1、毕业论文 开题报告 环境工程 土壤胡敏酸和富里酸提取方法研究 一、选题的背景、意义 土壤是人类赖以生存的物质基础，是人类不可缺少、不可再生的自然资源。随着工业化进程的加速和人类对化学品依赖程度的提高，同时化肥及农药的大量施用、污水灌溉、大气沉降、有毒有害危险废物的事故性泄露等多种途径进人土壤系统，因此有机物对环境的污染也越来越严重。目前，土壤污染呈全球化的趋势，污染程度不断加剧，据 UNEP(联合国环境署 )1990年的报告 (IRRTC)，每年约有 34亿吨有机物进入环境，其中大部分进入了土壤环境。更为严重的是将 进一步导致地表水、地下水次生污染以及通过土壤 作物 人这条食物链对人类健康造成
2、不可估量的影响。防治和修复土壤有机污染，保护土壤环境安全，以实现土壤资源的可持续利用已成为全社会关注的焦点 1。 土壤有机质 (Soil Organic Matter， SOM)由一系列存在于土壤中、组成和结构不均一，主要成分为 C和 N的有机化合物组成。土壤有机质的成分中既有化学结构单一、存在时问只有几分钟的单糖或多糖，也有结构复杂、存在时问可达几百到几千年的腐殖质类物质 (Humic Substance)既包括主要成分为纤维素、 半纤维素的正在腐解的植物残体，也包括与土壤矿质颗粒和团聚体结合的植物残体降解产物、根系分泌物和菌丝体。 土壤有机质与养分供给、土壤物理性质的改善及防止土壤侵蚀有重
3、要关系。土壤有机质是农业生态系统中作物速效养分的来源，作物吸收的大部分 N、 P、 S和一些微量元素来源，作物吸收的大部分 N、 P、 S和一些微量元素来源于土壤有机质的矿化，有机质也对团聚体的构成有作用，从而可改善土壤的耕性、透气性和透水性。土壤有机质的吸水能力可达自身重量的几十倍，因此，它对保持土壤水分有积极作用。土壤有机质在土壤质量的构成因索中占首要位置 ，而且一般认为土壤有机质含量与土壤质量存在正相关关系。土壤有机质含量极易受环境条件和农业措施的影响气候和地貌在较大范围内影响着土壤有机质宙量，可以说起主导作用。土壤耕作和轮作也会引起土壤有机质古量变化，如自然土壤开垦后，土壤有机质宙量会
4、迅速减少，且种植历史越久，土壤中有机质的变化越大。施肥虽然会减缓这一过程的速率。但无法阻止土壤有机质减少的进程。土壤有机质含量的减少将直接导致土壤质量降低。表现为土壤供给作物养分的能力、土壤的耕性、通气性和透水性迅速降低，从而影响了农业生态系统的生产力。而后者正是目益增长的人 口的食物和纤维的重要保障。故土壤有机质台量降低将危及农业生态系统的可持续发展并将最终影响到食物安全和社会的可持续发展。另外，土壤中以有机质形式存在的 C是大气中的 3倍，土壤巾有机质的分解将在极大程度上影响大气 CO2浓度，与全球气温上升有直接关系。因此，土壤中的有机质动态不但影响到农业生态系统的可持续发展，也影响到了大
5、气圈、生物圈的可持续发展 2。 从 18世纪 80年代开始，土壤中的一类黑色物质引起了人们的广泛关注，随着对其化学组成和结构研究的深入，最后被定名为土壤腐殖质，指动、植物残体在微生物作用下分解并再合 成的一类深色、难分解、大分子有机化台物，动植物残体及根系分泌物在微生物作用下生成土壤有机质的过程被称作腐殖化过程。土壤腐殖质可分为 2类 。 一类是与已知的有机化合物具有相同结构的单一物质，被称作非腐殖质类物质，另一类是腐殖质类物质。腐殖质类物质是土壤中所特有的，根据颜色和溶解性一般被分为：土壤腐殖物质包括胡敏酸 (humic acid， HA)、 富里酸 (fulvic acid， FA)和胡敏
6、素 (humin，HM)3个组分 3，腐殖质类物质占腐殖质总量的 85%95%，是指 土壤中未分解的动植物残体和活的有机体被称作有 机残体 2。 土壤有机质是土壤的重要组成部分，在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面都具有重要作用 3。土壤有机质、粘土矿物、 pH值、温度和有机物的化学结构会影响土壤对有机污染物的吸附，其中腐殖物质作为土壤有机质的主体，更是其主要影响因素，土壤中有机质的含量越高，有机污染物被吸附的越多 4。由于腐殖物质本身是结构十分复杂的高分子聚合物，对其进行分组研究十分必要 3。 二、相关研究的最新成果及动态 胡敏酸和富里酸不属于有机化学中现有的任何一类。其特点是化学组成
7、复杂，分子量从几百到几十万，很难被降 解。胡敏酸溶于碱溶液，而不溶于酸；富里酸溶于酸和碱溶液 4。 1 超临界萃取技术 近年发展起来的超临界萃取技术，广泛应用于食品、制药、化工和环保等领域中。超临界二氧化碳具有以下优点： f晦界点较低 (n=31.1 ， Pc=7.4PMa)； 呈化学惰性。它不会和基体发生化学反应，因此不改变样本组成； 萃取范围广，在适当的萃取条件下可萃取出环境样本中的许多有机污染物。 5在加入改性剂后能有效的萃取非极性或极性有机物，将其用来萃取土壤有机质，能有效避免化学提取法常有的缺点 4。因此超临界二氧化碳萃取法是一种很 好的样本前处理方法。可用超临界二氧化碳提取土壤有机
8、质，了解萃取土壤有机质的效能，并对萃取物做了定性分析 5。 2重铬酸钾容量法 +外加热法 结合态腐殖质分级。傅积平改进法。用比重 2.0的重液和超声分散的方法反复 45次去除悬浮有机质，烘干后的土壤即重组土样。用 0.1mol/LNaOH反复处理土样得到松结态腐殖质 (再用0.1mol/LNaOH+0.1mol/LNa4P2O7混合液重复处理得到稳结态腐殖质 )残留部分即紧结态腐殖质。提取液用 0.5mol/LH2SO4调节 PH值为 11.5出现絮状胡敏酸沉淀，溶液 中为富里酸。腐殖质总量采用0.5mol/LH2SO4中和提取液到 pH为 7，浑浊后在 80 水浴上蒸干，按重铬酸钾氧化法测定
9、 6。 土壤胡敏酸采用酸性 DMSO及 0.1mol/L-1NaOH-Na4P2O7混液提取。酸性 DMSO的提取方法如下 :称取一定量的土壤 ， 用稀盐酸洗涤土壤 3次 ,加入 0.2mol/L-1的 DMSO盐酸溶液 (W土 W液 =1.25)， 25 恒温振荡 16h， 离心分离 ， 重复操作直至上清液无色为止。向收集的上清液中加入 1mol/L-1NaOH至 pH为 810之间 ， 沉淀用甲醇洗去残余的 DMSO并真空干燥除 去过剩的甲醇 ， 即为 DMSO提取的土壤腐殖质。胡敏酸和富里酸的分离、纯化与用 NaOH-Na4P2O7混液的提取方法相同。胡敏酸的元素分析用元素分析仪进行分析
10、。官能团的分析采用米林改进法 7。糖类及氨基酸的分析用酸分解 ， 采用比色法定量 8。胡敏酸中的木质素用氧化铜还原分解 ， 分解液经纯化后用高效液相色谱定量 9。 3红外光谱法 红外光谱法作为有机质结构研究的一种重要手段，自五十年代中期，就作为环境化学和土壤化学研究的一个手段，开始在土壤有机质的研究中得到应用 10。近年来，随着傅里叶变换红外光谱的应用， 更使得红外光谱法在生态学 11和土壤学 12,13,14上的研究获得较大的进展。土壤有机质的红外光谱测定大多采用溴化钾压片法。根据腐殖质在酸碱溶液中的溶解度分为胡敏酸、富里酸和胡敏素三部分。由于腐殖酸是多组分复杂化合物，为了获得单一的组分，必
11、须对其进行分级。红外光谱主要是测定腐殖酸分组后的各级分的组成。卓苏能等 15,16,17利用酒精分级沉淀法将胡敏酸分成几个级分，并用红外光谱法和紫外光谱法测定了各级分的组成和结构。红外光谱用于土壤有机质的研究可以大致反映土壤腐殖酸的结构以及不同腐殖物质在土壤中的分 布状况。虽然它可以得到腐殖酸的组分和结构，但这些组分仍然是很复杂的非单一组分物质。就目前有机质的研究状况而言，怎样提取和分离出单一组分的土壤腐殖质，依旧是土壤有机质研究中急待解决的一大难题 18。 4核磁共振 (NMR)法 核磁共振技术作为一种非破坏性的研究方法，特别是固体核磁共振技术可在固体状态下直接检测碳、氮、磷等的形态及分布，
12、是研究土壤有机磷形态、分布、转化的一种简单而有效的手段。自被引入土壤有机质研究领域以来，已使这方面的研究取得了一些引人注目的进展，特别是在大面积的土壤和腐殖质提取物的结构特征以 及有机碳、氮的转化上应用比较广泛。大量酸解的研究结果表明有机质中约有一半氮素以何种形态存在尚不清楚，其中约 40存在于酸解残渣中，后一部分由于极耐酸解，更增加了用化学方法进行研究的困难。 15N NMR提供了研究土壤有机质氮素的另一途径。1982年， Preston18首次利用溶液， 15N NMR技术研究了由对一苯醌与 15N标记氯化铵反应形成的合成胡敏酸中的氮的形态。是研究土壤有机磷形态、分布、转化的一种简单而有效
13、的手段。利用核磁共振谱能较容易得到有关土壤有机质化学基团种类及构成比例的信息，但很难再深人研究 其化学基团之间的相互关系，并且由于土壤腐殖质组成的复杂性和非均一性，核磁共振波谱的应用还有待于进一步提高。但随着研究手段的改进，有关这些问题的研究也必将取得新的突破 18。 5同位素示踪法 同位素示踪法包括放射性同位素标记示踪法和天然同位素标记示踪法两种。近年来用于土壤有机质动态研究 13C方法作为天然同位素标记示踪法的代表，正在得到越来越广泛的应用。该法除了具有 14C示踪法的优点外，还可以提供长期的标记，并能使所有的有机质组分都能被均匀标记 (包括那些平均存留时间很长的有机质组分 )。该方法不同
14、于放射性同 位素标记，而是天然标记且无放射性。此外，该方法的一个独特优点是能够计算不同植物来源的土壤有机质的比例 18。 6.腐殖质 (HE)组分的提取 土壤样品用蒸馏水除去水溶物和水浮物后，用 0.1mol/LNaOH和 0.1mol/LNa2P2O7混合液 (pH13)提取 1h， 3500r/min离心 15min，共提取 3次。此溶液即为可提取腐殖质 (HE)；提取残渣中的腐殖物质为胡敏素 (HM)。 HA和 FA的分离： (1)将上述 HE提取液中加入 0.5mol/LH2SO4调节 pH为 1.01.5，溶液即为富里酸(FA)；沉淀即 为胡敏酸 (HA)。 (2)HA的纯化：将 (
15、1)中分离得到的各粗 HA组分用 HCl(1:1)调到 pH=7.0，高速离心 (8000r/min， 20min)去除粘粒，反复溶解，沉淀 2次。然后将其放入半透膜中透析， 23h换一次水，用 AgNO3检测至出现少量白色沉淀。再转入电渗析仪中电渗析，至电流很小并阴极室无酚酞反应为止。将纯化完的样品进行旋转蒸发 (5060 )至体积很小，转入 50mL塑料小烧杯中，用冷冻干燥机冻干，大约 34d； (3)FA的纯化制备：依次用 0.5mol/LNaHCO3淋洗活性炭数次，再用水洗到中性 。将 (1)中分离得到的各粗 FA组分分别通过铺于布氏漏斗的活性碳层，待渗出液为无色时，弃去滤液。再用 0
16、.2mol/LNaOH溶液洗涤活性碳层，洗脱出的物质即 FA组分。将得到的各 FA组分用 HCl(1:1)调到中性。再进行电渗析、浓缩、冷冻干燥，方法同 HA。 7.焦磷酸钠和氢氧化钠混合液提取法 采用 0.1mol/L焦磷酸钠和 0.1mol/L氢氧化钠混合液提取腐殖质 ， 在此条件下 ， 能将土壤中的难溶于水 (钙离子、镁离子、铁离子、铝离子等络合的腐殖质 )和易溶于水的结合态的腐殖质 ， 一次络合成易溶于水的腐殖质钠盐 ， 从而比较完 全地将腐殖质提取出来 ， 再用盐酸溶液将腐殖酸沉降出来 14。 腐殖酸的提取过程： (1)土样制备：将土样风干，并用 80目分样筛筛分。 (2)碱溶过程：
17、取配制好的 0.1mol/L焦磷酸钠和 0.1mol/L氢氧化钠混合液 10L， 称土 1000g于溶液中，在室温下搅拌 8h，然后静置 1314h，随之将上层清液过滤出来，搅匀后再用沉降离心机离心分离，弃除残渣，将溶液收集于烧杯中。 (3)酸析过程：在电炉上微热此溶液，同时缓慢加入 1mol/L的盐酸溶液，搅拌；不时地测定溶液的 pH值，当 pH值为 2或 3左右时，液中出现絮状 沉淀，立刻停止加热；再将此溶液放在电热恒温水浴锅 (温度 80 )保温半时，然后将烧杯中溶液静置过夜；再用沉降离心机分离此溶液，取出沉淀于烧杯中置于烘箱 (100 ) 中烘干，研磨后用 80目的分样筛筛分，称量，计
18、算产率 19。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 主要任务与目标： 以嘉兴市区交通干线周边土壤为研究对象，在其周边实地采集多个土壤样品，根据土壤有机质在酸、碱液中溶解性的差别，分别提取土壤胡敏酸和富里酸，并且不断优化提取时间和提取条件，建立起酸性土壤中不同有机质 组分的提取方法，并且探讨不同提取条件对实验结果产生的影响。通过本课程实验并完成毕业论文的撰写，使得学生学生认识土壤样品的采集方法，了解并掌握土壤有机质的提取方法和分级方法，为其顺利走向工作岗位、开展科研实验和后续研究生阶段学习打下较为坚实的理论基础。 主要内容与基本要求： 1熟悉并掌握野外采集
19、土壤样品的基本流程和方法，包括采样仪器的准备、采样方案设计和采样的具体过程。 2熟悉并掌握实际土壤样品的运输和保存方法。 3探索不同土壤有机质组分的提取方法，主要是采用化学方法。 4探索不同操作条件对实验结果的 影响。 研究难点：腐殖质与土壤中 Ca、 Fe、 Al等多价阳离子紧密结合以致腐殖质难以提取。土壤中的杂质较多难以分离完全。 四、论文详细工作进度和安排 2010年 10月下旬：完成选题审批表和毕业论文任务书的制定 。 2010年 11月 12月上旬：完成文献综述、开题报告和外文翻译 。 2010年 12月中旬 2011年 3月下旬：毕业论文实验阶段，完成样品采集、分级提取土壤有机质不
20、同组分。 2011年 4月上旬 5月上旬：完成数据整理和毕业论文初稿的撰写。 2011年 5月上旬 5月中旬：论文修改，准备答辩 。 2011年 5月 下旬：完成答辩 。 五、主要参考文献 1学位论文 ,唐东民 .溶解性有机质的动态变化及其对有机物吸附解吸的影响 .2008.23. 2武天云 , Jeff J. Schoenau, 李凤民等 .土壤有机质概念和分组技术研究进展 J.应用生 态学报 .2004,4(15):717722. 3张晋京 ,窦森 ,李翠兰 .土壤腐殖质分组研究 J.土壤通报 .2004,12(6):706709. 4梁重山 ,党志 .土壤有机质提取方法的研究进展 J.矿
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