方慶軍,唐亞東,王小明,徐一峰,彭 來,吳振斌,張 義

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,湖北武漢 430070;2.中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術國家重點實驗室,湖北武漢 430072;3.華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,湖北武漢 430070)

磷是水生環(huán)境中的必需營養(yǎng)元素,也是湖泊初級生產的限制性營養(yǎng)元素之一[1-2]。目前普遍觀點認為,磷等營養(yǎng)元素過剩是湖泊富營養(yǎng)化問題產生的重要原因之一。一般認為,湖泊中磷元素的來源有外源輸入和內源釋放兩個方面。外源部分主要是含磷的工業(yè)廢水、農田灌溉污水、生活污水等輸入,內源部分則來自于長期積累在沉積物中磷的釋放。相關學者[3-4]通過對歐洲和北美35個湖泊進行長時間的檢測發(fā)現,湖泊內源磷在外源輸入得到有效控制之后的10～15年內仍會發(fā)生持續(xù)釋放,在個別湖泊中可達到20年。沉積物內源磷在外部條件發(fā)生變化時,更容易通過間隙水交換進入上覆水中,提高了湖泊水生態(tài)系統初級生產力[5-6]。磷素在沉積物與和上覆水之間循環(huán)時,沉積物在“源”和“匯”角色之間轉化。磷素在匯集到沉積物顆粒表面后,與發(fā)生吸附與解吸過程密切相關[7]。近年來出現的湖泊水體富營養(yǎng)化問題中,由外源輸入引起的情況相對減少,更多則是沉積物內源磷持續(xù)釋放引起較為嚴重的水華。因此,對沉積物磷內源釋放的控制是解決水體持續(xù)性富營養(yǎng)化問題的關鍵。

研究沉積物磷的關鍵是準確進行沉積物磷的提取及測定。本文綜述了磷分級提取方法的起源與發(fā)展,對磷連續(xù)提取方法做了較為詳細介紹,分析提取方法優(yōu)缺點,同時介紹了目前在分子水平上的磷形態(tài)主流分析方法,最后對未來的磷分級提取與分析方法進行了展望,以期為湖泊沉積物磷的變化規(guī)律研究提供一定的指導。

1 磷分級的生態(tài)學意義

在湖泊水環(huán)境中,磷的分布和賦存形態(tài)會直接或間接地影響到水體初級生產力及浮游生物的分布情況。湖泊通常被認為是污染源的“匯”,外源磷進入湖泊后會轉變成不同形態(tài)。

不同賦存形態(tài)的磷,生物有效性和釋放風險存在差異。例如,磷酸鹽被吸附到沉積物表面形成的可交換態(tài)磷(exchangeable P,ex-P),可直接被浮游植物利用,在膠州灣的沉積物研究[8]顯示,總磷(TP)中ex-P的占比會限制浮游植物的生長。鐵結合態(tài)磷(Fe-P)在磷酸鹽和鐵氧化物或氫氧化物的共沉淀時形成,在還原條件下容易解吸,進入上覆水體[9]。鈣結合態(tài)磷(Ca-P)則主要是生物磷灰石、碳酸鈣配合磷酸鹽或自生碳酸鹽氟磷灰石等物質組成[10],其形成需要很長的時間,通常在深海沉積物中存在。

研究[11-12]表明,不同形態(tài)的磷生物活性及其在水環(huán)境遷移轉化和循環(huán)路徑不同,僅僅依靠TP含量來判斷富營養(yǎng)化情況的傳統方法已不能揭示水華暴發(fā)的過程與機制。因此,研究磷賦存形態(tài),發(fā)展分級提取的方法有利于研究磷素行為,針對性解決水體富營養(yǎng)化問題,尤其對沉積物中磷內源釋放的研究和治理具有重要意義。

2 沉積物磷的賦存形態(tài)

3 沉積物磷分級提取方法發(fā)展

一般認為,通過化學試劑提取不同形式沉積物磷的方法都起源于土壤中的磷分級提取方法[19],其基本原理是使用特定的化學試劑選擇性地與沉積物中特定形態(tài)的磷結合,按照其結合的不同順序進行連續(xù)提取,以獲得沉積物中不同形態(tài)的磷。

沉積物磷的特征形態(tài)往往決定了磷的遷移、轉化及歸趨過程。僅通過TP或有效磷含量并不能全面、準確、長效地評估湖泊或者海洋沉積物的養(yǎng)分供應能力和生態(tài)環(huán)境風險,要深入研究沉積物磷對富營養(yǎng)化現象的作用機制,則需要能夠科學表征、從分子層面準確認識磷形態(tài)[11]。因此,在研究初期出現了以提取分析為主的傳統分析方法,隨著技術發(fā)展,演變?yōu)楝F在以光譜法為主的分子層面分析技術。

3.1 IP分級提取方法發(fā)展

Dean[20]最早提出了土壤磷素分級,即用酸和堿試劑連續(xù)萃取來表征土壤中不同形式的IP,而由于當時磷的測定難度較高,直到1957年Chang提出的IP分級體系才得到廣泛應用[20-21]。該分級體系將土壤中的IP分級提取分離為離散態(tài)磷形式,區(qū)分了Fe-P和Al-P,并首次明確提出了閉蓄態(tài)磷(O-P)的概念。這些磷形態(tài)主要包括鋁結合態(tài)磷(Al-P)、Fe-P、Ca-P、還原性水溶態(tài)磷(RSP)和O-P。

1967年—1976年Williams等[22-24]對Chang-Jackson方法進行了改進,并應用到了沉積物中,將提取的磷分為磷灰石磷(AP)、非磷灰石磷(NAIP)和OP,并指出了在富含鈣的沉積物中用NH4F提取鐵鋁結合態(tài)磷(Fe/Al-P)時易形成CaF2而重新吸附磷酸鹽的缺點。

Hieltjes等[25]在1980年的研究則認為,當沉積物中的鈣鹽含量較高時,易出現NaOH提取的Fe-P被鈣鹽重新吸附,導致測定不準確的情況。其將Williams法改進,將沉積物磷分為不穩(wěn)定性磷、Fe/Al-P、 Ca-P和殘留態(tài)磷(residual-P)。

Psenner等[26]在1988年提出的磷提取方案與Chang關于在沉積物中磷形態(tài)的化學或礦物學定義的最初想法一致,即在第一步中使用1 mol/L NH4Cl代替H2O提取松散吸附的磷。該提取方案最初是針對硅質沉積物開發(fā),此時碳酸鹽對磷的再吸附在鈣質沉積物中是不可避免的[27]。

在Hieltjes等[25]基礎之上,通過用NaOH反復提取,Golterman[28]發(fā)現可以多提取出30%的正磷酸鹽,表明用NaOH提取出的不僅是Fe-P。其認為在磷提取過程中應避免使用強酸和強堿溶液,而是通過使用螯合劑來提取Fe/Al-P。最初,Golterman[29]建議使用0.01 mol/L次氮基三乙酸鈉溶液提取,隨后改用0.05 mol/L次氮基三乙酸鈣和0.05 mol/L次氮基三乙酸鈉溶液依次溶解Fe/Ca-P,最終次氮基三乙酸及其鹽又被乙二胺四乙酸(EDTA)所取代[28]。然而此法的缺點是EDTA會干擾正磷酸鹽和Fe的測定。

1992年,Ruttenberg[30]為海洋沉積物開發(fā)了SEDEX提取法,單獨量化了5種形態(tài)的磷,即不穩(wěn)定性磷、Fe-P、碳酸氟磷灰?guī)r磷(CFAP)、碎屑磷灰石磷(FAP)和OP。

歐洲委員會于1996年發(fā)起了沉積物磷的標準測試程序 (the standards, measurements and testing programme,SMT),以Williams法為基礎確定了提取方案[31]。該方法簡單實用,可操作性強,在分離不同的形態(tài)磷同時還能估計磷的潛在來源,因此,被廣泛使用。SMT程序缺點在于使用強酸強堿作提取劑,對OP提取有影響且對OP的劃分不夠細致。表1總結了每種方法所涉及的步驟以及發(fā)展。

表1 IP分級提取方法發(fā)展

1998年,Jensen等[32]開發(fā)了一種用于海洋沉積物磷的6步連續(xù)提取方案,該方案是針對Psenner法的修改。主要修改是在第一步中使用1 mol/L MgCl2代替1 mol/L NH4Cl來提取松散吸附的磷,并在用NaOH提取之后和HCl提取之前加入額外的乙酸鹽緩沖液[32]。此外,在每個提取步驟后用NaCl洗滌,可以減少磷酸鹽的再吸附。

3.2 OP分級提取方法發(fā)展

1985年,Psenner等[33]提出了新的沉積物磷提取方法,他將磷分為水溶態(tài)磷(WSP)、RSP、Fe/Al-P、Ca-P和惰性磷。但該方法與Williams法類似,當沉積物堿質含量較高時,仍存在碳酸鹽對磷的重吸附現象。

Golterman[29]在1977年—1988年的研究則認為,應該使用氨基三乙酸(NTA)替代強酸強堿作為提取劑,以減少對黏土結合態(tài)磷(一部分可交換態(tài)磷)和OP的破壞。然而該方法使用時樣品準備程序復雜,提取時間較長,試驗操作過程比較繁瑣,可操作性不強。

1998年,Ivanoff等[34]重點研究了土壤中的OP連續(xù)提取方法,研究將沉積物磷形態(tài)按照活性強弱分為活性有機磷(LOP)、中活性有機磷(MLOP)和非活性有機磷(NOP),其中,MLOP為鹽酸態(tài)有機磷和富里酸態(tài)有機磷,NOP中又細分為胡敏酸磷和殘渣態(tài)磷。表2總結了OP分級提取方法的發(fā)展及優(yōu)缺點。

表2 OP分級提取方法發(fā)展

4 沉積物磷的光譜學分析方法

盡管已經開發(fā)了許多連續(xù)分級方法來表征沉積物磷[35-36],但這些方法僅根據磷與基質組分間的相互作用強度,通過不同萃取劑中的溶解度差異來提取各種形態(tài)的磷,并不能確定特定的IP或OP的形態(tài)[35-37]。此外,在這些分級方法中,通常將未經消化的磷進行比色法測量并稱為IP,TP和IP之間的差異稱為OP。復雜的IP如焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽等形態(tài)將包含在OP中,盡管它們不含碳[35]。此外,比色分析所需的低pH可能會降解OP或多聚磷酸鹽,并釋放正磷酸鹽。湖泊中的OP可以被降解和礦化,最終水解或分解成為IP而被生物利用,但仍有相當一部分OP被保留在沉積物中,這部分OP被提取就較為困難。雖然可以通過分級提取或者計算的方式獲得OP含量,但始終存在局限性[38-39]。識別特定磷形態(tài)的完整化學形式需要提取單個形式(如磷脂、RNA等)或先進的光譜技術,如X射線吸附光譜(X-ray absorption spectroscopy, XAS)或31P NMR光譜等[40-44]。以下將重點對幾種應用廣泛的典型磷形態(tài)表征技術進行介紹。

4.1 XAS

XAS可用于土壤、沉積物中多種元素的形態(tài)分析,因其需要較高的X射線通量和能量可調性,目前僅在同步加速器上可用。XAS的主要特征是“吸收邊”,它基本上對應于光電子釋放的閾值能量。XAS通常分為兩個能量區(qū)域:X射線吸收近邊結構光譜(X-ray absorption near edge structure, XANES)和擴展X射線吸收精細結構光譜(extended X-ray absorption fine structure, EXAFS)。XANES光譜部分包括邊前區(qū)域、吸收邊以及邊后區(qū)域約為50 eV;EXAFS光譜為超出XANES的高能區(qū)域。

Ca-P、Al-P和Fe-P是沉積物中磷的主要賦存形式,具有不同的XANES特征峰,因此,可以通過吸收光譜來區(qū)分定量。對于Ca-P,XANES在白線峰位置的高能區(qū)域具有肩峰,磷灰石更加明顯,而易溶態(tài)的磷酸鈣則不明顯。這些峰歸因于堿土金屬陽離子的激發(fā)光電子多次散射產生的連續(xù)共振[45-46]。邊后的肩峰和2 160～2 170 eV其他次要光譜峰的位置和強度共同成為了Ca-P獨特的指紋識別方法。Al-P在白線峰的低能區(qū)域產生肩峰,這在勃姆石(γ-AlOOH)吸附磷酸鹽的XANES中不明顯。此肩峰歸因于磷 1 s電子激發(fā)為P(3p)-O(2p)-Al(3p)反鍵態(tài)[46-47]。XANES中磷酸鐵和吸附在氧化鐵上的磷酸鹽的顯著特征是在白線峰低能一側2～5 eV處出現較弱的邊前吸收峰。此邊前峰的強度和能量位置與鍵合到金屬磷酸鹽中的過渡金屬(如Zn、Co、Fe等)中的3 d電子數量有關。此邊前峰歸因于磷 1 s電子轉變?yōu)镕e(3 d)型反鍵態(tài),盡管根據電偶極子選擇規(guī)則不允許s→d過渡,而p軌道混合成Fe(3 d)態(tài)允許這種過渡[48]。通過聯用磷K邊XANES和紫外可見吸收光譜并應用于一系列含有不同單齒和雙齒鍵合比例的Fe-PO4絡合物的水溶液,Khare等[47]認為這些特征涉及將1 s電子激發(fā)為Fe(4p)-O(2p)反鍵態(tài)。此外,對于具有不同結晶度、吸附相和絡合物的礦物XANES,該特征峰的強度隨Fe-O-P鍵數量的增加而增加。

除了對形態(tài)的鑒定,XAS還可以判斷界面反應類型,如內圈、外圈配位、表面沉淀、共沉淀以及氧化還原等[49]。Khare等[50]采集了水鐵礦吸附磷酸根樣品的磷K邊XANES,發(fā)現有磷的邊前峰出現,表明磷酸根以內圈配位的形式吸附在水鐵礦表面。且隨著Fe/P的增加,XANES中白線峰的位置向高能一側偏移了0.6 eV,遠高于磷酸根質子化導致的白線峰偏移量(0.2 eV),同時結合理論計算,可以揭示磷酸根在水鐵礦表面的配位方式由單齒單核配位向雙齒雙核配位轉化[51]。

4.2 原子配對分布函數(pair distribution function, PDF)

PDF是基于X射線的總散射技術,是對粉晶X射線衍射結構模擬和XAS很好的補充,顯示了與另一個原子在給定距離r處找到一個原子的概率[52-53]。最近,隨著第三代同步加速器的發(fā)展,由于其能夠提供更高通量和更短波長的X射線,以及可同時收集總散射圖譜的快速讀取探測器的應用,差分原子配對分布函數(differential pair distribution function, d-PDF)分析變得適用于更廣泛的系統[54]。

4.3 核磁共振光譜(NMR)

NMR是研究原子核自旋行為以及原子核自旋與晶體結構關系的一種波譜學分析技術,其可以提供3種信息:化學位移、耦合常數以及積分曲線。其中化學位移對化學環(huán)境非常敏感,可以用來提供物質的分子結構信息,是NMR中最重要的參數[49]。

沉積物中相關磷化合物(有機或無機)的化學位移通常處于25～25 mg/L。這些磷包括:膦酸酯、正磷酸鹽、正磷酸單酯、正磷酸二酯(磷脂和脫氧核糖核酸)、焦磷酸鹽、多聚磷酸鹽等。由于31P是唯一天然存在的磷同位素(100%自然豐度),理論上可以通過NMR法檢測樣品中的所有磷化合物。因此,如果選擇了適當的采集參數,則每個峰面積與該特定類型的磷數量成正比,從而運用NMR可以定量鑒定樣品中不同的磷形態(tài)。因此,31P NMR是研究土壤或沉積物磷的重要工具,極大地提高了對磷形態(tài)尤其是OP的認識。

31P NMR已被廣泛用于表征土壤或沉積物中的OP組分[13,59-61]。其中,液相NMR主要針對OP測定,其應用最早是從生態(tài)學研究發(fā)展過來的。NMR具有檢出限低、分辨率高等特點,對于水體和沉積物中的微量元素具有很好的分析效果。

化學位移與化學結構尤其是配位結構具有一定的對應性,可以用于判斷物質的形態(tài)如內圈配位、外圈配位以及表面沉淀。Yan等[62]通過固態(tài)31P/27Al NMR研究了植酸在無定形氫氧化鋁(AAH)表面的吸附,證實了在植酸在AAH表面由吸附態(tài)逐漸轉化為類似于Al-IHP的表面沉淀。Lookman等[63]研究了吸附在無定型氧化鋁表面的磷酸根形態(tài),證明吸附方式以內圈配位為主。以上3種常見的光譜分析方法優(yōu)缺點如表3所示。

表3 3種光譜學分析方法的優(yōu)缺點

4.4 其他分析方法

除了上述介紹的幾種分析方法外,一些表征方法如磷氧同位素以及理論計算如密度泛函理論等也越來越多用于磷形態(tài)的表征,尤其是磷形態(tài)的轉化過程[64-65]。由于沉積物中磷酸鹽響應成巖作用、溶解/沉淀和生物循環(huán)的不同反應性,磷酸鹽的氧同位素比(δ18OP)可以攜帶這些過程的獨特特征,揭示特定磷形態(tài)的起源[66-68]。Yuan等[69]利用磷酸鹽的氧同位素以及沉積物化學表征如X-射線衍射和57Fe-M?ssbauer光譜方法,分析了淺水湖泊沉積物的磷循環(huán)過程。結果表明,沉積物磷庫的δ18OP值顯著偏離平衡,因此,可以區(qū)分潛在的磷源或轉化途徑。自生磷的同位素值比平衡態(tài)低,說明有機質的再礦化和磷灰石的沉淀是自生磷形成的主要途徑。18Al結合的磷(18.9‰～23.5‰)和Fe結合的磷(16.79‰～19.86‰)的OP值可能表明潛在的陸地來源,但后者更接近平衡值意味著來源于磷的還原溶解和釋放。結果證實了好氧/缺氧振蕩和溶解/再沉淀反應以及預期的同位素偏移。這些發(fā)現為更好地理解與淺淡水湖泊富營養(yǎng)化相關磷的起源和生物地球化學循環(huán)具有重要意義。

5 展望

總體而言,國內外對于沉積物磷的賦存形態(tài)、磷素提取及分析方法的發(fā)展始于二十世紀六七十年代,到目前為止,已經趨于成熟?？傮w來看,我國在沉積物磷的賦存形態(tài)及轉化的機制方面的研究水平和深度仍然有待提高,應該向著分子水平繼續(xù)深入,細化對各種形態(tài)磷的分類,創(chuàng)新不同形態(tài)磷的分析方法,深刻闡釋湖泊沉積物磷素轉化機制,這對控制和解決湖泊富營養(yǎng)化問題具有深遠的意義。