重金属的赋存形态是影响重金属在环境中迁移转化的重要因素，有机质与重金属的相互作用在很大程度上影响着重金属的形态分布及其生物有效性. 腐殖质是有机质的重要组成部分，广泛分布于土壤、沉积物和天然水体中，因腐殖质含有羧基、酚羟基、醌基等活性基团，与重金属离子有较强的络合能力，能强烈地控制重金属的环境地球化学行为^{[1, 2]}. 近年来，腐殖质与重金属相互作用研究已经成为环境科学及土壤科学的热点研究领域. 围绕“腐殖质/重金属/固体吸附物”多元体系的吸附-解吸特征及腐殖质对重金属形态和生物有效性的影响等方面，前人开展了大量卓有成效的工作，取得了丰硕的研究成果^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]}. 但总体上，

与胡敏酸相比，有关富里酸(fulvic acid，FA)与重金属相互作用关系研究相对较少^{[9, 11, 12, 13]}.

本文在以连续碱提取法获得乌梁素海沉积物中富里酸的基础上，开展了富里酸对重金属在原状沉积物及去除有机质沉积物上的吸附行为及其对重金属形态分布的影响实验研究，通过探讨富里酸对重金属迁移转化及生物有效性的影响，以期为乌梁素海的污染控制和环境保护提供理论依据.

大量采集乌梁素海芦苇区表层沉积物. 表层沉积物样品用Swedaq KC mod B型无扰动采样器采集. 样品装入封口聚乙烯塑料袋后冷藏保存，回实验室于-24℃冷冻保存.

富里酸的提取与纯化按文献^[14]的方法进行. 挑去沉积物中粗根后过1 mm筛孔，置于适当容器中，按土∶水=1∶5加入去离子水，充分搅拌使细根上浮，沉降后去除上浮细根，再搅拌，直至无细根浮出为止. 根据游离碳酸盐含量加入等量1 mol·L^-1 HCl处理沉积物，后加入1 mol·L^-1 HCl使土∶水=1∶10时溶液中盐酸浓度为0.05 mol·L^-1，再添加适量的水使土∶水=1∶10，充分搅拌后，浸提16~20 h(间歇搅拌并放置过夜). 吸出上清液，继续以0.05 mol·L^-1 HCl处理沉积物直至无Ca²⁺反应为止(用草酸铵溶液检查). 最后，用水洗沉积物1~2次. 加0.1 mol·L^-1 NaOH溶液至经酸处理过的沉积物中(土∶水=1∶10)，间歇搅拌，浸提16~20 h后，每L加入50 g结晶硫酸钠，搅拌至完全溶解，静置过夜后吸出澄清的暗色碱溶液. 重复上述操作3~4次，合并暗色碱溶液. 用6 mol·L^-1 HCl将碱提取液调pH至1.0~1.5，使胡敏酸沉淀析出，经离心分离获取橙黄色液体，供纯化富里酸用. 为降低碱提取液中富里酸和胡敏酸氧化程度，每次碱提取液离心后即时分离. 将沉淀出胡敏酸后的酸性溶液通过活性炭层，用洗脱法获得富里酸. 将所获富里酸溶液通过氢式强酸型离子交换树脂柱，于50℃下减压浓缩后移入表面皿中铺成薄层干燥. 样品用玛瑙研钵研细，过100目筛后，于氮气密封瓶中低温保存备用.

乌梁素海表层沉积物风干后筛取<63 μm的颗粒物，一部分作为原状沉积物，另一部分经处理后作为去除有机质沉积物.

采用H₂O₂充分氧化分解法^[15]去除沉积物中有机质. 取上述过筛后的原状沉积物，加30%的H₂O₂溶液，充分搅动，待样品中不再有气泡生成时，再加入少量H₂O₂溶液并搅拌，多次重复上述操作直至完全没有气泡生成为止. 经H₂O₂处理后的沉积物自然风干，保存备用. 原状沉积物和去除有机质沉积物的基本理化性质如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 原状沉积物和去除有机质沉积物的基本理化性质1) Table 1 Basic physicochemical properties of the two types of sediments 项目 Cu/mg·kg-1 Pb/mg·kg-1 Zn/mg·kg-1 Cd/mg·kg-1 有机质/g·kg-1 pH 比表面积/m2·g-1 孔容/cm3·g-1 孔径/nm 原状沉积物 17.50 50.02 56.13 0.20 61.78 7.0~8.4 18.43 0.006 3 3.81 去除有机质沉积物 20.48 50.00 54.16 0.15 31.61 — 8.90 0.001 9 3.54 1)表中Cu、 Pb、 Zn、 Cd的含量均为总量

表 1 原状沉积物和去除有机质沉积物的基本理化性质1) Table 1 Basic physicochemical properties of the two types of sediments

乌梁素海系黄河改道后形成的牛轭湖，主要补给水源为黄河水及河套灌渠的农田退水. 鉴于乌梁素海与黄河的同源性和继承性，考虑到天然水体为多离子共存体系，根据本小组前期研究结果^[16]，本实验按Cu²⁺∶Pb²⁺∶Zn²⁺∶Cd²⁺=6∶12∶3∶3 (mg·L^-1)的比例用分析纯Cu(NO₃)₂、Pb(NO₃)₂、Zn(NO₃)₂和Cd(NO₃)₂配制Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺的混合溶液. 实验均在pH=7，温度为25℃，离子强度为0.01 mol·L^-1 (KNO₃)，避光氮气保护条件下进行. 实验操作为，分别称取4份<63 μm的原状沉积物和去除有机质沉积物样品各2 g置于2组共8个250 mL锥形瓶中，向2组锥形瓶中分别加入1%、3%、5%和10%的富里酸(富里酸质量/风干沉积物质量)并混合均匀；采用未加富里酸(0%)的沉积物样品作为对照组；向每个锥形瓶中添加200 mL的重金属混合溶液，在水浴恒温振荡器上于常温下振荡48 h，离心获取上清液，即刻测定Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺含量. 将上述离心后获得的沉积物烘干研磨，采用Tessier法分析各重金属的形态^[17]. Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺的含量用PE AA800型原子吸收分光光度仪测定；有机碳用重铬酸钾氧化法测定^[18]；总酸性基用乙酸钙法测定^[19]；羧基含量用氢氧化钡法测定^[19]；酚羟基含量用差减法获得^[19]. 实验过程中，分别在富里酸添加量为0、1%、5%时设置了平行实验，实验误差均<10%.

图形绘制和数据拟合均用Origin 8.5软件完成.

本研究所指的吸附率是被吸附剂吸附的吸附质量占吸附质总量的百分比(质量分数，下同)；吸附率下降率是指两个吸附率相比较的差值；吸附率下降速率是指对不同添加量条件下的吸附率进行拟合所得的线性回归曲线的斜率.

实验结果表明，随FA添加量的增加，2种沉积物中Cu²⁺的吸附率均急剧下降(图 1)，由回归方程斜率可得Cu²⁺>>Cd²⁺>Zn²⁺>Pb²⁺的吸附率下降速率序列；原状沉积物中Cu²⁺、Pb²⁺和Zn²⁺的吸附率下降速率高于去除有机质沉积物，Cd²⁺的吸附率下降速率略低于去除有机质沉积物.

图 1

Fig. 1

图 1 重金属吸附率的线性回归曲线 Fig. 1 Linear regression curves of heavy metal adsorption percentages

与未添加富里酸的原状沉积物相比，未添加富里酸的去除有机质沉积物对Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺和Cd²⁺的吸附率分别降低了17.85%、0.10%、0.03%和2.47%，揭示了有机质的去除对沉积物吸附重金属离子，特别是对亲有机元素Cu²⁺的重要影响. 对比未添加富里酸的去除有机质沉积物与不同FA添加量的原状沉积物对重金属的吸附率下降率可知(表 2)，沉积物对重金属离子的吸附率受有机质去除和富里酸添加的双重影响. 富里酸添加量为1%和3%时，有机质的去除是影响Cu²⁺和Cd²⁺吸附率下降的主要因素；添加量为5%和10%时，富里酸的添加是影响Cu²⁺和Cd²⁺吸附率下降的主要因素；Pb²⁺和Zn²⁺吸附率主要受富里酸添加的影响. 综合上述，随添加量的增加，富里酸逐渐成为影响重金属离子吸附率下降的主要原因.

表 2(Table 2)

表 2 未添加富里酸的去除有机质沉积物与不同富里酸添加量的原状沉积物对重金属吸附率的下降率 Table 2 Descend range of adsorption of heavy metals by sediment without organic matter and FA and original sediments with different FA addition amounts 项目 Cu2+/% Pb2+/% Zn2+/% Cd2+/% 去除有机质沉积物0% FA添加量 17.85 0.10 0.03 2.47 原沉积物1% FA添加量 3.81 0.39 0.67 0.75 原沉积物3% FA添加量 10.14 0.86 1.40 1.91 原沉积物5% FA添加量 16.49 1.39 2.49 3.49 原沉积物10% FA添加量 27.71 2.62 3.92 7.24

表 2 未添加富里酸的去除有机质沉积物与不同富里酸添加量的原状沉积物对重金属吸附率的下降率 Table 2 Descend range of adsorption of heavy metals by sediment without organic matter and FA and original sediments with different FA addition amounts

有机质结构的最大特点是呈蜂窝状，比表面积大，表面含有大量配位基，常与矿物颗粒结合并在矿物表面形成单层或三维有机层黏附在矿物颗粒的一些点位上^[20]. 沉积物去除有机质后，失去部分吸附点位，专性吸附能力减弱，腐殖质以有机颗粒及有机膜包覆形式与黏土矿物、氧化物等结合形成的有机胶体和有

机-无机复合胶体明显减少^{[21, 22]}. 研究表明，与原状沉积物相比，去除有机质沉积物的比表面积由18.43 m²·g^-1减小至8.90 m²·g^-1，孔容由0.0063 m²·g^-1减小至0.0019 m³·g^-1，孔径由3.81 nm减小至3.54 nm(表 1). 有机质的去除及沉积物表面微观结构特征决定了其对重金属离子的吸附能力.

测试结果表明，富里酸的总酸性基含量为13.53 mmol·g^-1，羧基含量4.88 mmol·g^-1，酚羟基含量9.05 mmol·g^-1. 富里酸通过配位交换、范德华力、静电应力、疏水作用、离子交换及阳离子键桥等作用吸附在沉积物的黏土矿物上^[23]，形成黏土矿物-富里酸复合物. 重金属离子能把一些原来结合不稳定的有机-无机黏土矿物复合体(以氢键或范德华力结合)拆开，也能与吸附在矿物上的天然有机质中的羧基、酚羟基等官能团形成配合物^[24]. 三相体系中重金属离子的吸附不仅是自由重金属离子在矿物表面吸附的结果，也是重金属离子与吸附在矿物表面的富里酸络合作用的结果^[25,26].

因此，当向体系中添加富里酸时，活性基团通过络合作用与沉积物“争夺”金属离子，形成富里酸-金属络合物^{[21, 27]}；与此同时，富里酸也可吸附于黏土矿物的表面和层间，与黏土矿物反应形成稳定性和性质不同的络合物，与金属离子“争夺”沉积物上的吸附点位^[28]. 尽管随富里酸添加量的增加，2种沉积物中4种重金属离子均表现吸附率下降的趋势，但在相同富里酸添加量的条件下，因有机质的去除，去除有机质沉积物中羧基和羟基等活性基团的含量低于原状沉积物，从而使去除有机质沉积物对Cu²⁺和Cd²⁺等亲有机元素的吸附量明显低于原状沉积物.

竞争系数^[16]是指参与竞争的某组分单位初始浓度的吸附量占所有竞争位组分单位初始浓度吸附量总和的比值，计算公式如下：

式中，Kc为重金属元素i的吸附竞争系数；A_i为重金属元素i的平衡吸附量，c_i为重金属元素i的初始浓度. 在同一体系中，所有竞争组分Kc的和为1.

计算结果表明，去除有机质后Cu²⁺的竞争吸附系数明显降低，Pb²⁺、Zn²⁺明显增加(图 2)，并总体表现为Pb²⁺>Zn²⁺>Cd²⁺>Cu²⁺的竞争吸附系数序列. 由于元素地球化学亲和性的差异性，有机质的去除及富里酸的添加对Cu²⁺和Cd²⁺的吸附率影响较大，对Pb²⁺和Zn²⁺的吸附率总体影响较小.

图 2

Fig. 2

图 2 竞争吸附系数曲线 Fig. 2 The Kc curves with different FA addition amounts

另外，随富里酸添加量的增加，体系的pH逐渐减小，H⁺浓度逐渐增高，H⁺对重金属离子的竞争作用逐渐增强，这可能是富里酸对沉积物吸附重金属有明显抑制作用的原因之一.

与沉积物背景值相比(图 3)，无富里酸添加的沉积物反应后，Cu主要向碳酸盐结合态(bound to carbonates，Carb)和有机硫化物结合态(bound to organic matter，OM)转化；Pb主要向碳酸盐结合态转化；Zn主要向碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态(bound to iron and manganese oxides，Fe/Mn-Ox)转化；Cd主要向可交换态(exchangeable，EXC)和碳酸盐结合态转化. 因Cd具有较强的主极化能力，能被胶体溶液强烈吸附，故Cd在黏土和碳酸盐中含量较高^[29]. 此外，本小组前期关于吸附对重金属形态转化的影响实验研究成果表明^[16]，吸附作用过程中，Cd主要向可交换态和碳酸盐结合态转化，与本研究的结果一致.

图 3

Fig. 3

图 3 富里酸对沉积物中重金属形态分布的影响 Fig. 3 Effect of FA addition on the form distribution of heavy metals in sediments

总体上，随富里酸添加量的增加，原状沉积物和去除有机质沉积物中Cu的可交换态、有机硫化物结合态和残渣态(residual，RES)的百分含量(质量分数，下同)均逐渐增加(图 3)，碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态的百分含量均逐渐减小；Pb的可交换态和有机硫化物结合态的百分含量均逐渐增加，碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态的百分含量均逐渐减小；Zn的铁锰氧化物结合态和有机硫化物结合态的百分含量均逐渐增加，碳酸盐结合态和残渣态的百分比含量均逐渐减小，可交换态几无变化；Cd的可交换态、铁锰氧化物结合态和有机硫化物结合态均逐渐增加，碳酸盐结合态的百分含量逐渐减小，残渣态变化不大.

Cu和Cd的可交换态百分含量随富里酸添加量的增加明显增加，Pb和Zn的可交换态百分含量变化不大. 富里酸为溶解性有机质，分子量较低，易与金属离子形成溶解性络合物，随体系中富里酸含量的增加，溶解性络合物逐渐增加，从而可交换态金属的含量逐渐增加.

随富里酸添加量的增加，2种沉积物中Cu、Pb、Zn、Cd的碳酸盐结合态百分含量显著降低(表 3)，Cu的铁锰氧化物结合态百分含量也逐渐降低. 富里酸的加入增加了体系中H⁺浓度，根据软硬酸碱理论，H⁺属于硬酸，CO₃^2-属于硬碱，金属离子属于交界酸，根据“硬亲硬，软亲软”的结合规律，H⁺比金属离子更易与碳酸根反应，反应生成的化合物也更稳定，即H⁺能够置换碳酸盐结合态金属，使碳酸盐结合态金属从沉积物中释放出来；此外，富里酸本身亦可作为配位体配合碳酸盐中的重金属，从而导致碳酸盐结合态的溶解；氢质子和富里酸共同作用的结果，导致碳酸盐结合态金属含量随富里酸添加量的增加而减少. 同理，H⁺能够置换出铁锰氧化物结合的金属离子，有利于堵塞在铁锰氧化物颗粒中的金属的溶出. 此外，随富里酸添加量的增加，Zn的铁锰氧化物结合态百分含量则逐渐升高，可能是由于铁锰氧化物对Zn的富集能力明显强于其他3种金属离子^[30]，随富里酸添加量的增加，其它重金属离子铁锰氧化物结合态的减少为Zn在铁锰氧化物上的吸附提供了吸附位点.

表 3(Table 3)

表 3 重金属各形态百分含量与富里酸添加量的相关性分析1) Table 3 Correlation analysis between percentages of different heavy metals fractions and FA addition amounts 项目 原状沉积物 去除有机质沉积物 EXC Carb Fe/Mn-Ox OM RES EXC Carb Fe/Mn-Ox OM RES Cu 0.980** -0.991** -0.740 0.965** 0.999** 0.989** -0.995** -0.625 0.878* 0.994** Pb 0.935* -0.994** 0.757 0.970** -0.949* 0.977** -0.976** -0.814 0.944* -0.657 Zn 0.655 -0.969** 0.977** 0.963** -0.617 0.997** -0.991** 0.979** 0.968** -0.416 Cd 0.967** -0.991** 0.935* 0.974** 0.578 0.942* -0.997** 0.557 0.993** 0.920* 1)n=5；*表示P<0.05，**表示P<0.01

表 3 重金属各形态百分含量与富里酸添加量的相关性分析1) Table 3 Correlation analysis between percentages of different heavy metals fractions and FA addition amounts

4种重金属的有机硫化物结合态的百分含量与富里酸添加量成显著正相关关系(表 3)，其中，Cd有机硫化物结合态的百分含量最低，随富里酸添加量增加而增加的幅度最小，这可能与Cd的亲有机性较弱有关^[28].

与原状沉积物的对照组相比(图 4)，去除有机质沉积物的对照组中Cu的可交换态百分含量略有增加，Pb、Zn、Cd的可交换态百分含量不同程度降低；Cu的碳酸盐结合态含量增加，Pb的碳酸盐结合态含量减小，Zn和Cd的碳酸盐结合态含量没有明显变化；4种重金属的铁锰氧化物结合态百分含量均不同程度增加；Cu和Zn的有机硫化物结合态百分含量有所减少，Pb的有机硫化物结合态百分含量略有增加，Cd的有机硫化物结合态没有明显变化；Pb的残渣态百分含量略有降低，Cu、Zn、Cd的残渣态百分含量无明显变化.

图 4

Fig. 4

图 4 0%和10%FA添加量的沉积物中重金属各形态含量 Fig. 4 Percentages of each fractions of heavy metal in sediments with 0% and 10% FA addition

一般认为，用双氧水去除的有机质为易氧化态有机质，故去除有机质后沉积物中有机质会有残余(见表 1). 因残余有机质中溶解性有机质的含量较原有机质少，与金属离子形成的溶解性金属络合物含量亦相应减少，故可导致可交换态金属的百分含量减少. 因Cu具有极强的亲有机性，其可交换态Cu的绝对含量几乎未变，由于去除有机质沉积物对Cu吸附量的减少使可交换态Cu的百分含量增加. 残余有机质对金属离子的吸附能力相对较小，铁锰氧化物对金属离子的吸附作用相对增强，所以铁锰氧化物结合态金属的百分含量增加. 由于有机硫化物结合态Cu的含量大幅减小，无法与有机硫化物结合的Cu转而被碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态吸附，又因碳酸盐对Cu的作用强于铁锰氧化物^[31]，从而使碳酸结合态Cu的含量增加，其他金属离子的碳酸盐结合态不变甚至减少. 残余有机质对金属离子有一定的吸附能力，但吸附能力较原有机质弱，因而去除有机质沉积物中有机硫化物结合态金属虽然降低，但仍有部分含量. Pb的有机硫化物结合态略有升高，可能与Pb的竞争吸附系数(图 2)较大及Pb的亲硫性有关.

与对照组相比，富里酸添加量为10%时，原状沉积物和去除有机质沉积物中Cu的可交换态和有机硫化物结合态的百分比含量均增加，但以去除有机质沉积物增加幅度为大；碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态的百分含量均降低，但以去除有机质沉积物降低幅度为大. Pb的可交换态和有机硫化物结合态的百分比含量均增加，碳酸盐结合态的百分含量均降低，但2种沉积物中增加和降低的幅度相差不大；原状沉积物中铁锰氧化物结合态的百分含量几无变化，但去除有机质沉积物中铁锰氧化物结合态百分含量的降低幅度较大. Zn的可交换态、铁锰氧化物结合态和有机硫化物结合态的百分含量均增加，碳酸盐结合态的百分比含量均降低，但2种沉积物中增加和降低的幅度相差不大. Cd的可交换态和铁锰氧化物结合态的百分含量均增加，但2种沉积物中增加和降低的幅度相差不大.

计算结果(表 4)表明，4种重金属离子在可交换态和碳酸盐结合态的富集程度表现为Cd>>Pb>Zn>Cu，故Cd和Pb的潜在生态风险较大. 与原状沉积物相比，Cu在可交换态和碳酸盐结合态的富集明显增加，Pb、Zn、Cd在可交换态和碳酸盐结合态的富集不同程度降低. 与对照组相比，添加10%富里酸的沉积物中，4种重金属在可交换态和碳酸盐结合态的富集均明显降低，这与添加富里酸后沉积物对重金属的吸附率降低有关，即添加富里酸改变了沉积物的理化性质，使较活泼的可交换态和碳酸盐结合态金属与富里酸结合，形成溶解性高的络合物，从而增加了重金属的迁移性.

表 4(Table 4)

表 4 重金属形态的前两态和 Table 4 Sum of the first two fractions of heavy metals 项目 Cu/% Pb/% Zn/% Cd/% 01) 101) 0 10 0 10 0 10 前两态和 原状沉积物 32.45 23.70 55.86 40.79 48.92 43.09 90.66 86.09 去除有机质沉积物 47.74 37.54 50.50 37.48 45.67 41.72 89.19 85.30 1)FA添加量/%，余同

表 4 重金属形态的前两态和 Table 4 Sum of the first two fractions of heavy metals

综上所述，有机质对重金属的影响具有多面性，一方面，有机质对重金属有一定的滞留作用；另一方面，有机质中的活性组分，尤其是富里酸能增加重金属的迁移性.

(1)实验条件范围内，有机质的去除和富里酸的添加对沉积物吸附重金属均有一定影响. 未添加富里酸条件下，有机质的去除对Cu²⁺影响最大，可导致沉积物对Cu²⁺的吸附率下降17.85%；随富里酸添加量的增加，原状沉积物和去除有机质沉积物对重金属离子的吸附率均逐渐降低，下降速率表现为Cu²⁺>>Cd²⁺>Zn²⁺>Pb²⁺；当添加量超过5%时，富里酸是影响重金属离子吸附率下降的主导因素.

(2)随富里酸添加量的增加，原状沉积物和去除有机质沉积物中重金属的形态分布均有明显变化. 添加富里酸增加了体系中H⁺的浓度，H⁺能够置换碳酸盐结合态金属，使碳酸盐结合态金属从沉积物中释放出来，从而导致重金属的碳酸盐结合态均与富里酸添加量呈显著负相关；重金属的有机硫化物结合态百分含量与富里酸添加量呈显著正相关，其中，Cd因亲有机性较弱，其有机硫化物结合态的百分含量最低且变化幅度最小.