.999 7，表明強度（熒光強度）和元素質(zhì)量濃度之間有非常好的線性關(guān)系。在表2參數(shù)條件下利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對標(biāo)準(zhǔn)系列Ⅱ進(jìn)行測定，所得線性方程為y=0.00162x－2.14281，相關(guān)系數(shù)為0.999 8，表明強度（吸光度）和元素質(zhì)量濃度之間有非常好的線性關(guān)系。

2.2"方法質(zhì)量評價

利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法和原子熒光光譜法分別對空白溶液進(jìn)行了11次平行測定，計算得出電感耦合等離子體質(zhì)譜法的檢出限為0.000 15 ng/mL，原子熒光光譜法的檢出限為0.017 9 ng/mL。另外，利用原子熒光光譜法對

國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

GBW07404平行測定了6次，再利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

GBW07407也平行測定了6次，測定結(jié)果按式（1）計算測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差（E_R），結(jié)果（絕對值）在0.05%～3.96%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于生態(tài)地球化學(xué)樣品分析規(guī)范要求，說明電感耦合等離子體質(zhì)譜法和原子熒光光譜法均具有較高的準(zhǔn)確度。同時按式（2）計算6次測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（D_RS），結(jié)果分別為1.47%和3.78%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求 （試行）》（DD 2005—03）^[45]要求的20%，表明兩種方法的準(zhǔn)確度完全滿足測試要求（表4）。

E_R=w_i-w_sw_s×100%；（1）

D_RS="∑ni=1w_i-w_s²n-1w_s×100% 。（2）

式中：w_i為砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測量值；w_s為砷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)值；n為單個樣品分析次數(shù)。

2.3"總砷元素結(jié)果

采用原子熒光光譜法測定了樣品中總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表5）。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2018）^[46]中的規(guī)定，DT-1、DT-2、DT-4、DT-5和DT-6樣品中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過了砷元素風(fēng)險篩選值40 μg/g，為砷污染土壤。

2.4"相態(tài)砷元素結(jié)果

根據(jù)不同形態(tài)砷的特點，本文設(shè)計了最優(yōu)的分析方案。水溶態(tài)和弱酸提取態(tài)砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定，可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘渣態(tài)砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，利用原子熒光光譜法（AFS）進(jìn)行測定，結(jié)果見表6。由表6可知，所有樣品相態(tài)總和和全量的相對誤差（E_R）在1.65%～14.98%之間，滿足《生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求 （試行）》（DD 2005—03）^[45]中形態(tài)分析E_R≤40%的要求，說明這種組合方法充分利用了兩種技術(shù)的優(yōu)勢，確保了結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

根據(jù)表6結(jié)果進(jìn)一步計算可得各相態(tài)砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)所占百分比，結(jié)果見表7。

由表7可知，殘渣態(tài)砷占主導(dǎo)地位，在所有樣品中，殘渣態(tài)砷占比為72.73%～89.67%。這一高比例表明，大部分砷以穩(wěn)定形式存在于土壤礦物結(jié)構(gòu)中，特別是硅酸鹽晶格，對環(huán)境條件變化（如pH值和氧化還原電位的輕微波動）具有較強的抵抗力，不易發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，這意味著殘渣態(tài)砷在正常環(huán)境條件下不太可能被釋放到土壤溶液中，幾乎不會被植物吸收，也不易進(jìn)入水體。盡管總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能較高，但其對生態(tài)系統(tǒng)的直接影響可能相對有限。因此利用總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)來評估環(huán)境質(zhì)量可能會高估實際的環(huán)境風(fēng)險造成評估的局限性。

生物有效態(tài)砷即水溶態(tài)、弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)砷的總和，在總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)中占比為10.33%～27.27%。這部分砷更容易參與環(huán)境過程，使用生物有效態(tài)砷作為評估指標(biāo)更為合理，能更準(zhǔn)確地反映砷對生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響，為制定更精確的污染管理策略提供了科學(xué)基礎(chǔ)。另外，不同樣品點間的砷形態(tài)分布存在一定差異，也反映了當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、土地利用方式和人為活動的影響。

2.5"生物有效態(tài)砷提取

2.5.1"提取條件

選用DT-1號樣品對提取過程中的超聲溫度和提取劑濃度和超聲時間三個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

超聲溫度：在不同提取劑濃度下，當(dāng)超聲溫度低于40 ℃時，提取效率隨溫度升高而增加；當(dāng)溫度超過40 ℃后，提取效率開始下降（圖1）。

溫度過高可能導(dǎo)致砷與L-半胱氨酸

形成的螯合物分解，因此，選擇40 ℃為最佳超聲溫度。

提取劑質(zhì)量濃度：在各種超聲溫度條件下，提取效率均隨著L-半胱氨酸溶液濃度的增加而提高（圖2）。為了使提取結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)順序提取法中生物有效態(tài)砷（水溶態(tài)、弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)）的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)相當(dāng)，確定10 g/L為L-半胱氨酸提取液的最佳質(zhì)量濃度。

超聲時間：本文所討論的生物有效態(tài)砷方法的原理是利用L-半胱氨酸的巰基官能團(tuán)與砷元素進(jìn)行鰲合以達(dá)到提取的目的。前人研究表明，超聲時間為30 min可以最大限度地激活蛋白質(zhì)中的活性巰基含量^[47]，而且超聲時間為30 min可以使巰基官能團(tuán)暴露、表面活性增強^[48]，故本文選擇30 min為最佳超聲時間。

2.5.2"提取結(jié)果

分別利用L-半胱氨酸溶液和順序提取方法《土壤和沉積物"13個微量元素形態(tài)順序提取程序》（GB/T 25282—2010）^[14]對實際樣品進(jìn)行測定，結(jié)果見表8、圖3。從表8和圖3中可以看出，順序提取中生物有效態(tài)砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和L-半胱氨酸溶液提取的砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常接近，相對誤差為1.85%～54.90%，并且除了DT-3外，其余樣品均滿足《生態(tài)地球化學(xué)評價樣品分析技術(shù)要求 （試行）》（DD 2005—03）^[45]中相態(tài)分析E_R≤40%的要求，說明該方法具有很好的準(zhǔn)確度。此外，因DT-3和DT-7為旱田土壤，還原程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于稻田土壤和水系沉積物，而5價砷與巰基的結(jié)合能力是3價砷的16.7%，所以造成DT-3和DT-7兩個樣品點的提取率較低，相對誤差較高。

2.5.3"L-半胱氨酸提取與順序提取方法結(jié)果對比

從兩種方法提取結(jié)果對比可以看出，所得生物有效態(tài)砷（除DT-3和DT-7）的質(zhì)量濃度非常接近（圖3），提取效率相當(dāng)（圖4）。L-半胱氨酸溶液提取只需1步，提取時間為30 min，順序提取方法提取生物有效態(tài)砷需要4步，提取時間為66 h；可以看出本方法大大節(jié)約了實驗時間（縮短了約65 h），簡化了實驗步驟，減少了操作誤差。

3"結(jié)論

1）本文通過對L-半胱氨酸溶液提取土壤中生物有效態(tài)砷提取條件的探索及提取結(jié)果準(zhǔn)確性的驗證，確定L-半胱氨酸溶液提取的最佳提取條件：L-半胱氨酸溶液質(zhì)量濃度為10 g/L，超聲溫度為40 ℃，超聲時間為30 min。

2）L-半胱氨酸溶液作為農(nóng)田土壤樣品中生物有效態(tài)砷的提取劑表現(xiàn)出良好的效果；但對于還原程度較低的土壤樣品，可能需要進(jìn)一步優(yōu)化提取條件或結(jié)合其他提取方法來提高準(zhǔn)確性。

3）從土壤中砷元素的相態(tài)分析結(jié)果可知，生物有效態(tài)砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比為10.33%～27.27%，其余的殘渣態(tài)砷極其穩(wěn)定，不會對土壤及其上的動植物造成污染。因此，在評估研究區(qū)的砷污染狀況時，考慮有效態(tài)砷元素的含量是一個更科學(xué)和合理的方法。

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