一种二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法技术

一种二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，将改进型ZrO2磷固定膜组装到DGT装置中，放入湿地土壤或沉积物后，活性磷以自由扩散方式穿过滤膜，随即被磷固定膜同步捕获；将固定膜放入85℃热水中热处理5天，然后放入着色剂中着色，利用扫描仪对着色后的薄膜进行高分辨、二维扫描，利用ImageJ软件将扫描获得的图像颜色转成灰度，再根据建立的磷固定膜对磷积累量与表面灰度的校正曲线，将得到的灰度转化成磷积累量，利用Fick第一扩散定律计算得到湿地土壤或沉积物剖面中对应位置的活性磷含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境科学和地球科学领域，涉及一种对土壤、沉积物等环境介质中活性磷的二维、高分辨测定技术，该技术能够简易地在毫米和亚毫米尺度上获取湿地土壤、沉积物剖面中活性磷(DRP)的二维分布特征。
技术介绍
磷是水生生物生长的重要营养元素，是水体初级生产力和富营养化的主要限制性因子。外源磷进入湿地和湖泊水体后，大部分积累于湿地土壤和沉积物中，并在一定条件下重新释放进入上覆水，维持水体的富营养状态。在外源磷输入得到遏制的情况下，湿地土壤或沉积物磷污染是造成水体富营养化的主要原因。湿地土壤和沉积物中磷的释放潜力与其在水-土和沉积物-水界面的分布有密切的关系。通常，由于界面处物理、化学和生物性质上的巨大差异，造成磷在该界面附近可能存在强烈的浓度梯度分布，由此驱动磷在湿地土壤与上覆水或沉积物与上覆水之间进行交换。所以获取磷在沉积物-水微界面间的分布信息，是评价沉积物磷活性及其向水体释放的重要依据。活性磷或溶解态反应性磷(Dissolved reactive phosphorus，DRP)是用钼蓝比色法测定得到的磷，绝大部分为磷酸根磷，还包括少量能在酸性条件下发生水解的有机磷和多聚磷化合物。活性磷是沉积物中最具活性的磷，其在沉积物剖面中的含量和分布直接影响着水体的营养状态。获取活性磷在沉积物中的含量和空间分布信息，对于研究和评价水体营养状态具有十分重要的意义。由于分析方法的限制，通常只能得到活性磷在沉积物剖面中的一维垂向分布信息。然而，沉积物性质在横向空间上同样存在着非常大的差异，依据一维活性磷数据已不能满足对水体科学研究和评价的需要，迫切需要发展活性磷的二维获取技术，同时获取活性磷在沉积物剖面中的横向和垂向分布信息。另一方面，常规分辨率(1mm-1cm)的活性磷数据不能准确反映其在沉积物中的空间变化，迫切需要提高分辨率，在100μm-1mm尺度获取活性磷的空间分布信息。薄膜扩散梯度(Diffusive gradients in thin films，DGT)测定技术是一种非破坏性、原位获取沉积物中污染物分布和活性的新技术。该技术装置主要由固定膜和扩散膜叠加组成(图1)，两者均由凝胶配置而成，其中固定膜通过向凝胶加入能吸附污染物离子的固定剂配置而成。当DGT装置放入沉积物中，污染物离子以扩散方式穿过扩散膜，随即被固定膜捕获，并在扩散膜上形成线性梯度分布，扩散膜与固定膜接触一端的离子浓度维持为零，与介质接触一端的浓度(CDGT)为：CDGT=MΔgDgtA]]>上式中M为固定膜上目标离子的积累量(μg)，Δg为扩散层厚度(cm)，Dg为离子在扩散膜中的扩散速率(cm2/s)，A为固定膜的面积(cm2)，t为扩散时间(s)，CDGT即是通过DGT分析得到的沉积物中离子的含量(103μg/L)。对于溶解态活性磷二维分布的获取，中国专利申请2011103235556通过采用改进型二氧化锆磷固定膜，结合比色分析技术，已实现沉积物活性磷(DRP)二维分布的获取。基于DGT，现有的溶解态活性磷二维分布的获取方法包括LA ICP-MS分析技术和切片-提取-测定的方法。LAICP-MS是将激光束聚焦于样品表面，使之熔蚀气化，由载气将样品微粒送入等离子体中电离，再经质谱系统进行质量过滤，最后用接收器分别检测不同质荷比的离子。该技术具有较高的空间分辨率(＜10μm)。切片-提取-测定方法是对固定膜沉积物-水界面上下部分进行二维、亚毫米切片，用NaOH提取各切片中的活性磷，采用微量比色方法测定提取液中活性磷含量，换算成各切片中的活性磷固定量，通过Fick第一扩散定律计算得到沉积物剖面中对应位置的活性磷浓度，并作出二维分布图。切片-提取-测定方法操作麻烦，耗时耗力，效率低下，易丢失部分切片造成信息丢失，造成对湿地土壤或沉积物磷空间分布信息的错误判断。LA ICP-MS技术仪器非常昂贵，绝大多数实验都不具备，同时样品前处理程序繁琐，需要具备一定的专业技能。基于DGT技术获取沉积物中污染物的空间分布，提高DGT技术的空间分辨率和操作的简易性一直是人们期望解决的技术问题。电脑密度成像(Computer-Imaging Densitometry，CID)技术是一种利用扫描仪将固定膜表面扫描成图像，图像经ImageJ等软件处理后，转换成灰度的技术。该技术能高效快速地获取特定离子的二维、高分辨分布特征，大大提高工作效率，同时技术实施的难度大大降低，因此可以很好的弥补上述方法的不足，具有广阔的应用前景。CID技术已在研究硫(S2-)二维含量分布领域得到了快速发展，Teasdale等(1999)结合DGT和电脑成像密度计量技术(CID)来分析溶解态硫的二维含量分布，且分辨率最高可以达到100μm(Teasdale et al.，1999)。利用CID对S2-的分析，主要利用了沉淀的原理，事先制作含AgI颗粒的凝胶固定膜，当组装有该固定膜的DGT装置暴露于S2-溶液时，溶液中的S2-以扩散的方式穿过扩散膜，随即与固定膜上的AgI反应生成Ag2S沉淀。由于Ag2S是黑色，固定膜表面颜色将加深，颜色深浅可反映S2-在固定膜上的积累量，因此可根据固定膜表面的颜色变化(或灰度变化)对固定膜上S2-的积累量进行定量分析。目前，还没有CID分析磷的公开报道。相比硫的测定，发展CID磷测定的难度要大很多，这是因为不能利用类似于硫沉淀的原理建立用于测磷的CID技术。溶液中磷的测定一般采用比色的方法，最为经典的方法是钼蓝法，其次是孔雀绿法，但两种方法的显色反应均在强酸性条件下进行，如按照溶液的显色原理建立CID技术，必须要解决两个问题：凝胶固定膜在强酸性条件下保持稳定的形状，同时固定剂不会溶解；其次，固定膜表面磷与显色剂发生反应时，磷和生成的有色物质不会扩散。现有用于DGT测定磷的商业化固定膜主要以氢氧化铁为固定剂，氢氧化铁在强酸性条件下将发生溶解，因此不适合发展CID技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结合DGT和CID技术，简易地获取沉积物或湿地土壤中溶解态活性磷二维分布的方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特征在于，所述的方法将薄膜扩散梯度(DGT)技术与电脑成像密度计量(CID)技术结合，将包含ZrO2的磷固定膜组装成DGT装置，垂直放置在土壤或沉积物中提取土壤或沉积物剖面中的活性磷，取出磷固定膜后将磷固定膜置于去离子水中热处理，加入磷显色剂显色；利用CID技术扫描显色后的磷固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特征在于，所述的方法将薄膜扩散梯度技术与电脑成像密度计量技术结合，将包含ZrO2的磷固定膜组装成DGT装置，垂直放置在土壤或沉积物中提取土壤或沉积物剖面中的活性磷，取出磷固定膜后将磷固定膜置于去离子水中热处理，加入磷显色剂显色；扫描显色后的磷固定膜并得到表面灰度值，根据建立的磷固定膜表面磷累积量与表面灰度值的校正曲线，将得到的表面灰度值转化成磷累积量，通过Fick第一扩散定律计算得到沉积物剖面中对应位置的活性磷浓度，并作出活性磷二维分布图。

【技术特征摘要】
1.一种二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特征在于，所述的方
法将薄膜扩散梯度技术与电脑成像密度计量技术结合，将包含ZrO2的磷固定膜组装成DGT
装置，垂直放置在土壤或沉积物中提取土壤或沉积物剖面中的活性磷，取出磷固定膜后将
磷固定膜置于去离子水中热处理，加入磷显色剂显色；扫描显色后的磷固定膜并得到表面
灰度值，根据建立的磷固定膜表面磷累积量与表面灰度值的校正曲线，将得到的表面灰度
值转化成磷累积量，通过Fick第一扩散定律计算得到沉积物剖面中对应位置的活性磷浓度，
并作出活性磷二维分布图。
2.根据权利要求1所述的二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特
征在于，所述的DGT装置包括磷固定膜和厚度0.10-0.13mm的微孔滤膜。
3.根据权利要求1所述的二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特
征在于，所述的磷固定膜为改进型ZrO2聚丙烯酰胺凝胶薄膜，膜表面均匀分布粒径≤5μm
的二氧化锆颗粒。
4.根据权利要求1所述的二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特
征在于，所述方法中，DGT装置在土壤或沉积物中放置时间为1天，保持上覆水3-5cm。
5.根据权利要求1所述的二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特
征在于，所述的热处理的方法，是将磷固定膜置于去离子水中，85℃恒温处理120h以上。
6.根据权利要求1所述的二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特
征在于，所述显色温度控制在35℃，显色时间为45min。
7.根据权利要求1所述的二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方法，其特
征在于，所述的磷显色剂为磷钼蓝比色法中所使用的显色剂。
8.根据权利要求1至7任一所述的二维、高分辨测定湿地土壤和沉积物中活性磷分布的方
法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)改进型磷固定膜制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁士明，王燕，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32