一种采用DGT技术分离土壤不同形态重金属的方法与流程

本发明属于环境科学和地球科学领域，具体涉及一种土壤、水体、沉积物等环境介质中采用DGT技术分离不同形态重金属的方法。

背景技术：

土壤重金属污染，尤其是农田重金属污染是我国环境治理方面长期面临的复杂难题。重金属污染不但破坏了自然环境，而且严重地威胁了人类的生存和健康。如何对环境中重金属进行监测和污染治理成为了近年来人们热衷的话题。对土壤重金属毒性起着决定性作用的重金属生物有效态形式也成为了人们研究的重点。通常所使用的重金属有效态提取技术为化学方法，该方法虽然有所成效，但受到一系列外界因素的制约，通用性不好，并且测定过程中会使重金属的形态分布发生变化。DGT技术的出现克服了这一缺点，可以对环境中重金属有效态提取达到理想的效果。但目前为止，DGT技术并没有应用到土壤不同形态重金属的分离，并且仍没有其他较好的方法来分离土壤不同形态重金属。

通常使用的BCR三步法及Tessier连续提取法虽然可以对土壤中重金属有效态的各个组分进行分离，但是基于化学提取剂的方法仍然会受到化学试剂的影响，而且在提取过程中易造成重金属形态的变动。

技术实现要素：

本发明解决的是现有技术中缺少的适用于土壤等环境介质中，分离土壤不同形态重金属的DGT测定方法。

本发明实现目的的技术方案是：

一种采用DGT技术分离土壤不同形态重金属的方法，包括如下步骤：

⑴土壤样品的制备：采用不同地区表层土壤样品，将采集到的土样在与所述采样点相同的温度条件下进行保存，并将样品研磨后培养备用；

⑵不同厚度扩散相DGT的制备：分别制作不同厚度的扩散相，并用体积法计算膜的精确厚度，切割后组装成DGT装置备用，采用不同厚度DGT提取土壤重金属并计算规定时间内土壤重金属活性态含量：

(a)将装有不同厚度扩散相的圆形DGT插入已培养好的土壤样品中，并保持一定的操作时间24h，所述带有不同厚度扩散相的圆形DGT在所述土样内的深 度处于1-2cm范围内；

(b)取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT，用超纯水冲洗装置，取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT中的结合相固定胶并进行酸洗脱，收集洗脱液；测定所述洗脱液中重金属的浓度，并计算得到所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT/溶液界面处的重金属的时间平均浓度C_DGT；

⑶采用重金属解离动力学方程计算有机易解离态重金属含量C_ML及解离率常数K_-1；

⑷计算土壤重金属离子态含量：将拟合得出的C_ML及K_-1带入重金属解离动力学方程计算得出DGT测定24h内重金属有效态含量中解离的络合态重金属含量C_M'，游离态重金属含量为C_M＝C_DGT-C_M'。

⑸根据重金属全量C结果计算非易动态重金属含量C'，土壤重金属全量C计算非易动态重金属含量C'：C'＝C-C_M-C_ML。

而且，所述步骤⑴中土壤样品的制备方法为：将土壤样品研磨过2mm筛，称取磨好的土壤100g于塑料盒中加水至60％持水量，密封后放于恒温恒湿培养箱中25℃条件下培养48h，之后加水至100％持水量继续培养24h。

而且，所述步骤⑵中不同厚度扩散相应大于等于4个梯度。

而且，所述步骤⑶中规定时间内土壤重金属活性态含量计算方法为：

$C_{DGT}=\frac{M\mathrm{\Δ}g}{DAt}$

其中，C_DGT表示土壤在一定时期内的重金属有效态测量值，M为在DGT展开时间t内结合相上累积的金属量，A为DGT窗口面积，扩散层厚度Δg为扩散凝胶层厚度与硝酸纤维素滤膜厚度之和，D为所测重金属离子在扩散凝胶中的扩散系数，t为装置展开时间。

而且，所述步骤⑷中所述重金属解离动力学方程为：

${C_M}^{\′}=C_{ML}(1-\exp \[-\frac{k-1\left({\mathrm{\Δg}}^{\′}\right)2}{2D_{ML}}\])$

其中Δg表示扩散相厚度，D_ML表示络合态重金属在土壤中的扩散系数，K_-1为所述络合态重金属的解离率常数，C_ML为土壤中有机易解离态重金属含量，C_M'为测定时间内解离的重金属含量。

而且，所述重金属解离动力学方程，并采用软件拟合得出土壤中有机易解离态重金属含量C_ML及解离率常数K_-1；

将拟合得出的C_ML及K_-1带入重金属解离动力学方程，得出DGT测定24h内重金属有效态含量中解离的络合态重金属含量C_M'，游离态重金属含量为 C_M＝C_DGT-C_M'。

而且，步骤(2)不同厚度扩散相DGT中结合相制备方法，步骤如下：

⑴将DTPA改性材料和丙烯酰胺凝胶溶液混合搅拌，并超声2-3分钟，使DTPA改性颗粒充分散开；所述DTPA改性材料：丙烯酰胺的重量比＝3～1:10；

⑵加入10wt％的过硫酸铵溶液，体积为V(过硫酸铵)：V(丙烯酰胺凝胶)＝3:500；并加入四甲基乙二胺，体积为V(四甲基乙二胺):V(丙烯酰胺凝胶)＝3:2000；

⑶在低温超声1-3分钟后将悬浊液快速注入一定厚度的玻璃槽内，用玻璃盖板盖好后转入4-10℃低温培养箱培养20-40分钟后将其平移至恒温恒湿培养箱于42℃条件下培养1h，而后取出放在超纯水中，30分钟后取出凝胶，24小时内换水至少三次制得DGT结合相。

本发明的优点和积极效果是：

本发明采用装有不同厚度扩散相的DGT，根据络合态重金属在通过不同厚度扩散相时解离量的差异性，应用软件进行拟合，通过计算得出土壤中不同形态重金属的结构分配。本方法为以后评价植物吸收土壤重金属有效态含量中，有机易解离态重金属的贡献提供了一种快速方便的预测方法。同时也使得对土壤中重金属吸附/解吸/扩散过程的评价和释放风险的评估可以更加准确地进行。

本发明提供了一种采用不同厚度扩散相DGT技术将土壤重金属进行形态分离的方法，其原理在于DGT扩散相对有机易解离态重金属具有解离能力，且厚度不同其解离的重金属量不同，从而导致DGT提取重金属量的差异性，通过这一差异性，采用解析DGT解离动力学公式C_M'＝C_ML(1-exp[-k_-1(Δg')²/2D_ML])，可以原位实现土壤重金属不同形态(离子态，有机易解离态和非易动态)的分离。

附图说明

图1为河南棕壤土中DGT测定不同形态Ni在重金属不同老化时期的含量关系图；

图2为广西红壤土中DGT测定不同形态Ni在重金属不同老化时期的含量关系图；

图3为重庆紫色土中DGT测定不同形态Ni在重金属不同老化时期的含量关系图。

图4为湖南水稻土中DGT测定不同形态Ni在重金属不同老化时期的含量关系图；

图5为西安黄绵土中DGT测定不同形态Ni在重金属不同老化时期的含量关系图；

图6为江苏黄泥土中DGT测定不同形态Ni在重金属不同老化时期的含量关系图；

图7和图8为DPS软件中参数拟合过程图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明方法。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。

一种采用DGT技术分离土壤不同形态重金属的方法，使用不同扩散相厚度的DGT将土壤中不同形态的重金属进行分离。其特征为：利用不同厚度扩散相的DGT其结合相上捕获重金属离子的差异性，采用软件进行拟合的方法并通过计算，最终将土壤中不同形态的重金属进行分离。

采用不同地区表层土壤样品，将采集到的土样在与所述采样点相同的温度条件下进行保存，并将样品研磨后培养备用。分别制作不同厚度的扩散相(大于等于4个梯度)，并用体积法计算膜的精确厚度，切割后组装成DGT装置备用，采用不同厚度DGT提取土壤重金属并计算规定时间内土壤重金属活性态含量：(1)将装有不同厚度扩散相的圆形DGT插入已培养好的土壤样品中，并保持一定的操作时间24h，所述带有不同厚度扩散相的圆形DGT在所述土样内的深度处于1-2cm范围内；(2)取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT，用超纯水冲洗装置，取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT中的结合相固定胶并进行酸洗脱，收集洗脱液；测定所述洗脱液中重金属的浓度，并计算得到所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT/溶液界面处的重金属的时间平均浓度C_DGT。(3)最后，采用重金属解离动力学方程并通过软件拟合得出有机易解离态重金属含量C_ML及解离率常数K_-1，经计算得出土壤中重金属离子态、有机易解离态及非易动态重金属含量。

所述土壤中不同形态重金属计算方法为：将拟合得出的C_ML及K_-1带入重金属解离动力学方程计算得出DGT测定24h内重金属有效态含量中解离的络合态重金属含量C_M'，游离态重金属含量为C_M＝C_DGT-C_M'。根据重金属全量C结果计算非易动态重金属含量C'：C'＝C-C_M-C_ML。

本发明中使用的结合相的材料为申请号：201510426767.5申请日：2015-07-20，公开号为CN105148846A，发明名称为一种DTPA改性材料及其制备的快速全解离型DGT结合相制备方法，中制备的快速全解离型DGT结合相材料。

所述快速全解离型DGT结合相制备方法，步骤如下：

⑴将DTPA改性材料和丙烯酰胺凝胶溶液混合搅拌，并超声2-3分钟，使DTPA改性颗粒充分散开；所述DTPA改性材料：丙烯酰胺的重量比＝3～1:10；

⑵加入10wt％的过硫酸铵溶液，体积为V(过硫酸铵)：V(丙烯酰胺凝胶)＝3:500；并加入四甲基乙二胺，体积为V(四甲基乙二胺):V(丙烯酰胺凝胶)＝3:2000；

⑶在低温超声1-3分钟后将悬浊液快速注入一定厚度的玻璃槽内，用玻璃盖板盖好后转入4-10℃低温培养箱培养20-40分钟后将其平移至恒温恒湿培养箱于42℃条件下培养1h，而后取出放在超纯水中，30分钟后取出凝胶，24小时内换水至少三次制得DGT结合相。

本发明提供的采用DGT技术分离土壤不同形态重金属的方法，包括如下步骤：

(1)土壤样品的制备：采用不同地区表层(0～20cm)土壤样品，将采集到的土样在与所述采样点相同的温度条件下进行保存，并将样品研磨后培养备用。

(2)不同厚度扩散相DGT的制备：分别制作不同厚度的扩散相，并用体积法对扩散相厚度进行严格控制。切割后组装成DGT装置备用。

(3)采用不同厚度DGT提取土壤重金属并计算规定时间内土壤重金属活性态含量：

(a)将装有不同厚度扩散相的圆形DGT插入已培养好的土壤样品中，并保持一定的操作时间(24h)，所述带有不同厚度扩散相的圆形DGT在所述土样内的深度处于1-2cm范围内；

(b)取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT，用超纯水冲洗装置干净后，取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT中的结合相固定胶并进行酸洗脱，收集洗脱液；测定所述洗脱液中重金属的浓度，并计算得到所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT/溶液界面处的重金属的时间平均浓度C_DGT。

(4)采用重金属解离动力学方程计算有机易解离态重金属含量C_ML及解离率常数K_-1。

计算土壤重金属离子态含量：将拟合得出的C_ML及K_-1带入重金属解离动力学方程计算土壤重金属离子态含量。

根据重金属全量(C)结果计算非易动态重金属含量(C')。

步骤(1)中所述土壤样品的制备方法为：将土壤样品研磨过2mm筛，称取磨好的土壤100g于塑料盒中加水至60％持水量，密封后放于恒温恒湿培养箱中25℃条件下培养48h，之后加水至100％持水量继续培养24h。

步骤(2)中所述不同厚度扩散相应大于等于4个梯度，如0.53mm、0.93mm、 1.33mm及1.73mm等。

步骤(3)中所述规定时间内土壤重金属活性态含量计算方法为：

$C_{DGT}=\frac{M\mathrm{\Δ}g}{DAt}$

其中，C_DGT表示土壤在一定时期内的重金属有效态测量值，M为在DGT展开时间t(一般为24h)内结合相上累积的金属量，A为DGT窗口面积，扩散层厚度Δg为扩散凝胶层厚度与硝酸纤维素滤膜厚度之和，D为所测重金属离子在扩散凝胶中的扩散系数，t为装置展开时间(24h)。

步骤(4)中所述重金属解离动力学方程为：

${C_M}^{\′}=C_{ML}(1-\exp \[-\frac{k-1\left({\mathrm{\Δg}}^{\′}\right)2}{2D_{ML}}\])$

其中C_M'为测定时间内解离的重金属含量，Δg'表示扩散相厚度，D_ML表示络合态重金属在土壤中的扩散系数，K_-1为所述络合态重金属的解离率常数，C_ML为土壤中有机易解离态重金属含量。

土壤中不同形态重金属的计算过程：

根据步骤(4)所述重金属解离动力学方程，采用软件拟合得出土壤中有机易解离态重金属含量C_ML及解离率常数K_-1。

将拟合得出的C_ML及K_-1带入重金属解离动力学方程，得出DGT测定24h内重金属有效态含量中解离的络合态重金属含量C_M'，游离态重金属含量为C_M＝C_DGT-C_M'。

根据土壤重金属全量(C)计算非易动态重金属含量(C')：C'＝C-C_M-C_ML。

本发明采用以下样品进行实际检测，具体步骤如下：

(1)土壤样品的采集及制备：

采用河南棕壤土、湖南水稻土、西安黄绵土、江苏黄泥土、广西红壤土及重庆紫色土表层(0～20cm)土壤样品。将采集到的土样在与所述采样点相同的温度条件下进行保存并对所述土样的基本理化参数进行测量。

为了在同一种土壤中测定不同重金属Ni含量情况下，DGT测定Ni不同形态的分布，进行重金属老化试验。向磨好的土壤中添加100mg/kg的重金属Ni，平行称取4份加重金属的土壤800g于塑料盒中，加60％的超纯水搅拌均匀并密封后放于恒温恒湿培养箱中，25℃条件下培养48h。之后加100％的水份搅拌均匀，25℃条件下培养90天。

(2)DGT不同厚度扩散相的制作：

分别制作0.53mm、0.93mm、1.33mm及1.73mm(实测0.53mm、0.91mm、 1.13mm及1.73mm)厚度的扩散相，并用体积法对扩散相厚度进行严格控制。切割后组装成DGT装置备用。

(3)土壤中重金属有效态的测定：

(a)土壤培养过程中将装有扩散相厚度为0.53mm、0.91mm、1.13mm、1.73mm的圆形DGT分别在重金属老化的1d、45d及90d插入土壤样品中，并保持一定的操作时间(24h)，所述带有不同厚度扩散相的圆形DGT在所述土样内的深度处于1-2cm范围内；

(b)取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT，用超纯水将装置冲洗干净后，取出所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT中结合相固定胶并使用1mol/L的HNO₃溶液进行酸洗脱，收集洗脱液；测定所述洗脱液中重金属的浓度，并计算得到所述装有不同厚度扩散相的圆形DGT/溶液界面处的重金属的时间平均浓度C_DGT。

$C_{DGT}=\frac{M\mathrm{\Δ}g}{DAt}$

其中，C_DGT表示土壤在一定时期内的重金属有效态测量值，M为在DGT展开时间t(24h)内结合相上累积的金属量，A为DGT窗口面积(本实验装置为4.64cm²)，扩散层厚度Δg为扩散凝胶层厚度与硝酸纤维素滤膜厚度(0.013cm)之和，D为所测重金属离子在扩散凝胶中的扩散系数(6.09×10^-6cm/s)，t为装置展开时间(24h)。

(4)使用下列公式，并采用DPS软件一般非线性回归模型拟合得出土壤中有机易解离态重金属含量C_ML及解离率常数K_-1。

${C_M}^{\′}=C_{ML}(1-\exp \[-\frac{k-1\left({\mathrm{\Δg}}^{\′}\right)2}{2D_{ML}}\])$

其中Δg'表示扩散相厚度，D_ML表示络合态重金属在土壤中的扩散系数(1.218×10^-6cm/s)，K_-1为所述络合态重金属的解离率常数，C_ML为土壤中有机易解离态重金属含量，C_M'为解离的重金属含量。

输入DPS软件中的方程为：x2＝c1*(1-exp(-c2x1))。

方程为步骤(4)中重金属解离动力学方程的变形。其中x2与C_M'对应，表示带有不同厚度扩散相的DGT测得的有效态含量(C_DGT)之差，C_M'-C_M；c1为所述土壤中可解离的络合态重金属含量C_ML；c2为所述解离率常数K_-1；x1为(Δg)²/2D_ML，Δg'为与C_M'-C_M对应的扩散相厚度之差。

(5)将拟合得出的C_ML及K_-1带入上述公式中，得出DGT测定24h的重金属有效态含量中解离的结合态重金属含量C_M'。

在DGT展开时间24h内测定的游离态重金属含量为C_M＝C_DGT-C_M'。

土壤中总的重金属有效态浓度为C_ML与C_M之和。

根据土壤重金属全量(C)计算非易动态重金属含量(C')：C'＝C-C_M-C_ML。

在使用DGT测定土壤中重金属有效态浓度过程中，通常认为扩散相凝胶厚度为0.8mm时测得的有效态浓度可以代表土壤中重金属真正的有效态浓度。如图1至图6所示为使用0.91mm厚度扩散相的DGT测得的六种土壤中重金属Cd游离态、有机易解离态及非易动态重金属含量。由此可见，本发明所述的采用DGT技术分离土壤不同形态重金属为以后评价土壤重金属不同形态含量供了一种快速方便的检测方法。

以图7、8为例，对参数拟合过程、以及结果的获得过程进行说明，

表1土壤重金属全量及拟合获得参数

注：表中C_ML为拟合过程中获得的参数C1，K_-1为拟合过程中获得的参数C2。