甘蔗栽培地沉积物中分离出的腐殖质的光谱表征

G.Pantano1　A.Santos2　M.C.Bisinoti1　A.B.Moreira1　著　刘毓芳3　李敏3　吴云彬4 张彩凤4　译

(1　圣保罗大学国家生物科学研究所　圣保罗　巴西　2　巴西阿拉拉夸拉化工研究所　巴西　3　晋中学院化学化工学院　晋中　山西　0306002　4　太原师范学院化学系　太原　山西　030006)

摘　要：腐殖质有很重要的环境属性，它通过和金属物质的相互作用而影响其运输、积累和吸收。在本项研究中，用于表征的沉积物中的腐殖质来自圣保罗的第三大甘蔗栽培区，这个地区生产的甘蔗约占巴西全国甘蔗总产量的60%。根据国际腐植酸学会提出的碱抽提方法可以将腐殖质提取出来，然后通过红外光谱、紫外可见光谱和分子荧光光谱对其进行表征。从红外光谱中获得的腐殖质的特征带以及从紫外可见光谱中分析所得的E4/ E6＜5的结果均表明腐殖质分子结构的聚合度很高。在分子荧光发射光谱中显示的主要是芳香结构的特征带。分子荧光光谱的同步检测图则显示腐殖质在400 nm处的荧光强度最大，而在此处含有五个芳香环的多环芳烃的荧光强度恰好也是最大。因此，实验结果表明腐殖质分子有很高的聚合度，并且其芳香性大于脂肪性。

关键词：腐殖质　表征　红外　分子荧光　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”-São José do Rio Preto, São 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

腐殖质有很重要的环境属性，并且可以与金属络合。因此，腐殖质能够干扰环境中金属物质的运输、吸收和积累，而且对金属物质的毒性也有一定的影响。所以，对腐殖质性质的研究就显得尤为重要。

事实上，从格兰德流域的图尔武河沉积物中提取出腐殖质进而研究其性质是很不切实际的。因为这里的流域面积为15.925平方千米，水体有供给、灌溉和发电等诸多用途。农村地区受农业活动的影响很大，而这些农业活动确实也带来了一些问题，例如土地流失，甘蔗、柑橘种植区使用的杀虫剂对环境的污染。圣保罗州是巴西最大的甘蔗生产地(其产量约占巴西全国甘蔗总产量的60%)，而格兰德流域图尔武河附近则是圣保罗的第三大甘蔗栽培区，甘蔗种植面积达370.342公顷，每季节能产生18百万立方米的残渣。自从有关报道称这些残渣的不恰当使用会导致土壤盐碱化，并且像钾、铁、钙这样的金属残留会使地下水和地表水受到污染，此后，该地带的甘蔗种植便受到了广泛关注。因此，了解腐殖质的性质以及它的作用机理是十分重要的。

1　材料和方法

这项研究是在格兰德流域图尔武河进行的。用范德维恩式挖泥船从4个采样点收集表面沉积物。样品1取自农业地区(甘蔗和牧草)，并将其作为参考点。样品2取自为市区供水的水库，样品3取自有代表性的甘蔗种植区，样品4则取自收集所有污染物的大坝(水力发电)处。然后根据国际腐植酸学会所提出的方法来提取沉积物中的腐殖质。以氢氧化钠为提取剂，在充满氮气的杯罐实验装置中加入150g的沉积物和1.5L 0.1mol/L的氢氧化钠溶液并机械搅拌4小时。然后通过红外光谱、紫外可见光谱和分子荧光光谱对其进行表征。

2　结果与讨论

由图1知：样品1和样品3中的腐殖质在450nm处荧光信号强度峰最大，这一现象与腐殖质的内部结构有关。而样品2和样品4中提取的腐殖质在430 nm和480 nm处出现两个最强度大的荧光峰，第一个最大值是由于黄腐酸的存在，第二个最大值则是由于腐植酸的存在。Peuravuori等(2002)的研究显示，黄腐酸激发峰的最大值在250-260nm之间，腐植酸激发峰的最大值在300-340 nm之间，而黄腐酸的最大发射峰在380-460 nm之间，腐植酸的最大发射峰则在410-480 nm之间。

图1　总有机碳为12.0 mg/L下不同采样点腐殖质的分子荧光发射光谱(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分别为四个采样点样品，下同。

图2是同步分子荧光光谱图，腐殖质在400 nm附近出现最大荧光强度信号峰，这说明在腐殖质中存在含有五个芳环的多环芳香碳氢化合物。

图3是红外光谱图，图中出现了一些在其他研究中出现过的腐殖质特征谱带。

图2　总有机碳为12.0 mg/L下不同采样点腐殖质的同步分子荧光光谱(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

图3　腐殖质的红外光谱

Fig.3 Infrared spectra of the HS

所有的光谱在频率为3400 cm-1附近都出现了宽而强的谱带，这是由于羧基、苯酚和乙醇结构中的O-H键的伸缩而造成的。频率为1660 cm-1～1630 cm-1之间的谱带则可能与芳环中ν(C=C)键的伸缩振动有关。而频率为1400 cm-1处的谱带则与δ(OH)化学位移的弯曲以及苯酚和羧基中ν(C-O)键的伸缩有关，这个谱带同时也是腐植酸分子的特征带。最后，在频率为950-670 cm-1处的谱带与芳环上C-H键在面内和面外的弯曲有关。最重要的是，在2850 cm-1和2920 cm-1处图谱中并没有分别出现-CH-和-CH2-的对称伸缩振动和不对称伸缩振动的特征峰，这说明脂肪族基团在腐殖质中的含量是很低的。

文献广泛使用E4/E6的比值来推测腐殖质中的芳香结构。表1的分析结果显示，如果比值小于5，则表明腐殖质分子的聚合度很高，并且所含的芳香结构多于脂肪结构。E4/E6的值越大，表明腐殖质的芳香性越低，因此，样品3中的腐殖质的芳香性最差。

表1　腐殖质在紫外/可见区域的光谱特征

3　结论

通过红外光谱、紫外可见光谱和分子荧光光谱表征，可以得出如下结论：可能因腐殖化程度较高以及从一个地方到另一个地方各区域未受太多农业活动的影响，一个具有甘蔗种植优势地区沉积物中的腐殖质是一种具有高芳香性和高聚合度的物质。

致谢和参考文献(略)

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

腐植酸是土壤的，是肥料的，是农场的，更是可持续的。