标准sm法与改进法提取沉积物磷的比较研究

标准sm法与改进法提取沉积物磷的比较研究

磷是促进水体富营养化的重要养分。在外源污染得到控制的条件下,沉积物的磷释放是决定湖泊上覆水体的磷浓度的重要因素。水体沉积物中磷的形态分析有助于认识沉积物-水界面磷的交换机制和沉积物内源磷负荷机制,对认识水体磷的沉积机制及沉积后磷的地球化学行为有很大帮助。有机磷作为湖泊沉积物中磷的主要成分,是湖泊生态系统的重要组成部分,我国太湖、滇池和红枫湖沉积物中有机磷约占总磷含量的12%~60%,Wang等对太湖沉积物释磷特征研究表明,沉积物释放的溶解态有机磷约占总磷的20%~50%,而且随着沉积物污染程度的增加,其释放的溶解态有机磷比例显著增加。有机磷还是湖泊营养物质循环和生命过程中的一个重要环节,长江中下游20个湖泊沉积物磷的特征研究表明,沉积物中生物有效态有机磷部分(活性和中活性有机磷)的含量是水提取态无机磷含量的8倍,是藻类可利用态磷和Olsen-P的1.3倍和1.2倍,表明沉积物中有机磷对湖泊富营养化具有重要的贡献。湖泊沉积物中磷的形态分析方法最初由土壤肥力研究方法发展而来的。沉积物中磷的形态根据不同的特点及研究方向有不同的分类,国内外也不尽相同。在我国湖泊研究中,许多学者把沉积物中的磷分为无机态和有机态,无机磷可分为Ca-P、Al-P、Fe-P、Bi-P、res-P等。有机磷根据提取方法可分为酸可提取磷、碱可提取磷。Herman等和Penn等将沉积物磷形态广泛组合为无机磷和有机磷。Ruttenberg等发展了较为全面的连续化学提取技术,把沉积物中的磷酸盐矿物分为若干相态:①弱吸附相磷,②与铁氧化物或氢氧化物有关的磷,③诸如自生磷灰石类的磷组分,④矿物晶体内的残留相磷,⑤有机态的磷。尽管沉积物中各种磷形态得到了相当的关注,且各种磷形态的提取方法也得到了较快的发展,但是没有一个标准的磷形态的提取方法,这使各种提取方法的结果不太容易比较,甚至有时会出现偏差。为了改变这种情况,欧洲标准测试测量组织发起了一个联合项目(1996年),通过文献研究,选取了用于湖泊沉积物形态研究中4种最广泛被接受的方法(Williams、Hieltjes-Lijklema、Golterman、Ruttenberg)通过比较研究,在改进的Williams的基础上,最终形成了淡水沉积物磷形态连续提取的SMT协议,现多称为SMT法,该方法在与已有方法比较的基础上并在专家组实验室联合研究的基础上得到了改进和发展的,主要包括无机磷(IP),有机磷(OP),NaOH提取态磷(NaOH-P,铁、铝、锰氧化物结合态磷),HCl提取态磷(HCl-P,钙结合态磷)及3.5mol/L盐酸提取磷(TP),由于其操作简单,连续提取步骤少,实验误差小,数据可比性高,使用沉积物样品少,重复性好而被广泛应用。然而,SMT法在OP的提取过程,需要经过一系列繁琐的转移步骤,操作中容易出现误差,从而影响该方法的应用和推广。文章以我国水系沉积物成分分析标准物质GBW07309(GSD-9)和GBW07312(GSD-12)为标准样品,同时选择实验室野外采集的沉积物样品为实际样品,使用SMT法对沉积物样品中的OP进行提取测定,分析了SMT法提取OP过程中的误差来源,并对提取步骤进行了一定的改进。1材料和方法1.1沉积物与试验设计1.1.1物标准样品实验沉积物样品选用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制的水系沉积物成分分析标准物质及实验室野外采集的沉积物实际样品。沉积物标准样品GBW07309(GSD-9)采自武汉长江沉积物(磷含量670±23mg/kg),GBW07312(GSD-12)采自广东阳春多金属矿区(磷含量235±22mg/kg),该标准样品于1986年定值,2003年修订。沉积物实际样品选择2008年8月于长江、固城湖及月亮湾(南京富营养化水华暴发池塘32°06′10.36″N,118°54′13.75″E)采集的沉积物。1.1.2sd-12平行沉积物标准样品实验共进行3个批次,每批各做10个GSD-9平行,10个GSD-12平行,4个空白;野外实际样品验证实验也进行3个批次,每批各做10个长江沉积物样品,10个固城湖沉积物样品,10个月亮湾沉积物样品,4个空白,以标准SMT法中OP提取方法及改进的提取方法分别提取样品中的OP含量。1.2实验方法1.2.1样品的制备样品干燥处理,称量前将沉积物样品(GSD-9)、(GSD-12)、长江沉积物样品、固城湖沉积物样品及月亮湾沉积物样品放置烘箱中,于105℃烘4h除去水分,烘干后立即放干燥器内冷却备用。1.2.2从标准smt方法中提取资金的操作步骤1离心条件下,根据压力进行复使分液器5.2%①准确称量200mg(称量范围允许±5mg的差异)烘干的沉积物样品于离心管中;②加入20mL1mol/LHCl到离心管中;③旋紧离心管盖帽,水平放置于摇床中,在恒温20℃、振速250rpm条件下振荡16h;④振荡结束后,在2000g离心力下离心15min,离心后立即将上清液转移至50mL具塞比色管中;⑤磷钼蓝法测定上清液中正磷酸盐浓度;⑥根据测得的磷酸盐浓度对应每一份样品的精确质量及上清液稀释倍数计算出沉积物样品中IP含量。2有机磷步骤机①加入12mL去离子水到无机磷步骤④所剩的残渣中,旋紧离心管盖帽后水平放于摇床振荡5min;②振荡结束后,在2000g离心力下离心15min,离心后弃去上清液;③重复有机磷步骤①和②一次;④将离心管置水浴锅上水浴至有机磷步骤③的残渣干燥,干燥后的残渣转移入坩埚中,部分不能完全转移的残渣借助超声波等方式转入到坩埚中;⑤将坩埚放入马弗炉中450℃灼烧3h,灼烧完后将样品放入干燥器中冷却;⑥待样品冷却后,小心将样品转移至离心管中,用滴定管分次加入1mol/LHCl,先加入少量HCl提取液于坩埚中协助完全转移样品,HCl提取液总加入量为20mL;⑦同无机磷步骤③;⑧同无机磷步骤④;⑨同无机磷步骤⑤;⑩根据测得的磷酸盐浓度对应每一份样品的精确质量及上清液稀释倍数计算出沉积物样品中OP含量。1.2.3样品前处理及正磷酸盐浓度测定①准确称量200mg(称量范围允许±5mg的差异)烘干的沉积物样品于坩埚中;②将坩埚放入马弗炉中450℃灼烧3h,灼烧完后立即将样品放入干燥器中冷却;③待样品冷却后,小心将样品倾倒转移至离心管中,用滴定管分次加入1mol/LHCl,先加入少量HCl提取液于坩埚中协助完全转移样品,HCl提取液总加入量为20mL;④旋紧离心管盖帽,水平放置于摇床中,在恒温20℃、振速250rpm条件下振荡16h;⑤振荡结束后,在2000g离心力下离心15min,离心后立即将上清液转移至50mL具塞比色管中;⑥磷钼蓝法测定上清液中的正磷酸盐浓度;⑦根据测得的磷酸盐浓度对应每一份样品的精确质量及上清液稀释倍数计算出沉积物样品中P含量,减去同时测的IP含量,即为OP含量。1.3精科天麻及其他设备PPCO(聚丙烯)螺口离心管,50mL,美国Thermo公司;DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;FC204十万分之一分析天平,上海精科天平公司;SX2-4-10箱式电炉,上海苏进仪器设备厂;HY-2A数显调速多用振荡器,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;LD5-2A低速离心机,北京医用离心机厂;HH-8数显恒温水浴锅,国华电器有限公司;KQ-500B超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司;SAN++SYSTEM连续流动分析仪,荷兰SKALAR公司。1.4实际样品测定和分析沉积物标准样品共计30个GSD-9沉积物标准样品平行,30个GSD-12沉积物标准样品平行,12个空白。野外实际样品验证实验共计30个长江沉积物样品平行,30个固城湖沉积物样品平行,30个月亮湾沉积物样品平行,12个空白。计算沉积物标准样品和野外沉积物实际样品磷浓度的平均值、标准偏差及变异系数(CV值),CV值为标准偏差与平均值的比值,表征平行样的偏差大小。数据分析在SPSS16.0中进行,P<0.05,差异性显著。实验数据用平均值±标准差表示。2结果与讨论2.1总磷含量和总磷含量实验重复测定(n=30)水系沉积物标准样品GSD-9和GSD-12不同形态磷的含量,实验结果见表1。沉积物标准样品GSD-9TP含量为556.72mg/kg,占标准总磷含量的83.10%,IP占TP含量的80.25%,OP占TP含量的9.33%,IP与OP之和占TP含量的89.57%;沉积物标准样品GSD-12TP含量为152.52mg/kg,占标准总磷含量的64.90%,IP占TP含量的43.08%,OP占TP含量的23.03%,IP与OP之和占TP含量的66.11%。2.2提取op含量改进后的OP提取方法,先将沉积物样品在马弗炉中灼烧3h,将沉积物中的OP、IP含量全都提取出来,同时同步测定沉积物样品中的IP含量,通过差减法计算出沉积物样品中的OP含量。表2为通过该OP提取方法测定(n=30)水系沉积物标准样品GSD-9和GSD-12有机磷的含量。沉积物标准样品GSD-9通过该方法提取的OP含量占TP含量的10.44%,IP与OP之和占TP含量的91.78%;沉积物标准样品GSD-12通过该方法提取的OP含量占TP含量的23.18%,IP与OP之和占TP含量的66.26%。2.3改进的smt法与标准gsd-9的比较实验同时采用SMT法传统OP提取方法和另外一种改进的OP提取方法重复测定(n=30)水系沉积物标准样品GSD-9和GSD-12有机磷的含量(图1)。结果表明,通过传统法和改进法提取沉积物标准样品GSD-9测得的OP含量分别为52.86±4.76和58.12±4.58mg/kg,分别占TP含量的9.33%和10.44%;沉积物标准样品GSD-12测得的OP含量分别为35.12±1.31和35.35±3.72mg/kg,分别占TP含量的23.03%和23.18%。T检验分析表明,标准SMT法提取的OP与改进的SMT法提取OP含量之间差异性不显著(P>0.05)。因此,通过对标准样品GSD-9和GSD-12的分析表明,采用改进的SMT法提取OP对提取效果无明显的影响。2.4有机磷含量分析由于标准的SMT法测定沉积物中OP含量的操作步骤比较繁琐,中间转移过程较多,人为操作等因素都会导致实验出现较大误差。因此,改进方法尽量减少了转移操作,以差减法测定OP含量,有效减少了人为操作产生的误差。为了更好的验证该方法的合理可行性,实验同时采用SMT法传统OP提取方法和另外一种改进的OP提取方法重复测定(n=30)实验室野外采集的长江、固城湖和月亮湾的沉积物实际样品有机磷的含量,实验结果如图2所示。研究发现,通过传统法和改进法提取长江沉积物样品测得的OP含量分别为35.46±1.45和35.81±1.61mg/kg;固城湖沉积物样品测得的OP含量分别为99.47±1.89和101.03±2.89mg/kg;月亮湾沉积物样品测得的OP含量分别为233.60±2.05和237.12±3.94mg/kg。T检验分析表明,标准SMT法提取的OP与改进的SMT法提取OP含量之间无显著性差异(P>0.05)。因此,通过对野外沉积物样品的分析表明,采用改进的SMT法提取OP对提取效果无明显的影响,可以验证在SMT法传统提取沉积物中OP含量方法的基础上改进的OP提取方法具有可行性。2.5振荡过程中检查控制要点1)沉积物样品一定要为干样(105℃烘4h除去水分,烘干后立即放干燥器内冷却),待冷却后在事先预热2h的万分之一天平上称量沉积物样品200mg(称量范围允许±5mg的差异),确保称量的精确性并尽可能地缩短称量时间,减少沉积物在称量过程中吸水而引起的质量差异。2)使用前务必检查离心管质量,避免在振荡过程中出现漏液,导致实验结果出现偏差。3)振荡过程中严格控制好振荡时间和温度,在恒温20℃、振速250rpm,为保证振荡充分,将离心管水平放置于摇床上振荡时间16h。4)振荡结束后立即离心(2000g离心力下离心15min),因为提取液中磷形态不稳定,如放置时间过长会导致测定偏差。因此,离心后应立即收集上清液,及时测定磷浓度。5)实验所需的磷标准储备液、盐酸提取液尽量现配,做标线的磷酸盐标准储备液必须现配。6)务必检查下实验室马弗炉不同位置灼烧温度是否一致,尽量避免由于样品在马弗炉中放置的位置差异所引起的灼烧