土壤重金屬形態(tài)分析方法研究進(jìn)展

楊愛萍，崔羅肖，李 蒙，任宗玲

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510000）

近年來，人類生產(chǎn)活動引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，尤其是嚴(yán)重的土壤重金屬污染。

化肥施用、污水灌溉以及采礦過程中的廢棄物排放等是造成土壤重金屬含量過高的主要原因。重金屬是指原子密度大于5g·cm-3的一類金屬，其中目前研究關(guān)注最多的是鎘（Cd）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鋅（Zn）以及類金屬元素砷（As）和汞（Hg）（Ali et al.,2018）。據(jù)估計，我國土壤點位重金屬超標(biāo)率達(dá)到16.10%，典型地塊土壤重金屬超標(biāo)率則高達(dá)36.30%，其中礦區(qū)周邊土壤和水體中的重金屬污染程度與當(dāng)?shù)夭傻V和冶煉等工業(yè)水平有著直接的關(guān)系（Hu et al.,2019；Yun et al.,2017）。由于重金屬的不可降解性及污染的隱蔽性和長期性，土壤中較高含量的重金屬會破壞生態(tài)環(huán)境并影響到農(nóng)業(yè)安全。農(nóng)田土壤中重金屬含量過高（包括某些必需金屬，如：Fe、Mn和Zn）會對植物的正常生長過程構(gòu)成嚴(yán)重威脅，這些重金屬可通過農(nóng)田作物的吸收以及食物鏈的累積放大，進(jìn)而對人類健康造成危害（Mwesigye et al.,2016；Nagajyoti et al.,2010）。食用種植在Cd超標(biāo)的農(nóng)田中的水稻會誘發(fā)人體“骨痛病”，人體攝入Pb及其化合物會造成神經(jīng)系統(tǒng)的損傷（焦洪鵬等，2017）。通常認(rèn)為，重金屬在土壤中的賦存形態(tài)會影響其在水土體系中的遷移轉(zhuǎn)化等行為以及其本身的生物可利用性和毒性（Guo et al.,2021）。

1 重金屬形態(tài)研究方法

到目前為止，許多前人報道探究了重金屬形態(tài)與其產(chǎn)生的植物毒性以及潛在釋放能力之間的關(guān)系。通常以0.01mol·L-1CaCl2以 及0.43mol·L-1HNO3溶 液 作 為單一浸提劑來提取土壤中的重金屬元素，定量分析土壤重金屬的有效性，其中CaCl2溶液浸提的部分可被植物吸收利用，而HNO3浸提的部分則是用來評估重金屬在土壤中的潛在風(fēng)險的一個重要指標(biāo)（Khadhar et al.,2020）。但化學(xué)浸提通常是破壞性提取，因此采用該種方法提取的重金屬難以對控制重金屬毒性的關(guān)鍵形態(tài)做出定量解釋。土壤溶液中重金屬的自由態(tài)離子是其產(chǎn)生毒性的關(guān)鍵形態(tài)（Ore et al.,2010），考慮到土壤溶液的緩沖性以及化學(xué)浸提方法中的干擾問題，道南膜技術(shù)（Donnan membrane technology,DMT）常被用來測定土壤溶液中的自由態(tài)重金屬離子含量（Temminghoff et al.,2000；Weng et al.,2001）。但由于DMT技術(shù)本身存在步驟繁瑣，耗時較長的問題，因此相應(yīng)的模型預(yù)測手段也逐漸得到發(fā)展應(yīng)用（Kinniburgh et al.,1996；Ren et al.,2015）。

1.1 化學(xué)浸提

單一浸提是指按照一定土液比將一種或幾種化學(xué)試劑與土壤混合提取一次后，測定溶液中提取態(tài)重金屬含量的方法。不同提取劑提取效果的差異與其提取的機制不同有很大的關(guān)系。按照提取劑不同性質(zhì)，可將其分為：稀酸溶液、中性鹽溶液和絡(luò)合劑等。稀酸溶液提取劑主要有醋酸（HAc）、鹽酸（HCl）和硝酸（HNO3）等，常用于酸性土壤中重金屬生物有效性的研究。眾多研究發(fā)現(xiàn)0.1 mol·L-1HCl提取態(tài)重金屬含量與植物吸收量相關(guān)性顯著（李富等，2020；劉繁燈等，2017），但也有研究認(rèn)為0.43 mol L-1HNO3對重金屬生物有效的評價結(jié)果更為可靠（Brady et al.,2016）。中性鹽溶液提取劑主要有氯化鈣和硝酸鈉等，該類型提取劑主要通過離子交換作用對水溶態(tài)和部分可交換態(tài)重金屬進(jìn)行提取，其中CaCl2提取態(tài)重金屬含量與多種作物累積重金屬含量存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，是目前應(yīng)用最多的中性鹽提取劑。絡(luò)合型提取劑包括二乙三胺五乙酸（diethylenetriamine pentaacetic acid,DTPA）、 乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA）和乙二胺四乙酸二鈉（disodium ethylenediamine tetraacetate,EDTA-Na2）等，該類型提取劑通過絡(luò)合作用將土壤中重金屬離子提取出來，可以模擬植物根系分泌物對重金屬的活化作用，絡(luò)合型提取劑對堿性土壤中重金屬的提取效果也較好（Bakircioglu et al.,2011；王婷等，2012）。單一提取劑通常只對少數(shù)幾種重金屬的提取效果較好，且不同提取劑對不同土壤類型的提取效果不同。目前還沒有一種普適性的單一提取劑可以較好的對所有土壤類型中的重金屬進(jìn)行有效地提取。

連續(xù)提取法模擬自然及人為的環(huán)境條件變化，合理使用一系列選擇性試劑，連續(xù)溶解不同吸附痕量元素的礦物相。通常采用中性、弱酸性、中酸性、強酸性提取劑對土壤重金屬進(jìn)行逐級提取，隨著浸提劑的破壞性逐漸增強，重金屬按照結(jié)合能力由弱到強被逐級浸提。20世紀(jì)70年代末，在前人研究的基礎(chǔ)上，Tessier提出了用不同溶蝕能力的化學(xué)試劑，對海洋沉積物進(jìn)行連續(xù)溶蝕和分離的操作，將其分成若干個操作上定義的化學(xué)形態(tài)，建立了Tessier連續(xù)提取法（Tessier et al.,1979）。Tessier法將土壤中重金屬形態(tài)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)、有機及硫化物結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)等五種形態(tài)。BCR連續(xù)提取法是20世紀(jì)90年代歐盟標(biāo)準(zhǔn)測量和測試機構(gòu)提出的較新的劃分方法（Ure et al.,1993），將重金屬形態(tài)分為四種（酸溶態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)、殘渣態(tài)）。另外，Dold（2003）為了更有效區(qū)分硫酸鹽沉淀中重金屬元素的溶解和解吸過程，并考慮到智利北部干燥氣候的影響，將浸提順序作了適當(dāng)修改以適應(yīng)研究區(qū)域銅硫化物尾礦的特定礦物學(xué)特征，從而形成了Dold連續(xù)浸提法。邢寧等（2011）采用Dold連續(xù)浸提法，通過區(qū)分重金屬所吸附的礦物相，從而將重金屬分為7個不同的形態(tài)，分別為賦存在可溶性硫酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、次生的非結(jié)晶態(tài)鐵氧化物和結(jié)晶態(tài)鐵氧化物中的重金屬，有機物結(jié)合態(tài)重金屬、賦存在硫化物礦物上的重金屬以及賦存在硅酸鹽類礦物中的殘渣態(tài)重金屬。

1.2 電化學(xué)方法

隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)生物體對重金屬的吸收程度與自由態(tài)金屬離子以及不穩(wěn)定絡(luò)合態(tài)金屬之間有更高的相關(guān)性。

考慮到樣品的分離方法會直接影響到重金屬離子形態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，前人為此提出了多種解決方法。電化學(xué)檢測方法的原理主要是基于物質(zhì)自身相關(guān)的電化學(xué)性質(zhì)及基本電化學(xué)原理，通過相應(yīng)特定傳感器測定電類物理量并分析其中重金屬含量的方法。其中，離子選擇電極法和伏安法都屬于電化學(xué)法。

離子電極可將溶液中離子活度以電極電位呈現(xiàn)，通過能斯特方程計算出離子活度進(jìn)而得到待測溶液中重金屬含量。離子選擇電極法操作簡單且成本不高，可以直接測量溶液中的游離金屬離子濃度，但存在檢出限高、溶液中其他雜質(zhì)金屬離子會干擾測定等不足（Mota,1995）。Luo et al.（2006）采用銅離子選擇電極和銅緩沖溶液校準(zhǔn)，建立了采用0.01mol·L-1KNO3提取土壤溶液中低濃度水平自由態(tài)銅離子的分析方法，以評估土壤性質(zhì)對重金屬形態(tài)分布的影響，結(jié)果表明土壤溶液pH值是影響自由態(tài)離子含量的最顯著因素，但對可溶性銅濃度影響不明顯。伏安法作為一種電化學(xué)檢測技術(shù)，具有靈敏度高、選擇性良好、操作方便、檢測設(shè)備便攜、檢測成本低等優(yōu)點，可以用于土壤中Pb2+和Cd2+的快速檢測，但土壤腐殖質(zhì)的存在會干擾重金屬的溶出伏安信 號（Borggaard et al.,2011；Mc Eleney et al.,2020），且同時目標(biāo)金屬離子的信號也會受到雜質(zhì)金屬離子的干擾，其中關(guān)于Cu2+造成干擾的報道最多（Kadara et al.,2008）。（李杜娟等，2018）用納米金/石墨烯材料修飾后的電極測試Pb2+濃度下限為0.272μg·L-1，進(jìn)行加標(biāo)回收實驗測得土壤中Pb2+的回收率區(qū)間為93.82%～109.9%。

1.3 道南膜技術(shù)

道南膜技術(shù)是基于道南平衡通過陽離子交換膜將供出室和接受室隔開，供出室待測土壤溶液中的自由態(tài)重金屬離子可以透過陽離子交換膜進(jìn)入接受室，通過測定達(dá)到道南平衡后接受液中溶解態(tài)金屬濃度，進(jìn)而計算得到自由態(tài)金屬離子含量的方法（Fitch et al.,1989；Temminghoff et al.,2000；Weng et al.,2001）。DMT的 優(yōu) 勢 在 于 它可以測量單個樣品中的多種不同元素，而且與其他方法相比，對樣品平衡的干擾和其他成分帶來的干擾均是最小的（Kalis et al.,2006）。DMT技術(shù)已廣泛用于實驗室尺度下的加標(biāo)樣品（Parat et al.,2015；Zelano et al.,2018）、實際環(huán)境中水樣和土壤等各種自然樣品中，可有效準(zhǔn)確地定量檢測多種二價金屬（Cd、Cu、Ni、Pb和Zn）的自由態(tài)離子濃度（Cancès et al.,2003；Pan et al.,2015；Vega et al.,2013），該技術(shù)在土壤重金屬形態(tài)分析和生物有效性研究中有巨大的應(yīng)用價值。例如，Ge et al.（2009）將DMT應(yīng)用于土壤重金屬的植物有效性研究中，發(fā)現(xiàn)土壤中的Cd2+濃度會影響水稻根和葉中的Cd累積量，水稻的生長終點也與Cd2+濃度密切相關(guān)。

1.4 模型手段

除了使用電化學(xué)檢測、化學(xué)浸提等實驗室分析手段研究土壤中重金屬形態(tài)，模型模擬的方法也逐漸受到人們的關(guān)注。由于模型預(yù)測重金屬形態(tài)通常只需要重金屬總濃度和基本的土壤物理化學(xué)性質(zhì)，因此大量學(xué)者對模型預(yù)測方法進(jìn)行了研究，模型方法也得到了較好的發(fā)展。

重金屬在土壤中有多種吸附質(zhì)，如鐵氧化物、有機質(zhì)和粘土礦物等，針對不同吸附質(zhì)有對應(yīng)的模型進(jìn)行針對性預(yù)測。例如，結(jié)合在水合鐵氧化物上的重金屬濃度可用表面絡(luò)合擴散雙層模型（diffuse double layer model）進(jìn)行預(yù)測，而針鐵礦與重金屬的結(jié)合通常使用CD-MUSIC（charge distribution multi-site complexation）模型預(yù)測。Donnan電勢可以很好地解釋離子強度與靜電吸附平衡之間的關(guān)系，可用于模擬計算重金屬在粘土礦物上的吸附解吸過程。

土壤溶解性有機質(zhì)含有豐富的羧基、羥基等活性官能團，可與重金屬發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而影響重金屬在土壤中的吸附解吸、遷移轉(zhuǎn)化等過程?？紤]到有機質(zhì)結(jié)合位點異質(zhì)性，多種模型可用來描述有機質(zhì)與重金屬的結(jié)合情況，例如：非理想競爭吸附模型（non-ideal competitive adsorption-Donnan model,NICA-Donnan)、腐殖酸模型（Windermere humic aqueous model,WHAM）以及SHM（Stockholm humic model）。這些模型都是基于結(jié)合位點與溶解性有機碳的濃度成比例這一主要假設(shè)，只需要設(shè)定一些關(guān)鍵參數(shù)，便可以將重金屬與有機質(zhì)結(jié)合的影響描述為環(huán)境pH值和DOC濃度的函數(shù)（Zhu et al.,2021）。WHAM、SHM和NICA-Donnan模型中將結(jié)合位點分為強弱兩類，分別為羧基類和酚羥基類（Benedetti et al.,1995；Gustafsson,2001；Tipping et al.,2011）。其中，WHAM模型假定Donnan相圍繞帶電腐殖質(zhì)大分子并且僅包含帶正電的反離子，使用經(jīng)驗玻爾茲曼因子計算離子結(jié)合的靜電效應(yīng)（Benedetti et al.,1995；Christensen et al.,1998；Tipping et al.,1992）。NICA-Donnan模型假定腐殖質(zhì)分子為離子可滲透的膠體物質(zhì)，采用Donnan相來描述靜電層發(fā)生的靜電作用，腐殖質(zhì)表面所帶負(fù)電荷被滲透進(jìn)去的反離子和共存離子所中和（趙曉鵬等，2019）。上述兩個模型采用了不同的方法來處理離子之間的競爭和化學(xué)計量的變異性（鄧迎璇，2020）。在WHAM模型中，羧基和酚羥基位點的親和力分布被視為離散分布，而NICADonnan則采用遵循Sips型函數(shù)的連續(xù)分布來描述離子親和力（Ahmed et al.,2014）。Koopmans et al.（2008）采用NICA-Donnan模型探究了EDDS對土壤中自由態(tài)重金屬形態(tài)的影響，證明了使用EDDS后會導(dǎo)致土壤溶液中自由態(tài)金屬濃度的降低。許多學(xué)者使用NICA-Donnan模型成功預(yù)測了土壤溶液中重金屬形態(tài)，并建立了自由態(tài)重金屬與植物吸收利用的相關(guān)關(guān)系（De Schamphelaere et al.,2014 ；Zhao et al.,2007）。

2 結(jié)論與展望

土壤重金屬污染已成為全球環(huán)境污染的主要關(guān)注問題，重金屬排放至土壤后因無法發(fā)生降解而不斷累積，威脅農(nóng)田安全并引發(fā)人體健康問題，因此修復(fù)重金屬污染的土壤是必要的。

多項研究表明，重金屬的毒性及生物可利用性與其賦存形態(tài)存在顯著相關(guān)關(guān)系，因此研究重金屬形態(tài)可為準(zhǔn)確評估土壤重金屬污染風(fēng)險以及提出有效修復(fù)措施提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)前，對重金屬形態(tài)研究的方法較多，但均存在一定的局限性，故采用單一形態(tài)研究方法仍需要進(jìn)一步改進(jìn)，多種方法聯(lián)合使用對重金屬形態(tài)進(jìn)行全面分析是未來發(fā)展方向。

因此本文闡述了多種重金屬形態(tài)研究方法的原理、優(yōu)缺點及應(yīng)用情況，為研究方法的選取提供參考。