全 文 ：核磁共振技术在沉积物磷素组分及迁移
转化规律研究中的应用*
钱轶超摇 陈英旭**摇 楼莉萍摇 崔昕意摇 罗摇 玲
(浙江大学环境保护研究所, 杭州 310029)
摘摇 要摇 沉积物磷素释放是造成湖泊水体发生富营养化的主要原因之一,而磷的活性又取决
于其在沉积物中的化学赋存形态.磷鄄31 核磁共振( 31P NMR)技术因可以增强研究者对环境
中磷素组分信息的认识而广受关注.本文主要综述了该技术在沉积物磷素形态表征以及迁移
转化规律方面的研究成果,对技术原理和分类、分析流程以及具体应用领域进行了全面阐述.
目前,应用核磁共振技术分析沉积物磷素的研究主要集中于不同形态磷化合物表征、微生物
对磷素迁移转化的影响和定量研究三方面,而关于提取剂和提取方法的研究也是热点之一.
最后,对未来31P NMR技术在环境样品中应用研究的重点和发展趋势进行了展望.
关键词摇 核磁共振摇 沉积物摇 磷组分摇 迁移转化摇 提取
文章编号摇 1001-9332(2010)07-1892-07摇 中图分类号摇 X524摇 文献标识码摇 A
Application of 31P nuclear magnetic resonance technology in the study of phosphorus frac鄄
tions and their translocation and transformation in sediments: A review. QIAN Yi鄄chao,
CHEN Ying鄄xu, LOU Li鄄ping, CUI Xin鄄yi, LUO Ling ( Institute of Environmental Science and
Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(7):
1892-1898.
Abstract: Phosphorus (P) release from sediments is one of the most important causes of lake eu鄄
trophication, while the activity of P is determined by P chemical form. Due to its advantages in im鄄
proving our knowledge about the P fractions in environmental samples, the 31P nuclear magnetic res鄄
onance ( 31P NMR) technology has received extensive attention. This paper summarized the current
studies on the characterization, translocation, and transformation of P fractions in sediments by
using this technology, and described the technical principles, classification, analytical procedures,
and specific application fields of this technology. At present, the researches of sediment P by using
31P NMR technology were focused on the characterization of different P forms, the effects of mi鄄
crobes on the P translocation and transformation, and the quantitative analysis of different P frac鄄
tions. The studies on the P鄄extracting agents and extraction methods were the hot topics as well.
The potential issues and research trends about the application of 31 P NMR technology in environ鄄
mental samples were also discussed.
Key words: nuclear magnetic resonance; sediment; phosphorus fraction; translocation and trans鄄
formation; extraction.
*国家科技重大专项(2008ZX0701鄄006)和浙江省重大科技专项社
会发展重点项目(2007C13060)资助.
**通讯作者. E鄄mail: yxchen@ zju. edu. cn
2009鄄11鄄03 收稿,2010鄄04鄄12 接受.
摇 摇 沉积物是湖泊及其流域中营养盐和其他污染物
质的蓄积地,从长时间尺度来考察,其充当着收纳物
质“汇冶的作用,然而相对于短时间尺度而言,尤其
是自然环境受到人类活动强烈干扰的今天,沉积物
更多体现出“源冶的作用[1] . 已有研究表明[2],浅水
湖泊沉积物中磷的释放是引起湖泊富营养化发生、
形成蓝藻水华的重要因素,当入湖营养盐减少或完
全截污后,随着湖泊系统物理化学条件的改变以及
生物因素的共同作用,沉积物可通过生源要素磷再
生循环等方式影响湖泊营养程度和生产力[3-4],使
湖泊水体处于富营养化状态,甚至出现“水华冶. 换
言之,沉积物既是磷迁移的归宿,更是磷转化的起
点.但是,并非所有形态的磷都可直接作用于水体初
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 7 月摇 第 21 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2010,21(7): 1892-1898
级生产力,磷的活性取决于其化学赋存形态[5] . 因
此,探求沉积物中不同磷素组分的分布与变化特征,
有助于理解和分析磷素迁移转化过程和机制,对深
入了解沉积物中磷素赋存形态与湖泊富营养化发生
机制之间的关系具有重要的现实意义.
目前,关于沉积物中磷素分级的研究很多[6-8],
可依照不同的目的将其分为不同形态结构加以研
究[9] .但由于传统技术的限制,这些方法对于有机
磷素的化学表征、动力学特征以及有机磷组分分布
规律的研究处于停滞状态[10],因而难以从有机磷组
分层面分析其矿化降解的速率以及对富营养化的贡
献.另一方面,由于分析手段和计算原理的限制[11],
有机磷很难被精确定量分析,虽然在日常测定中这些
误差可被忽略,但随着监测技术的发展和对沉积物磷
素研究的深入,更精确和方便的测定方法亟待引入该
领域并加以利用.在这种情况下,磷鄄31 核磁共振(P鄄
31 nuclear magnetic resonance, 31P NMR)技术作为可
同时定性和定量分析环境样品中不同磷素组分的有
效手段,因具有检测灵敏度和精度高并且对样品破坏
性小等优点,已逐渐应用于水体环境磷素表征和迁移
转化规律的研究中.本文结合近年来国内外的相关研
究成果,在回顾31P NMR的分析步骤和分类的基础上,
探讨液态31P NMR技术中提取剂和提取方法的使用现
状,并对该技术在沉积物磷素组分特征及其迁移转化
规律中的应用情况进行综述,旨在为其进一步发展和
标准化研究提供借鉴和参考.
1摇 磷 31 核磁共振技术简介
1郾 1摇 磷 31 核磁共振技术原理和分类
31P是自然界中唯一丰度为 100%的磷同位素,
因此它是一种可用核磁共振技术分析含磷化合物结
构的理想原子核.在实际研究中,由于不同官能团的
原子核会因屏蔽效应不同而出现不同的化学位移
值,因此通过分析31P NMR 波谱图上的化学位移值
可以鉴别具有不同空间结构的有机或无机磷化合
物[12] .一般来说,环境样品的31 P NMR 信号带处于
25 ~ -25 ppm 之间,包括正磷酸盐( orthophosphate,
ortho鄄P)5 ~ 7 ppm、焦磷酸盐(pyrophosphate,pyro鄄P)
-4 ~ -5 ppm、多聚磷酸盐( polyphosphate, poly鄄P)
-20 ppm、磷酸单酯 ( phosphate monoesters ) 3 ~
6 ppm、磷酸二酯 ( orthophosphate diesters ) 2郾 5 ~
-1 ppm以及膦酸酯(phosphonates)20 ppm[13] . 图 1
为典型31P NMR图谱[14],此图基本包含了环境中目
前能分离获得的所有有机磷和无机磷化合物.
图 1摇 环境样品磷素组分核磁共振法分析结构谱图(NaOH鄄
EDTA提取) [14]
Fig. 1摇 A solution 31P NMR spectrum of an environmental sam鄄
ple extracted with NaOH鄄EDTA.
正磷酸盐: Orthophosphate;焦磷酸盐: Pyrophosphate;多聚磷酸盐:
Polyphosphate; 磷酸单酯:Phosphate monoesters;磷酸二酯:Phosphate
diesters; 膦酸酯:Phosphonates.下同 The same below.
摇 摇 磷鄄31 核磁共振技术可分为固态31P NMR 和液
态31P NMR.固态31P NMR 技术应用较早,但由于分
辨率和灵敏度均较低[14],因而逐渐被液态31P NMR
技术所取代.液态31P NMR 是将固体样品经过溶剂
提取后进行分析测定,检测精度和灵敏度较高,但不
适合微量样品的测定,此外水解作用也是该技术应
用中普遍存在的问题[15],因此提取方法和提取剂的
选择就成为液态31P NMR能否被成功利用的关键所
在.目前常用的提取剂有:阳离子交换树脂(Chel鄄
ex) [14]、EDTA[16]、NaOH[17]、NaF[18]、BD[19]等,几种
试剂联合使用也常见于报道[20-21],提取方法包括一
步和多步提取.提取后液体需经冷冻干燥或旋转蒸
发浓缩,由于较高温度会增加磷素水解的可能
性[22],因此冷冻干燥法可能是更好和更安全的选
择.浓缩后的物质经再溶解后应尽快上机分析,以降
低样品再次被水解的可能性.
1郾 2摇 提取剂和提取方法的使用
如前所述,由于液态31P NMR 在目前的技术水
平下可获得更可靠的分析结果,因此如何尽可能完
全地将沉积物磷转移到提取液中就成为了研究焦
点.根据不同的使用目的,目前已有多种溶剂运用到
实际研究中,包括单一试剂[17]与多试剂联用[23],提
取方法也从最初的单步提取逐渐发展为包括前提
取、主提取和后提取的多步骤提取法[24],其中前提
取试剂多采用 EDTA或 BD,以达到降低顺磁性离子
或增加磷含量的目的,而后提取多采用 NaOH 或
39817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 钱轶超等: 核磁共振技术在沉积物磷素组分及迁移转化规律研究中的应用摇 摇 摇 摇 摇 摇
NaOH鄄EDTA联用的方式,目的是提取沉积物中的剩
余磷素,以增加浓缩液中磷的含量,使检测结果更接
近真实.
摇 摇 如表 1 所示,研究者多采用 NaOH或 NaOH鄄ED鄄
TA联用作为主提取剂,并且已有研究表明由于 ED鄄
TA 的螯合作用能够破坏含磷的有机金属配合
物[22],因而 NaOH鄄EDTA 的组合提取剂效率高于
NaOH单独提取和 NaOH鄄Chelex 组合提取[14] . 从试
验结果来看,几乎所有的研究均可检测到正磷酸盐、
焦磷酸盐和有机磷酸酯,并且 NaOH 可作为单一提
取剂直接将这些组分提取出来,但与微生物生长及
代谢活动密切相关的多聚磷酸盐则必须经过适当的
前提取措施后方可显现[19, 28] .这是因为环境中多余
的钙离子会催化多聚磷酸盐发生水解生成焦磷酸
盐[29],而前提取剂诸如 EDTA[28]和 BD[19]可以与钙
离子发生螯合作用从而阻止水解作用的发生. 因此
当多聚磷酸盐是研究的目标物质时,就必须使用合
适的前提取剂. Ahlgren 等[24]比较了 7 种提取流程
后也得到了类似结论,提取步骤需要根据研究目标
进行筛选,EDTA 前提取、NaOH 主提取的方式可获
得最大的磷提取量,而 BD 前提取、NaOH 主提取的
方式则可提取出最多的多聚磷酸盐.综上,采用不同
的提取方式可能会产生不同的31P NMR 分析结果,
因此对结果进行分析时应将提取剂和提取过程的影
响与生态方面的影响机制一并考虑.
2摇 磷鄄31 核磁共振技术在沉积物研究中的应用
Newman等[30]于 20 世纪 80 年代首次利用 31 P
NMR技术分析了土壤提取物中不同形态磷化合物
的分布情况,关于沉积物的研究始于 20 世纪 90 年
代,主要运用于海洋沉积物有机磷素的表征[31] . 近
年来,随着水体富营养化尤其是湖泊水华问题的日
益严重,研究者开始将该技术引入湖泊和河流内源
负荷分布和迁移转化规律的研究中,并将研究对象
逐步扩展到沉积物中的微生物与浮游生物,为探索
沉积物及水生态系统中磷素的归趋行为提供了有力
的试验支撑和理论依据. 根据国内外学者的研究成
果,目前31P NMR 技术在沉积物磷素领域的研究主
要有以下 3 个方面.
2郾 1摇 沉积物中不同形态磷素表征
有机磷(包括聚合磷酸盐)是沉积物中磷素的
主要组成部分,其矿化降解过程是补充水体正磷酸
盐以及维持浮游植物生长最重要的补偿途径之
一[32] .但如前所述,由于传统定量方法只能获得有
机磷(包括焦磷酸盐和多聚磷酸盐)总量信息,因此
在核磁共振技术被引入前,有机磷化合物组成及转
化特征就成为了探索磷素迁移转化特征以及对富营
养化贡献的瓶颈所在.针对该问题,Ingall等[33]率先
将31P NMR技术应用于海洋大陆架沉积物中磷素形
态的研究,成功获得有机磷组分信息,其中有机磷酸
酯类物质( phosphate esters)是最主要的有机磷组
分,而膦酸酯则首次被发现存在于海洋沉积物中,并
且此两种有机磷类物质在沉积物中纵向分布较广,
说明海洋沉积物是重要的磷素聚积地( sink). 针对
于水体的研究同样也发现,磷酸单酯、磷酸二酯和膦
酸酯是主要的有机磷成分[34],说明磷素能在合适的
表 1摇 利用不同提取剂和不同提取方法所获得的31P NMR结果比较
Tab. 1摇 Comparison of results of 31P NMR analysis using different extractants and extraction methods
提取剂
Extractant
提取方法
Extraction method
结 果
Result
参考文献
Referance
0郾 1 mol·L-1 NaOH 土液比1 颐 3,NaOH主提取 16 h 正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯、焦磷酸盐 [17]
0郾 5 mol·L-1 NaOH, Chelex 土液比 3 颐 50,NaOH 主提取 4 h,NaOH后提取,Chelex后处理 10 min
正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯、焦磷
酸盐 [25]
CDB, 0郾 5 mol·L-1 NaOH 土液比 3 颐 10,CDB 前提取,NaOH 主提取 24 h
正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯、焦磷
酸盐、膦酸酯 [26]
0郾 25 mol·L-1 NaOH, 0郾 05 mol·L-1
Na2EDTA
土液比 1 颐 10,NaOH鄄EDTA主提取 16 h 正磷酸盐、 磷酸单酯、焦磷酸盐、DNA、RNA磷脂、油脂 [27]
0郾 25 mol·L-1 NaOH, 0郾 05 mol·L-1
EDTA, BD 土液比 1 颐 3,NaOH鄄EDTA主提取 16 h
正磷酸盐、磷酸单酯、焦磷酸盐、多聚
磷酸盐、DNA、膦酸酯 [16]
0郾 067 mol·L-1, EDTA, 0郾 2 mol·L-1
NaOH EDTA前提取,NaOH鄄EDTA主提取
正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯、焦磷
酸盐、多聚磷酸盐 [28]
BD, 0郾 1 mol·L-1 NaOH 土液比 1 颐 3,BD前提取 1 h,NaOH主提取 16 h
正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯、焦磷
酸盐、多聚磷酸盐 [19]
Ca鄄EDTA, 0郾 25 mol·L-1 NaOH,
0郾 05 mol·L-1 EDTA
土液比 1 颐 20, Ca鄄EDTA 前提取 2 h,
NaOH鄄EDTA主提取 16 h
正磷酸盐、磷酸单酯、焦磷酸盐、
DNA、 膦酸酯、 磷脂 [21]
土液比: Ratio of soil to water; 前提取: Pre鄄extraction; 主提取: Main extraction; 后处理: Post treatment; Chelex: 阳离子交换树脂 Cation exchange
resin.
4981 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
条件下于沉积物与水体之间进行物质交换和传输.
上述研究证明了核磁共振技术在磷素组分分析研究
中的可行性和适用性,因而更多的研究者开始尝试
利用该技术分析不同环境沉积物中磷化合物的分布
情况[35-36] . Zhang等[37]运用液态31P NMR 表征长江
中下游 7 个湖泊表层沉积物中的磷素形态,结果表
明在这些污染程度不一的沉积物中绝大部分为正磷
酸盐 ( 76郾 7% ~ 97郾 4% ), 磷酸单酯 ( 1郾 8% ~
14郾 3% )和磷酸二酯(0郾 4% ~ 8郾 9% )是主要的有机
磷组分,而焦磷酸盐 (0郾 1% ~ 0郾 7% ) 和膦酸酯
(0郾 1% ~ 0郾 2% )则含量较低. Liu 等[27]对于人造湖
泊沉积物的研究也发现了正磷酸盐的富集,但土壤
中较常见的多聚磷酸盐却未被检测到,其他磷素组
分根据含量高低依次为磷酸单酯、DNA、焦磷酸盐,
而关于河口沉积物的研究却发现了大量焦磷酸盐的
沉积[38],这可能与人类活动的影响有密切联系,并
且由于焦磷酸盐在碳氮参与下很容易被微生物利用
分解,因此其可被视为沉积物的正磷酸盐库,对于水
体的营养状况具有重要的生态学意义. Bai 等[39]也
发现太湖沉积物中的焦磷酸盐会以较快速率转化为
正磷酸盐并释放,而磷酸单酯和二酯由于半衰期时
间较长能稳定地存在于沉积物中.总之,几乎所有的
磷素组分均能在沉积物中被检测到,包括正磷酸盐、
焦磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯和膦酸酯,而多聚磷
酸盐则根据不同的环境条件出现在大多数样品的谱
图中.
31P NMR技术同样还运用于沉积物磷素纵向分
布与迁移的研究. Ahlgren 等[17]对瑞典 Erken 湖柱
状沉积物样品进行了核磁共振分析,结果发现表层
沉积物中磷素组分最丰富,而随着深度的增加,焦磷
酸盐首先消失在结果谱图中,有机磷酸酯含量也呈
现持续下降的趋势. Reitzel 等[19]研究也发现,焦磷
酸盐和多聚磷酸盐所占总磷的比例随沉积物深度的
增加而逐渐降低,继而消失在较深层次的沉积物中,
而磷酸单酯则随着深度的增加逐渐成为优势组分,
说明单酯在有机磷组分中具有良好的稳定性. 从上
述研究结果来看,核磁共振技术的引入能够更详细
地分析磷化合物的归趋行为,从而为磷素迁移转化
与释放规律提供理论依据. 为了更透彻地了解沉积
物作为“源冶的作用和本质,应加强磷素在不同地点
不同埋藏深度的表征研究.
大量研究表明,环境条件变化会引起磷素赋存
形态的转变,基于传统分析方法的研究已证明无机
磷化合物之间会发生种类互化,而核磁共振技术的
引入则可以获取额外磷素组分的变化规律信息.
Carman等[26]研究了具有不同氧化还原电位的海洋
和湖泊沉积物中磷素组分的分布特征,结果发现在
缺氧条件下,海洋沉积物中磷酸二酯的含量显著高
于磷酸单酯,而有氧条件下却恰恰相反,对于湖泊的
研究同样发现了该现象,可能的解释是因为不同氧
化还原电位条件下不同的有机磷酸酯组分具有相异
的降解效率.但 Zhang等[37]的研究却发现浅水湖泊
中磷酸二酯含量比深水湖泊中的高,相应的磷酸单
酯含量却较低,他们认为这种磷素组分比例的变化
可能是颗粒沉积物过程中物理化学生物综合作用的
结果,这与 Carman等[26]的结论相反,但目前尚未有
后续的研究来判别.另一方面,研究还发现湖泊沉积
物中出现多聚磷酸盐聚积,而海洋沉积物中则无此
类物质[26],其原因可能与微生物的活性密切相关,
此外金属离子的存在也会促使多聚磷酸盐向其他磷
形态转变[40],因此缺氧条件明显和金属离子更多的
海洋底部就难以检测到多聚磷酸盐的存在. Gachter
等[41]研究也发现,好氧环境是多聚磷酸盐聚集的先
决条件,说明氧化还原电位变化所导致的沉积物释
磷和聚磷的现象并不单由非生物因素所控制,微生
物通过新陈代谢作用积聚和水解多聚磷酸盐也是造
成此现象的重要原因.另据报道,由于能分泌膦酸酯
酶的微生物往往只能存活于较高的 pH 条件下,因
而水体 pH 值能显著影响沉积物中膦酸酯的丰
度[42] .
2郾 2摇 沉积物中微生物对磷素迁移转化的影响
基于污水处理活性污泥除磷的研究结果已表
明,微生物会在有氧条件下合成长链多聚磷酸盐并
大量积聚于细胞内,而缺氧条件下又能将其分解为
正磷酸盐[43] .因此,有学者认为在微生物含量丰富
并且氧化还原条件变化频繁的沉积物表面,微生物
作用可能会影响沉积物对磷素的吸收和释放[44],但
由于沉积物中的多聚磷酸盐无法利用传统方法定量
分析,这些观点都是推测性的[40] . 31 P NMR 技术的
运用证实了这些猜想[45] . Santos等[46]利用液态核磁
共振技术分析正磷酸盐与多聚磷酸盐含量随时间的
变化情况,谱图结果清晰地表明好氧条件下正磷酸
盐含量随着氧气的不断供给持续减少,而多聚磷酸
盐含量不断增加,厌氧条件下该两种磷化合物的变
化情况则正好相反. Khoshmanesh 等[47]的研究进一
步证实了具有聚磷功能的细菌存在于沉积物中,并
可在适当条件下大量合成并储存多聚磷酸盐于体
内.上述结果使多聚磷酸盐在磷素生源转化中的重
59817 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 钱轶超等: 核磁共振技术在沉积物磷素组分及迁移转化规律研究中的应用摇 摇 摇 摇 摇 摇
要性日益凸显[48],研究者开始关注此类物质在沉积
物中的存在情况. Hupfer等[40]对瑞士和匈牙利 2 个
湖泊沉积物中的多聚磷酸盐进行了定量研究,结果
表明在营养较丰富的湖泊体系中,多聚磷酸盐的含
量约占非活性磷 ( nonreactive P) 总量的 31% ~
50% ,该研究者此后继续对欧洲 24 个湖泊开展研
究[28],发现绝大多数湖泊中存在多聚磷酸盐,其含
量约占沉积物总磷含量的 1郾 5% ~ 11郾 4% .此外,多
数研究[40, 49]发现多聚磷酸盐大多存在于表层沉积
物中,这可能是因为多聚磷酸盐多由生物合成且容
易在沉积物酶的作用下发生水解,因此沉积物中所
存在的多聚磷酸盐几乎全部富集于生物体内,并且
会随着深度的增加和生物量的减少而逐渐消失[41] .
另有报道[50]指出,沉积物磷脂时空分布与微生物活
性和总溶解性磷呈正相关,因而磷脂含量的核磁共
振分析为估量整个生态系统(包括微生态区)所处
的状态提供了有效手段.
2郾 3摇 磷素定量研究
长期以来,钼酸盐比色法作为测定磷素含量的
标准方法而受到广泛使用,该方法基于正磷酸盐与
酸化钼酸盐反应生成蓝色磷钼酸络合物的原理来进
行分光光度分析. 由于31P NMR 技术可以根据不同
磷素组分形成的峰面积来计算该组分所占总磷的比
例,因此在事先测定提取液中总磷含量的前提下,可
以不通过钼酸盐比色法而获取各种磷素组分的绝对
含量信息. Ahlgren 等[17]分别运用 31 P NMR 技术和
钼酸盐比色法测定了沉积物和悬浮物中正磷酸盐所
占总磷的比例,结果发现两种方法所获得的正磷酸
盐含量和变化趋势的信息差异明显,不具有钼酸盐
活性即不与钼酸盐络合形成蓝色物质的磷素组分可
能是造成此种现象的关键. 为进一步证实该差异的
存在,Turner等[11]分别利用两种方法测定了湿地沉
积物中正磷酸盐和有机磷的含量,结果发现用钼酸
盐比色法测得无机磷平均含量约占总磷的(7郾 1 依
2郾 4)% ,根据传统的差值法估算,则有机磷约占总
磷含量的(92郾 9依2郾 4)% ,但核磁共振分析结果却表
明有机磷仅占总磷含量的 57郾 6% ~ 73% ,传统方法
明显过高地估算了有机磷含量.究其原因,不与钼酸
盐反应并显色因而被归入有机磷行列的焦磷酸盐和
多聚磷酸盐是造成这种误差的主要因素,并且由于
该误差是测定方法本身缺陷所造成,所以很难从根
本上消除其影响.因此,研究者建议应选取碱性试剂
提取与核磁共振分析相结合的方法来直接测定有机
磷含量.
3摇 展摇 摇 望
31P NMR已被证实可以作为一项普遍适用的技
术应用于环境样品中磷素组成测定以及迁移转化规
律的分析.国内外利用该技术对环境样品(如土壤、
沉积物等)中不同磷素组分的空间分布、转化趋势
以及迁移机制和降解机制开展了许多研究,并在此
基础上进行了试验方法和步骤的完善,为研究磷素
在环境中的归趋行为和转化机制提供了有力的技术
手段.然而,虽然31P NMR 技术在近 30 年的使用中
不断通过完善和更新来扩大研究领域,但由于该技
术存在运行费用昂贵、测定时间久和专业操作性较
强等不足之处,其研究面依旧较狭窄,尤其是在湖沼
学领域此项技术还未受到充分开发和利用,目前对
于某一个或几个区域内沉积物磷素组分的调查分析
是该技术最主要的应用领域.另一方面,液态核磁共
振技术的前提过程还未形成统一标准的流程和方
法,碱性提取剂对于部分磷素的水解作用也广泛存
在,因此,为使31P NMR技术能更广泛和更精确地应
用于环境样品的研究,需要在以下几个方面进行更
进一步的研究:
1)开发标准的31P NMR 技术分析流程,统一实
验分析步骤和运行参数. 目前报道的分析步骤和核
磁共振运行参数均不相同,这给对比分析研究结果
以形成统一的结论带来了困难. 今后应多致力于
31P NMR的标准化和统一化研究,为研究者进行实
验室间的数据分析和比对提供便利.
2)在标准化进程的基础上扩大核磁技术的应
用领域,比如开展对不同组分磷素形态转化机制及
其反应动力学研究,这些基于机制的探索可以真正
发挥核磁共振技术的效用.
3)完善提取技术和流程,这是未来研究的重
点.只有尽可能多地提取沉积物中所蕴含的磷素,核
磁共振分析所获得的结果才更真实. 旧提取方法的
改进和新提取剂及提取流程的开发都是努力的方
向,一方面应探索如何降低提取过程中磷素形态改
变与水解的可能性,另一方面应致力于特异性提取
剂的开发,比如已有报道甲醇和氯仿可特异性提取
磷脂[51] .
4)研制新型低场强、高精度、低成本、高速度的
核磁共振技术,并尝试多技术联用.如将31P与13C和
1H等其他核子的核磁共振研究相结合,开发两维或
多向的核磁共振检测技术,或将核磁共振与 GC鄄
MS、HPLC等技术联用,利用多个手段对磷素进行定
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量分析,以获得更精确和真实的检测数据.
需要指出的是,对于利用核磁共振技术的环境
工作者而言,在应用该技术进行实验分析的同时,应
尝试理解其工作原理和特点,这对于进一步融合
31P NMR技术和环境样品分析大有好处. 总之,
31P NMR作为一项强有力的检测技术,应尽可能地
发挥其潜力以丰富沉积物磷素迁移规律和转化机制
方面的研究结果,最终为湖泊富营养化的控制和改
善提供有效的理论和技术支撑.
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作者简介摇 钱轶超,男,1983 年生,博士研究生.主要从事湖
泊内源污染控制研究. E鄄mail: qianyc@ zju. edu. cn
责任编辑摇 肖摇 红
8981 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷