土壤中砷和硒生物有效态的联合提取_吴梅.pdf
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1、为了快速、准确和有效地联合提取土壤中生物有效态砷和硒,以减少实验成本和提高实验效率,本研究在长期实验摸索及前人工作基础上,研究0.5 molL-1NaHCO3、0.1 molL-1HCl、0.5 molL-1KH2PO4和0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO44种浸提剂对土壤中生物有效态砷和硒的联合提取实验效果。4种浸提剂所得浸提液经HNO3和HClO4消煮,用氢化物发生原子荧光光度计(HG-AFS)测定浸提液中砷与硒的浓度。土壤总砷和总硒的测定中使用两组土壤标准物质控制,玉米标准物质控制玉米根和玉米籽实验质量,相对标准偏差均小于10%,硒和砷的检测限分别为0.01 gL-1和0.05
2、 gL-1。结果表明:0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4和0.5 molL-1NaHCO3提取的土壤生物有效态砷、硒含量与土壤总砷(r=0.788,P0.01;r=0.794,P0.01)和总硒(r=0.707,P0.05;r=0.648,P0.05)均呈显著性正相关,其余两种浸提剂提取效果较差。植物指标法显示,仅0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4提取的土壤生物有效态砷、硒含量与玉米根砷(r=0.848,P0.01)和硒(r=0.822,P0.01)呈极显著正相关。研究表明,0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4作为浸提剂可快速、准确、有效地联合提取土壤中砷和硒
3、的生物有效态。关键词:土壤;砷;硒;生物有效性;联合提取中图分类号:S153.6文献标志码:A文章编号:1672-2043(2023)06-1414-09doi:10.11654/jaes.2022-0981吴梅,等:土壤中砷和硒生物有效态的联合提取2023年6月硒(Se)是人与动物生长发育所必需的微量元素,其摄入过少或过量均会危害健康1。砷(As)是被国际癌症研究机构划分为一类致癌物的类重金属2-4。人体主要通过食物链摄取硒和砷,而农作物是食物链的重要组成部分1,5-6。农作物中硒和砷的含量既受到土壤中硒和砷总量影响,更受到土壤中硒和砷的生物有效性的制约7-8。有研究表明,硒与砷的化学性质近
4、似,且土壤中硒与砷的伴生关系明显9。植物中硒与砷之间存在拮抗作用,即硒能缓解砷对植物的毒害作用10。目前,农作物中硒与砷的交互和拮抗作用已被广泛关注10-12。若能同时提取土壤中生物有效态硒与砷,将对进一步研究土壤中硒与砷的迁移转化、交互关系以及对植物中硒和砷含量的交互影响具有重要价值。除此之外,联合提取实验可以减少实验步骤,节约时间与物质成本,具有较好的实际意义。目前,关于联合消煮测定土壤中砷、硒全量的研究较多13-15,但对联合提取测定土壤中生物有效态砷与硒的研究较少。在前人研究工作中,提取土壤生物有效态硒时多采用K2HPO4、KH2PO4、KH2PO4-K2HPO4和NaHCO3等作为浸
5、提剂16-17;提取土壤生物有效态砷时多采用NaHCO3、HCl和NaH2PO4作为浸提剂7,18-19。但以上浸提剂均为分开提取土壤生物有效态硒与砷,以致实验步骤多,效率较低。因此,需找到一种化学浸提剂,用以联合提取土壤中生物有效态硒和砷,以提高实验效率。前人研究表明,硒与砷在化学性质上具有相似的原子数和电子层数,常以含氧酸根(SeO2-3、SeO2-4、AsO3-3、AsO3-4)形式存在20。因此,理论上可以找到一种化学浸提剂将土壤中生物有效态硒与砷同时提取。在土壤生物有效态硒的常用浸提剂中,NaHCO3和 K2HPO4的水溶液呈碱性,KH2PO4的水溶液呈酸性。前人研究表明,这3种浸提
6、剂不仅能提取土壤水溶态硒和可交换态硒(这两种形态硒合称生物有效态硒),还能提取其他形态硒,如酸性的KH2PO4提取剂也可将土壤中少量的碳酸盐结合态硒提取出来。KH2PO4-K2HPO4缓冲溶液呈中性,可以有效提取土壤中有效态硒,同时也可避免对其他形态硒的提取16,因此,使用KH2PO4-K2HPO4缓冲溶液提取土壤中的生物有效态硒效果最好21-23。张传琦等24、张克斌等25认为,0.1 molL-1稀HCl对土壤生物有效态砷的提取效果较好。黄瑞卿等18对比研究了0.1 molL-1HCl、0.5 molL-1NaH2PO4和0.5 molL-1NaHCO3提取土壤生物有效态砷,结果显示3种浸
7、提剂都能较好地提取土壤中的生物有效态砷。肖玲等26认为,0.5 molL-1NaHCO3是提取土壤生物有效态砷最适宜的浸提剂。基于此,本研究将综合对比 0.5 molL-1NaHCO3、0.5mol L-1KH2PO4、0.1 mol L-1HCl 和 0.1 mol L-1KH2PO4-K2HPO44种化学浸提剂对土壤中生物有效态硒与砷的联合提取实验效果,旨在达到以下研究目的:阐述4种化学浸提剂所提取的土壤生物有效态硒和砷与土壤总硒和总砷的相互关系;用植物指示法验证4种浸提剂联合提取土壤生物有效态硒与砷的实验效果,以确定最佳浸提剂。1材料与方法1.1 实验仪器万分之一分析天平:BSA124S
8、-CW 型赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;调速多用振荡器:HY-4型(常州天瑞仪器有限公司);电动离心机:LD-5型(金坛区西城新瑞仪器有限公司);电热板:DS24-45F型(莱玻特瑞科技有限公司);氢化物发生原子荧光光度计(HG-AFS):AFS-9700型(北京海光仪器有限公司);硒与砷空阴极灯:HAF-2型(北京海光仪器有限公司)。1.2 实验试剂实 验 所 需 试 剂:NaHCO3、HCl、HNO3、HClO4、KH2PO4、K2HPO4、硫脲、抗坏血酸和氢氧化钠均为优级纯,硼氢化钠为分析纯,以上样品均购买于重庆川东化工有限公司;砷标准溶液(GNM-SAS-002-2013)10%,
9、and the detection limits for Se and As were 0.01 gL-1and 0.05 gL-1,respectively.We found that the contents of soil bioavailableAs and Se extracted using 0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4and 0.5 molL-1NaHCO3buffer solutions were positively correlated with the totalAs(r=0.788,P0.01;r=0.794,P0.01)and total Se(r=
10、0.707,P0.05;r=0.648,P0.05)in soils,whereas the other two extracts wereineffective.The plant index method showed that the content of soil bioavailable As and Se extracted using 0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4buffer solution had a significant positive relationship only with that of corn root(r=0.848 for As,P0
11、.01 and r=0.822 for Se,P0.01).Inconclusion,0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4buffer solution could be used as an extractant to rapidly,accurately,and effectively extractbioavailable As and Se in soils.Keywords:soil;arsenic;selenium;bioavailability;combined extraction1415农业环境科学学报第42卷第6期和硒标准溶液(GNM-SSE-003-2013)采
12、购自国家有色金属及电子材料分析测试中心。实验所需混合溶液:HNO3和HClO4混合溶液,HNO3 HClO4(体积比)=5 1;硫脲+抗坏血酸溶液,2.5 g硫脲和2.5 g抗坏血酸溶于100 mL超纯水;1 gmL-1砷和硒的标准储备液,用1 molL-1HCl将10 gmL-1砷、硒标准溶液稀释至1 gmL-1;还原剂(现配现用),2.5 g氢氧化钠和7 g硼氢化钠溶于500 mL超纯水。1.3 实验样品处理与测试1.3.1 土壤与玉米样品采集和前处理随机采集成土母岩和土壤类型相同的9件玉米根系土壤,并采集对应成熟的玉米根和玉米籽。土壤样品在室内自然风干后剔除其中的瓦块、碎石、植物根系,过
13、2 mm孔径的尼龙筛(10目),采用四分法取10目土样,用玛瑙研钵充分研磨后过0.15 mm孔径的尼龙筛(100目),保存在塑料瓶中,待测。玉米籽与玉米根的处理参考 土地质量地球化学评价规范(DZ/T 02952016)进行。将采集的玉米根与土壤剥离,玉米脱粒后保留玉米籽,用超纯水将玉米根和玉米籽反复清洗干净后按编号顺序放置在实验台面上,将剪成0.51.0 cm的玉米根系和玉米籽一起放置在8590 烘箱中烘烤1 h,再在70 条件下烘干至质量恒定。用不锈钢粉碎机将其粉碎后过 60 目尼龙筛,保存在塑料瓶中,待测。1.3.2 土壤生物有效态硒与砷的提取过程4种浸提剂提取土壤生物有效态硒与砷的详细
14、步骤见表1。其中0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4提取时振荡和离心分两次进行,第一次振荡240 min后离心10 min,将上清液倒入聚乙烯瓶中。在离心管剩余样品中加入 10 mL 超纯水继续振荡 240 min 后离心 10min,将上清液倒入聚乙烯瓶中与上一步的 0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4溶液混合均匀。提取液中砷和硒的测试步骤:分别取5 mL 4种提取剂所得浸提液至 100 mL烧杯,加入 2 mL HNO3和HClO4混合溶液,在180 的电热板上消煮至冒出大量浓白烟,取下,冷却至室温;加入2 mL 6 molL-1HCl,继续消煮至冒出大量浓白烟,取下,
15、冷却至室温。用超纯水少量多次冲洗烧杯内壁和表面皿内侧,将所得溶液转移至20 mL试管,加入1 mL 12 molL-1HCl,定容,摇匀,上机测定提取液中硒浓度。准确吸取测定硒浓度后的消解溶液3 mL,加入2 mL硫脲+抗坏血酸和HCl混合液(硫脲+抗坏血酸和HCl的体积比为1 1),定容至15 mL,静置40 min,测定提取液中砷浓度。称取0.5 g左右玉米籽和玉米根测定其总硒和总砷,称取 0.1 g 土壤样品,测定其总硒和总砷,具体消煮和测定方法见文献27。1.3.3 硒、砷标准溶液配制和标准曲线标定分别取0.5 mL 1 gmL-1的硒或砷标准储备液,加入5 mL 12 molL-1H
16、Cl,定容至50 mL,摇匀,此时标准液中硒、砷的浓度为10 gL-1。以5%(体积比)的HCl溶液为载流,氢氧化钠和硼氢化钠混合溶液为还原剂。待仪器稳定后用标准曲线测量法测定样品中硒、砷含量。1.3.4 实验质量控制与检出限实验过程中所用烧杯、试管等均在20%HNO3中浸泡超过24 h。土壤总硒和总砷测定中使用两组土壤标准物质(GBW07404a和GBW07406a)控制;土壤生物有效态硒与砷测定中使用两组平行样品以确保实验操作可靠。玉米标准物质(GBW10012)用于控制玉米根和玉米籽中总硒和总砷的实验质量。实验中所有标准物质的硒、砷的测定含量相对标准偏差均小于10%。硒标准曲线:c=0.
17、012IF+0.023,r=0.999 9(c为浓度,IF为荧光强度);砷标准曲线:c=0.039IF+0.129,r=0.999 4。硒和砷的检测限分别为0.01 gL-1和 0.05 gL-1。土壤总砷、总硒与玉米根和玉米籽砷、硒的加标回收率均在93%106%之间。1.4 仪器工作条件实验仪器工作参数:振荡器250 rmin-1,离心机4 000 rmin-1,电热板 180。HG-AFS 工作条件见表2。提取剂Extractant0.5 molL-1NaHCO30.5 molL-1KH2PO40.1 molL-1HCl0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4土水比Soil liqu
18、id ratio1 151 151 151 5振荡时间Oscillation time/min120120120240+240振荡速度Shaking velocity/(rmin-1)250250250250离心时间Centrifugal time/min10101010+10离心速度Centrifugal speed/(rmin-1)4 0004 0004 0004 000表1 4种提取剂分别提取土壤生物有效态砷与硒的步骤13-14Table 1 Steps of extracting bioavailable arsenic and bioavailable selenium with f
19、our extractants respectively in soils13-141416吴梅,等:土壤中砷和硒生物有效态的联合提取2023年6月2结果与讨论2.1 土壤生物有效态砷含量Kruskal-Wallis 非参数检验结果显示,4 种提取剂所提取的土壤中生物有效态砷含量具有显著差异(P0.05)。0.5 molL-1NaHCO3、0.5 molL-1KH2PO4、0.1molL-1HCl和0.1molL-1KH2PO4-K2HPO4提取的土壤生物有效态砷含量均值分别为0.119、0.478、0.548mgkg-1和 0.343 mgkg-1(表 3)。0.5 molL-1KH2PO4
20、和 0.1 molL-1HCl提取的土壤生物有效态砷含量与土壤总砷含量无显著相关性。0.5 molL-1NaHCO3(r=0.794,P0.01)和 0.1 mol L-1KH2PO4-K2HPO4(r=0.788,P0.01)提取的土壤生物有效态砷含量与土壤总砷含量均呈显著正相关。4种提取剂中仅0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4所提取的土壤生物有效态砷含量与玉米籽(r=0.901 8,P0.01)和玉米根(r=0.848 1,P0.01)总砷呈显著正相关,其余均无显著相关性(图1)。虽然同为磷酸根的0.5 molL-1KH2PO4所提取土壤生物有效态砷含量高于0.1 molL-1
21、KH2PO4-K2HPO4所提取的生物有效态砷含量,但其提取量与玉米籽和玉米根总砷无显著相关性,因此相对来说0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4更适用于土壤生物有效态砷的提取。2.2 土壤生物有效态硒含量Kruskal-Wallis非参数检验结果显示,4种提取剂所提取的土壤生物有效态硒含量具有显著差异(P0.05),0.5 molL-1NaHCO3、0.5 molL-1KH2PO4、0.1molL-1HCl和0.1 molL-1KH2PO4-K2HPO4提取的土壤生物有效态硒含量均值分别为0.023、0.015、0.009、0.023 mgkg-1(表4)。除0.1 molL-1HC
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