土壤胡敏酸和富里酸提取方法及结构研究[文献综述]

毕业论文文献综述
环境工程
土壤胡敏酸和富里酸提取方法及结构研究
一、前言部分
土壤有机质是土壤的重要组成部分，土壤的物理、化学、生物等许多属性都直接或间接地与有机质的存在有关。

同时，土壤有机质作为土壤肥力的重要标志之一，在土壤的发生、分类和农业土壤肥力等方面的研究中，土壤有机质的组成、性质和有机碳、氮的转化一直受到人们的重视[1]。

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[2]。

腐殖物质是广泛存在于自然界(包括煤、石油、泥炭、土壤、水域等)中的一类特殊的高分子有机化合物，无论在工业、农业还是医学等领域都具有重要的应用价值[3~5]。

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[5]，包括胡敏酸(humic acid HA)、富里酸(fulvic acid FA)和胡敏素(humin HM)3个组分[6]。

其中胡敏酸又称褐腐酸。

土壤中只溶于稀碱而不溶于稀酸的棕至暗褐色的腐殖酸。

含碳和氮的数量稍高于富啡酸，而氢、氧则相对较低。

分子量较大，芳化度高而离解度较小。

其稳定性很强，平均停留时间可达80~3000年。

土壤腐殖质的主要组成成分，呈褐色，分子量在400~100000之间，主要由碳、氢、氧、氮等元素构成，碳、氢比值高。

其分子结构中的核有芳香环、杂环和多环化合物，它们由碳链或键桥连接成疏松的网状。

胡敏酸分子的边缘有官能团如羧基、酚羟基、甲氧基、酰氨基等。

这些官能团决定胡敏酸的酸度、吸收容量及与无机物形成有机－无机复合物的能力，溶于碱，不溶于酸和酒精，具有胶体特性。

芳香核是胡敏酸的结构基础，使其分子核具疏水性。

而其侧链具亲水性，其量决定整个胡敏酸的亲水性或疏水性。

一般胡敏酸微溶于水。

由于含氧功能团中H+的电离，使它具有酸性、吸收性和可溶性。

其酸度比富里酸小，呈微酸性，但吸收量(阳离子交换量)较高。

富里酸是土壤腐殖质的组成成分之一。

颜色较浅，多呈黄色。

主要由碳、氢、氧和氮等元素构成，碳氢比值较低。

分子结构方面芳香核的聚合度较小，官能团中酚羟基和甲氧基的数目比较多.溶解能力强，移动性大，对某些土壤的淋溶和淀积起很大的作用。

既溶于碱，也
溶于水和酸。

胡敏素既不溶于碱，同时也不溶于水和酸。

土壤腐殖质的成分之一，又称：黑腐酸。

为腐殖质中与土壤矿物质结合最紧密的组分。

黑色，分子量小，性质不活泼，是一种惰性的腐殖质，最难分解。

二、主题部分
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[7]。

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：①f晦界点较低(n=31.1℃，Pc=7.4MPa)；②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；③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[8]。

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[7]。

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质，了解萃取土壤有机质的效能，并对萃取物做了定性分析[8]。

2．重铬酸钾容量法+外加热法
结合态腐殖质分级。

用傅积平改进法。

用比重2.0的重液和超声分散的方法反复4~5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1~1.5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[8]。

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10mol/L-1NaOH至pH为8~10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。

官能团的分析采用米林改进法[9]。

糖类及氨基酸的分析用酸分解，采用比色法定量[10]。

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[11]。

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[12]。

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[13]和土壤学[14,15,16]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[17,18,19,20]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[22]。

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，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，Preston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[21]。

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δ13C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[21]。

6.焦磷酸钠和氢氧化钠混合液提取法
采用0.1M焦磷酸钠和0.1M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[22]。

7.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1.0~1.5，溶液即为富里酸(FA)；沉淀即为胡敏酸(HA)。

(2)HA的纯化：将(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，2~3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(50~60℃)至体积很小，转入50mL塑料小烧杯中，用冷冻干燥机冻干，大约3~4d；(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0.2mol/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。

8.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：取配制好的0.1M焦磷酸钠和0.1M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13~14h，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1M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，计算产率[22]。

三、总结部分
土壤有机质是土壤的重要组成部分，在土壤肥力和生态环境等方面都具有重要作用。

作为土壤有机质主体的腐殖物质的研究，一直受到各国学者的普遍重视。

从分离这一方面入手，不断优化从土壤中提取胡敏酸和富里酸的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。

综述了土壤胡敏酸和富里酸的研究现状和最新进展，并对今后的研究方向进行了展望，以促进胡敏酸和富里酸研究的继续深入开展。

提出近期的研究重点主要包括：(1)比较不同分离方法获得的土壤胡敏酸和富里酸的差异，以达到方法上的可比性和统
一性，同时提出更适宜的分离方法；(2)通过多种分析测试手段的相互补充验证，以获得对土壤胡敏酸和富里酸性质更加明确、清晰和深入的认识；(3)加强土壤胡敏酸和富里酸肥力和环境作用的研究，尤其应视从分子水平上探明其构效关系，为生产实践和应用提供理论依据。

四、参考文献
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