一种土壤中与腐殖酸作用形成残留结合态的疏水性有机污染物定量方法

1.本发明属于环境化学及有机污染物归趋的技术领域，具体涉及一种土壤中与腐殖酸作用形成残留结合态的疏水性有机污染物定量方法。


背景技术：

2.疏水性有机污染物(hocs)是一类具有较大的辛醇/水分配系数，水溶性低，一般难以降解、易在土壤和沉积物中累积并通过环境介质进行远距离传输的有机污染物。随着经济的快速发展和人们生活节奏的加快，大量的hocs被释放到环境中。hocs在环境中具有持久性、难降解和生物毒性高等特性，对人类健康和生态环境造成巨大的影响。
3.土壤和沉积物中的腐殖酸在环境中发挥着重要的作用，对疏水性有机污染物在土壤环境中的分布、迁移和生物有效性都有着巨大的影响。因此，探究疏水性有机污染物与腐殖酸之间相互作用形成的残留结合态，具有显著的环境意义。
4.鉴于现有技术中通过实验与模拟结合的方式，定量土壤中腐殖酸介导下有机污染物残留结合态的研究很少，而且很难从微观角度解释作用机理，但是模拟的方法能一定程度上补充实验手段的不足，因此急需开发一种土壤中与腐殖酸作用形成残留结合态的疏水性有机污染物定量方法。


技术实现要素：

5.本发明提供一种土壤中与腐殖酸作用形成残留结合态的疏水性有机污染物定量方法，通过结合实验与计算模拟，可定量土壤中腐殖酸介导下有机污染物的残留结合态，对于准确评估有机污染物的环境行为和效应具有显著的环境意义。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
7.一种土壤中与腐殖酸作用形成残留结合态的疏水性有机污染物定量方法，包括以下步骤：
8.(1)腐殖酸团聚体包裹有机污染物的形成以及包裹量测定：
9.将腐殖酸和疏水性有机污染物分别溶于相同的有机溶剂中，接着将疏水性有机污染物溶液和腐殖酸溶液混合后搅拌，用透析袋在去离子水中透析，定期换水，透析完后再经过冷冻干燥，制得腐殖酸团聚体，有机污染物被包裹在团聚体中；
10.称取1mg包裹有机污染物的腐殖酸团聚体溶于10ml甲醇中，经20min的超声处理，使包裹的污染物全部溶解在甲醇中，再经过0.45μm的滤膜，用高效液相色谱测定污染物浓度，进而测定出腐殖酸团聚体上包裹有机污染物的质量，通过公式可计算出腐殖酸团聚体上包裹有机污染物的量e
包裹污染物
：
11.12.再结合实验结果，得出可得出m
腐殖酸
与m
包裹污染物
的关系为m
包裹污染物
＝0.47m
腐殖酸
；
13.(2)腐殖酸团聚体上包裹有机污染物的释放实验：
14.将腐殖酸团聚体的pbs缓冲液装入透析袋中，并置于装有相同的pbs缓冲液的烧杯中，保持室温下的温度恒定，搅拌，每间隔一段时间(1～24h)抽取杯中缓冲液，为了保持溶液总体积不变，随即补充等量新鲜缓冲液，用高效液相色谱测定腐殖酸团聚体上有机污染物的累计释放量er：
[0015][0016]
式中：er为有机污染物的累积释放量，％；ve为缓冲液置换体积，ml；v0为缓冲液的总体积，ml；ci为第i次置换取样时样品浓度，mg/l；m
包裹污染物
为腐殖酸团聚体上包裹的有机污染物的质量，mg；n为置换缓冲液的次数；
[0017]
土壤中腐殖酸团聚体包裹疏水性有机污染物的量，会随着土壤ph条件的变化而被释放出来，其释放量与ph值的关系y＝-0.0501x+0.7215，r2＝0.9964，y为有机污染物的累计释放量，％；x为土壤的ph值，从而可以计算出土壤环境ph改变后，仍有一部分污染物未被释放而被包裹在腐殖酸团聚体中的量，即污染物残留结合态的质量m
残
，污染物残留结合态的质量可通过下面的公式计算：
[0018]m残
＝0.47m
腐殖酸
×
(1+0.0501x-0.7215)
[0019]
ꢀꢀ
＝0.47m
腐殖酸
×
(0.2785+0.0501x)
[0020]
式中，m
腐殖酸
为土壤中腐殖酸的质量，x为土壤的ph值。
[0021]
进一步地，步骤(1)所述腐殖酸与疏水性有机污染物质量比为1:1，疏水性有机污染物为邻苯二甲酸二丁酯。
[0022]
进一步地，步骤(1)所述有机溶剂优选为二甲基亚砜或二甲基甲酰胺。
[0023]
进一步地，步骤(1)所述搅拌时间优选为4～6h，更优选为4h。
[0024]
进一步地，步骤(1)所述透析袋的截留分子量优选为8000da。
[0025]
进一步地，步骤(1)所述透析时间优选为24h，透析过程中的前4h每1h换一次水，4～12h每4h时换一次水，12h之后每6h换一次水。
[0026]
进一步地，步骤(2)所述透析袋的截留分子量优选为8000da。
[0027]
进一步地，步骤(2)所述腐殖酸团聚体的pbs缓冲液中腐殖酸团聚体的浓度为0.5～1.5mg/ml，优选为1mg/ml。
[0028]
进一步地，步骤(2)所述温度优选为20～30℃，更优选为25℃；搅拌的速率优选为70～150r/min，更优选为100r/min。
[0029]
进一步地，步骤(2)所述每次抽取杯中缓冲液的体积优选为3～6ml，更优选为4ml。
[0030]
进一步地，步骤(2)所述释放量与ph值的关系曲线y＝-0.0501x+0.7215的得出方法，具体步骤如下：
[0031]
(1)准确称取5mg腐殖酸团聚体溶于5ml配制好的ph＝4.0～9.0的pbs缓冲液中，每个ph值条件下溶液均等分成三份，分别转移到三个截留分子量为8000da的透析袋中，将透析袋置于烧杯中，并向烧杯中加入与透析袋内相对应的115ml pbs缓冲液作为释放介质，将
烧杯放在磁力搅拌器上，设置搅拌速率为100r/min，温度为25℃的条件下进行释放实验，在释放期间，隔1～24h从烧杯中取出3～6ml溶液，并补充相同体积与之对应的新鲜缓冲液，所取样品均过0.45μm的滤膜，用高效液相色谱测定从腐殖酸团聚体中释放出有机污染物的浓度，计算有机污染物的累计释放量er：
[0032][0033]
式中：er为有机污染物的累积释放累，％；ve为缓冲液置换体积，ml；v0为缓冲液的总体积，ml；ci为第i次置换取样时样品浓度，mg/l；m
包裹污染物
为腐殖酸团聚体上有机污染物的质量，mg；n为置换缓冲液的次数；
[0034]
(2)将不同ph条件下对应的有机污染物累计释放量进行拟合，作不同ph条件下对应的有机污染物累计释放量的函数关系图，得到有机污染物累计释放量与ph值的关系为y＝-0.0501x+0.7215，y为有机污染物的累计释放量，％；x为ph值。
[0035]
本发明还通过耗散粒子动力学模拟来考察腐殖酸团聚体的形成过程、腐殖酸团聚体对疏水性有机污染物的包裹，被包裹的有机污染物的释放过程，从微观角度定量土壤中腐殖酸介导下有机污染物残留结合态，再与实验结合，可定量土壤中腐殖酸介导下有机污染物的残留结合态。
[0036]
残留结合态生物可利用性低，残留结合态形成被认为是降低污染物毒性的一种过程，因此计算出土壤腐殖酸团聚体介导下疏水性有机污染物形成残留结合态的量，为判断土壤中有机污染物的环境行为和效应提供了一定的理论指导。
[0037]
本发明主要探究了腐殖酸团聚体对疏水性有机物包裹的过程，及在不同ph条件下腐殖酸团聚体上包裹的有机污染物的释放情况，借助耗散粒子动力学模拟可直观体现腐殖酸团聚体的形态变化过程和有机污染物从团聚体中释放的过程，从微观角度将更有助于定量土壤中腐殖酸介导下有机污染物的残留结合态。
[0038]
本发明通过实验来定量疏水性有机污染物与腐殖酸相互作用介导下形成的残留结合态，该方法首先将疏水性有机污染物加入到腐殖酸有机溶液中，再经过透析法制备得到腐殖酸团聚体，污染物被包裹在团聚体中；通过释放动力学研究不同ph条件下腐殖酸团聚体上包裹的有机污染物的释放情况，进而可以从宏观定量分析腐殖酸团聚体上的残留结合态(释放过程中不能释放的部分)；本发明还通过耗散粒子动力学模拟来考察腐殖酸团聚体的形成过程、腐殖酸团聚体对疏水性有机污染物的包裹，被包裹的有机污染物的释放过程，从微观角度体现腐殖酸介导下有机污染物残留结合态，本发明借助模拟可直观体现腐殖酸团聚体形态变化的过程以及腐殖酸团聚体对疏水性有机污染物的包裹，被包裹的有机污染物的释放过程，再与实验结合，可定量土壤中腐殖酸介导下有机污染物的残留结合态，对于准确评估有机污染物的环境行为和效应具有显著的环境意义。
附图说明
[0039]
图1为腐殖酸团聚体在不同ph条件下dbp的累计释放量；
[0040]
图2为不同ph条件对应有机污染物累计释放量的函数关系拟合图；
[0041]
图3为腐殖酸、dbp和水分子的结构模型及其粗粒化模型；
[0042]
图4为腐殖酸团聚体形成过程的示意图；
[0043]
图5为腐殖酸团聚体对dbp包裹的示意图；
[0044]
图6为腐殖酸团聚体对dbp包裹的平衡相图的径向分布函数分析图；
[0045]
图7为腐殖酸团聚体释放dbp的动态示意图及其回转半径分析图。
具体实施方式
[0046]
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
[0047]
本发明所选用的腐殖酸是从土壤中提取的，邻苯二甲酸二丁酯(dbp)是从阿拉丁购买得到。
[0048]
实施例1
[0049]
腐殖酸团聚体包裹dbp的制备以及包裹量测定：
[0050]
准确称取20mg腐殖酸和20mg dbp分别溶于40ml二甲基亚砜中，将dbp溶液加入到腐殖酸溶液中，搅拌4h，之后置于截留分子量为8000da的透析袋中透析24h，透析过程中前4h每1h换一次水，4～12h每4h时换一次水，12h之后每6h换一次水，透析完后再经过冷冻干燥，制得包裹dbp的腐殖酸团聚体，有机污染物dbp被包裹在团聚体中；
[0051]
称取1mg包裹dbp的腐殖酸团聚体溶于10ml甲醇中，经20min的超声处理，使包裹的dbp全部溶解在甲醇中，再经过0.45μm的滤膜，用高效液相色谱测定dbp浓度，测出腐殖酸团聚体上包裹dbp的质量，再通过公式(1)计算出腐殖酸团聚体包裹dbp的量：
[0052][0053]
结合实验结果，得出可得出m
包裹dbp
与m
腐殖酸
的关系为m
包裹dbp＝
0.47m
腐殖酸
。
[0054]
实施例2
[0055]
不同ph值条件下腐殖酸团聚体上包裹dbp的释放实验：
[0056]
准确称取5mg腐殖酸团聚体分别溶于5ml配制好的ph值为4.0、7.0、9.0的pbs缓冲液中，每个ph条件下溶液均等分成三份，分别转移到三个截留分子量为8000da的透析袋中，将透析袋置于烧杯中，并向烧杯中加入与透析袋内相对应的115ml pbs缓冲液作为释放介质，将烧杯放在磁力搅拌器上，设置搅拌速率为100r/min，温度为25℃的条件下进行有机污染物的释放实验，在释放期间，取点时间间隔为1h、2h、4h、6h、8h、12h、24h、36h、60h、84h、108h、132h、156h，每次从烧杯中取出4ml溶液，为了保持溶液总体积不变，随即补充4ml与之对应的缓冲液，所取样品均过0.45μm的滤膜，用高效液相色谱测定156h内从腐殖酸团聚体上释放出的dbp浓度，再通过公式(2)计算出dbp的累计释放量er：
[0057][0058]
式中：er：dbp的累积释放量，％；ve：缓冲液置换体积，ml；v0：缓冲液的总体积，ml；ci：第i次置换取样时样品浓度，mg/l；m
dbp
：腐殖酸团聚体上dbp的质量，mg；n：置换缓冲液的次数；
[0059]
ph值为4.0、7.0和9.0的释放介质时dbp的累计释放量如图1所示，ph＝4.0时，dbp
的累计释放量最高，达到了60％左右；ph＝7.0时，dbp的累计释放量约为40％；ph＝9.0时，dbp的累计释放量约为25％，对不同ph值条件下对应的在156h内的有机污染物累计释放量进行左图，见图2，拟合得到累计释放量与ph值的关系为：
[0060]
y＝-0.0501x+0.7215
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0061]
其中，y为有机污染物的累计释放量，％；x为ph值，r2＝0.9964；
[0062]
则可以得出不同ph条件下对应的有机污染物dbp在腐殖酸团聚体上残留结合态质量m
残
计算公式：
[0063]m残
＝0.47m
腐殖酸
×
(1-y)
[0064]
＝0.47m
腐殖酸
×
(1+0.0501x-0.7215)
[0065]
＝0.47m
腐殖酸
×
(0.2785+0.0501x)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0066]
式中，m
腐殖酸
为土壤中腐殖酸的质量，x为土壤的ph值。
[0067]
随着土壤ph条件的变化，土壤腐殖酸团聚体上包裹的dbp会被一定程度的释放出来，但仍有一部分污染物不会被释放，形成污染物残留结合态，随着ph值的升高，dbp的累计释放量在逐渐降低，表明了在质子化条件下，腐殖酸团聚体不稳定，dbp容易从团聚体中释放出来，而在去质子化的条件下，腐殖酸团聚体比较稳定，形成一种“核-壳”的球状结构，能较好的把dbp包裹在核心区域，从而导致了dbp很难被释放出来。
[0068]
采用耗散粒子动力学模拟腐殖酸团聚体的形成过程、腐殖酸团聚体对疏水性有机污染物的包裹及被包裹的有机污染物的释放过程，具体步骤如下：
[0069]
(1)使用materials studio软件，构建模拟体系中腐殖酸、dbp(黑色珠子)和水分子的模型，并进行粗粒化及对应的珠子见图3，采用全原子动力学计算各珠子的flory-huggins参数，进而根据耗散粒子动力学理论，计算各珠子之间的相互作用力参数，构建模拟体系大小为该尺寸的体系能有效避免周期性边界效应带来的影响；
[0070]
(2)利用materials studio软件的build mesostructure部分，构建的模拟体系，按照数量比腐殖酸：水为5：95来填充模拟体系，用mesocite模块选择geometry optization任务对构建的模拟体系进行结构优化，再利用dpd任务模拟腐殖酸团聚体的形成过程见图4，初始时，体系中的腐殖酸和水以无规则分散的状态分布在溶液中，随着模拟步数增加，由于腐殖酸不同片段在亲/疏水作用下开始发生团聚；随着步数的继续增加，腐殖酸形成的小团聚体由于表面张力作用而逐渐趋向于形成球状，小团聚体间通过相互靠拢、碰撞，进而融合成大的团聚体；
[0071]
(3)利用materials studio软件的build mesostructure部分，构建的模拟体系，按照数量比腐殖酸:dbp:水为4:1:95填充模拟体系，用mesocite模块选择geometry optization任务对构建的模拟体系进行结构优化，再利用dpd任务来模拟质子化和去质子化条件下腐殖酸团聚体对疏水性有机污染物的过程见图5，初始时腐殖酸和dbp以无规则分散的状态分布在溶液中，随着步数的继续增加，腐殖酸形成的小团聚体间相互靠拢、碰撞，进而融合成大的团聚体；疏水性有机污染物dbp在疏水作用下也逐渐开始团聚，并逐步扩散到腐殖酸团聚体的核心层区域见图6(a)，之后继续增加步数，腐殖酸团聚体的形态，大小均已保持不变，说明模拟体系达到平衡，包裹dbp的腐殖酸团聚体已形成，与质子化时相比，去质子化条件时体系初始状态和中间状态基本类似，污染物团
聚体也处于腐殖酸团聚体的核心层区域见图6(b)，不同之处在于腐殖酸形成的团聚体相对较小，由于ph值响应片段由质子化转变为去质子化，引起了团聚体片段亲水性，从而导致了腐殖酸团聚体的结构发生变化；
[0072]
(4)利用mesocite模块，模拟步长为100000步，模拟了腐殖酸团聚体包裹dbp在去质子化条件下的释放过程见图7，初始时，dbp被包裹在腐殖酸团聚体的核心层区域，随模拟步数的增加，腐殖酸团聚体片段发生质子化到去质子化的转变，ph值响应片段从疏水性到亲水性，向亲水区伸展，球形结构的团聚体发生从内到外的溶胀至破裂，团聚体呈现最为松散的状态，使dbp从疏水区暴露、扩散出来，释放出一定量的dbp；随着步数的继续增加，溶胀程度降低，直至消失；团聚体的核心层片段(p)和中间层片段(d)分别向内核收缩，ph值响应片段(a)也略微收缩，又将dbp重新包裹在团聚体的核心区域，形成“核-中间层-壳”三层、相对较为紧密的球状结构，此时，dbp很难从团聚体中释放出来(对应低实验ph值)，表明在高ph值条件下时，被腐殖酸团聚体包裹的污染物的量比较多，随着ph值降低，被腐殖酸团聚体包裹的污染物的量逐渐减少，以半定量的方式描述了腐殖酸介导下污染物形成残留结合态的一个动态的过程。
[0073]
实施例3
[0074]
对实施例1提供的方法进行验证，随机取某地农田土壤200mg，倒入烧杯中，先测出土壤的ph＝7.4，再按照常规方法，加入100ml去离子水并将溶液的ph值调为10，搅拌1h后静置12h，收集上清液，再将上清液进行离心处理，收集下层沉淀(腐殖酸以及可能包含的有机污染物)，将沉淀溶于50ml甲醇中，经20min超声处理，使污染物完全溶解在甲醇中，取4ml溶液过0.45um滤膜，用高效液相色谱紫外检测器在波长为220nm的条件下，测定其中的阿特拉津的浓度，检测即可得出腐殖酸中阿特拉津残留结合态的质量为0.89mg，通过实施例1的公式(4)计算ph为10时，腐殖酸中阿特拉津残留结合态的质量约为0.84mg，与实验结果相比，因为实验调节了ph值，且实验中还有其他物质干扰，存在一定的偏差，但是两者相差不大，说明公式(4)是合理的。
[0075]
上述实施例为本发明较佳的实施方案，但本发明的实施方案并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的改变、修饰、替代、简化均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。