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环境化学实验讲义南开大学环境科学与工程学院实验一土壤脲酶活性测定一、实验目的1.掌握土壤脲酶活性测定第一种方法，了解所取土壤的脲酶活性。2.了解尿素这一有机物在土壤环境中的降解转化。二、简单原理•酶是一类具有蛋白质性质的、高分子的生物催化剂。土壤酶是活的有机体所合成的，或者在其生长过程中分泌与体外，或者在其死亡后自溶而释放出。所有的酶均能显示其活性。•显著的酶的特征之一是其催化反应的专一性。例如，脲酶对尿素的催化降解就及其专一。•土壤中的酶的来源有二种。一是来自于高等植物根系分泌及土壤中动植物残体分解。二是来源于土壤微生物的生命活动。•土壤酶可分为胞内酶和胞外酶两种。胞外酶或溶出后的胞内酶进入土壤结构后，均具有相对稳定性，如能抗微生物分解和抗热稳定性等。它们以三种形式存在于土壤中，一是以吸附状态贮积于土壤中。二是于土壤腐殖质复合存在。三是以游离状态存在。对于脲酶，它能促使尿素水解转化成氨、二氧化碳，反应如下:在土壤中，在pH值为6.5~7.0是脲酶活性最大，通过测定释放出的NH3量，可以确定脲酶的活性。土壤中脲酶活性一般以37℃培养48小时每克土壤释放出的NH3–N毫克数表示。2232ΟΗΝCΝΗ2ΝΗ+CΟ脲酶三、步骤概要1、取二个250ml锥形瓶，各加入10.0克土壤，再各加入10ml混合磷酸盐缓冲溶液（pH6.8）。摇动处理15分钟，使均匀。在往第一瓶内加入10ml浓度10%的尿素溶液，再经屏内容物充分混匀，作为试样。第二瓶内加入10ml蒸馏水，作为对照。将两个瓶置于37℃培养箱中培养48小时（要塞上纱布塞子）。2、培养结束后，往两个瓶内各加入50ml2NKCL溶液。塞紧后再振荡30分钟。到时立即将试样过滤（滤纸可以用蒸馏水润湿）到蒸氨瓶内。3、在过滤的间隙时间取两个50ml比色管，各加入10,00ml4%硼酸溶液。现将50ml比色管在冷凝管下，使冷凝管出口尖端插入硼酸溶液中，准备蒸馏。4、过滤完毕后，迅速往蒸氨瓶内注入20ml4N的NaOH溶液，立即塞上塞子。接通冷凝水，加热蒸馏。5、当馏出液达到50ml左右，停止蒸馏。取下比色管，将管内接收液定量转入到50ml锥形瓶中加4-5滴指示剂（甲基红-亚甲基蓝混合液），用0.1NHCL滴定瓶内的氨，滴定到淡紫色为终点。记录试样和对照消耗的HCL体积V和V0（ml）。四、计算式中，W为称取的样品重（g），N为HCL当量浓度。()14.00(mg/g)NVVW氨氮五、问题讨论1、除了测定尿素降解产物氨外，还能有什么方法可以测定脲酶的活性？2、实验中为什么要加入甲苯？3、步骤4中为什么要迅速加入NaOH？4、如果蒸氨时吸收液倒吸到冷凝管中如何解决？实验二土壤的阳离子交换量一、概述土壤是环境中污染物迁移转化的重要场所，土壤的吸附和离子交换能力又使它成为重金属类污染物的主要归宿。污染物在土壤表面的吸附剂离子交换能力又和土壤的组成、结构等有关，因此，对土壤性能的测定，有助于了解土壤对污染物质的净化能力及对污染负荷的允许程度。土壤中主要存在三种基本成份，一是无机物，而是有机物，三是微生物。在无机物中，粘土矿是其主要部分。粘土矿物的晶格结构中存在许多层状的硅铝酸盐，其结构单元是硅氧四面体和铝氧八面体。四面体硅氧层中的Si4+常被Al3+离子部分取代；八面体铝氧层中的Al3+可部分的被Fe2+、Mg2+等离子取代，取代的结果便在晶格中产生负电荷。这些电荷分布在硅酸盐的层面上，并以静电引力吸附层间存在的阳离子，以保持电中性。这些阳离子主要是Ca2+、Mg2+、Al3+、Na+、K+和H+等，它们往往被吸附于矿物质胶体表面上，决定着粘土矿物的阳离子交换行为。土壤中的有机物质主要是腐殖物质，它们可分为三类。一类是不能被碱萃取的胡敏素，另一类是可被碱萃取，但当萃取液酸化时析出而成为沉淀物的腐殖酸，第三类是酸化时不沉淀的富里酸。这些物质成份复杂，分子量不固定，结构单元上存在各种活性基因。它们在土壤中可以提供出很大量的阳离子交换能力，而且对重金属污染物在土壤中有吸附、络合等行为起着重要作用。土壤存在的这些阳离子可被某些中性盐水溶液中的阳离子交换。若无副反应时，交换反应可以等当量地进行。上述反应中因为存在交换平衡，因此，交换反应实际上不完全。当溶液中交换剂浓度大、交换次数增加时，交换反应可趋于完全。同时，交换离子的本性，土壤的物理状态等对交换完全也有影响。若用过量的强电解质，如硫酸溶液，把交换到土壤中去的钡离子交换下来，这是由于生成了硫酸钡沉淀，且由于氢离子的交换吸附能力很强，交换基本完全。这样，通过测定交换反应前后硫酸含量变化，可算出消耗的酸量，进而算出阳离子交换量。这种交换量是土壤的阳离子交换总量，通常用每克100克干土中的毫克当量数表示。二、目的要求1、测定污灌区表层和深层土的阳离子交换总量。2、了解污灌对阳离子交换量的影响。三、仪器与试剂电动离心机离心管50毫升锥形瓶100毫升量筒25毫升移液管10毫升，25毫升滴定管碱式25毫升试管25毫升0.1N氢氧化钠标准溶液：称2克分析纯氢氧化钠，溶解在500毫升煮沸后冷却的蒸馏水中。称取0.5克（分析天平上称）于105℃烘箱中烘干后的邻苯二甲酸氢钾两份，分别放入250毫升锥形瓶中，加100毫升煮沸冷却的蒸馏水，溶完再加4滴酚酞指示剂，用配置的氢氧化钠标准溶液滴定到淡红色，再用煮沸冷却后的蒸馏水做一个空白试验，并从滴定邻苯二甲酸氢钾的氢氧化钠溶液中扣除空白值。计算式：HClHClNaOHNaOHVNNV式中W为邻苯二甲酸氢钾的重量（克），VNaOH为耗去的氢氧化钠溶液体积（毫升）。1N氯化钡溶液：称60克BaCl2·2H2O溶于500毫升蒸馏水中。酚酞指示剂1%（W/V）硫酸溶液0.2N土壤：风干后磨碎过200目筛四、实验过程1.取4个洗净烘干且重量相近的50毫升离心管，分别套在相应的4个小烧杯上，然后在电子天平上称出重量W克（称准到0.005克，以下同）往其中的两个离心管中各加入1克左右的污灌区表层风干土壤，另外两个离心管中分别加入1克左右的深层风干土，四个离心管及其相应的称量架均做好记号。2.从称量架上取下离心管，用量筒向各管中加入20毫升氯化钡溶液，加完用玻璃棒搅拌管内容物4分钟。然后将4支离心管放入离心机内，以每分钟3000转的转速离心5分钟，直到管内上层溶液澄清，下层土壤紧密结实为止。离心完倒尽上层溶液。然后再加入20毫升氯化钡溶液，重复上述步骤再交换一次。离心完保留离心管内的土层。1、向离心管内倒入20毫升蒸馏水，用玻璃棒搅拌管内容物1分钟。再在离心机内离心（3000转，5分钟），直到土壤完全沉积在管底部，上层溶液澄清为止。倒尽上层清液，将离心管连同管内土样一起，放在相应的小烧杯上，在电子天平上称出各管的重量（G克）。2、往离心管中移入25毫升0.2N硫酸溶液，搅拌10分钟后放置20分钟，到时离心沉降。离心完把管内清液分别倒入4个洗净烘干的试管内，再从4个试管中各移出10毫升溶液到4个干净的100毫升锥形瓶内。另外移出两份10毫升0.2N硫酸溶液到第五、第六个锥形瓶内。在六个锥形瓶中各加入10毫升蒸馏水和2滴酚酞指示剂，用标准氢氧化钠溶液滴定到红色刚好出现并于数分红内不褪为终点。10毫升0.2N硫酸溶液耗去的氢氧化钠溶液体积（Aml）和样品消耗氢氧化钠溶液体积（Bml），氢氧化钠溶液的准确浓度（N），连同以上的数据一起记入表中。五、数据处理按下式计算土壤阳离子交换量：交换量（毫克当量/100克土）=25m[A2.5B]N10100干土重式中的A、B、N代表的意义如上所述，m为加硫酸前土壤的水量（=G-W-干土量）。六、问题讨论1.就你的实验数据说明两种土壤阳离子交换量的差别的原因。2.本法是测定阳离子交换量的快速法，除本法外，还有哪些方法可以采用？3.试述土壤中的离子交换与吸附作用对污染物的迁移转化的影响。实验三天然水中Cr（III）的沉积曲线一、概述天然水中铬含量较低，主要因为当铬以三价存在时形成了溶解度低的水合氧化物的缘故。工业上使用铬的行业主要有电镀、皮革、造纸等。他们的排放废水中所含有的铬有三价的，也有六价的，由于六价铬易被有机物及其他还原剂还原，所以在排水口处的铬主要以三价存在，这些三价的铬主要以胶体状态存在。它们易被其他颗粒物吸附，也能通过自身的聚集而沉于水底。因此工业废水中的六价铬被还原成三价，三价铬形成沉淀，沉淀沉积，是污染源排入环境中的铬的主要自净和归宿过程。本实验将Cr（III）水溶液加入到天然水中，观察Cr（III）的沉淀量（或溶解量）如图所示，当向一定量水中加入Cr（III）水溶液时，其沉淀量开始一段变化不大。但当加入量达到某一值时，沉积量呈线性增加。此时，直线延伸后要横轴上的交点可以认为是所使用的天然水中欲使Cr（III）形成沉淀是所需的最低浓度Cr（III）。沉积量CX加入量二、目的要求1、绘制天然水中Cr（III）的沉积曲线，找出该水中Cr（III）沉淀所需的最低Cr（III）浓度。2、学习微孔膜过滤器的使用方法。三、过程1、用Ø50mm孔径0.25µm的微孔膜过滤器滤出350ml天然水备用。2、在扭力天平上称0.2克CrCl3·6H2O，用蒸馏水溶解后定容到100ml。此溶液浓度为400µg/ml。在用它（称为A液）配制下列使用溶液：（a）：移A液10ml，用蒸馏水稀释并定容100ml；（b）：移A液5ml，用蒸馏水稀释并定容100ml；（c）：移A液2.5ml，用蒸馏水稀释并定容100ml；（d）：移（a）液10ml，用蒸馏水稀释并定容100ml；（e）：移（a）液5ml，用蒸馏水稀释并定容100ml；（f）：移（a）液2.5ml，用蒸馏水稀释并定容100ml。3、反应液：取6个100ml锥形瓶，做好标记。第一个瓶中移入1mlCr（III）使用液（a），第二个瓶中移入（b），依此类推。再分别加入50ml膜滤后的天然水。放在振荡器上振荡半小时。4、标准液：在振荡过程中，取6支50ml比色管，分别移入0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00ml2µg/mlGr6+标样，再各加入20ml蒸馏水。各加入0.5ml1:1硫酸和0.5ml1:1磷酸。摇匀后用蒸馏水稀释到刻度线，再摇匀。向各管中加入2ml显色剂，摇匀，5~10分钟后用1cm比色皿比色，在分光计上于540nm波长处以蒸馏水作参比测定吸光度。5、取12个锥形瓶，分两批做好标记，自6瓶振荡完毕的反应液中各移出20ml到相应的锥形瓶内，剩余的反应液分别用小微孔膜过滤器抽滤，再由6瓶滤液中分别移出20ml滤液到6个相应的锥形瓶内。6、往上述12个锥形瓶内各加入4粒玻璃珠和0.5ml1:1硫酸及0.5ml1:1磷酸，4滴4%KMnO4溶液，是红色始终保持。到时取下冷却后加入1ml脲溶液，摇匀，再滴加NaNO2溶液，每加一滴摇动30秒，至红色刚好褪去为止，切勿过量。然后将各瓶溶液分别转入50ml比色管中，并用蒸馏水洗涤锥形瓶，将洗涤液并入比色管内，稀释到刻度线。以下按标准液过程操作。上述数据记入表1中。四、数据处理1、以X为代表加入量（µg）Y代表吸光度，由标准液数据作直线回归方程及相关系数。2、利用回归方程，由反应液吸光度计算未过滤和过滤后（溶液态）各瓶溶液含铬量（µg）再换算成Crppm数。3、计算各瓶反应液的加入浓度及沉积浓度。4、作图求出CX。数据记入表2中。五、问题讨论1、由含Cr量微克数如何换算成PPm？2、煮沸时若红色消退，为何要补加KMnO4溶液？3、滴加NaNO2时为何要慢慢加入，且不能过量？4、你认为做好实验要把握哪几个关键步骤？实验四土壤中酚的转化强度一、概述在有生产力的土壤中存在大量活跃的微生物和原生动物等。在这些微型生物的生命活动中存在着对生命活动有很大影响的代谢过程。代谢过程通常包含两个既独立又相互依存的过程，即合成代谢和分解代谢。生物有机体通过这两个过程的交互进行，引起物质的降解，营养物质的吸收，能量的转化以及各种生物代谢产物的合成来维持生命活动。由环境污染排入土壤中的酚类物质或生物