实验七 重金属在土壤-植物体系中的迁移
Ⅰ原子吸收分光光度法
一、实验目的
1.用原子吸收法测定土壤及粮食中Pb、Zn、Cu、Cd和Cr的含量。
2.了解影响土壤-植物体系中重金属的迁移、转化的因素和规律。
二、实验原理
通过消化处理将在同一农田中采集的粮食及土壤样品中各种形态的重金属转化为离子态，用原子吸收分光光度法测定（测定重金属的条件见表3-15）；通过比较分析土壤和作物中重金属含量，探讨重金属在植物-土壤体系中的迁移能力。
三、仪器与试剂
1.仪器
（1）原子吸收分光光度计。
表3-15 原子吸收分光光度法测定重金属的条件
注：火焰类型为乙炔-空气，氧化型火焰。
（2）2mm尼龙筛、尼龙筛（100目）。
（3）电热板。
（4）量筒：100mL。
（5）高型烧杯：100mL。
（6）容量瓶：25mL、100mL。
（7）三角烧瓶：100mL。
（8）小三角漏斗。
（9）表面皿。
2.试剂
（1）硝酸、硫酸：优级纯。
（2）氧化剂：空气，用气体压缩机供给，经过必要的过滤和净化。
（3）金属标准储备液：准确称取0.50g光谱纯金属，用适量的1∶1硝酸溶解，必要时加热直至溶解完全。用水稀释至500.0mL，即得1.00mg金属/mL标准储备液。或直接购买金属的标准溶液。
（4）混合标准溶液：用0.2%硝酸稀释金属标准储备液配制而成，使配成的混合标准溶液中镉、铜、铅和锌浓度分别为10.0mg/L、50.0mg/L、100.0mg/L和10.0mg/L。
四、实验步骤
1.土壤样品的制备
（1）土样的采集。在粮食生长季节，从田间取回土样，倒在塑料薄膜上，晒至半干状态，将土块压碎，除去残根、杂物，铺成薄层，经常翻动，在阴凉处使其慢慢风干。风干土样用有机玻璃棒或木棒碎后，过2mm尼龙筛，去2mm以上的砂砾和植物残体。将上述风干细土反复按四分法弃取，最后留下约100g土样，再进一步磨细，通过100目筛，装于瓶中（注意在制备过程中土壤不要被沾污）。取20～30g土样，装入瓶中，在105℃下烘4～5h，恒重。
（2）土样的消解。准确称取烘干土样0.48～0.52g 2份（准确到0.1mg），分别置于高型烧杯中，加水少许润湿，再加入1∶1硫酸4mL，浓硝酸1mL，盖上表面皿，在电热板上加热至冒白烟。如消解液呈深黄色，可取下稍冷，滴加硝酸后再加热至冒白烟，直至土壤变白。取下烧杯后，用水冲洗表面皿和烧杯壁。将消解液用滤纸过滤至25mL容量瓶中，用水洗涤残渣2～3次，将清液过滤至容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀备用。同时做一份空白试验。
2.粮食样品的制备
（1）粮食样品采集。取与土壤样品同一地点的谷粒，脱壳得糙米，再经粉碎，研细成粉，装入样品瓶，保存于干燥器中。
（2）粮食消解。准确称取1～2g（精确到0.1mg）经烘箱烘至恒重的粮食样品2份，分别置于100mL三角烧瓶中，加8mL浓硝酸，在电热板上加热（在通风橱中进行，开始低温，逐渐提高温度，但不宜过高，以防样品溅出），消解至红棕色气体减少时，补加硝酸5mL，总量控制在15mL左右，加热至冒浓白烟、溶液透明（或有残渣）为止，过滤至25mL容量瓶中，用水洗涤滤渣2～3次后，稀释至刻度，摇匀备用。同时做一份空白实验。
3.工作曲线的绘制
分别在6只100mL容量瓶中加入0、0.50mL、1.00mL、3.00mL、5.00mL、10.00mL 混合标准溶液，用0.2%硝酸稀释定容。此混合标准系列各金属的浓度见表3-16。接着按样品测定的步骤测量吸光度。用经空白校正的各标准的吸光度对相应的浓度作图，绘制标准曲线。
表3-16 标准系列的配制和浓度
4.土壤及粮食中的Pb、Zn、Cu、Cd的测定
按表3-15所列的条件调好仪器，用0.2%硝酸调零。吸入空白样和试样，测量其吸光度，记录数据。扣除空白值后，使用标准曲线计算出试样中的金属浓度。由于仪器灵敏度的差别，土壤及粮食样品中重金属元素含量不同，必要时应对试液稀释后再测定。
五、数据处理
由测定所得吸光度，分别从标准工作曲线上查得被测试液中各金属的浓度，根据下式计算出样品中被测元素的含量：
（3-15）
式中 P——样品中被测元素的含量，μg/g；
C——被测试液的浓度，μg/mL；
V——试液的体积，mL；
W实——样品的实际重量，g。
六、思考题
1.粮食的前处理有干法及湿法两种，各有什么优缺点？
2.比较铜、锌、铅、镉在土壤及粮食中的含量，描述土壤-粮食体系中Cu、Zn、Pb、Cd迁移情况，分析重金属富集的情况及影响因素。
Ⅱ分光光度法
一、实验目的
1.掌握二苯碳酰二肼分光光度法测定六价铬和总铬的原理和方法。
2.学习用Microsoft Office Excel求线性回归方程的方法。
二、实验原理
以二苯碳酰二肼比色法测定铬含量，需将低价态铬氧化至高价态铬，目前常用的方法为高锰酸钾氧化法和过硫酸钾氧化法，本实验采用过硫酸钾氧化法。
对测定铬含量的土壤植物样品，常采用的消化方法为H2SO4-H3PO4，HNO3-H2SO4-H3PO4，HNO3-H2SO4等湿法氧化。土壤（植物）样品经HNO3-H2SO4等混合酸消化，然后在Mn2+存在下，以Ag+为催化剂，用20%的过硫酸铵氧化低价态铬至高价态。再以叠氮化钠或尿素-亚硝酸钠分解剩余的过硫酸铵，反应方程式如下：
或
消化、氧化之后，以浓氨水调节酸度，使铁、铝、铜和锌等多种干扰离子形成沉淀，而铬在溶液中与二苯碳酰二肼反应生成酒红色络合物，其最大吸收波长为540nm，吸光度与浓度的关系符合比尔定律，最后在540nm处测定吸光度。
三、仪器与试剂
1.仪器
（1）722型分光光度计。
（2）0～1000r/min离心机。
（3）通风橱。
（4）微波消解仪。
（5）微波消解罐。
（6）25mL的具塞比色管、100mL容量瓶等其他玻璃仪器。
2.试剂
（1）浓硝酸。
（2）（1+1）硫酸，（1+1）磷酸。
（3）5mol/L硫酸溶液。
（4）20%的过硫酸铵。
（5）0.5%硝酸银，0.5%硫酸锰。
（6）10%尿素-2%亚硝酸钠或0.5%叠氮化钠。
（7）铬标准储备液。称取于120℃干燥2h的重铬酸钾（优级纯）0.2829g，用水溶解，移入1000mL容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。
（8）铬标准使用液。吸取5.00mL铬标准储备液于500mL容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。每毫升标准使用液含1.000μg六价铬。使用当天配制。
（9）二苯碳酰二肼溶液。称取二苯碳酰二肼（简称DPC，C13H14N4O）0.2g，溶于50mL丙酮中，加水稀释至100mL，摇匀，贮于棕色瓶内，置于冰箱中保存。颜色变深后不能再用。
（10）（1+1）氨水。
四、实验步骤
1.土壤和植物样品的预处理
（1）消化。准确称取风干过筛土样或植物样品0.2g各2份（准确到0.1mg），分别转移至聚四氟乙烯的微波消解罐底部中（注意使用长条型称量纸，消解罐要干燥，不能附着在消解罐壁上），土壤样品的消解罐中加入5mL浓硝酸和1mL浓硫酸，植物样品的消解罐中加入3mL浓硝酸和2mL浓硫酸，使用微波消解仪微波消解5min，冷却后再消解4min，冷却后，在通风橱中打开消解罐，通风15min，赶去腐蚀性气体，观察消解后的样品为灰白色为佳，不满足要求时，适当补充消解液，重复上述操作。注意：这个消解过程应该在通风橱中进行，浓硫酸和浓硝酸为腐蚀性强液体，注意规范化操作。
待土壤（土壤为灰白色）和植物样品（溶液）消解完全后，用水冲洗消解罐壁。将消解液转移至100mL的高脚烧杯中，用水洗涤残渣2～3次，将清液转移至高脚烧杯中，用水量不要超过40mL，摇匀备用。同时做一份空白试验（以石英砂代替土壤和植物样品，重复上述操作）。
（2）氧化还原。向高脚烧杯中加入1mL 0.5%硝酸银和5mL 20%过硫酸铵，加2滴0.5%硫酸锰（无锰时），加数粒玻璃珠，在加热套或电热板上加热沸腾5min，如果溶液不呈紫红色，可再加过硫酸铵，继续沸腾5min，保持溶液呈紫红色，向烧杯中滴加10%尿素-2%亚硝酸钠至紫红色褪去，取下烧杯冷水浴中冷却。
（3）沉淀分离。向冷却后的溶液中滴加（1+1）浓氨水至黄棕色出现，再过量0.5mL，然后将溶液转移至200mL容量瓶中，充分洗涤烧杯，洗液并入容量瓶中，用蒸馏水稀释至标线，充分摇匀，取出50mL溶液于离心管中，离心5min（也可以静置至上清液清亮）。
2.标准曲线的绘制
取7支25mL比色管，依次加入0、0.50mL、1.00mL、2.00mL、2.50mL、5.00mL和10.00mL铬标准使用液，用水稀释至标线，加入0.5mL（1+1）硫酸和0.5mL（1+1）磷酸，摇匀。加入2mL显色剂溶液，摇匀。10min后，于540nm波长处，用1cm比色皿，以水为参比，测定吸光度并作空白校正。以吸光度为纵坐标，六价铬含量为横坐标用Microsoft Office Excel绘制标准曲线，并求线性回归方程。
3.样品的测定
取适量（含铬少于50μg）经预处理的无色透明试样液于25mL比色管中，用水稀释至标线，测定方法同标准溶液。进行空白校正后根据所测吸光度从标准曲线上查得Cr（Ⅵ）含量。
注意事项：
（1）用于测定铬的玻璃器皿不能用重铬酸钾洗液洗涤。
（2）Cr（Ⅵ）与显色剂的显色反应一般控制酸度在0.05～0.3mol/L范围，以0.2mol/L时显色最好。显色前，水样应调至中性。显色温度和放置时间对显色有影响，在15℃时，5～15min颜色即可稳定。
（3）用氨水滴定加至消化液出现黄棕色沉淀，说明铁已开始形成氢氧化铁沉淀，但这时铁沉淀并不完全，上清液不清亮，须再加氨水提高溶液的pH值。实验证明，过量0.5mL、1mL、2mL对结果并无影响。为了使沉淀完全，并使显色时酸度一致，实验中氨水常规过量0.5mL。
五、实验结果记录与整理
1.铬的标准曲线数据记录见表3-17。
表3-17 铬标准曲线的数据记录表
2.土壤和植物样品测定数据记录见表3-18。
表3-18 土壤-植物样品数据记录表
3.计算待测样品中铬含量
（3-16）
式中 P——待测样品中铬含量，mg/kg；
M——从标准曲线上查得的Cr（Ⅵ）量，μg；
V1——消解后的定容的总体积，mL；
V2——测定显色时取样体积，mL；
W——土壤或植物的质量，g。
六、数据处理
1.根据土壤和植物样品中的铬含量，计算生物浓缩系数（bioconcentration factors，简称BCF），即铬在植物中含量和土壤中含量之比。
2.通过样品来源和自然条件，通过理论知识分析影响重金属在土壤-植物间迁移转化的因素。
七、思考题
1.影响重金属在土壤-植物间迁移转化的因素有哪些？
2.如何用参数BCF来判定重金属的迁移转化能力？
双语词汇
淋滤 leaching
迁移转化transfer-transformation
土柱淋滤实验soil-column leaching experiment
铬chromium
镉cadmium
碱性土壤alkaline soil
生物富集系数bioaccumulation factor
转移系数translocation factor
超累积植物hyperaccumulator
知识拓展
超富集植物修复重金属污染土壤
超富集植物是指能够超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物。世界范围内已经发现的超富集植物有500多种。国外开展这方面的工作较早。Baker在欧洲中西部发现了能富集Cd高达2130mg/kg的十字花科植物天蓝褐蓝菜，是已知的积累浓度最高且研究最深入的超富集植物之一。我国开展这方面的工作较晚，中国的科技工作者陆续发现了As的超富集植物蜈蚣草和大叶井口边草、Mn的超富集植物商陆、Zn的超富集植物东南景天以及Cu的超富集植物海州香薷和鸭跖草。
羊齿类铁角蕨、野生苋和十字花科植物天蓝褐蓝菜对镉的富集能力强；紫叶花苕能富集铅和锌；蒿属和芥菜对铅的富集作用明显；在镍污染的土壤中可种植十字花科和庭芥属植物；在铜污染土壤中可种植酸模，其植株含铜可达1.850mg/g。研究还发现，向植物根系通直流电能加强植物对重金属的吸收，向污染土壤施硫酸盐和磷酸盐能提高植物枝干部分对铬、镉、镍、锌和铜的富集系数。