用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，包括被动式土壤溶液采集仓、内置于采集仓中的PAHs根系模拟采集系统；被动式土壤溶液采集仓包括采集仓主体玻璃柱管、套设在玻璃柱管底部的特氟龙护套、套设在玻璃柱管顶部的地面护套，玻璃柱管中下部设有侧开孔的多孔进水口；PAHs根系模拟采集系统包括置入玻璃柱管的SPE萃取柱管，SPE管上部填压有玻璃中空支护管、支护管上部通过橡胶塞密封；多孔进水口呈环状内凹设置，在内凹处由内向外依次设有玻璃纤维滤膜、聚四氟乙烯微孔过滤夹层、不锈钢网支护层。本发明系统能适用于不同自然环境下渗滤液中PAHs的采集和扩散通量测试，该系统设计合理、制作工艺简单、成本低廉、操作方便、高效耐用。
【专利说明】
用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统
技术领域
[0001]本发明属于土壤环境保护技术领域，具体涉及一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统。【背景技术】
[0002]持久性有机污染物(POPs)特别是多环芳烃(PAHs)引起的污染已严重威胁到农产品质量安全，深入开展其在农田系统特别是农产品中的累积及消解规律，以及在不同种植模式下土壤中污染物运移转化的影响，已成为摆在人们面前的一个紧迫任务，也是直接关系到人们的食品安全及生命安全的重大问题。常规的植物种植评估法虽然符合其自身根系吸收规律，但不同农作物对相同土壤条件下有机污染物的吸附、解吸、蒸腾吸收、体内降解甚至根际微生物降解均存在很大差异，实验结果极易受外界环境的影响，很难获得农田系统植物根系周围环境介质里土壤溶液中PAHs的真实浓度及向根系的传输通量，不利于大数据的比较，因此急需建立一套统一的适用于农田系统中持久性有机污染物特别是PAHs提取及传输通量的研究方法。
[0003]关于土壤水分或溶液采集，现有技术中大多采用陶土头、塑料管和负压原理对不同土层深度的土壤溶液进行收集，未充分考虑土壤溶液中溶质特征对采集装置的材质进行优化，避免材质本身对溶质的吸附截留和干扰，例如陶土头对大多数土壤溶液中的离子均产生强烈的吸附效应，严重影响对土壤溶液中实际浓度的测定;此外，现有技术一般采用负压原理加速对土壤溶液或水分的收集时间，但同时也导致无法准确反映土壤溶液中溶质运移及扩散的真实状况。
[0004]虽然近年研究人员提出了一系列各具特色的土壤溶液溶质运移模拟装置及模拟根系吸收和根际研究装置，中国专利文献CN201010533307.X公开了一种实验室土壤溶质运移模拟装置、中国专利文献CN201110025558.1和CN200420118139.8公开了植物根系养分和营养元素吸收模拟装置及其使用方法、中国专利文献CN201510387286.8公开了实时监测模拟根系吸收土壤重金属的装置及使用方法。上述装置均可以模拟植物根系对土壤中养分的吸收及根系渗滤液的收集，但由于持久性有机污染物特别是PAHs的高度疏水性和亲脂性， 其很容易在陶瓷、塑料等表面发生强吸附而影响试验数据的准确性，从而导致一般的采样系统无法模拟PAHs在植物根系与环境介质间的迀移转化行为，鉴于当前PAHs污染在农田系统中的严重性和普遍性，本领域技术人员亟需提供一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统。
【发明内容】
[0005]针对常规的植物种植评估法中存在的试验周期长、重复性差、无法避免植物本身对POPs降解、易受环境影响等问题，本发明提供了一种高效、精确、省时、低成本的用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统。本系统可用于土壤学、环境学、生态学、水文学等基础学科的持久性有机污染物提取，且可以反复使用。
[0006]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0007] 一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，包括被动式土壤溶液采集仓、内置于采集仓中的PAHs根系模拟采集系统;所述被动式土壤溶液采集仓包括采集仓主体玻璃柱管、套设在玻璃柱管底部的特氟龙护套、套设在玻璃柱管顶部的地面护套，所述玻璃柱管中下部设有侧开孔的多孔进水口；所述PAHs根系模拟采集系统包括置入玻璃柱管的SPE萃取柱管，SPE萃取柱管上部填压有玻璃中空支护管、支护管上部通过橡胶塞密封玻璃柱管。
[0008]优选的，所述SPE萃取柱管的中下部设有通过两片特氟龙垫片固定的C18固相萃取填料。
[0009]进一步的，底部特氟龙垫片距SPE萃取柱管底部2?6mm。[〇〇1〇]进一步的，所述SPE萃取柱管采用聚丙烯材质。[〇〇11] 优选的，所述多孔进水口设置于距玻璃柱管管底部1/6?1/4处，且多孔进水口 11 处的玻璃柱管10呈环状内凹设置，构成环状进水口区域;该环状进水口区域覆盖有三层滤膜，且覆膜后的外径较玻璃管的外径小0.3?0.8_。
[0012]进一步的，所述多孔进水口设为多个外高内低呈倾斜状的圆形小孔。
[0013]进一步的，所述环状进水口区域的三层滤膜以玻璃管外壁作为内层由内向外依次为玻璃纤维滤膜、聚四氟乙烯微孔过滤夹层、不锈钢网支护层。
[0014]优选的，所述橡胶塞与玻璃中空支护管之间有2?3_的空隙。[〇〇15]优选的，所述SPE萃取柱管取出后连接至固相萃取洗脱装置。
[0016]本发明还提供了上述根系模拟采集系统的使用方法，包括如下步骤:[〇〇17] S1、系统准备:将制备好的SPE萃取柱管放入玻璃柱管后，顺次压入玻璃中空支护管，最后以橡胶塞密封采集仓玻璃柱管；其中，密封塞与玻璃支护管之间有2?3毫米的空隙，该空隙在SPE萃取柱管由于采集仓中土壤溶液产生的浮力上浮后消失；
[0018] S2、采集仓布设:先用土钻在采样点钻取深度与模拟采集系统地面护套以下长度相当的小钻孔，插入，并用围土夯实；
[0019] S3、SPE固相萃取柱的回收:待对土壤溶液中的PAHs进行原位富集后，旋下橡胶塞密封，用镊子将玻璃中空支护管取出，SPE萃取柱管由于土壤溶液产生的浮力便会漂浮而上，将其取出后通过固相萃取洗脱装置直接洗脱测定浓度；
[0020] S4、扩散通量的计算:SPE萃取柱管从采集仓中取出后，采集仓中的土壤溶液通过聚四氟乙烯管连上注射器、转移至量筒后，以量筒测试采集仓中的土壤溶液体积，记为V; SPE固相萃取柱中洗脱出来的PAHs所测试出来的浓度转换为质量后，记为M;则PAHs在土壤溶液中的扩散通量为=M/(V*T)，其中，T为采样周期。
[0021]本发明的有益效果在于:[〇〇22] 1)、本发明PAHs根系模拟采集系统所使用的材料均为对PAHs物质吸附量很低的材料，如玻璃管材作为采集仓、聚丙烯材质作为SPE萃取空柱管(其对PAHs的吸附非常微量，与玻璃材质相似)，克服了传统土壤溶液采集系统，特别是使用陶土头、PVC塑料等作为土壤溶液收集仓时对PAHs的严重自吸附现象，适用于土壤溶液中PAHs类污染物的原位富集萃取及运移转化和扩散通量的研究。[〇〇23] 2)、本发明采集仓中填充C18填料的SPE萃取柱管的内置，可模拟植物根系对土壤溶液中的PAHs进行原位富集，节省传统采样方法中的富集步骤，并可对富集样品直接洗脱进行测试；从而本发明可对不同类型农田及盆栽试验土壤中PAHs的迀移转化规律进行研究。C18固相萃取填料由2片特氟龙垫片固定于SPE萃取柱管的中下部，底部特氟龙垫片距 SPE萃取柱管底部大约2?6mm，在垫片和SPE柱管底部之间形成一个2?6mm高度的空腔，该填充设计，既可避免填料的上下滑动，也可增加土壤溶液向上渗透过程中的过流面积，提高填料对PAHs的富集效率。[〇〇24]3)、本发明多孔进水口处三层滤膜结构的设置具有不吸附PAHs的特性。在距玻璃管底部1/6?1/4管长处均匀设置若干圆孔，用玻璃纤维滤膜将进水口包裹；中间夹层选用聚四氟乙烯微孔过滤夹层，其功能是过滤土壤中的细粒杂质，防止土壤中固体细粒物质引起进水口的堵塞;最外一层则是不锈钢网支护层，起到保护玻璃管及滤膜的作用。[〇〇25]4)、本发明中采集仓多孔进水口区域的环状内凹设置，在覆盖了三层滤膜后，其外径大小略小于上下两端玻璃管外径，这种设计可在进水口区域形成环状微腔，有效保护滤膜并避免对进水口区域的堵塞。
[0026]5)、综上所述，本发明在同一时间内可以对区域土壤渗滤液进行不同水平、剖面以及序列的研究；同时该系统具有结构设计合理、制作使用简便、维护方便、成本低廉、高效耐用，携带轻便等优势，适于推广应用。【附图说明】[0〇27]图1为本发明的结构简不图。
[0028]图2为图1中SPE固相萃取柱装填方式示意图。
[0029]图3为图1中多孔进水口 A处的放大结构示意图。
[0030]图4为本发明环状进水口区域三层滤膜的放大结构示意图。
[0031]图5为本发明固相萃取洗脱装置的示意图。[〇〇32]图中标注符号的含义如下:[〇〇33]1-被动式土壤溶液采集仓 10-玻璃柱管11-多孔进水口[〇〇34] 12-地面护套2-PAHs根系模拟采集系统20-SPE萃取柱管[〇〇35]21-玻璃中空支护管22-橡胶塞200-C18固相萃取填料[〇〇36]201-特氟龙垫片100-玻璃管外壁110-玻璃纤维滤膜[〇〇37]111-聚四氟乙烯微孔过滤夹层112-不锈钢网支护层[〇〇38]3-固相萃取洗脱装置30-梨形瓶【具体实施方式】
[0039]下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0040]如图1所示，为一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，包括被动式土壤溶液采集仓1、内置于采集仓中的PAHs根系模拟采集系统2;被动式土壤溶液采集仓1 包括采集仓主体玻璃柱管1〇(选用玻璃管材，而不是试验中常用的PVC塑料管，目的是防止塑料管对土壤中微量PAHs的大量吸附，从而引起试验结果误差，甚至可能得不到相应数据)、套设在玻璃柱管10底部的特氟龙护套、套设在玻璃柱管10顶部的地面护套12(防止在采样过程中由于碰撞对管壁造成损坏)，玻璃柱管10中下部设有侧开孔的多孔进水口 11; PAHs根系模拟采集系统2包括置入玻璃柱管10的SPE萃取柱管20，SPE萃取柱管20上部填压有玻璃中空支护管21、支护管上部通过橡胶塞22密封玻璃柱管10。[〇〇411如图2所示，SPE萃取柱管20的中下部设有通过两片特氟龙垫片201固定的C18固相萃取填料200。具体的，SPE萃取柱管20的制备方法为:首先将1片特氟龙垫片固定于SPE萃取柱管20的中下部，一般距柱管内底部2mm，在垫片和SPE柱管底部之间形成一个2mm高度的空腔;然后在垫片上部填充1克100目C18颗粒物后，以另一片特氟龙垫片201压实填充物。该种填充设计，既可避免填料的上下滑动，也可增加土壤溶液向上渗流过程中的过流面积，提高填料的富集效率。图1中所示的SPE萃取空柱管为聚丙烯材质，容量为6ml，其对PAHs的吸附非常微量，与玻璃材质相似。[〇〇42] 如图3所示，多孔进水口 11设置于距玻璃柱管10管底部1/6?1/4处，且多孔进水口 11处的玻璃柱管10呈环状内凹设置构成环状进水口区域;该环状进水口区域覆盖有三层滤膜，且覆膜后的外径较玻璃管的外径小0.3?0.8mm，具体的，可选为0.5mm。这种设计可在进水口区域形成环状微腔，有效保护滤膜并避免对进水口区域形成堵塞。[〇〇43]在玻璃柱管外壁100的多孔进水口 11设为多个外高内低呈倾斜状的圆形小孔。从而降低壁效应，以便于渗滤液的进入;进水口的高度也可根据采样点土壤的具体情况可进行适当调节。
[0044]结合图3、4所示，环状进水口区域的三层滤膜以内凹的玻璃管外壁100作为内层， 由内向外依次设为玻璃纤维滤膜110、聚四氟乙烯微孔过滤夹层111和钢丝网支护层112,该结构的设置具有不吸附PAHs的特性。紧贴采集仓玻璃柱管10进水口区域玻璃管外壁100的为玻璃纤维滤膜110,呈环状将进水口包裹；中间夹层选用聚四氟乙烯滤膜，其功能是过滤土壤中的细粒杂质，防止土壤中固体细粒物质引起进水口的堵塞;最外一层则是不锈钢网支护层112,起到保护玻璃管及滤膜的作用。[〇〇45] 橡胶塞22与玻璃中空支护管21之间有2?3mm的空隙，该空隙在SPE萃取柱管20由于采集仓中土壤溶液产生的浮力上浮后会消失。[〇〇46] SPE萃取柱管20取出后直接连接至固相萃取洗脱装置3，如图5所示，根据所萃取的 PAHs特征，选择适当的洗脱溶液进行洗脱，调节真空度，精确控制洗脱液的洗脱速度，以逐滴滴落为最佳。在检测前需对洗脱液进行预处理，将洗脱液移至梨形瓶30中，然后将梨形瓶 30装在旋转蒸发仪上，真空旋转浓缩至约lml，转移至进样瓶，并用正己烧定容至lml S卩可上机测定。[〇〇47]应当说明的是，本发明系统根据实际需要，可通过多个系统同时对土壤中PAHs进行不同水平、剖面以及序列的研究。
[0048]下面结合附图对本系统对PAHs通量的监测过程作出如下的详细说明。
[0049]上述根系模拟采集系统的使用方法，包括如下步骤:
[0050]S1、模拟系统准备:将制备好的SPE萃取柱管20放入玻璃柱管10后，顺次压入玻璃中空支护管21，最后以橡胶塞22密封采集仓玻璃柱管10;其中，密封塞与玻璃支护管之间有 2?3毫米的空隙，该空隙在SPE萃取柱管20由于采集仓中土壤溶液产生的浮力上浮后消失； [〇〇511S2、采集仓布设:先用土钻(口径比采集仓玻璃柱管外径略小)在采样点钻取深度与模拟采集系统地面护套12以下长度相当的小钻孔(保证采集仓外壁与围土密实接触)，插入(若土壤含水量过高，如沼泽、湿地、水稻田等，可直接插入布设)，并用围土夯实；
[0052] S3、SPE固相萃取柱的回收:待对土壤溶液中的PAHs进行原位富集后，旋下橡胶塞 22密封，用镊子将玻璃中空支护管21取出，SPE萃取柱管20由于土壤溶液产生的浮力便会漂浮而上，将其取出后通过固相萃取洗脱装置3直接洗脱测定浓度；[〇〇53]S4、扩散通量的计算:SPE萃取柱管20从采集仓中取出后，采集仓中的土壤溶液以聚四氟乙烯管连上注射器，转移至量筒后，以量筒测试采集仓中的土壤溶液体积，记为V; SPE萃取柱中洗脱出来的PAHs所测试出来的浓度转换为质量后，记为M;则PAHs在土壤溶液中的扩散通量为M/(V*T)，其中，T为采样周期。[〇〇54]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，其特征在于:包括被动式 土壤溶液采集仓(1)、内置于采集仓中的PAHs根系模拟采集系统(2);所述被动式土壤溶液 采集仓(1)包括采集仓主体玻璃柱管(10)、套设在玻璃柱管(10)底部的特氟龙护套、套设在 玻璃柱管(10)顶部的地面护套(12)，所述玻璃柱管(10)中下部设有侧开孔的多孔进水口 (11);所述PAHs根系模拟采集系统(2)包括置入玻璃柱管(10)的SPE萃取柱管(20)，SPE萃取 柱管(20)上部填压有玻璃中空支护管(21)、支护管上部通过橡胶塞(22)密封玻璃柱管 (10)〇2.根据权利要求1所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，其 特征在于:所述SPE萃取柱管(20)的中下部设有通过两片特氟龙垫片(201)固定的C18固相 萃取填料(200)。3.根据权利要求2所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，其 特征在于:下侧的特氟龙垫片(201)距SPE萃取柱管(20)底部2?6mm。4.根据权利要求2或3所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统， 其特征在于:所述SPE萃取柱管(20)采用聚丙烯材质。5.根据权利要求1所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，其 特征在于:所述多孔进水口(11)设置于距玻璃柱管(10)管底1/6?1/4管长处，且多孔进水 口(11)处的玻璃柱管(10)呈环状内凹设置，构成环状进水口区域;该环状进水口区域覆盖 有三层滤膜，且覆膜后的外径较玻璃管的外径小〇.3?0.8mm。6.根据权利要求5所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，其 特征在于:所述多孔进水口(11)设为多个外高内低呈倾斜状的圆形小孔。7.根据权利要求5或6所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统， 其特征在于:所述环状进水口区域的三层滤膜以玻璃柱管(10)的玻璃管外壁(100)作为内 层由内向外依次为玻璃纤维滤膜(110)、聚四氟乙烯微孔过滤夹层(111)、不锈钢网支护层 (112)〇8.根据权利要求1所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，其 特征在于:所述橡胶塞(22)与玻璃中空支护管(21)之间有2?3_的空隙。9.根据权利要求1所述的一种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统，其 特征在于:所述SPE萃取柱管(20)取出后连接至固相萃取洗脱装置(3)。10.—种用于土壤中PAHs扩散通量监测的根系模拟采集系统的使用方法，其特征在于 包括如下步骤:S1、系统准备:将制备好的SPE萃取柱管(20)放入玻璃柱管(10)后，顺次压入玻璃中空 支护管(21 )，最后以橡胶塞(22)密封采集仓玻璃柱管(10);其中，密封塞与玻璃支护管之间 有2?3毫米的空隙，该空隙在SPE萃取柱管(20)由于采集仓中土壤溶液产生的浮力上浮后 消失；S2、采集仓布设:先用土钻在采样点钻取深度与模拟采集系统地面护套(12)以下长度 相当的小钻孔，插入，并用围土夯实；S3、SPE固相萃取柱的回收:待对土壤溶液中的PAHs进行原位富集后，旋下橡胶塞(22)， 用镊子将玻璃中空支护管(21)取出，SPE萃取柱管(20)由于土壤溶液产生的浮力便会漂浮 而上，将其取出后通过固相萃取洗脱装置(3)直接洗脱测定浓度；S4、扩散通量的计算:SPE萃取柱管(20)从采集仓中取出后，采集仓中的土壤溶液通过 聚四氟乙烯管连上注射器，转移至量筒后，以量筒测试采集仓中的土壤溶液体积，记为V; SPE萃取柱中洗脱出来的PAHs所测试出来的浓度转换为质量后，记为M;则PAHs在土壤溶液 中的扩散通量为=M/(V*T)，其中，T为采样周期。
【文档编号】G01N13/00GK106018182SQ201610322394
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】赵振华, 侯锦超, 张丹, 张芸芸
【申请人】河海大学