G.Pantano1　A.Santos2　M.C.Bisinoti1　A.B.Moreira1　著　劉毓芳3　李敏3　吳云彬4 張彩鳳4　譯

(1　圣保羅大學(xué)國家生物科學(xué)研究所　圣保羅　巴西　2　巴西阿拉拉夸拉化工研究所　巴西　3　晉中學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院　晉中　山西　0306002　4　太原師范學(xué)院化學(xué)系　太原　山西　030006)

摘　要：腐殖質(zhì)有很重要的環(huán)境屬性，它通過和金屬物質(zhì)的相互作用而影響其運(yùn)輸、積累和吸收。在本項(xiàng)研究中，用于表征的沉積物中的腐殖質(zhì)來自圣保羅的第三大甘蔗栽培區(qū)，這個(gè)地區(qū)生產(chǎn)的甘蔗約占巴西全國甘蔗總產(chǎn)量的60%。根據(jù)國際腐植酸學(xué)會提出的堿抽提方法可以將腐殖質(zhì)提取出來，然后通過紅外光譜、紫外可見光譜和分子熒光光譜對其進(jìn)行表征。從紅外光譜中獲得的腐殖質(zhì)的特征帶以及從紫外可見光譜中分析所得的E4/ E6＜5的結(jié)果均表明腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的聚合度很高。在分子熒光發(fā)射光譜中顯示的主要是芳香結(jié)構(gòu)的特征帶。分子熒光光譜的同步檢測圖則顯示腐殖質(zhì)在400 nm處的熒光強(qiáng)度最大，而在此處含有五個(gè)芳香環(huán)的多環(huán)芳烴的熒光強(qiáng)度恰好也是最大。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明腐殖質(zhì)分子有很高的聚合度，并且其芳香性大于脂肪性。

關(guān)鍵詞：腐殖質(zhì)　表征　紅外　分子熒光　E4/E6

Spectroscopic Characterization of Humic Substances Isolated from Sediment of an Area of Sugar Cane Cultivation

G.Pantano1, A.Santos2, M.C.Bisinoti1, A.B.Moreira1 write Liu Yu-fang3, Li Min3, Wu Yunbin4, Zhang Caifeng4 translate

(1 Instituto de Biociências, Letras e Ciências Exatas, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”-S?o José do Rio Preto, S?o Paulo, Brazil　2 Instituto de Química de Araraquara, UNESP-Araraquara-SP.　3 Department of Chemistry and Chemical engineering, Jinzhong University, Jinzhong, 0306002.　4 Department of Chemistry, Taiyuan Normal University, Taiyuan, 030006)

Abstract: Humic substances(HS)have an important environmental property, interacting with metal species and influencing their transport,accumulation and bioavailabilty.In this study, the HS of sediment from an area of intensive sugar cane cultivation, considered the third largest in the state of SP were characterized.This region accounts for about 60% of production in Brazil.The HS were extracted according to the method suggested by IHSS using an alkali extraction, followed by characterization by infrared spectroscopy(IR), ultraviolet/visible(UV/Vis)spectroscopy and molecular fluorescence.The IR spectra showed characteristic bands of HS and the E4/E6 ratio obtained in the UV/Vis analysis were <5 suggesting, a more condensed structure.The results obtained in the emission fluorescence spectra also showed characteristics of predominantly aromatic structures.In the synchronous molecular fluorescence highest fluorescence intensity was in the region of 400 nm, which is assigned to aromatic polycyclic hydrocarbons with five aromatic rings.Thus, the results showed that the humic substances have a molecular structure with a higher degree of condensation, having thus more aromatic structures than aliphatics.

Key words: humic substances; characterization; infrared; molecular fluorescenc; E4/E6 ratio

腐殖質(zhì)有很重要的環(huán)境屬性，并且可以與金屬絡(luò)合。因此，腐殖質(zhì)能夠干擾環(huán)境中金屬物質(zhì)的運(yùn)輸、吸收和積累，而且對金屬物質(zhì)的毒性也有一定的影響。所以，對腐殖質(zhì)性質(zhì)的研究就顯得尤為重要。

事實(shí)上，從格蘭德流域的圖爾武河沉積物中提取出腐殖質(zhì)進(jìn)而研究其性質(zhì)是很不切實(shí)際的。因?yàn)檫@里的流域面積為15.925平方千米，水體有供給、灌溉和發(fā)電等諸多用途。農(nóng)村地區(qū)受農(nóng)業(yè)活動的影響很大，而這些農(nóng)業(yè)活動確實(shí)也帶來了一些問題，例如土地流失，甘蔗、柑橘種植區(qū)使用的殺蟲劑對環(huán)境的污染。圣保羅州是巴西最大的甘蔗生產(chǎn)地(其產(chǎn)量約占巴西全國甘蔗總產(chǎn)量的60%)，而格蘭德流域圖爾武河附近則是圣保羅的第三大甘蔗栽培區(qū)，甘蔗種植面積達(dá)370.342公頃，每季節(jié)能產(chǎn)生18百萬立方米的殘?jiān)?。自從有關(guān)報(bào)道稱這些殘?jiān)牟磺‘?dāng)使用會導(dǎo)致土壤鹽堿化，并且像鉀、鐵、鈣這樣的金屬殘留會使地下水和地表水受到污染，此后，該地帶的甘蔗種植便受到了廣泛關(guān)注。因此，了解腐殖質(zhì)的性質(zhì)以及它的作用機(jī)理是十分重要的。

1　材料和方法

這項(xiàng)研究是在格蘭德流域圖爾武河進(jìn)行的。用范德維恩式挖泥船從4個(gè)采樣點(diǎn)收集表面沉積物。樣品1取自農(nóng)業(yè)地區(qū)(甘蔗和牧草)，并將其作為參考點(diǎn)。樣品2取自為市區(qū)供水的水庫，樣品3取自有代表性的甘蔗種植區(qū)，樣品4則取自收集所有污染物的大壩(水力發(fā)電)處。然后根據(jù)國際腐植酸學(xué)會所提出的方法來提取沉積物中的腐殖質(zhì)。以氫氧化鈉為提取劑，在充滿氮?dú)獾谋迣?shí)驗(yàn)裝置中加入150g的沉積物和1.5L 0.1mol/L的氫氧化鈉溶液并機(jī)械攪拌4小時(shí)。然后通過紅外光譜、紫外可見光譜和分子熒光光譜對其進(jìn)行表征。

2　結(jié)果與討論

由圖1知：樣品1和樣品3中的腐殖質(zhì)在450nm處熒光信號強(qiáng)度峰最大，這一現(xiàn)象與腐殖質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。而樣品2和樣品4中提取的腐殖質(zhì)在430 nm和480 nm處出現(xiàn)兩個(gè)最強(qiáng)度大的熒光峰，第一個(gè)最大值是由于黃腐酸的存在，第二個(gè)最大值則是由于腐植酸的存在。Peuravuori等(2002)的研究顯示，黃腐酸激發(fā)峰的最大值在250-260nm之間，腐植酸激發(fā)峰的最大值在300-340 nm之間，而黃腐酸的最大發(fā)射峰在380-460 nm之間，腐植酸的最大發(fā)射峰則在410-480 nm之間。

圖1　總有機(jī)碳為12.0 mg/L下不同采樣點(diǎn)腐殖質(zhì)的分子熒光發(fā)射光譜(λexc=332nm)

Fig.1 Emission molecular fluorescence spectra(λexc=332nm)of HS at 12.0 mg/L TOC from (a)Point1, (b)Point2, (c)Point3, (d)Point4
注：a-d分別為四個(gè)采樣點(diǎn)樣品，下同。

圖2是同步分子熒光光譜圖，腐殖質(zhì)在400 nm附近出現(xiàn)最大熒光強(qiáng)度信號峰，這說明在腐殖質(zhì)中存在含有五個(gè)芳環(huán)的多環(huán)芳香碳?xì)浠衔铩?/p>

圖3是紅外光譜圖，圖中出現(xiàn)了一些在其他研究中出現(xiàn)過的腐殖質(zhì)特征譜帶。

圖2　總有機(jī)碳為12.0 mg/L下不同采樣點(diǎn)腐殖質(zhì)的同步分子熒光光譜(240-700，Δλ 20nm)

Fig.2 Synchronous molecular fluorescence spectra(240-700, Δλ 20nm)to HS 12.0mg/L TOC from (a)Point1, (b)Point2, (c)Point3, (d)Point4

圖3　腐殖質(zhì)的紅外光譜

Fig.3 Infrared spectra of the HS

所有的光譜在頻率為3400 cm-1附近都出現(xiàn)了寬而強(qiáng)的譜帶，這是由于羧基、苯酚和乙醇結(jié)構(gòu)中的O-H鍵的伸縮而造成的。頻率為1660 cm-1～1630 cm-1之間的譜帶則可能與芳環(huán)中ν(C=C)鍵的伸縮振動有關(guān)。而頻率為1400 cm-1處的譜帶則與δ(OH)化學(xué)位移的彎曲以及苯酚和羧基中ν(C-O)鍵的伸縮有關(guān)，這個(gè)譜帶同時(shí)也是腐植酸分子的特征帶。最后，在頻率為950-670 cm-1處的譜帶與芳環(huán)上C-H鍵在面內(nèi)和面外的彎曲有關(guān)。最重要的是，在2850 cm-1和2920 cm-1處圖譜中并沒有分別出現(xiàn)-CH-和-CH2-的對稱伸縮振動和不對稱伸縮振動的特征峰，這說明脂肪族基團(tuán)在腐殖質(zhì)中的含量是很低的。

文獻(xiàn)廣泛使用E4/E6的比值來推測腐殖質(zhì)中的芳香結(jié)構(gòu)。表1的分析結(jié)果顯示，如果比值小于5，則表明腐殖質(zhì)分子的聚合度很高，并且所含的芳香結(jié)構(gòu)多于脂肪結(jié)構(gòu)。E4/E6的值越大，表明腐殖質(zhì)的芳香性越低，因此，樣品3中的腐殖質(zhì)的芳香性最差。

表1　腐殖質(zhì)在紫外/可見區(qū)域的光譜特征

3　結(jié)論

通過紅外光譜、紫外可見光譜和分子熒光光譜表征，可以得出如下結(jié)論：可能因腐殖化程度較高以及從一個(gè)地方到另一個(gè)地方各區(qū)域未受太多農(nóng)業(yè)活動的影響，一個(gè)具有甘蔗種植優(yōu)勢地區(qū)沉積物中的腐殖質(zhì)是一種具有高芳香性和高聚合度的物質(zhì)。

致謝和參考文獻(xiàn)(略)

譯自：Function of Natural Organic Matter in Changing Environment，2011，114～116。

腐植酸是土壤的，是肥料的，是農(nóng)場的，更是可持續(xù)的。