標(biāo)準(zhǔn)sm法與改進(jìn)法提取沉積物磷的比較研究

標(biāo)準(zhǔn)sm法與改進(jìn)法提取沉積物磷的比較研究

磷是促進(jìn)水體富營養(yǎng)化的重要養(yǎng)分。在外源污染得到控制的條件下,沉積物的磷釋放是決定湖泊上覆水體的磷濃度的重要因素。水體沉積物中磷的形態(tài)分析有助于認(rèn)識沉積物-水界面磷的交換機(jī)制和沉積物內(nèi)源磷負(fù)荷機(jī)制,對認(rèn)識水體磷的沉積機(jī)制及沉積后磷的地球化學(xué)行為有很大幫助。有機(jī)磷作為湖泊沉積物中磷的主要成分,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,我國太湖、滇池和紅楓湖沉積物中有機(jī)磷約占總磷含量的12%~60%,Wang等對太湖沉積物釋磷特征研究表明,沉積物釋放的溶解態(tài)有機(jī)磷約占總磷的20%~50%,而且隨著沉積物污染程度的增加,其釋放的溶解態(tài)有機(jī)磷比例顯著增加。有機(jī)磷還是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和生命過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),長江中下游20個(gè)湖泊沉積物磷的特征研究表明,沉積物中生物有效態(tài)有機(jī)磷部分(活性和中活性有機(jī)磷)的含量是水提取態(tài)無機(jī)磷含量的8倍,是藻類可利用態(tài)磷和Olsen-P的1.3倍和1.2倍,表明沉積物中有機(jī)磷對湖泊富營養(yǎng)化具有重要的貢獻(xiàn)。湖泊沉積物中磷的形態(tài)分析方法最初由土壤肥力研究方法發(fā)展而來的。沉積物中磷的形態(tài)根據(jù)不同的特點(diǎn)及研究方向有不同的分類,國內(nèi)外也不盡相同。在我國湖泊研究中,許多學(xué)者把沉積物中的磷分為無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài),無機(jī)磷可分為Ca-P、Al-P、Fe-P、Bi-P、res-P等。有機(jī)磷根據(jù)提取方法可分為酸可提取磷、堿可提取磷。Herman等和Penn等將沉積物磷形態(tài)廣泛組合為無機(jī)磷和有機(jī)磷。Ruttenberg等發(fā)展了較為全面的連續(xù)化學(xué)提取技術(shù),把沉積物中的磷酸鹽礦物分為若干相態(tài):①弱吸附相磷,②與鐵氧化物或氫氧化物有關(guān)的磷,③諸如自生磷灰石類的磷組分,④礦物晶體內(nèi)的殘留相磷,⑤有機(jī)態(tài)的磷。盡管沉積物中各種磷形態(tài)得到了相當(dāng)?shù)年P(guān)注,且各種磷形態(tài)的提取方法也得到了較快的發(fā)展,但是沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的磷形態(tài)的提取方法,這使各種提取方法的結(jié)果不太容易比較,甚至有時(shí)會出現(xiàn)偏差。為了改變這種情況,歐洲標(biāo)準(zhǔn)測試測量組織發(fā)起了一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目(1996年),通過文獻(xiàn)研究,選取了用于湖泊沉積物形態(tài)研究中4種最廣泛被接受的方法(Williams、Hieltjes-Lijklema、Golterman、Ruttenberg)通過比較研究,在改進(jìn)的Williams的基礎(chǔ)上,最終形成了淡水沉積物磷形態(tài)連續(xù)提取的SMT協(xié)議,現(xiàn)多稱為SMT法,該方法在與已有方法比較的基礎(chǔ)上并在專家組實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究的基礎(chǔ)上得到了改進(jìn)和發(fā)展的,主要包括無機(jī)磷(IP),有機(jī)磷(OP),NaOH提取態(tài)磷(NaOH-P,鐵、鋁、錳氧化物結(jié)合態(tài)磷),HCl提取態(tài)磷(HCl-P,鈣結(jié)合態(tài)磷)及3.5mol/L鹽酸提取磷(TP),由于其操作簡單,連續(xù)提取步驟少,實(shí)驗(yàn)誤差小,數(shù)據(jù)可比性高,使用沉積物樣品少,重復(fù)性好而被廣泛應(yīng)用。然而,SMT法在OP的提取過程,需要經(jīng)過一系列繁瑣的轉(zhuǎn)移步驟,操作中容易出現(xiàn)誤差,從而影響該方法的應(yīng)用和推廣。文章以我國水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07309(GSD-9)和GBW07312(GSD-12)為標(biāo)準(zhǔn)樣品,同時(shí)選擇實(shí)驗(yàn)室野外采集的沉積物樣品為實(shí)際樣品,使用SMT法對沉積物樣品中的OP進(jìn)行提取測定,分析了SMT法提取OP過程中的誤差來源,并對提取步驟進(jìn)行了一定的改進(jìn)。1材料和方法1.1沉積物與試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1.1物標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)驗(yàn)沉積物樣品選用中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研制的水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及實(shí)驗(yàn)室野外采集的沉積物實(shí)際樣品。沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW07309(GSD-9)采自武漢長江沉積物(磷含量670±23mg/kg),GBW07312(GSD-12)采自廣東陽春多金屬礦區(qū)(磷含量235±22mg/kg),該標(biāo)準(zhǔn)樣品于1986年定值,2003年修訂。沉積物實(shí)際樣品選擇2008年8月于長江、固城湖及月亮灣(南京富營養(yǎng)化水華暴發(fā)池塘32°06′10.36″N,118°54′13.75″E)采集的沉積物。1.1.2sd-12平行沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)批次,每批各做10個(gè)GSD-9平行,10個(gè)GSD-12平行,4個(gè)空白;野外實(shí)際樣品驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行3個(gè)批次,每批各做10個(gè)長江沉積物樣品,10個(gè)固城湖沉積物樣品,10個(gè)月亮灣沉積物樣品,4個(gè)空白,以標(biāo)準(zhǔn)SMT法中OP提取方法及改進(jìn)的提取方法分別提取樣品中的OP含量。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1樣品的制備樣品干燥處理,稱量前將沉積物樣品(GSD-9)、(GSD-12)、長江沉積物樣品、固城湖沉積物樣品及月亮灣沉積物樣品放置烘箱中,于105℃烘4h除去水分,烘干后立即放干燥器內(nèi)冷卻備用。1.2.2從標(biāo)準(zhǔn)smt方法中提取資金的操作步驟1離心條件下,根據(jù)壓力進(jìn)行復(fù)使分液器5.2%①準(zhǔn)確稱量200mg(稱量范圍允許±5mg的差異)烘干的沉積物樣品于離心管中;②加入20mL1mol/LHCl到離心管中;③旋緊離心管蓋帽,水平放置于搖床中,在恒溫20℃、振速250rpm條件下振蕩16h;④振蕩結(jié)束后,在2000g離心力下離心15min,離心后立即將上清液轉(zhuǎn)移至50mL具塞比色管中;⑤磷鉬藍(lán)法測定上清液中正磷酸鹽濃度;⑥根據(jù)測得的磷酸鹽濃度對應(yīng)每一份樣品的精確質(zhì)量及上清液稀釋倍數(shù)計(jì)算出沉積物樣品中IP含量。2有機(jī)磷步驟機(jī)①加入12mL去離子水到無機(jī)磷步驟④所剩的殘?jiān)?旋緊離心管蓋帽后水平放于搖床振蕩5min;②振蕩結(jié)束后,在2000g離心力下離心15min,離心后棄去上清液;③重復(fù)有機(jī)磷步驟①和②一次;④將離心管置水浴鍋上水浴至有機(jī)磷步驟③的殘?jiān)稍?干燥后的殘?jiān)D(zhuǎn)移入坩堝中,部分不能完全轉(zhuǎn)移的殘?jiān)柚暡ǖ确绞睫D(zhuǎn)入到坩堝中;⑤將坩堝放入馬弗爐中450℃灼燒3h,灼燒完后將樣品放入干燥器中冷卻;⑥待樣品冷卻后,小心將樣品轉(zhuǎn)移至離心管中,用滴定管分次加入1mol/LHCl,先加入少量HCl提取液于坩堝中協(xié)助完全轉(zhuǎn)移樣品,HCl提取液總加入量為20mL;⑦同無機(jī)磷步驟③;⑧同無機(jī)磷步驟④;⑨同無機(jī)磷步驟⑤;⑩根據(jù)測得的磷酸鹽濃度對應(yīng)每一份樣品的精確質(zhì)量及上清液稀釋倍數(shù)計(jì)算出沉積物樣品中OP含量。1.2.3樣品前處理及正磷酸鹽濃度測定①準(zhǔn)確稱量200mg(稱量范圍允許±5mg的差異)烘干的沉積物樣品于坩堝中;②將坩堝放入馬弗爐中450℃灼燒3h,灼燒完后立即將樣品放入干燥器中冷卻;③待樣品冷卻后,小心將樣品傾倒轉(zhuǎn)移至離心管中,用滴定管分次加入1mol/LHCl,先加入少量HCl提取液于坩堝中協(xié)助完全轉(zhuǎn)移樣品,HCl提取液總加入量為20mL;④旋緊離心管蓋帽,水平放置于搖床中,在恒溫20℃、振速250rpm條件下振蕩16h;⑤振蕩結(jié)束后,在2000g離心力下離心15min,離心后立即將上清液轉(zhuǎn)移至50mL具塞比色管中;⑥磷鉬藍(lán)法測定上清液中的正磷酸鹽濃度;⑦根據(jù)測得的磷酸鹽濃度對應(yīng)每一份樣品的精確質(zhì)量及上清液稀釋倍數(shù)計(jì)算出沉積物樣品中P含量,減去同時(shí)測的IP含量,即為OP含量。1.3精科天麻及其他設(shè)備PPCO(聚丙烯)螺口離心管,50mL,美國Thermo公司;DHG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;FC204十萬分之一分析天平,上海精科天平公司;SX2-4-10箱式電爐,上海蘇進(jìn)儀器設(shè)備廠;HY-2A數(shù)顯調(diào)速多用振蕩器,江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;LD5-2A低速離心機(jī),北京醫(yī)用離心機(jī)廠;HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋,國華電器有限公司;KQ-500B超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;SAN++SYSTEM連續(xù)流動(dòng)分析儀,荷蘭SKALAR公司。1.4實(shí)際樣品測定和分析沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品共計(jì)30個(gè)GSD-9沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品平行,30個(gè)GSD-12沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品平行,12個(gè)空白。野外實(shí)際樣品驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)共計(jì)30個(gè)長江沉積物樣品平行,30個(gè)固城湖沉積物樣品平行,30個(gè)月亮灣沉積物樣品平行,12個(gè)空白。計(jì)算沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品和野外沉積物實(shí)際樣品磷濃度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及變異系數(shù)(CV值),CV值為標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值,表征平行樣的偏差大小。數(shù)據(jù)分析在SPSS16.0中進(jìn)行,P<0.05,差異性顯著。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。2結(jié)果與討論2.1總磷含量和總磷含量實(shí)驗(yàn)重復(fù)測定(n=30)水系沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-9和GSD-12不同形態(tài)磷的含量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-9TP含量為556.72mg/kg,占標(biāo)準(zhǔn)總磷含量的83.10%,IP占TP含量的80.25%,OP占TP含量的9.33%,IP與OP之和占TP含量的89.57%;沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-12TP含量為152.52mg/kg,占標(biāo)準(zhǔn)總磷含量的64.90%,IP占TP含量的43.08%,OP占TP含量的23.03%,IP與OP之和占TP含量的66.11%。2.2提取op含量改進(jìn)后的OP提取方法,先將沉積物樣品在馬弗爐中灼燒3h,將沉積物中的OP、IP含量全都提取出來,同時(shí)同步測定沉積物樣品中的IP含量,通過差減法計(jì)算出沉積物樣品中的OP含量。表2為通過該OP提取方法測定(n=30)水系沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-9和GSD-12有機(jī)磷的含量。沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-9通過該方法提取的OP含量占TP含量的10.44%,IP與OP之和占TP含量的91.78%;沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-12通過該方法提取的OP含量占TP含量的23.18%,IP與OP之和占TP含量的66.26%。2.3改進(jìn)的smt法與標(biāo)準(zhǔn)gsd-9的比較實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用SMT法傳統(tǒng)OP提取方法和另外一種改進(jìn)的OP提取方法重復(fù)測定(n=30)水系沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-9和GSD-12有機(jī)磷的含量(圖1)。結(jié)果表明,通過傳統(tǒng)法和改進(jìn)法提取沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-9測得的OP含量分別為52.86±4.76和58.12±4.58mg/kg,分別占TP含量的9.33%和10.44%;沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-12測得的OP含量分別為35.12±1.31和35.35±3.72mg/kg,分別占TP含量的23.03%和23.18%。T檢驗(yàn)分析表明,標(biāo)準(zhǔn)SMT法提取的OP與改進(jìn)的SMT法提取OP含量之間差異性不顯著(P>0.05)。因此,通過對標(biāo)準(zhǔn)樣品GSD-9和GSD-12的分析表明,采用改進(jìn)的SMT法提取OP對提取效果無明顯的影響。2.4有機(jī)磷含量分析由于標(biāo)準(zhǔn)的SMT法測定沉積物中OP含量的操作步驟比較繁瑣,中間轉(zhuǎn)移過程較多,人為操作等因素都會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)較大誤差。因此,改進(jìn)方法盡量減少了轉(zhuǎn)移操作,以差減法測定OP含量,有效減少了人為操作產(chǎn)生的誤差。為了更好的驗(yàn)證該方法的合理可行性,實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用SMT法傳統(tǒng)OP提取方法和另外一種改進(jìn)的OP提取方法重復(fù)測定(n=30)實(shí)驗(yàn)室野外采集的長江、固城湖和月亮灣的沉積物實(shí)際樣品有機(jī)磷的含量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn),通過傳統(tǒng)法和改進(jìn)法提取長江沉積物樣品測得的OP含量分別為35.46±1.45和35.81±1.61mg/kg;固城湖沉積物樣品測得的OP含量分別為99.47±1.89和101.03±2.89mg/kg;月亮灣沉積物樣品測得的OP含量分別為233.60±2.05和237.12±3.94mg/kg。T檢驗(yàn)分析表明,標(biāo)準(zhǔn)SMT法提取的OP與改進(jìn)的SMT法提取OP含量之間無顯著性差異(P>0.05)。因此,通過對野外沉積物樣品的分析表明,采用改進(jìn)的SMT法提取OP對提取效果無明顯的影響,可以驗(yàn)證在SMT法傳統(tǒng)提取沉積物中OP含量方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的OP提取方法具有可行性。2.5振蕩過程中檢查控制要點(diǎn)1)沉積物樣品一定要為干樣(105℃烘4h除去水分,烘干后立即放干燥器內(nèi)冷卻),待冷卻后在事先預(yù)熱2h的萬分之一天平上稱量沉積物樣品200mg(稱量范圍允許±5mg的差異),確保稱量的精確性并盡可能地縮短稱量時(shí)間,減少沉積物在稱量過程中吸水而引起的質(zhì)量差異。2)使用前務(wù)必檢查離心管質(zhì)量,避免在振蕩過程中出現(xiàn)漏液,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。3)振蕩過程中嚴(yán)格控制好振蕩時(shí)間和溫度,在恒溫20℃、振速250rpm,為保證振蕩充分,將離心管水平放置于搖床上振蕩時(shí)間16h。4)振蕩結(jié)束后立即離心(2000g離心力下離心15min),因?yàn)樘崛∫褐辛仔螒B(tài)不穩(wěn)定,如放置時(shí)間過長會導(dǎo)致測定偏差。因此,離心后應(yīng)立即收集上清液,及時(shí)測定磷濃度。5)實(shí)驗(yàn)所需的磷標(biāo)準(zhǔn)儲備液、鹽酸提取液盡量現(xiàn)配,做標(biāo)線的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)儲備液必須現(xiàn)配。6)務(wù)必檢查下實(shí)驗(yàn)室馬弗爐不同位置灼燒溫度是否一致,盡量避免由于樣品在馬弗爐中放置的位置差異所引起的灼燒