土壤重金屬形態(tài)分析方法及其與環(huán)境風(fēng)險的關(guān)系

孫 軍， 鄧四化， 徐 俊， 王雋哲， 徐嘉俊

1. 上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣南通國海環(huán)保科技有限公司 江蘇南通 226000

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土壤重金屬形態(tài)分析方法及其與環(huán)境風(fēng)險的關(guān)系

孫 軍1， 鄧四化2， 徐 俊1， 王雋哲1， 徐嘉俊1

1. 上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2. 上海電氣南通國海環(huán)?？萍加邢薰?江蘇南通 226000

研究對比了水和土壤這兩種不同介質(zhì)中幾種重金屬形態(tài)的分析方法，以及重金屬生物有效性與形態(tài)的關(guān)系，評價各種重金屬形態(tài)分析方法的優(yōu)缺點，比較幾種不同評價方法的適用性和評價結(jié)果的差異性。結(jié)果表明，不同的分析方法，其評價結(jié)果有較大差異，且與其適用的分析對象存在狀態(tài)(液態(tài)或固態(tài))有關(guān)，評價結(jié)果的差異性影響了生物有效性在風(fēng)險評估和污染治理中的應(yīng)用。未來發(fā)展的重點是加強重金屬生物有效性的理論研究，使評價方法統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化，提高數(shù)據(jù)的可靠性，從而為重金屬環(huán)境污染的治理、修復(fù)和生產(chǎn)廢物的資源化利用提供理論依據(jù)。

重金屬； 形態(tài)分析； 生物有效性； 風(fēng)險評價

重金屬的積累對生態(tài)環(huán)境的影響已引起了人們的廣泛關(guān)注。積累在環(huán)境中的重金屬不僅對環(huán)境本身和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量造成威脅，也會直接或間接地影響人類和動物的健康[1]?；诖?，通過重金屬形態(tài)評價重金屬元素的生物有效性是一個重要課題[2-3]。

重金屬可以不同的形態(tài)存在于環(huán)境中，不同形態(tài)的重金屬差異較大，其生物有效性、毒性、可移動性也有較大差異[4]。重金屬形態(tài)分析的研究在理論和實踐中都有重要意義。

生物有效性和形態(tài)分析關(guān)系尤為密切,形態(tài)分析是生物有效性的基礎(chǔ),生物有效性是形態(tài)分析在研究領(lǐng)域的具體延伸,形態(tài)分析的發(fā)展制約著生物有效性的發(fā)展。

大多數(shù)生物有效性研究所用的方法都是確定污染物在環(huán)境中的形態(tài)分布,再將這些形態(tài)分布與生物體中污染物的富集量通過單元回歸或多元回歸進行統(tǒng)計分析[5]。因此，探討影響土壤中重金屬生物有效性的因素對評價重金屬的毒性具有重要的意義。

1 生物有效性概念

生物有效性概念首次出現(xiàn)是基于物理化學(xué)概念,被描述為水體環(huán)境中污染物在生物傳輸或生物反應(yīng)時被利用的程度[6]。重金屬的生物有效性指重金屬能被生物吸收或?qū)ι锂a(chǎn)生毒性的性狀,可由間接的毒性數(shù)據(jù)或生物體濃度數(shù)據(jù)進行評價[7]。相當(dāng)長一段時間以來,對生物有效性沒有統(tǒng)一的認識,而是被劃分為基于化學(xué)的和基于生物學(xué)的兩個不同概念?；瘜W(xué)概念認為生物有效性是指一個化學(xué)物質(zhì)可否用于吸收存在的或潛在的毒性,而生物學(xué)概念側(cè)重于強調(diào)物質(zhì)通過細胞膜進入生物體。Mackay等[8]強調(diào)生物有效性是一個動態(tài)的過程,包括兩個截然不同的階段： 以物理化學(xué)作用為驅(qū)動機制的解吸過程和以生理學(xué)作用為驅(qū)動機制的吸收過程。以上研究的實質(zhì)都在于研究化學(xué)物質(zhì)與生物體的一種潛在相互關(guān)系,必須將生物體與周圍環(huán)境聯(lián)系起來，因此,生物有效性不僅受環(huán)境的影響,也受生物體自身的影響,這些影響涉及到物理、化學(xué)及生物等各個方面。相應(yīng)的,很難在土壤學(xué)、環(huán)境化學(xué)和生物學(xué)之間給出一個統(tǒng)一的定義。針對不同的研究對象及研究環(huán)境,人們分別賦予不同的定義： ① 可被生物受體吸收的程度和速率[9];② 環(huán)境介質(zhì)中積累于生物體內(nèi)的金屬部分[10-11];③ 絕對生物有效性和相對生物有效性[12]。定義的不一致反映了當(dāng)前生物有效性的研究沒有達到化學(xué)與生物學(xué)的真正融合[13]。因此,一致的生物有效性評價方法學(xué)也就很難建立了。

2 重金屬形態(tài)分析和生物有效性的評價方法

有關(guān)土壤中重金屬元素生物有效性的研究方法有生物試驗法、植物指示法、化學(xué)形態(tài)分析法等[14]，其中化學(xué)形態(tài)分析法包括總量預(yù)測法、化學(xué)提取法等，各種方法都有其適用范圍和局限性。

環(huán)境生物地球化學(xué)認為,污染物的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險是以生物有效性形態(tài)為基礎(chǔ)的,而土壤重金屬生物有效性及其風(fēng)險主要決定于有效態(tài)的含量，所以要進行生物有效性分析首先需要進行重金屬的形態(tài)分析。

重金屬形態(tài)指重金屬的價態(tài)、化合態(tài)、結(jié)合態(tài)和結(jié)構(gòu)態(tài)四個方面,即某一重金屬元素在環(huán)境中以某種離子或分子存在的實際形式。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會的定義,形態(tài)分析指表征與測定一個元素在環(huán)境中存在的各種不同化學(xué)形態(tài)與物理形態(tài)的過程[15]。

2.1 總量預(yù)測法

土壤重金屬總量作為評估土壤污染的重要指標(biāo),廣泛存在于各國土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中。但眾多研究結(jié)果表明,僅通過重金屬總量并不能準(zhǔn)確評估和預(yù)測土壤重金屬的環(huán)境風(fēng)險、生物有效性和毒性[12,14,16]。然而,目前絕大多數(shù)國家的重金屬環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險評價程序還是基于環(huán)境中重金屬的總濃度而非實際暴露濃度進行衡量,也忽略了不同環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)差異,在很多場合其局限性已開始暴露。

2.2 單獨提取法

單獨提取法屬于化學(xué)提取法的一種，適用于當(dāng)痕量金屬大大超過環(huán)境背景值的情況，是采用單一提取劑提取，將溶液分為有效態(tài)和殘渣態(tài)的形態(tài)分析方法。單獨提取法的特點是利用某一提取劑直接溶解某一特定形態(tài),如水溶態(tài)、可遷移態(tài)、生物可利用態(tài)等，這一方法操作簡便,提取時間短,便于直觀了解土壤的受污染程度。常用的提取劑種類有水、無機鹽提取劑、酸提取劑、有機絡(luò)合物提取劑等。

以水作提取劑可測定土壤溶液中的遷移態(tài)金屬元素,但是這一提取劑有兩個缺點： 一是由于水本身不具備酸堿值緩沖能力,因此提取過程中酸堿值無法得到控制;二是被溶解的金屬離子會產(chǎn)生較嚴(yán)重的再吸附現(xiàn)象[16]。

電解質(zhì)溶液可以較好地釋放出以靜電吸引方式被吸附的金屬陽離子。硝酸銨是一種強酸弱堿鹽,因此會降低提取液的酸堿值。氯化鈣則不會改變土壤的酸堿值,且二價的陽離子在懸浮液中有較好的凝聚作用,鈣本身還是土壤中的主要金屬元素,因此氯化鈣是比較理想的提取劑[16]。

有機絡(luò)合物提取劑包括乙二胺四乙酸(EDTA)、二乙烯三胺五乙酸(DTPA)等試劑，這類提取劑由于可與金屬離子形成穩(wěn)定的、水溶性的絡(luò)合物而被廣泛應(yīng)用于評價重金屬元素的生物有效性。EDTA的絡(luò)合能力強,可以釋放非硅酸鹽結(jié)合態(tài)的金屬,并與植物中金屬元素的含量有較好的相關(guān)性,常用來表征植物的可利用態(tài)[17]。

DTPA提取法與植物吸收的金屬元素也有很好的相關(guān)性,同樣可用于表征植物的可利用態(tài)。DTPA絡(luò)合能力較EDTA弱,提取的選擇性較EDTA強,但可能會導(dǎo)致提取不完全。

酸提取劑包括乙酸、氯化氫等。乙酸提取法雖然與植物中金屬元素的含量有較好的相關(guān)性,但是不適合于含碳酸鹽高的土壤,且其分析結(jié)果的重現(xiàn)性不如EDTA好[18]。

2.3 Tessier五步連續(xù)提取法

化學(xué)提取法中的連續(xù)提取法通過模擬不同的環(huán)境條件,如酸性或堿性環(huán)境、氧化性或還原性環(huán)境，以及螯合劑存在的環(huán)境等,系統(tǒng)性地研究土壤中的金屬元素遷移性或可釋放性,能提供更全面的元素信息。連續(xù)提取法有以下優(yōu)點： ① 提取的過程相似于自然界狀況下土壤遭受的天然或人為原因引起的電解質(zhì)溶液淋濾過程;② 得到的各種形態(tài)之和等于元素的總量,因此分析結(jié)果可以很好地進行自檢;③ 可以得到在不同環(huán)境條件下土壤中重金屬的遷移性,用以分別判斷危害性、潛在危害性,并為土壤的合理使用提供科學(xué)依據(jù)。

應(yīng)用最廣泛的連續(xù)提取法是1979年由Tessier等人提出的基于沉積物中重金屬形態(tài)分析的五步連續(xù)提取法[18]，已廣泛應(yīng)用于土壤樣品的重金屬形態(tài)分析[19]及其毒性、生物有效性等研究[20]。五步連續(xù)提取法將金屬元素分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)及殘余態(tài)，分級萃取步驟如表1所示。

表1 Tessier五步連續(xù)提取法萃取方法

單獨提取法和Tessier五步連續(xù)提取法被環(huán)境學(xué)家和土壤學(xué)家廣泛地用于分析土壤和水體沉積物中重金屬的污染及其遷移、生物顆粒性等方面的研究，并取得了大量研究成果。但是這些利用不同提取劑、不同分析流程得到的往往是操作性定義的重金屬元素形態(tài),因此結(jié)果很難進行相互比較,也沒有一種提取方法能被國際土壤環(huán)境界學(xué)者普遍接受。

2.4 電化學(xué)方法

總量預(yù)測法不能有效地反映重金屬生物有效性，化學(xué)提取法存在諸多不足且操作復(fù)雜、再現(xiàn)性差。1997年，Maiz等[21]在電化學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上提出了更簡便的兩步提取法。

Maiz等人提出的方法可專門用于提取土壤環(huán)境中的活性重金屬,包括移動態(tài)組分和易移動態(tài)組分，他們認為易溶態(tài)、交換態(tài)、螯合態(tài)代表金屬對環(huán)境當(dāng)前的和潛在的污染,三者最能體現(xiàn)重金屬的生物有效性。

差示脈沖陽極溶出伏安法[22]是測定痕量重金屬離子有效態(tài)的電化學(xué)分析方法,儀器價格適中，易于普及應(yīng)用,已用于水樣等樣品中痕量金屬的測定。將化學(xué)提取方法與此方法相結(jié)合，可以快速準(zhǔn)確地測定土壤中有效態(tài)重金屬的含量，較好地反映重金屬的生物有效性。因為陽極溶出伏安法進行中電極動力學(xué)過程與重金屬穿過細胞膜進入細胞的過程類似,所以陽極溶出伏安法能夠較好地反映出重金屬的毒性,為重金屬風(fēng)險評估提供理論依據(jù)。

電化學(xué)方法也存在各種重金屬之間易相互干擾的問題[23]，土壤中存在的腐植酸和其它有機物會影響電極富積和溶出過程,從而導(dǎo)致極譜峰分裂，出現(xiàn)肩峰或亞峰,給定量帶來誤差，需要通過添加掩蔽劑來解決。

3 土壤重金屬形態(tài)分析的環(huán)境學(xué)意義

3.1 土壤重金屬形態(tài)與可遷移性的關(guān)系

土壤中重金屬向植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移過程與重金屬的種類、價態(tài)、存在形式及土壤和植物的種類特性有關(guān)[24],土壤的酸堿性質(zhì)、氧化還原性質(zhì)、膠體的含量和組成，以及氣候、水文、生物等條件是土壤中重金屬存在形態(tài)的重要影響因素。土壤中重金屬的活性很大程度上取決于其賦存狀態(tài),不同形態(tài)的重金屬產(chǎn)生不同的環(huán)境效應(yīng)與生物毒性。土壤重金屬形態(tài)分析與重金屬在土壤中的遷移性、可給性、活性及污染土壤修復(fù)有密切關(guān)系[25]。

3.2 土壤重金屬形態(tài)與可給性的關(guān)系

土壤中重金屬的可給性是土壤與土壤水溶液間形態(tài)轉(zhuǎn)化與傳質(zhì)平衡的反映,水溶態(tài)、可交換態(tài)和有機絡(luò)合態(tài)是主要的可給性形態(tài)[26]。

4 問題及展望

重金屬形態(tài)分析的主要目的是確定具有生物毒性的重金屬的含量,分析難度比測定元素總量的難度要大很多，現(xiàn)行所用的一般形態(tài)分析方法不能分離與測定土壤溶液中游離的金屬離子含量,也不能給出土壤顆粒物中重金屬元素的真實形態(tài),從而限制了生物有效性的研究。到目前為止，國際上還沒有一種土壤中元素形態(tài)與生物有效性分析方法是被普遍接受和普適的,因而發(fā)展科學(xué)可靠、簡單易行的分析方法和有一定靈敏度的檢測儀器,進而準(zhǔn)確測定環(huán)境中重金屬元素的真實形態(tài)是今后迫切需要研究的問題與方向。目前大多數(shù)生物試驗都是在單一金屬和單種生物環(huán)境下進行的,金屬混合物的毒性，以及生物群落對毒性效應(yīng)的影響還有待開展。

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(編輯： 爾 東)

上海交大與上海電氣集團簽署校企合作協(xié)議

日前，上海交通大學(xué)與上海電氣集團產(chǎn)學(xué)研合作交流會暨校企合作協(xié)議簽約儀式在交大徐匯校區(qū)舉行。儀式上，上海電氣集團股份有限公司副總裁陳干錦介紹了上海電氣與上海交大的合作情況。上海交通大學(xué)潘健生院士、江秀臣教授課題組、奚立峰教授先后就交大在核電大鍛件、新能源風(fēng)電及電力設(shè)備智能化、智能制造及裝備等領(lǐng)域的合作進行了詳細介紹。雙方就進一步加強各領(lǐng)域合作進行了深入交流。根據(jù)協(xié)議，雙方將本著優(yōu)勢互補、資源共享、合作雙贏、共同發(fā)展的原則，建立長期、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的合作伙伴關(guān)系，構(gòu)建長效合作機制，通過共建產(chǎn)學(xué)研合作平臺，充分發(fā)揮各自科研優(yōu)勢，對接國家和上海戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，在技術(shù)合作開發(fā)、高端人才培養(yǎng)、學(xué)生實習(xí)實踐、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化等各方面開展廣泛合作，共同為產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展作出貢獻。

The various analytical methods on heavy metal forms in two different media i.e. water and soil and the relationship between the bioavailability and the morphology of heavy metals were studied and compared. The advantages and disadvantages of various methods for heavy metal morphological analysis were evaluated, and the applicability of several different evaluation methods and the difference of evaluation results were compared. The results show that the evaluation results of different analytical methods have major differences, and they are related to the existence state (liquid or solid) of the analytic objects. The difference of the evaluation results may affect the application of bioavailability in risk assessment and pollution control. The focal point of future development should strengthen the theoretical study of the bioavailability of the heavy metals for unitization and standardization of the evaluation method, for improvement of the reliability of the data, so as to provide a theoretical basis for control and restoration of the environment polluted by heavy metals and for resource utilization of production wastes.

Heavy Metal； Morphological Analysis； Bioavailability； Risk Evaluation

2016年10月

孫軍(1986— )，男，碩士，助理工程師，主要從事環(huán)保專業(yè)固體廢物處理工作， E-mail： sunjun@shanghai-electric.com

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1674-540X(2017)02-050-05