泡沫分离法提取并富集底泥中的有机磷

    张青松　张连水　潘腾飞　齐树亭　孟会贤　丁军

    

    

    摘要：泡沫分离技术是近几十年以来发展的一个新型技术。本实验设计了一套泡沫分离装置，并进行了底泥中有机磷的分离和富集。实验表明相比传统方法NaOH-EDTA萃取法，泡沫分离法富集有机磷的能力更强，用于底泥有机磷核磁共振分析的样品中有机磷含量更高，且泡沫分离方法富集的有机磷检测到了一个磷酸二脂信号峰，而传统方法检测不到，且测定所需时间缩短到传统方法的2/3。

    关键词：泡沫分离；有机磷；核磁共振；NaOH-EDTA萃取法

    磷是水体富营养化的限制性影响因子，水体中磷浓度高于0.02 mg/L[1]时，很容易引起水体富营养化。减少外源磷污染进入水体能够显著降低水体磷的浓度[2]，改善水体的富营养状况，改善水质。但是底泥所释放的内源磷成为阻碍河流、湖泊等水体生态系统修复的主要因素[3]。来自于欧洲的Carvalho.L[4]、Scharf.W.[5]和北美的Welch et al.[6]、Larsen et al.[7]等分别详细报道了湖泊内源磷污染现象。当外源磷污染减少时，藻类数量并没有降低，内源磷负荷推迟或阻止了水体生态系统的修复进程。另外据Jensen H.S.[8]报道即使底泥在有氧环境中，其释放磷可占到进入水体总磷量的99%，所以由底泥所释放的磷污染，即内源磷负荷不容忽视。

    目前，底泥磷的核磁共振分析普遍采用NaOH-EDTA萃取法，限于萃取物中有机磷含量，虽然经过了冷冻干燥来富集有机磷，但是溶液中有机磷含量仍然不能满足测定需要，底泥的31P-NMR测定需要很长时间，一般需要12～72 h[9-10]，且谱图的分辨率和信噪比较低。

    底泥中有机磷主要有磷酸单酯（phosphate monoester）、磷酸双酯（phosphatediester，DNA-P、膦酸（phosphonate）等，其中磷酸单脂和磷酸双脂是生物体细胞膜的主要组成部分具有表面活性，膦酸含有疏水的脂肪族链烃以及亲水的磷酸头部，也具有两性。DNA-A虽然是亲水性高分子聚合物，但是在细菌细胞内DNA分子上结合有很多表面结合蛋白，形成的生物大分子也具有不同程度的表面活性，所以理论上可以利用泡沫分离法来进行底泥有机磷的富集，目的是提高用于核磁共振分析底泥萃取液样品中有机磷的浓度。

    1实验装置和方法

    1.1实验装置

    泡沫分离器是由空气压缩机，气体流量计，气体分布器，泡沫分离塔，泡沫收集装置组成。空气压缩机将压缩的空气通过胶管输送到气体流量计，气体流量计用于调节进入泡沫分离塔的气速。从气体流量计出来的空气通过胶管进入泡沫分离塔底部的空气分布器，空气通过空气分布器进入泡沫分离塔，底阀用于调节泡沫分离塔中待分离溶液的液位高度。泡沫分离过程中，可以看到泡沫分离塔中液面以上部分的泡沫，泡沫层高度为0.6～0.8 m，随着空气持续通入泡沫分离塔，塔中泡沫流入泡沫分离塔上部放置的泡沫收集装置，泡沫收集装置中的泡沫自然破裂形成溶液即为泡沫分离收集的有机磷溶液。泡沫分离塔的材质为有机玻璃管，直径为50 mm。装置如图1。

    1.2实验方法

    取同一采样点底泥样品，分为两份，其中一份采用分级萃取法提取底泥无机磷，另外一种用泡沫分离方法富集有机磷。

    泡沫分离的方法，将底泥真空冷冻干燥24 h，取干燥泥样300 g，添加到3 L 0.25 mol/L NaOH溶液中，将溶液置于25 ℃恒温摇床上，震荡萃取16 h[11]。将制得的底泥混合液4 000 r/min离心10 min，去除大部分底泥杂质，然后将离心所得上清溶液以10 000 r/min离心30 min，用0.45 μm滤膜过滤，收集滤液。滤液中含有大量的氢氧化钠，pH呈强碱性，不利于泡沫的形成，需要调节溶液的pH，用3 mol/L HCl调节溶液的pH值到8.0。应用泡沫分离器，对萃取液中的样品进行泡沫分离，空气流速设定为20 mL/min，收集泡沫流出液体积20 mL。将泡沫分离法得到溶液于-50 ℃，小于20 pa真空度下进行真空冷冻干燥，待样品干燥后，刮取干燥后的有机层，取600 mg重新溶解于约2 mL 10 mol/L的NaOH溶液中，而后10 000 r/min离心去除不溶物质，取上清加入核磁共振管中，再加入0.1 mL重水D2O，进行核磁共振分析。

    核磁共振试验温度为环境温度约20～25 ℃。采用德国BRUKER400核磁共振仪，外磁场强度为161.976 MHz，采样时间0.4 s，延迟时间12 s[12]。

    2实验结果与分析

    从图2和图3中可以看到，采用泡沫分离法，在化学位移为1.14 mg/L处出现了两个吸收峰，这是传统NaOH-EDTA萃取法检测不到的。从两个图中可以看到，都可以检测到正磷酸额信号，虽然正磷酸不具有表面活性，理论上不会被泡沫分离法所富集，但是由于其含量较高，容易混入富集分离溶液中，所以两种分离液都检测到了。另外泡沫分离法检测到了更多的磷酸单脂吸收峰。总测定时间，传统方法测定需要12 h，采用泡沫分离方法测定需要8 h。

    总之，相比传统方法NaOH-EDTA萃取法，泡沫分离法富集有机磷的能力更强，用于底泥有机磷核磁共振分析的样品中有机磷含量更高，且泡沫分离方法富集的有机磷检测到了一个磷酸二脂信号峰，而传统方法检测不到，且测定所需时间缩短到传统方法的2/3。

    参考文献：

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    [2] Ahlgren，I.Response of Lake Norrviken to reduced nutrient loading. Verhandlungen.Internationale Vereinigung furtheoretische and angewandte Limnologie，1987，20：846-850

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    [4] Carbalho，L.， Beklioglu，M. ， Moss，B. Changes in a deep lake following sewage diversion a challenge to the orthodoxy of external phosphorus control as a restoration strategy[J].Freshwater biology，1995，34：399-410

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    [9] Barbara J， C.-M.， Claudia R， Benitez-Nelson.， Perry， Pellechia.， Adina， Paytan .Refining 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy for marine particulate samples： Storage conditions and extraction recovery[J]. Marine Chemisitry，2005，97：293-306.

    [10] Kuo. Methods of phosphorus analysis ：Total Phosphorus in Soil.1996

    [11] Cade-Menum， B.J. ，Preston，C.M. A comparison of soil extraction procedures for 31P-NMR spectroscopy[J]. Soil science， 1996， 161：770-785

    [12] Kasper， R.， Joakim ， Ahlgren.， Heidi， Debrabandere.， Monica， Waldebak.， Adolf， Gogoll.， Lars， Tranvik.， Emil， Rydin. Degradation rates of organic phosphorous in lake sediment[J]. Biogeochemistry， 2007，82：15-28

    （收稿日期：2014-10-31）