土壤中砷形态转化的研究进展

土壤中砷形态转化的研究进展

砷是自然界第20个因素中的一个很强的毒性和致癌性因素。它广泛存在于熔积岩和沉积岩中，主要是硫酸钠。通过化学和生物转化，砷化物以各种形式存在于水、土壤、植物、海洋和人类体内，并在各种砷酸之间循环。环境中的砷形成复杂多样，通常是有机和有机的。根据研究，有机砷的毒性大于有机砷，其中三价砷的毒性是5价砷的60倍，是甲基砷（如甲基砷酸和甲基砷酸）的70倍。而砷甜蔬菜碱（asb）和砷酸钠（asc）通常是毒性小或基本无毒性。土壤中硫酸钠的含量和形状直接影响到作物的生长和质量，与人类的健康密切相关。同时，环境健康风险的评估和污染土壤的诊断和修复是重要的。近年来，随着农业生态系统中硫酸钠累积趋势的增加和食品中硫酸钠超标风险的增加，对作物、尤其是蔬菜和食品的影响越来越受到关注。由于土壤中硫酸钠的流动性、毒性和生物活性在很大程度上取决于其存在形式，因此对土壤中硫酸钠的形成和转化以及土壤中硫酸钠形态的分析十分重要和紧迫。1土壤中的硫含量1.1砷在农业和农业过程中的污染土壤中砷的来源可分为自然源和人为源.土壤砷的本底主要来自成土母质,其浓度高低和分布由成土过程的环境因素所决定;除一些特殊的富砷地区外,土壤中砷的含量一般不会超过15mg·kg-1.但是,高砷地区水侵蚀、植物吸收和火山活动等自然过程,可使土壤中的砷逐步分散到环境中,对周边地区土壤及环境中砷的含量产生较大影响,并可能导致土壤中砷含量超标乃至污染.相对自然来源而言,土壤中砷含量受人为活动的影响也很显著,包括:1)工矿业活动、废弃物排放和燃煤等.如在陶瓷和玻璃、电子产品、涂料、去污剂、化妆品、烟花爆竹等的制造过程中,都可能要使用As2O3作为原料;砷通常被作为Cu-As合金中的微量成分以增强金属的防腐性;砷常以硫化物的形式夹杂在许多重要的有色金属矿如金、铜、铅、锌、硒、钴矿中,在开采和冶炼过程中均有可能造成砷的污染.据本课题组近年在湖南郴州、石门等地区的调查和采样分析资料,由于有色金属(包括砷)的开采,矿山周边地区土壤中砷的含量已达360mg·kg-1,甚至更高;含砷废弃物、废水、废气的排放也是土壤中砷的重要来源之一,如课题组近年在湖南株洲、甘肃白银等地的调查资料,部分冶炼厂周边土壤中砷的含量可达到50~100mg·kg-1;煤炭中砷的含量一般在2~82mg·kg-1,褐煤中砷的含量甚至可高达1000mg·kg-1以上,因此,在火力发电厂周边地区常因燃煤产生的飞尘和灰渣中含有大量的砷,特别是灰尘微粒中的砷含量更高,从而导致土壤中砷的累积和含量超标.2)农业活动.在养殖业中,砷化合物(如洛克沙胂、阿散酸等)由于具有抗寄生虫病、促进动物生长、改善动物产品品质等多重作用,因而通常被作为饲料添加剂使用,这些含砷化合物进入动物体后,通过动物的排泄进入环境,或随着排泄物的农业利用进入农田,从而在土壤中累积;由于砷的毒性较大,长期以来砷化合物作为杀虫剂、消毒液、杀菌剂和除草剂被广泛应用于农业和园艺业,尽管近年来许多国家已陆续禁止使用这些物质,但在个别地区已经形成了土壤中砷过量累积和超标的现实.从农田土壤中砷的累积情况来看,根据曾希柏等2006—2007年间分别在山东寿光、吉林四平、河南商丘及北京市大兴等地的大范围调查结果,在部分集约化程度高、有机肥和化肥施用量大的农业土壤中,砷的含量有逐年升高趋势,且这种趋势与有机肥及化肥中砷的含量、肥料投入量以及含砷制剂的使用等密切相关;在部分使用集约化养猪场粪便的土壤中,砷含量的升高尤为明显.1.2外源砷形态及形态由于砷的形态与其毒性大小密切相关,而土壤中各种形态的砷可以相互转化,并对砷的环境和生态效应产生显著影响,因此,砷形态的分离和测定研究也逐渐成为近年来的热点之一.从现有研究结果看,由于不同研究者对土壤中砷形态的理解、分级和侧重点各不相同,因此,所得的结果也不尽一致.如武斌等的研究中,采用H2O、NH4Cl、NH4F、NaOH、H2SO4等提取剂,比较了不同提取方法对土壤中砷的提取效果,并将按不同步骤提取出的砷依次分为水溶态、交换态、Al-结合态、Fe-结合态、可还原态、Ca-结合态、残渣态等形态;苗金燕等采用盆栽试验与化学分析相结合的方法,研究了外源砷在酸性、中性、钙质紫色土中的形态分配及其化学和生物有效性,但在砷形态分级中采用了改进的Jackson磷形态分级法,不同于大多数研究者的方法.Huang等研究了污染和非污染土壤中可移动态砷的形态,发现在德国未污染的森林土壤中,除含有五价砷和三价砷外,还含有一定量的二甲基砷(DMA)、三甲基砷(TMAO)、砷甜菜碱(AsB)及4种未知的有机砷,其中AsB的含量最高,达到12ng·g-1;其次是DMA,达6ng·g-1;而其他形态有机砷的含量则不足1ng·g-1.而本课题组2006—2007年间分别在湖南宝山铜矿、云南柿竹园地区采集矿山周边土壤的分析资料发现,其总砷含量均超过了300mg·kg-1,但进一步分析其中不同形态砷的含量时,发现所能提取的有效砷主要是五价的无机砷,三价无机砷和有机态砷则几乎检测不出来.Sadiq和Pongratz的研究结果也指出,土壤中砷的存在形态主要为三价和五价的无机砷,有机砷的含量很低,且主要以一甲基砷和二甲基砷的形态存在.当然,在一定条件下,土壤中五价无机砷也可以还原为三价砷或转化为有机态砷,Pongratz认为,在严重砷污染的土壤中,也可能存在着砷的甲基化作用.2土壤砷形态转化的优化方法近年来,国内外对土壤中砷形态研究的关注越来越多,但是,受许多客观条件的限制,在土壤砷形态的最优提取方法等方面尚无定论,基本上是处于探索和发展阶段.由于土壤中的砷在提取和分析过程中很容易因环境条件的改变而发生形态转化,因此,选择最优的提取方法和分析技术,防止其在提取和分析过程中发生转变也就显得尤为重要.2.1砷的提取方法及提取率土壤中砷的形态既有无机态、也包括各种有机形态,在提取过程中,如何使各种原始形态砷能很好地提取出来而不发生转化,是砷形态研究的第一步,也是最为关键的一步.由于在提取过程中三价的无机态砷很容易转化成五价砷,因此,研究能有效防止该过程发生的提取方法,已成为土壤砷形态研究的前提,也是研究者最为关心的问题.从已有的研究看,砷化合物在提取过程中按照使用辅助仪器的不同,可以分为萃取、振荡提取、超声波提取、离心提取和微波辅助提取等;按照提取时所使用提取液的不同,可分为酶提取、水提取、甲醇-水提取、乙醇-水提取、磷酸提取、氯仿-甲醇-水提取及Tris-HCl提取等.而对所提取的砷化合物的提纯,目前较常用的方法包括醋酸纤维膜提纯、超滤提纯、有机溶剂分离提纯和C18萃取柱提纯等4种.但是,究竟哪一种提取和提纯的方法最好?所提取出的砷形态与土壤的实际情况最为接近?则至今尚无定论.比较已有的研究结果,目前认为比较成熟的土壤中砷形态提取的方法主要有:1)磷酸浸提-微波提取法.Thomas等用1mol·L-1的磷酸浸提、40W微波提取20min,测定土壤中的三价砷、五价砷、一甲基砷(MMA)及二甲基砷(DMA),研究结果显示,各种形态砷的提取率在60%~80%;2)磷酸重复提取法.Pizarro等研究了大米、鸡肉、鱼及土壤中不同形态砷的提取方法和时间及其对砷形态稳定性的影响,结果表明,用1mol·L-1的磷酸浸提的提取率明显高于用超纯水、甲醇-水(1∶1、9∶1和1∶1-9∶1)的提取率,经过3次重复提取后,土壤中三价砷、五价砷、一甲基砷(MMA)及二甲基砷(DMA)的提取率可高达98%左右;3)乙醇提取法.Yuan等用HPLC-HG-AFS方法评价了稻草中砷形态的提取方法,结果显示,用1∶1的乙醇作为提取液、微波协助提取的效果最好,总砷的提取率可高达90.3%,但作者未对土壤砷形态的提取作相应的研究.2.2形态测定方法土壤中砷形态的分析包括各种形态砷的分离、鉴定及测定各种砷化合物含量等.一般而言,样品中砷的形态分析可分为3个步骤,即:提取、富集与分离、检测.由于不同形态砷化合物的化学性质各不相同,要彻底、单独分离出每一个化合物几乎是不可能的,近年逐步发展起来的一些分离技术如氢化物发生法(HG)、液相色谱法(LC)、气相色谱法(GC)、毛细管电泳法(CE)等,尽管其在分离不同形态砷化合物方面具有较好的效果,且部分方法的应用也较为广泛,但同时也存在这样或那样的局限,特别是对各种有机态砷的分离效果还相对较差.氢化物发生法(HG):由于NaBH4或KBH4具有较强的还原性和较高的选择性,各种形态的砷化合物都可在不同酸度下被选择性地还原为砷氢化物,因此,氢化物发生法也成为迄今为止对砷的富集和形态分离中应用最多的方法.早期常将各种砷化合物经NaBH4还原为相应的砷氢化物,再利用分光光度法来测定其含量.一些研究者用氢化物发生-冷阱捕获法将砷化合物转化成砷化氢,相应的砷化氢在冷阱中被捕获富集,然后按照不同的沸点顺序蒸馏出来并得以分离,该方法的检测限低,一般在亚ng·L-1范围内,但整个分析过程耗时较长,一般分析一个样品需要30min左右.液相色谱法(LC):液相色谱法是环境中砷形态测定最常用的方法之一.由于该方法可以同时测定有机和无机形态的砷,因此,近年来多数生物基质中砷形态的测定都是由LC来完成的.液相色谱法用于砷形态的分离和测定较气相色谱法有许多优势:首先是样品可以不经过复杂的衍生过程,而是直接用水样或提取液来测定,这样就可以减少衍生过程中砷形态的转化,而且还可以节约测定时间;其次,LC可以和许多其他的检测系统如ICP-MS、HG-AFS和MS等联用,从而使检测的灵敏度和精度大幅度提高,使砷形态检测的效果大大改善,而且液相色谱还可以通过多种色谱的联用,使得包括有机、无机态砷在内的各种形态砷的分离和检测变得简单易行.气相色谱法(GC):用气相色谱法进行测定时,一般选用巯基乙酸甲酯(TGM)对砷化物进行衍生,但多见用于水、血、尿等组成较稳定、前处理较简单的物质的测定,而对土壤之类需经过复杂的前处理且成分复杂的物质,则不一定是最合适的方法;而且,由于TGM属于强还原剂,可以将介质中的三价砷还原为五价砷,因此,该方法不能将五价砷和三价砷分离.由于所有的砷化合物都不易挥发,所以,迄今为止还很少有研究者用气相色谱法来进行砷形态的分析,尤其是土壤中砷的形态更加复杂,用该方法很难将其分离,因此,近年来该方法已基本上唾弃不用.毛细管电泳法(CE):毛细管电泳法是最近20多年来迅速发展起来的一种分离技术,其应用范围十分广泛.该方法具有高分离效率、高分析速度等优点,并且所需要的样品量很少,一般仅几毫升,因而其运行成本非常低.对同一元素的不同形态,只要有结构或电荷上的差别,即可用毛细管电泳法进行分离.通常,用毛细管电泳法测定砷的形态多局限于纯标准溶液或简单的基质,而且由于紫外检测器的通道短、灵敏度较低,因此,在一定程度上限制了该方法在形态分析中的应用.联用技术:与单一的砷形态分析技术比较,联用技术一般集中了几种方法的优点,因而其选择性、灵敏度都比较高.常用的联用技术一般是用气相色谱法或液相色谱法分离各种不同形态的砷,并用原子特征检测器如AAS、HG-FAAS、AFS、ICP-MS和ICP-AES等进行检测,这样就可以很容易地进行砷形态的分析.近年来,许多研究者发现HPLC-ICP-MS联用技术具有灵敏度超高、可以连续测定等许多优点,因而该方法发展十分迅速,已逐渐成为目前砷形态分析的重要手段之一.此外,将HG与AFS联用,可用于底泥和土壤中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)、砷甜菜碱(AsB)和砷胆碱(AsC)的分离与提取,该方法具有灵敏度高、检测成本低等优点,是近年来国内在砷形态分析方面探索并发展起来的新方法,特别是将LC与AFS的联用,已经成为检测As、Se、Sb、Sn等元素不同化学形态的最灵敏手段之一,其检测能力甚至已经接近或超过了价格昂贵的HPLC-ICP-MS.从上述各种方法的比较来看,联用技术灵敏度最高、选择性强,其中HPLC-ICP-MS联用是近几年来开展形态分析的重要工具,但因其仪器价格昂贵,不是每个实验室和研究单位都可以具备,且该仪器的运行成本和维护费用均很高,使其应用范围受到很大影响;气相色谱法由于在测定过程中容易引起各种形态砷的相互转化,因此,用来作为砷形态的分离和测定是不合适的;毛细管电泳法虽然分离效率高、运行成本低,但其灵敏度相对较低,对检测含量较低的样品往往达不到所需的检测精度要求;但近年发展起来的HPLC-HG-AFS联用技术则集中了这些技术的优点:灵敏度高,检测限低达ng·L-1;选择性强,可以用于土壤、沉积物、水样、尿样中三价砷、五价砷及一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)等的分离和测定;而且,该仪器的运行成本低,分析过程中各种形态砷之间的相互转化少,且测定速度快(测定一个样品一般只需要15min左右),因而是一种方便、经济、具有较大推广应用前景的砷形态分离与测定方法.3土壤微生物变化与形态转化尽管土壤中砷形态的研究对明确砷的毒性和植物有效性具有十分重要的作用,但是,受多种因素、特别是提取分离方法及仪器设备等的影响,目前国内外对土壤中不同形态砷相互转化定量描述的研究还不多,已有的研究还主要是集中在提取、分离、检测方法的探索及定性研究方面.实际上,不同形态的砷化合物在土壤中是可以相互转化的,其转化过程除与土壤微生物的活动密切相关外,还包括氧化-还原、溶解-沉淀、甲基化-脱甲基以及生物富集等过程.氧化-还原过程是指在一定的条件下,受氧化-还原条件变化的影响,土壤中三价砷和五价砷相互转化的过程.一般而言,土壤在长时间淹水条件下,随着还原性的增强,五价的无机砷可逐步转化为三价砷,从而使土壤中三价砷的含量相应增加,并逐步成为土壤溶液中主要的存在形态.在五价砷向三价砷转化的过程中,受土壤氧化-还原条件的影响,细菌、真菌和蓝藻菌的种群和数量均发生了相应的变化,并在砷形态转化中发挥着十分重要的作用,这些微生物在一定的条件下具有将土壤中的砷最终还原成AsH3的能力.但是,由于砷在土壤中存在生物的和非生物的转化过程,因此,土壤中微生物活动对砷形态转化和迁移的量化研究是十分困难的.当然,也有研究者认为土壤中现有形态砷(包括三价砷和五价砷)的转化主要是由微生物的数量和代谢活动所控制的.溶解-沉淀过程是指在土壤pH和Eh值变化的影响下,易溶性和难溶性砷化合物之间相互转化的过程.溶解-沉淀过程主要受土壤pH和Eh的影响,其次还可能受到土壤微生物种群和数量、土壤磷含量等的影响.土壤中砷的沉淀过程可以将溶解在土壤溶液中的砷变成难溶、低毒和低移动的形态,使砷的危害性大幅度降低;而溶解过程则恰恰相反,可以使土壤中砷化合物的溶解度和移动性增加、毒性和危害性加大.Masscheleyn等研究了污染土壤中氧化还原电位和pH值对砷的形态和可移动性的影响,其结果认为,随着土壤中氧化还原电位和pH值的改变,土壤中砷的溶解性等也在不断发生变化,从而在很大程度上影响了砷在土壤中的移动性.也有研究认为,由于酸性土壤中富含铁、铝氧化物,土壤中的铁、铝胶体吸附砷后,可形成砷酸和亚砷酸铁、铝等难溶性盐类,从而使土壤中砷的移动性和毒性均有较大程度的下降.甲基化-脱甲基过程是指在微生物的作用下,土壤中的无机态砷通过甲基化作用转化为有机态砷、或者有机态砷通过脱甲基化作用转化成无机态砷的过程.一般认为,土壤中的无机态砷可以通过微生物为中介的生物化学转化作用,将甲基(CH3)取代AsO(OH)3中的羟基而形成一甲基砷(MMA)、二甲基砷(DMA)或三甲基砷(TMAO),从而使无机态砷转化为有机形态的砷.但是,由于有机态砷在土壤中的存在时间较短,特别是三甲基砷在土壤中通常只是一个临时的存在状态,会很容易被分解或者还原,一甲基砷和二甲基砷在土壤中一般也会在2~3个月内被分解或者转化,因此,土壤中砷的甲基化-脱甲基过程主要是脱甲基过程,或者说主要是由有机态砷转化为无机态砷的过程.生物富集过程是指植物或微生物在生长和繁育过程中,通过吸收土壤中的微量或痕量元素(特别是污染元素如砷、镉等),使其在体内暂时累积的过程.生物富集过程可使土壤中的砷等有害元素转化为生物态,并在生物体内暂时富集,从而降低了其对农作物的有效性.植物、细菌、真菌、蓝藻等都对微量或痕量元素具有生物积累作用.生物富集过程一般可以通过两种途径来实现:微生物和植物对类金属元素的生物吸着作用;微生物或植物(特别是超富集植物)通过主动和被动过程吸收痕量元素.4研究和应用土壤中砷形态的意义由于植物对砷的吸收与土壤中砷的含量及其化学形态密切相关,从理论上看,通过研究土壤中不同形态砷的相互转化,并控制一定的条件使土壤中高毒、高生物有效性的砷化合物向低毒、低生物有效性的形态转化,将在一定程度上降低植物对砷的吸收,减轻其对植物生长的危害.因此,随着相关技术与方法的发展,土壤砷形态及其转化研究必将会受到愈来愈多的研究者的重视,并逐步得到加强和拓展.1)土壤中砷的形态及其相互转化机制.近年来,关于土壤中砷形态转化的机制、影响因素等研究有增多的趋势,