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摘要
[目的] 为了对多环芳烃在土壤中的行为进行研究。[方法] 利用一种温度辅助解吸-气流式液相微萃取装置结合溶剂超声萃取， 研究了热处理（温度为50～300 ℃）对土壤中多环芳烃（苊、菲、芘、苯并[a]芘）存留的影响。[结果] 在该温度范围内进行热处理时只有极少部分的多环芳烃从土壤中释放出来，大部分被保留于土壤中;200 ℃以上的处理温度明显降低了土壤中多环芳烃的溶剂可提取性，对多环芳烃起锁定作用。[结论] 该研究可以为受多环芳烃污染的土壤修复和生物有效性提供指导。
关键词 土壤; 多环芳烃; 热处理; 溶剂可提取性
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）34-12091-03
Effects of Thermal Disposal on Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Soil
DONG Meihua1， ZOU Yilin1，LI Donghao2， WANG Juan2，3*
（1.College of Science， Yanbian University， Yanji， Jilin 133002; 2. Key Laboratory of Natural Resources of Changbai Mountain and Functional Molecules，Ministry of Education， Yanbian University，Yanji， Jilin 133002;3.Agricultural College， Yanbian University， Yanji， Jilin 133002）
Abstract [Objective] The research aimed to study the behavior of PAHs in soil.[Method] The effects of thermal disposal （temperatures from 50 to 300℃） on PAHs including acenaphthylene， phenanthrene， pyrene and beazo[a]pyrene in soil were studied using a temperature desorptiongas purge liquid phase microextraction and ultrasonic extraction by solvent. [Result] A low of PAHs were released from soil from 50 to 300℃ and most of PAHs were retained in soil. The solvent extractability of PAHs in soil was reduced above 200 ℃ of temperature， and thermal disposal played a locking role to PAHs in soil. [Conclusion] The study could provide the guidance of the soil remediation contaminated by PAHs and the boiavalilablity.
Key words Soil; Polycyclic aromatic hydrocarbons; Thermal disposal; Solvent extractability
多环芳烃（PAHs）是土壤中最常见的有机污染物之一，易吸附于土壤中，并在土壤中迁移、扩散。环境中的PAHs主要来自于煤和石油的燃烧。PAHs在土壤中的行为研究是其在环境归宿研究中的关键，并且为受PAHs污染的土壤修复提供参考依据。多种因素都影响着PAHs在土壤中的行为，如土壤颗粒大小、PAHs溶解度和土壤温度等[1]。因此，笔者利用一种简单的温度辅助解吸-气流式液相微萃取装置[2-3]，结合溶剂超声萃取，研究热处理对土壤中PAHs（苊、菲、芘、苯并[a]芘）存留的影响，可为受PAHs污染的土壤修复和生物有效性等提供指导。
1 材料与方法
1.1 材料
为克服土壤中PAHs本底值的影响，采用同位素标记的PAHs作为代表性目标化合物，包括[2H10]苊标准品（Acp）、[2H10]菲标准品（Phe）、[2H10]芘标准品（Pyr）、[2H12]苯并[a]芘标准品（BaP）购自于Supelco公司（Bellefonte，PA，美国）。标准品的纯度均高于99%。溶剂包括正己烷、二氯甲烷、丙酮，均为色谱级，购自于Caledon公司（Georgetown，Ont.，加拿大）。纯度为99.999%的氮气购自于大连大特气体有限公司。PAHs混合标准品用正己烷配制成20 mg/L的标准溶液，于-20 ℃保存于暗室中备用。供试土壤采于长白山地区，其中土壤1号样品采于林地，土壤2号样品采于草场，土壤3号样品采于沙地。沉积物和鲫鱼样品采于图们江，冷冻、干燥后充分均匀。分别取以上样品先后过60和200目筛，取60和200目之间的粒状样品备用。分别称量一定量上述样品于18 ml小瓶中，添加一定体积PAHs混合标准溶液，充分混合后自然干燥制得加标样品（加标水平为20 μg/g），用于后序试验。
1.2 热处理试验
气流式液相微萃取装置用于土壤样品的热处理（具体结构见图1），并同时获得热处理时PAHs的释放量。该装置所得PAHs的萃取量即为其释放量[3]。试验主要过程为：准确称取0.010 0 g样品，填装入玻璃样品管中，将玻璃样品管置于样品池中，池口处用硅橡胶隔垫密封;将100 μl微注射器（用体积比为1∶1的丙酮和正已烷混合溶剂润洗多次）顺着冷凝器插入样品池中，针尖部分（内径为4 mm，长度为2 cm）至隔垫下1 mm处;冷凝器（降温速率為2.5 ℃/s）的温度设置为-4 ℃，样品池温度（升温速率为2.5 ℃/s）根据试验需要在50～300 ℃之间调节，气流速率用流量控制器控制在2 ml/min之间，在微注射器中加入10 μl萃取溶剂（体积比为1∶1的丙酮和正己烷混合溶剂），设定萃取时间，开始萃取过程，到达萃取时间后，取下微注射器，移出萃取液，定容至100 μl，其中2 μl用于仪器分析。 图1 热处理试验装置（气流式液相微萃取装置）结构
1.3 溶剂可提取性分析
溶剂超声萃取（AS20500AH型超声波清洗器，天津AUTOSCIENCE公司）用于确定土壤样品中PAHs的溶剂可提取性。将0.010 0 g土壤样品移至8 ml样品瓶中，加入2 ml二氯甲烷超声萃取15 min，重复萃取2次，合并萃取液，浓缩至0.2 ml，经填装有0.5 g硅胶吸附剂的小柱进行净化，用6 ml二氯甲烷洗脱，浓缩定容至100 μl，取2 μl用于仪器分析。
1.4 仪器分析
PAHs采用气相色谱与质谱联用仪GC/MS 2010（Shimadzu，日本）进行分离检测。毛细管色谱柱为DB5MS（30.00 m × 0.25 mm × 0.25 μm），離子源为电子轰击源，离子源温度设置为200 ℃。分析程序为：载气流速为1 ml/min，流量控制方式为压力控制方式，进样口温度为280 ℃，不分流进样。采用程序升温，起始温度为80 ℃，保留1 min，20 ℃/min升温至100 ℃，10 ℃/min升温至200 ℃，20 ℃/min升温至280 ℃，保留20 min。程序空白值要求低于仪器检出限的10倍，数据不采用空白值校正。各目标化合物基于保留时间、定量离子进行定性和定量分析。
2 结果与分析
2.1 热处理下土壤中多环芳烃的释放
首先通过直接在气流式液相微萃取装置的样品池中加标PAHs，考察不同温度下利用该装置进行热处理时PAHs的提取效率。由图2可知，在200～300 ℃间PAHs能被完全回收，50～150 ℃间由于受挥发性的限制只有部分PAHs被回收;同时，确认样品池中释放出的PAHs均可通过该装置提取，提取到的多环芳烃量即为其释放量。
图2 不同温度下气流式液相微萃取装置对多环芳烃的回收率
为研究不同温度条件下土壤中PAHs的存留，分别设置气流式液相微萃取装置的样品池温度为50、100、150、200、250、300 ℃对土壤样品（采集于林地的1号样品）热处理10 min，同时提取热处理时释放的PAHs。由图3可知，低温时PAHs会受本身的挥发性限制而难以从土壤中释放出来，但较高的温度下其释放率仍未有明显提高，说明在所设温度范围内只有极少部分的PAHs能够从土壤样品中释放出来，大部分PAHs仍存留于土壤中。
图3 不同热处理温度下土壤中多环芳烃的释放率
另取不同类型的土壤样品（采于草地的2样品和采于沙地的3号样品）进行同样的热处理试验，所得PAHs的释放率分别为0.48%～2.14%和0.10%～2.68%。这与图3中所示结果相当，表明50～300 ℃热处理时PAHs在土壤中存留而难以释放的现象普遍存在。
将土壤样品与其他类型的样品（玻璃棉、硅胶、生物组织以及沉积物加标样品）进行比较。由图4可知，在同样的热处理条件（300 ℃下10 min）下，除沉积物样品外，PAHs均能从所加载的样品中近乎完全地释放出来。延长沉积物样品热处理的时间，能够提高其释放量，但对土壤样品延长同样时间进行热处理，其释放量未得到改善（表1）。环境土壤不同于硅胶或生物组织，是由无机矿物和有机质组成的复合体。其组成的复杂性可能导致PAHs无法在300 ℃热处理时释放出来。
图4 不同样品中多环芳烃的释放率
表1 不同热处理时间沉积物和土壤中多环芳烃的释放率
%
化合物沉积物10 min20 min土壤10 min20 min
苊25.4133.131.841.49
菲31.2642.612.000.90
芘3.839.140.250.04
苯并[a]芘0.883.110.160.01
2.2 热处理对土壤中多环芳烃溶剂提取性的影响
将在50、100、150、200、250、300 ℃温度下热处理10 min后的土壤样品按“1.3”所述的方法分别进行溶剂超声提取，研究其溶剂可提取性。由图5可知，不同温度下热处理后土壤中PAHs的溶剂可提取性发生了变化，随着处理温度的升高，溶剂可提取性逐渐降低，50 ℃下处理土壤对PAHs的溶剂可提取性无影响，100～150 ℃时分子量越高的PAHs失去溶剂可提取性程度越重，至200 ℃时4种PAHs完全失去溶剂可提取性。热处理后样品放置1个月后进行溶剂可提取性分析，PAHs的提取率也未见提高。进一步将经热处理后的土壤样品充分研磨后进行超声萃取，同样未能改善PAHs的溶剂提取性（PAHs提取率为0.95%～2.33%），说明热处理对土壤颗粒的影响不仅仅是基于表面的，而是对整个土壤颗粒起作用，可使PAHs被“锁定”在土壤内部。因此，推测在较高温度下进行热处理，土壤有机质可能发生孔变形或形态改变，导致PAHs被锁定在土壤内部，形成结合残留态，无法再扩散和分配到有机溶剂中[4]。有研究指出，土壤中吸附有机化合物的土壤有机质可分为2种类型，一种是硬（玻璃态）有机质，一种是软（橡胶态）有机质[5-6]。热处理导致多环芳烃难于萃取的可能是玻璃态这部分有机质。玻璃态主要以孔隙填充方式吸附有机化合物，是非线性的慢解吸过程或极慢性过程。
图5 不同温度热处理后土壤中多环芳烃的溶剂提取率
3 结论与讨论
研究表明，热处理（温度为50～300 ℃）土壤中只有极少部分的PAHs（苊、菲、芘、苯并[a]芘）能够从土壤中释放出来，大部分仍被保留于土壤中;200 ℃以上的土壤温度明显降低了土壤中PAHs的溶剂可提取性，对PAHs起锁定作用。热处理这种方式有可能能够降低生物有效性，达到土壤修复的目的，但其对生物有效性的影响还需进一步研究，且该研究热处理体系与其他体系（如开放体系或大量土壤）间的差异也需进一步考察。
参考文献
[1] 林纪旺.土壤中多环芳烃生物有效性研究进展[J].安徽农学通报，2011，17（8）：34-37.
[2] PIAO X，BI J，YANG C，et al.Automatic heating and cooling system in a gas purge microsyringe extraction[J].Talanta，2011，86：142-147.
[3] WANG J，YANG C，LI H，et al.Gas purgemicrosyringe extraction：A rapid and exhaustive direct microextraction technique of polycyclic aromatic hydrocarbons from plants[J].Analytica Chimica Acta，2013，805 （17）：45-53.
[4] LUTHY R G，AIKEN G R，BRUSSEAU M L.Sequestration of hydrophobic organic contaminants by geosorbents[J].Environmental Science and Technology，1997，31（12）：3341-3347.
[5] CHIOU C T，PORTER P E，SCHMEDDING D W.Partition equilibria of nonionic organic compounds between soil organic matter and water[J].Environment Science and Technology，1983，17：227-231.
[6] CHIOU C T，KILE D E.Deviation from sorption linearity of popular and nonpolar organic compounds at low relative concentration[J].Environment Science and Technology，1998，32：338-343.
[目的] 为了对多环芳烃在土壤中的行为进行研究。[方法] 利用一种温度辅助解吸-气流式液相微萃取装置结合溶剂超声萃取， 研究了热处理（温度为50～300 ℃）对土壤中多环芳烃（苊、菲、芘、苯并[a]芘）存留的影响。[结果] 在该温度范围内进行热处理时只有极少部分的多环芳烃从土壤中释放出来，大部分被保留于土壤中;200 ℃以上的处理温度明显降低了土壤中多环芳烃的溶剂可提取性，对多环芳烃起锁定作用。[结论] 该研究可以为受多环芳烃污染的土壤修复和生物有效性提供指导。
关键词 土壤; 多环芳烃; 热处理; 溶剂可提取性
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）34-12091-03
Effects of Thermal Disposal on Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Soil
DONG Meihua1， ZOU Yilin1，LI Donghao2， WANG Juan2，3*
（1.College of Science， Yanbian University， Yanji， Jilin 133002; 2. Key Laboratory of Natural Resources of Changbai Mountain and Functional Molecules，Ministry of Education， Yanbian University，Yanji， Jilin 133002;3.Agricultural College， Yanbian University， Yanji， Jilin 133002）
Abstract [Objective] The research aimed to study the behavior of PAHs in soil.[Method] The effects of thermal disposal （temperatures from 50 to 300℃） on PAHs including acenaphthylene， phenanthrene， pyrene and beazo[a]pyrene in soil were studied using a temperature desorptiongas purge liquid phase microextraction and ultrasonic extraction by solvent. [Result] A low of PAHs were released from soil from 50 to 300℃ and most of PAHs were retained in soil. The solvent extractability of PAHs in soil was reduced above 200 ℃ of temperature， and thermal disposal played a locking role to PAHs in soil. [Conclusion] The study could provide the guidance of the soil remediation contaminated by PAHs and the boiavalilablity.
Key words Soil; Polycyclic aromatic hydrocarbons; Thermal disposal; Solvent extractability
多环芳烃（PAHs）是土壤中最常见的有机污染物之一，易吸附于土壤中，并在土壤中迁移、扩散。环境中的PAHs主要来自于煤和石油的燃烧。PAHs在土壤中的行为研究是其在环境归宿研究中的关键，并且为受PAHs污染的土壤修复提供参考依据。多种因素都影响着PAHs在土壤中的行为，如土壤颗粒大小、PAHs溶解度和土壤温度等[1]。因此，笔者利用一种简单的温度辅助解吸-气流式液相微萃取装置[2-3]，结合溶剂超声萃取，研究热处理对土壤中PAHs（苊、菲、芘、苯并[a]芘）存留的影响，可为受PAHs污染的土壤修复和生物有效性等提供指导。
1 材料与方法
1.1 材料
为克服土壤中PAHs本底值的影响，采用同位素标记的PAHs作为代表性目标化合物，包括[2H10]苊标准品（Acp）、[2H10]菲标准品（Phe）、[2H10]芘标准品（Pyr）、[2H12]苯并[a]芘标准品（BaP）购自于Supelco公司（Bellefonte，PA，美国）。标准品的纯度均高于99%。溶剂包括正己烷、二氯甲烷、丙酮，均为色谱级，购自于Caledon公司（Georgetown，Ont.，加拿大）。纯度为99.999%的氮气购自于大连大特气体有限公司。PAHs混合标准品用正己烷配制成20 mg/L的标准溶液，于-20 ℃保存于暗室中备用。供试土壤采于长白山地区，其中土壤1号样品采于林地，土壤2号样品采于草场，土壤3号样品采于沙地。沉积物和鲫鱼样品采于图们江，冷冻、干燥后充分均匀。分别取以上样品先后过60和200目筛，取60和200目之间的粒状样品备用。分别称量一定量上述样品于18 ml小瓶中，添加一定体积PAHs混合标准溶液，充分混合后自然干燥制得加标样品（加标水平为20 μg/g），用于后序试验。
1.2 热处理试验
气流式液相微萃取装置用于土壤样品的热处理（具体结构见图1），并同时获得热处理时PAHs的释放量。该装置所得PAHs的萃取量即为其释放量[3]。试验主要过程为：准确称取0.010 0 g样品，填装入玻璃样品管中，将玻璃样品管置于样品池中，池口处用硅橡胶隔垫密封;将100 μl微注射器（用体积比为1∶1的丙酮和正已烷混合溶剂润洗多次）顺着冷凝器插入样品池中，针尖部分（内径为4 mm，长度为2 cm）至隔垫下1 mm处;冷凝器（降温速率為2.5 ℃/s）的温度设置为-4 ℃，样品池温度（升温速率为2.5 ℃/s）根据试验需要在50～300 ℃之间调节，气流速率用流量控制器控制在2 ml/min之间，在微注射器中加入10 μl萃取溶剂（体积比为1∶1的丙酮和正己烷混合溶剂），设定萃取时间，开始萃取过程，到达萃取时间后，取下微注射器，移出萃取液，定容至100 μl，其中2 μl用于仪器分析。 图1 热处理试验装置（气流式液相微萃取装置）结构
1.3 溶剂可提取性分析
溶剂超声萃取（AS20500AH型超声波清洗器，天津AUTOSCIENCE公司）用于确定土壤样品中PAHs的溶剂可提取性。将0.010 0 g土壤样品移至8 ml样品瓶中，加入2 ml二氯甲烷超声萃取15 min，重复萃取2次，合并萃取液，浓缩至0.2 ml，经填装有0.5 g硅胶吸附剂的小柱进行净化，用6 ml二氯甲烷洗脱，浓缩定容至100 μl，取2 μl用于仪器分析。
1.4 仪器分析
PAHs采用气相色谱与质谱联用仪GC/MS 2010（Shimadzu，日本）进行分离检测。毛细管色谱柱为DB5MS（30.00 m × 0.25 mm × 0.25 μm），離子源为电子轰击源，离子源温度设置为200 ℃。分析程序为：载气流速为1 ml/min，流量控制方式为压力控制方式，进样口温度为280 ℃，不分流进样。采用程序升温，起始温度为80 ℃，保留1 min，20 ℃/min升温至100 ℃，10 ℃/min升温至200 ℃，20 ℃/min升温至280 ℃，保留20 min。程序空白值要求低于仪器检出限的10倍，数据不采用空白值校正。各目标化合物基于保留时间、定量离子进行定性和定量分析。
2 结果与分析
2.1 热处理下土壤中多环芳烃的释放
首先通过直接在气流式液相微萃取装置的样品池中加标PAHs，考察不同温度下利用该装置进行热处理时PAHs的提取效率。由图2可知，在200～300 ℃间PAHs能被完全回收，50～150 ℃间由于受挥发性的限制只有部分PAHs被回收;同时，确认样品池中释放出的PAHs均可通过该装置提取，提取到的多环芳烃量即为其释放量。
图2 不同温度下气流式液相微萃取装置对多环芳烃的回收率
为研究不同温度条件下土壤中PAHs的存留，分别设置气流式液相微萃取装置的样品池温度为50、100、150、200、250、300 ℃对土壤样品（采集于林地的1号样品）热处理10 min，同时提取热处理时释放的PAHs。由图3可知，低温时PAHs会受本身的挥发性限制而难以从土壤中释放出来，但较高的温度下其释放率仍未有明显提高，说明在所设温度范围内只有极少部分的PAHs能够从土壤样品中释放出来，大部分PAHs仍存留于土壤中。
图3 不同热处理温度下土壤中多环芳烃的释放率
另取不同类型的土壤样品（采于草地的2样品和采于沙地的3号样品）进行同样的热处理试验，所得PAHs的释放率分别为0.48%～2.14%和0.10%～2.68%。这与图3中所示结果相当，表明50～300 ℃热处理时PAHs在土壤中存留而难以释放的现象普遍存在。
将土壤样品与其他类型的样品（玻璃棉、硅胶、生物组织以及沉积物加标样品）进行比较。由图4可知，在同样的热处理条件（300 ℃下10 min）下，除沉积物样品外，PAHs均能从所加载的样品中近乎完全地释放出来。延长沉积物样品热处理的时间，能够提高其释放量，但对土壤样品延长同样时间进行热处理，其释放量未得到改善（表1）。环境土壤不同于硅胶或生物组织，是由无机矿物和有机质组成的复合体。其组成的复杂性可能导致PAHs无法在300 ℃热处理时释放出来。
图4 不同样品中多环芳烃的释放率
表1 不同热处理时间沉积物和土壤中多环芳烃的释放率
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化合物沉积物10 min20 min土壤10 min20 min
苊25.4133.131.841.49
菲31.2642.612.000.90
芘3.839.140.250.04
苯并[a]芘0.883.110.160.01
2.2 热处理对土壤中多环芳烃溶剂提取性的影响
将在50、100、150、200、250、300 ℃温度下热处理10 min后的土壤样品按“1.3”所述的方法分别进行溶剂超声提取，研究其溶剂可提取性。由图5可知，不同温度下热处理后土壤中PAHs的溶剂可提取性发生了变化，随着处理温度的升高，溶剂可提取性逐渐降低，50 ℃下处理土壤对PAHs的溶剂可提取性无影响，100～150 ℃时分子量越高的PAHs失去溶剂可提取性程度越重，至200 ℃时4种PAHs完全失去溶剂可提取性。热处理后样品放置1个月后进行溶剂可提取性分析，PAHs的提取率也未见提高。进一步将经热处理后的土壤样品充分研磨后进行超声萃取，同样未能改善PAHs的溶剂提取性（PAHs提取率为0.95%～2.33%），说明热处理对土壤颗粒的影响不仅仅是基于表面的，而是对整个土壤颗粒起作用，可使PAHs被“锁定”在土壤内部。因此，推测在较高温度下进行热处理，土壤有机质可能发生孔变形或形态改变，导致PAHs被锁定在土壤内部，形成结合残留态，无法再扩散和分配到有机溶剂中[4]。有研究指出，土壤中吸附有机化合物的土壤有机质可分为2种类型，一种是硬（玻璃态）有机质，一种是软（橡胶态）有机质[5-6]。热处理导致多环芳烃难于萃取的可能是玻璃态这部分有机质。玻璃态主要以孔隙填充方式吸附有机化合物，是非线性的慢解吸过程或极慢性过程。
图5 不同温度热处理后土壤中多环芳烃的溶剂提取率
3 结论与讨论
研究表明，热处理（温度为50～300 ℃）土壤中只有极少部分的PAHs（苊、菲、芘、苯并[a]芘）能够从土壤中释放出来，大部分仍被保留于土壤中;200 ℃以上的土壤温度明显降低了土壤中PAHs的溶剂可提取性，对PAHs起锁定作用。热处理这种方式有可能能够降低生物有效性，达到土壤修复的目的，但其对生物有效性的影响还需进一步研究，且该研究热处理体系与其他体系（如开放体系或大量土壤）间的差异也需进一步考察。
参考文献
[1] 林纪旺.土壤中多环芳烃生物有效性研究进展[J].安徽农学通报，2011，17（8）：34-37.
[2] PIAO X，BI J，YANG C，et al.Automatic heating and cooling system in a gas purge microsyringe extraction[J].Talanta，2011，86：142-147.
[3] WANG J，YANG C，LI H，et al.Gas purgemicrosyringe extraction：A rapid and exhaustive direct microextraction technique of polycyclic aromatic hydrocarbons from plants[J].Analytica Chimica Acta，2013，805 （17）：45-53.
[4] LUTHY R G，AIKEN G R，BRUSSEAU M L.Sequestration of hydrophobic organic contaminants by geosorbents[J].Environmental Science and Technology，1997，31（12）：3341-3347.
[5] CHIOU C T，PORTER P E，SCHMEDDING D W.Partition equilibria of nonionic organic compounds between soil organic matter and water[J].Environment Science and Technology，1983，17：227-231.
[6] CHIOU C T，KILE D E.Deviation from sorption linearity of popular and nonpolar organic compounds at low relative concentration[J].Environment Science and Technology，1998，32：338-343.