土壤镉元素一步萃取技术比较研究

王凯 林国冰 王琳

摘要 为优化土壤摄入过程中Cd生物可给含量的评估方法，以土壤标准物质GSF-5（GBW07445）和GSF-3（GBW07443）为样本比较一步萃取法、PBET法和赋存形态的关系，并采集长沙市周边40个土壤样本进行方法验证。结果表明，Cd在胃相中的生物可给含量与前4种结合形态密切相关;一步萃取法中6种萃取剂对土壤中Cd的提取能力从强到弱依次为EDTA-2Na>DTPA>CH3COONa> CH3COOH >NH4NO3>CaCl2，EDTA-2Na最优的萃取剂浓度为0.02 mol/L;测定实际样本的结果表明，优化后的一步萃取方法[0.02 mol/L EDTA-2Na，pH=7，固液比1∶20（W/V），温度（25±2）℃，转速200 r/min，时间2 h]与相应的PBET方法模拟的Cd生物可给含量具有高度相关性，其回归方程R2为0.98，证明土壤一步萃取技术在某种程度上可以代替PBET方法来评估土壤中的某些重金属生物可给性，简化土壤重金属生物可给性的研究。

关键词 镉;一步萃取法;生物可给性;土壤污染

中图分类号 X53  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）10-0059-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.10.015

Comparative Study on One-step Extraction Method of Cadmium in Soil

WANG Kai，LIN Guo-bing，WANG Lin

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Central South University，Changsha，Hunan 410083）

Abstract In order to optimize the evaluation method of Cd bioavailable content in the process of soil uptake， the relationship between one-step extraction method， PBET method and occurrence form was compared with soil standard substances GSF-5 （GBW07445） and GSF-3 （GBW07443） as samples.And 40 soil samples around Changsha City were collected for method verification. The results showed that the bioavailable content of Cd in the gastric phase was closely related to the first four binding forms.The six extractants in the one-step extraction method could extract Cd in the soil as follows： EDTA-2Na> DTPA> CH3COONa> CH3COOH> NH4NO3>CaCl2， the optimal extractant concentration of EDTA-2Na was 0.02 mol/L.The results of measuring actual samples showed that the optimized one-step extraction method （0.02 mol/L EDTA-2Na， pH=7， solid-liquid ratio =1∶20（W/V） ， temperature 25±2 ℃， speed = 200 r/min， time=2 h） was highly correlated with the Cd bioavailable content simulated by the corresponding PBET method. The regression equation R2 was 0.98， which proved the one-step soil extraction technology could replace the PBET method to assess the bioavailability of certain heavy metals in the soil to some extent， simplifying the research on the bioavailability of heavy metals in the soil.

Key words Cadmium;One-step extraction method;Bioavailability;Soil pollution

基金項目 国家自然科学基金项目（41977351）;中南大学研究生自主探索创新项目（1053320210996）。

作者简介 王凯（1997—），男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向：土壤污染和水稻污染。通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事环境化学、环境工程和食品安全相关研究。

收稿日期 2021-10-11

工业生产和冶炼活动可能会对土壤环境造成较大的重金属污染[1]，全国土壤污染调查显示，我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%，其中镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）8种重金属元素均有不同程度的超标，以Cd污染程度最重，超标率为7.0%[2]。张建辉等[3]对湖南省108组土壤样品检测发现，土壤Cd超标率达90.7%。土壤中Cd可以通过食入、吸入和皮肤接触的方式轻易进入人体[4]，严重危害人体的健康，且具有长期性、隐蔽性和不可逆性等特点[5]。因为误食土壤可能会极大地影响化学物质暴露估计值，所以土壤摄入量问题也得到相当多的关注并因此出台了许多关于土壤和灰尘摄入量的推荐规范[6-7]。大量研究表明，摄入土壤中的Cd能引起一系列的健康问题[8-9]，土壤摄入率（SIR）已经成为对污染土壤风险评估的重要指标之一[10]。

体外模拟法[11]接近人体内真实的生理环境，常用来评估人体所摄入物质中的重金属可给性，但体外模拟法步骤烦琐，因此在大批量土壤分析中有很大局限性。对于Cd元素来说，其在基质中的可给性部分主要是在胃相中的酸性条件下释放的。基于这个原因，很多简化的一步萃取法被开发出来以代替传统体外模拟法来模拟Cd在胃相生物可给性[12]。因此，笔者研究了生物原理提取法（PBET）和一步萃取法以及土壤中Cd赋存形态的关系，并分析了一步萃取方法中不同萃取剂的萃取。

1 材料与方法

1.1 土壤实际样品的采集与处理

从长沙市周边的农田中随机采集40个土壤样本（约500 g），每个样本均采自距土壤表层0～20 cm深的耕作层，用自封袋封装后带回实验室阴干，随后剔除土壤中的石块、木屑等杂物并过2 mm尼龙筛，使样本充分混匀。取大约10 g混匀后的样本进一步研磨、混匀，过0.2 mm尼龙筛后用自封袋封装并置于干燥器中。

1.2 土壤标准物质

土壤标准物质GSF-5（GBW07445）和GSF-3（GBW07443）被用来研究PBET和一步萃取法对土壤中重金属的提取效率以及提取的重金属生物可给含量与相应的赋存形态之间的关系。标准物质GSF-5和GSF-3中的重金属赋存形态包括水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态、腐殖酸态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态。

1.3 基于PBET法测定土壤重金属生物可给性

采用PBET法提取土壤中的生物可给重金属，PBET法所需试剂见表1。具体操作步骤如下：称取0.2 g土壤粉末样品并转移至50 mL密封的离心管中，加入20 mL胃相溶液混合。将离心管放在水浴摇床中于37 ℃、150 r/min 条件下进行模拟消化。每个样品设置6个平行。在反应进行1 h时取出对应样品的3个离心管（3个平行），以9 000 r/min离心10 min后上清液过0.22 μm滤膜得到胃相消化液。同时，其余3个离心管用饱和的碳酸氢钠溶液将pH调升至7，再分别加入35 mg猪胆汁盐和10 mg胰酶，然后在37 ℃、150 r/min条件下继续反应4 h。待反应结束后将离心管以9 000 r/min离心10 min并过0.22 μm滤膜得到肠相消化液。胃相和肠相消化液保存在4 ℃条件下并在24 h内进行As总量与形态分析。

为了分析重金属生物可给含量的变化趋势，用GSF-5和GSF-3土壤标准物质模拟土壤重金属生物可给含量。对于PBET胃相，检测了0.5、1.0、1.5、2.0 h时的重金属含量。对于PBET肠相，检测了1.0、2.0、3.0、4.0 h时的重金属含量。

1.4 基于一步萃取法测定土壤重金属生物可给性

用6种常用的一步萃取法萃取土壤标准物质GSF-5和GSF-3，以检测不同萃取剂的萃取能力并比较不同萃取剂的萃取浓度及其赋存形态之间的关系。不同萃取剂的试剂浓度和萃取条件如表2所示。称取1 g土壤样品置于50 mL离心管中，加入20 mL萃取剂在200 r/min、（25±2）℃条件下萃取2 h。待萃取结束后，将离心管在4 000 r/min下离心10 min，并将上清液过滤、稀释、酸化，随后用ICP-MS在24 h内检测。

2 结果与分析

2.1 长沙市周边农田土壤Cd总量

经统计，长沙市周边40个农田土壤Cd总量平均值（0.78 mg/kg）高于湖南省（0.08 mg/kg）[13]和全国（0.097 mg/kg）[14]土壤背景值，分别达到湖南省和全国背景值的9.75和8.04倍，表明长沙市周边农田土壤存在较为严重的Cd污染。Cd含量最大值（2.46 mg/kg）分别达到湖南省和全国土壤背景值的30.75和25.36倍，表明在个别农田土壤中存在着极为严重的Cd污染情况，应当引起足够的重视并采取相应的措施。

2.2 Cd生物可给性和赋存形态之间的关系

通过对GSF-5和GSF-3 土壤标准物质的体外PBET模拟研究了Cd的可给性变化，以及重金属生物可给含量与结合形态之间的关系，试验条件及生物可给含量变化的趋势如图1所示。

在胃相和肠相体系中，Cd生物可给含量均随着时间的增加而增加。对于肠相和胃相过程，Cd在肠相中的生物可给含量低于在胃相中的含量，出现这种现象的原因之一是肠相中的 pH 从 2.5 急剧升高到 7.0，模拟消化液中的Cd元素形成沉淀或与其他营养物质形成共沉淀[15]。对于Cd在胃相和肠相中生物可给含量与赋存形态的关系，其在胃相中的生物可给含量与前4种结合形态（水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态和腐殖酸态）密切相关。

2.3 一步萃取法的比较和优化

从图2可以看出，6种萃取剂（0.05 mol/L EDTA-2Na、0.005 mol/L DTPA、1  mol/L CH3COONa、0.1 mol/L CH3COOH、0.1 mol/L NH4NO3、0.01 mol/L CaCl2）对土壤中Cd的提取能力存在较大差别。平均而言，6种萃取剂对土壤中Cd的提取能力从强到弱依次为EDTA-2Na>DTPA>CH3COONa>CH3COOH>CaCl2>NH4NO3，其中 EDTA-2Na、DTPA的提取能力显著高于其他4种提取劑。目前，主流的有效镉提取剂包括络合剂、稀酸、缓冲溶液和中性盐溶液等[16]。EDTA-2Na、DTPA是常用的络合剂，可通过离子螯合作用将部分与土壤固相结合的Cd置换并生成螯合物，可提取水溶态、可交换态和部分碳酸盐结合态、有机结合态和铁锰氧化物结合态的Cd[17]，具有较强的提取能力。

在该试验中，EDTA-2Na萃取剂的提取能力和PBET法最相近，因此对EDTA-2Na萃取剂进行单因子优化，研究EDTA-2Na的最佳萃取浓度。从图3可以看出，EDTA-2Na萃取剂浓度在0.01～0.10 mol/L时，其对Cd的萃取能力出现先增大后减小的现象。在GSF-5和GSF-3中，EDTA-2Na分别在0.02和0.03 mol/L时表现出了最强的萃取能力，表明当EDTA-2Na萃取剂浓度过低或过高时其萃取能力都会受到抑制，有类似研究也得到相近结果[18]。相比GSF-3，GSF-5具有更高的Cd含量，因此该研究选择0.02 mol/L的EDTA-2Na作为一步萃取法中的萃取剂。

2.4 一步萃取法與PBET法的比较

采用0.02 mol/L EDTA-2Na萃取剂和PBET法对长沙市周边40个农田土壤实际样品进行萃取，并比较一步萃取含量和PBET模拟的生物可给含量之间的关系，其结果如图4所示。对于Cd元素，一步萃取含量和胃相中的生物可给含量非常接近且大于肠相中的生物可给含量。结果表明，对于实际土壤样品，采用0.02 mol/L EDTA-2Na作为萃取剂的一步萃取法和PBET法胃相模拟也具有接近的提取能力。

如图5所示，对40个农田土壤中的一步萃取Cd含量和PBET法模拟的胃相Cd生物可给含量的回归方程和相关性进行比较，可知优化的一步萃取法对Cd有接近于PBET法胃相模拟的提取能力，一步萃取Cd含量（x）与胃相Cd生物可给含量（y）具有较好的相关性，其回归方程为y=0.89x+0.01（R2=0.98），表明一步萃取法可以用来代替Cd元素在PBET法中相应的生物可给含量，从而避免PBET法相对复杂、烦琐的问题。

3 结论

（1）Cd胃相浓度随着 PBET模拟时间的增加趋近于其在土壤中前4种赋存形态（水溶态、离子交换态、 碳酸盐结合态和腐殖酸态）之和，证明这4种赋存形态的Cd在摄入后可被人体吸收，具备生物可给性。

（2）6种常用萃取剂比较表明，EDTA-2Na萃取剂一步萃取Cd的效果最接近PBET法，针对EDTA-2Na萃取剂进行单因子优化，EDTA-2Na萃取剂在0.02 mol/L时表现出最强的萃取能力。

（3）对长沙市周边40个农田土壤进行一步萃取法的方法验证，结果证明，优化的一步萃取法对Cd有接近于PBET法胃相模拟的提取能力，一步萃取含量与胃相生物可给含量具有较好相关性，其回归方程R2为0.98，可代替PBET法进行大批量土壤中Cd生物可给含量的分析。

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