郭連文，陳 宏，* ，姜玉花，張洋洋，薄 樂，勵(lì)建榮，*

(1.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，“食品貯藏加工及質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心”遼寧省高校重大科技平臺(tái)，遼寧錦州121013;2.遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，遼寧錦州121001)

土壤污染影響農(nóng)產(chǎn)品安全，污染土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與早期預(yù)警已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。重金屬具有親脂性、高富集性和難降解性，為環(huán)境優(yōu)先污染物。重金屬污染不但對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，影響植物生長和發(fā)育，而且還可以通過食物鏈進(jìn)入人體，危害到人類的生存和健康。研究表明，重金屬污染物對(duì)植物的毒性主要取決于其賦存形態(tài)而不是總量［1］，何種形態(tài)的重金屬能夠表明土壤污染程度一直是難以回答的問題。重金屬植物有效性(Phytoavailability)是指重金屬能對(duì)植物產(chǎn)生毒性效應(yīng)或被植物吸收的性質(zhì)，包括毒性和植物可利用性［2］，被認(rèn)為是衡量重金屬元素遷移性、植物可利用性和生態(tài)影響的關(guān)鍵參數(shù)［3］。在過去的十幾年里，許多研究者利用不同的分析方法和技術(shù)手段來預(yù)測(cè)植物中的重金屬含量［4－6］，如 Tessier等提出的連續(xù)提取法［5］，歐共體(現(xiàn)歐盟)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局提出的三步提取法(BCR法)［6］等，但這些重金屬植物有效性分析方法往往都只是操作定義，化學(xué)萃取劑缺乏選擇性，各形態(tài)之間存在一定程度的重疊，提取過程中存在重金屬的再吸附與再分配問題，金屬離子被提取液溶解以后又被土壤吸附，而且缺乏對(duì)重金屬在環(huán)境中動(dòng)態(tài)變化的研究。因此，建立基于重金屬形態(tài)、能夠模擬植物對(duì)重金屬的動(dòng)態(tài)吸收過程、且所測(cè)定土壤中重金屬有效態(tài)與其植物有效性密切相關(guān)的科學(xué)表征土壤重金屬污染程度的分析評(píng)價(jià)方法已成為土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與食品安全早期預(yù)警研究的當(dāng)務(wù)之急。

由英國科學(xué)家Davison和Zhang于1994年發(fā)明的薄膜梯度擴(kuò)散(Diffusive gradients in thin－films，DGT)技術(shù)是一種新型的原位被動(dòng)采樣技術(shù)，能富集被監(jiān)測(cè)物質(zhì)，并能根據(jù)被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的富集量定量測(cè)定環(huán)境中該物質(zhì)的有效態(tài)濃度，是目前較為理想的元素形態(tài)采集和分析的方法［7－10］，已廣泛地應(yīng)用到天然水體、土壤、沉積物間隙水中重金屬形態(tài)的采集與測(cè)量［11－22］。DGT技術(shù)可以通過模擬植物對(duì)重金屬的吸收過程來進(jìn)行重金屬植物有效性研究，可用于研究重金屬形態(tài)與重金屬可被植物吸收程度的相關(guān)性［23－28］。本文就DGT技術(shù)在重金屬植物有效性研究中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 DGT技術(shù)用于重金屬形態(tài)分析的原理與機(jī)理

DGT裝置主要由擴(kuò)散相和結(jié)合相兩部分組成［29］:擴(kuò)散相是DGT技術(shù)定量的基礎(chǔ)，主要由含有一定孔徑的水凝膠或半透膜構(gòu)成;結(jié)合相是由帶有能提供配位電子對(duì)的官能團(tuán)的高分子化合物構(gòu)成，其作用是配位擴(kuò)散過來的金屬，使擴(kuò)散相與結(jié)合相間的金屬濃度降至最低。DGT技術(shù)以Fick第一擴(kuò)散定律為理論基礎(chǔ)［29］。結(jié)合相被厚度為Δg的擴(kuò)散相與本體溶液分開，離子的傳輸僅僅通過面積為A的擴(kuò)散相進(jìn)行。在時(shí)間t內(nèi)，金屬離子從擴(kuò)散相到結(jié)合相的擴(kuò)散量(M)可以表達(dá)為:

式中:D為金屬離子在擴(kuò)散相的擴(kuò)散系數(shù)，Cb為本體溶液中金屬離子濃度。

通過測(cè)定結(jié)合相中被測(cè)金屬的量M，便可確定本體溶液中金屬離子濃度Cb。

擴(kuò)散系數(shù)是影響DGT技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵因素［12］。此外，影響DGT分析的因素還包括被測(cè)組分與擴(kuò)散相的相互作用、擴(kuò)散邊緣層厚度、離子強(qiáng)度、pH以及固體結(jié)合相的洗脫效率等［8］。

由于本體溶液(如天然水、土壤溶液等)中存在多種絡(luò)合劑(L)，所形成金屬絡(luò)合物(ML)的穩(wěn)定性各不相同，DGT測(cè)定金屬形態(tài)的機(jī)理也不相同。根據(jù)DGT結(jié)合劑(B)與ML的反應(yīng)情況，DGT測(cè)定金屬形態(tài)的機(jī)理主要分為3種情況(圖1):活性反應(yīng);完全惰性反應(yīng);部分活性反應(yīng)［17，30］。

第1種情況(圖1a):活性反應(yīng)，金屬自由離子與結(jié)合劑的絡(luò)合反應(yīng)速度很快，ML迅速離解后的金屬離子與B結(jié)合形成穩(wěn)定絡(luò)合物(MB)。擴(kuò)散相與結(jié)合相間M和ML的濃度均為零，而且在擴(kuò)散層中形成了穩(wěn)定的擴(kuò)散梯度，DGT測(cè)量的是溶液中金屬M(fèi)的所有形態(tài)的總濃度。

第2種情況(圖1b，圖1c):完全惰性反應(yīng)，圖1b表示金屬絡(luò)合物ML幾乎不發(fā)生離解，且ML也不與B發(fā)生配體交換反應(yīng)，只有M與B反應(yīng)形成穩(wěn)定絡(luò)合物MB;圖1c表示由于擴(kuò)散膜的孔徑小，而ML分子體積較大，ML不能穿過擴(kuò)散膜與結(jié)合劑反應(yīng)。以上兩種情況 DGT只能測(cè)量 M的濃度，而檢測(cè)不到ML。

圖1 DGT對(duì)金屬(M)和絡(luò)合物(ML)的吸收過程以及它們與結(jié)合劑之間存在的反應(yīng)［17，30］Fig.1 Schematic representation of concentration profiles for the DGT uptake of M and the complexes ML［17，30］

第3種情況(圖1d):部分活性反應(yīng)，M可以迅速與B反應(yīng)形成穩(wěn)定絡(luò)合物MB，但ML卻只有部分與B發(fā)生反應(yīng)。ML與B的配體交換反應(yīng)程度主要取決于ML在擴(kuò)散中的解離程度和ML與B的反應(yīng)程度。ML離解程度受擴(kuò)散膜厚度的影響，當(dāng)其足夠厚時(shí)，ML就有足夠的時(shí)間進(jìn)行離解，否則絡(luò)合物就離解較少。ML與B的反應(yīng)程度取決于MB和ML的相對(duì)穩(wěn)定性，如果MB的穩(wěn)定常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ML的穩(wěn)定常數(shù)，擴(kuò)散相與結(jié)合相界面上ML的濃度將會(huì)顯著降低。

DGT技術(shù)目前已成為最有發(fā)展?jié)摿Φ脑槐粍?dòng)采樣技術(shù)之一。結(jié)合相研究發(fā)展迅速，從單一結(jié)合相發(fā)展到復(fù)合結(jié)合相，從固體結(jié)合相發(fā)展到液體結(jié)合相，從選擇性較差的結(jié)合相發(fā)展到具有高度選擇性的結(jié)合相。擴(kuò)散相研究不斷推進(jìn)，從水凝膠擴(kuò)散相發(fā)展到透析膜擴(kuò)散相，從電中性擴(kuò)散相發(fā)展到荷電性擴(kuò)散相［29］。由以上 DGT測(cè)定機(jī)理分析可知，DGT測(cè)量的是自由金屬離子和部分金屬絡(luò)合物。擴(kuò)散相的孔徑、厚度，結(jié)合相與金屬的絡(luò)合能力、結(jié)合相與金屬絡(luò)合物的交換反應(yīng)速度，以及金屬絡(luò)合物分子大小等都影響 DGT對(duì)金屬測(cè)量的有效態(tài)［29］。DGT技術(shù)正是通過改變以上各因素，調(diào)整其測(cè)定的有效態(tài)，使DGT有效態(tài)與植物有效性相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)DGT技術(shù)預(yù)測(cè)重金屬植物有效性的目的。

2 應(yīng)用DGT技術(shù)研究重金屬植物有效性

DGT技術(shù)是一種新型的原位被動(dòng)采樣技術(shù)，DGT技術(shù)具有形態(tài)選擇性，只能測(cè)量那些能夠通過擴(kuò)散層并能被結(jié)合相累積的可溶性形態(tài);DGT技術(shù)具有形態(tài)原位固定和富集功能，能真實(shí)反映實(shí)際形態(tài)，可測(cè)量超痕量被監(jiān)測(cè)物質(zhì);DGT技術(shù)具有定量測(cè)量功能，根據(jù)DGT中的累積量可推算環(huán)境中被測(cè)組分的濃度，并可提供被監(jiān)測(cè)物質(zhì)有效態(tài)在監(jiān)測(cè)期間的平均濃度;DGT技術(shù)是一種動(dòng)力學(xué)采樣技術(shù)，可通過模擬生物對(duì)物質(zhì)的吸收過程來進(jìn)行物質(zhì)生物有效性的研究［17，29］。應(yīng)用DGT技術(shù)研究重金屬植物有效性，其核心任務(wù)在于建立重金屬的DGT有效態(tài)與重金屬植物有效性的相關(guān)性，用相對(duì)簡單和易重復(fù)的化學(xué)方法取代生物測(cè)試方法，使化學(xué)形態(tài)的測(cè)定能夠提供植物毒性和植物有效性的信息［29］。

Davison等［31］1999年首次探討DGT測(cè)定土壤中重金屬有效態(tài)濃度(CDGT)與其植物有效性之間的關(guān)系。研究表明，水芹中 Cd、Co、Cu、Ni、Pb 和 Zn 的濃度和CDGT都隨著土壤濕度的增大而增大，而土壤溶液中的金屬濃度則下降。該實(shí)驗(yàn)說明DGT技術(shù)能夠很好地預(yù)測(cè)植物對(duì)重金屬的吸收，同時(shí)也表明DGT對(duì)重金屬的富集與植物對(duì)重金屬的吸收具有相似的機(jī)理。該結(jié)果還表明植物對(duì)重金屬的吸附不是簡單由土壤溶液控制，土壤溶液的金屬擴(kuò)散補(bǔ)給和顆粒物上的金屬解吸都影響植物對(duì)重金屬的吸收。

Zhang等［32］利用 DGT 法預(yù)測(cè)了植物(lepidium heterophyllum)對(duì)銅的植物可利用性。研究組在歐洲范圍內(nèi)測(cè)定了29種含銅量不同土壤中銅的DGT有效態(tài)濃度(CDGT)、EDTA萃取態(tài)銅濃度、Cu2+的活度和土壤溶液銅的總濃度，并與種植在這些土壤上的植物對(duì)銅的累積濃度進(jìn)行了比較。研究表明，銅在植物中累積的濃度與銅的CDGT有高度的相關(guān)性，但是與銅離子活度、EDTA萃取濃度、土壤溶液總濃度則沒有相關(guān)性。說明土壤中重金屬主要供給過程是擴(kuò)散和不穩(wěn)定金屬的釋放，為使用CDGT預(yù)測(cè)土壤中重金屬植物有效性提供了可能。

Song等［33］比較了 DGT 法和 1mol/L NH4NO3溶液萃取法預(yù)測(cè)了一種銅超積累植物(Elsholtzia splendens)和一種耐銅植物(Silene vulgaris)對(duì)30種不同濃度銅污染土壤中銅的植物有效性。實(shí)驗(yàn)表明，兩種植物中銅的累積濃度與銅的DGT有效態(tài)濃度CDGT有很好相關(guān)性。與土壤中銅的總濃度、EDTA萃取銅濃度和Cu2+的活度相比，CDGT更適合作為銅的植物有效性的評(píng)價(jià)依據(jù)。Tian等［34］野外采集水稻及其根際土壤，比較各種化學(xué)提取法(土壤溶液、醋酸提取和提)和DGT技術(shù)分析土壤中重金屬(Cd、Cu、Pb和Zn)的含量。結(jié)果表明，CDGT與植物吸收金屬濃度的相關(guān)性明顯優(yōu)于其他的形態(tài)分析方法。

宋寧寧等［35］分別采用固態(tài)結(jié)合相(chelex100)和液態(tài)結(jié)合相(聚丙烯酸鈉，PAAS)的DGT裝置，對(duì)廣西桑田土壤中Pb進(jìn)行了累積和測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，兩種裝置測(cè)定的土壤中Pb的有效態(tài)濃度與桑樹老葉和嫩葉中的Pb含量都顯著相關(guān)，表明兩種結(jié)合相的DGT裝置均能較好預(yù)測(cè)桑田土壤中Pb的植物有效性。融合土壤 pH、陽離子交換量(CEC)、有機(jī)質(zhì)(OM)和土壤顆粒組成等理化指標(biāo)影響，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析，建立了逐步回歸模型。多元統(tǒng)計(jì)分析表明，兩種結(jié)合相的DGT技術(shù)所構(gòu)建的回歸模型是可靠的，其調(diào)整判定系數(shù) R2分別為 0.87、0.89、0.96和0.95，且預(yù)測(cè)結(jié)果融合了影響土壤有效態(tài)Pb含量的pH、CEC、有機(jī)質(zhì)和土壤質(zhì)地等各種因素。

王芳麗［36］等采用田間調(diào)查及ICP－MS等技術(shù)手段結(jié)合，在廣西采集田間甘蔗和甘蔗根際土，分別用乙酸、乙二胺四乙酸二鈉、氯化鎂3種化學(xué)提取方法和DGT技術(shù)提取甘蔗根際土中有效態(tài)Cd含量，研究其與甘蔗根、葉和莖中Cd含量之間的關(guān)系。簡單相關(guān)分析表明，4種方法提取的有效態(tài)Cd含量都與甘蔗根和莖中Cd含量顯著相關(guān)，但DGT的相關(guān)性優(yōu)于化學(xué)提取方法。綜合土壤pH、陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)和土壤顆粒組成等理化指標(biāo)對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響，運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析，確定兩種主成分因子，建立了多元回歸模型。結(jié)果表明，DGT技術(shù)模型融合了影響土壤Cd植物有效性的主要因子，預(yù)測(cè)結(jié)果幾乎不受本研究所選取的土壤基本理化指標(biāo)影響，因而是一種預(yù)測(cè)Cd植物有效性的較好方法。

Liu等［37］使用DGT技術(shù)對(duì)水稻中甲基汞富集機(jī)理進(jìn)行了研究。以3－巰基丙基－官能化硅膠為結(jié)合相，以聚丙烯酰胺凝膠為擴(kuò)散相，利用DGT技術(shù)在水稻整個(gè)生長生殖期對(duì)稻田土壤中甲基汞的含量變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，DGT技術(shù)測(cè)定的土壤－孔隙水界面甲基汞通量與水稻根系吸收土壤甲基汞通量呈顯著正相關(guān)(R=0.853，p＜0.01)，且DGT對(duì)土壤甲基汞的富集量與水稻果實(shí)對(duì)甲基汞的富集量呈顯著正相關(guān)(R=0.768，p＜0.05)。這一發(fā)現(xiàn)證明DGT技術(shù)可用于有效評(píng)估汞污染土壤種植水稻可能存在的生態(tài)毒性風(fēng)險(xiǎn)。

Divis等［38］以斯維塔瓦河中苔蘚類植物三角莫絲(Fontinalis antipyretica)為實(shí)驗(yàn)生物，以聚丙烯酰胺凝膠為擴(kuò)散相，以chelex100為結(jié)合相，利用DGT技術(shù)研究了Cd，Pb，Cr和Zn的DGT有效態(tài)與三角莫絲植物有效性的相關(guān)性。研究表明，三角莫絲體內(nèi)Cd、Pb、Cr和 Zn的富集量與河水中 Cd、Pb、Cr和 Zn的DGT有效態(tài)濃度有很好的相關(guān)性。

以上研究表明DGT技術(shù)能夠很好地預(yù)測(cè)重金屬的植物有效性，但DGT技術(shù)在對(duì)重金屬植物有效性的預(yù)測(cè)方面，并沒有取得一致的結(jié)論。Koster等［39］比較了DGT法和0.01mol/L CaCl2溶液萃取法在28種外加標(biāo)的土壤中對(duì)鋅的植物可利用性進(jìn)行了測(cè)量。在土壤溶液中DGT法測(cè)量的鋅的有效態(tài)濃度與0.01mol/L CaCl2溶液萃取法測(cè)量的鋅的濃度有很好的相關(guān)性。在萵苣和草類植物中的鋅的累積與鋅的DGT有效態(tài)濃度也表現(xiàn)出很好相關(guān)性。而在羽扁豆類植物和等足目動(dòng)物中的鋅的累積與鋅的DGT有效態(tài)濃度則沒有相關(guān)性。Amas等［40］應(yīng)用DGT技術(shù)研究工業(yè)污染土壤中Cd和Pb的形態(tài)對(duì)菠菜(Spinacia oleracea)和意大利黑麥草(Lolium multiflorum)的影響。在非毒性濃度范圍內(nèi)，兩種植物體內(nèi)的Cd和Pb的濃度與CDGT之間有很好的相關(guān)性，但是在毒性范圍內(nèi)，CDGT則高估這兩種植物對(duì)Cd和Pb的吸收。對(duì)于生菜(Lettuce，Lactuva sativacv Appia)來說，能夠有效地預(yù)測(cè)生菜對(duì)Pb的吸收，卻無法有效地預(yù)測(cè)生菜對(duì)Cd的吸收?？赡艽嬖谄渌^程(植物內(nèi)在控制機(jī)制)而非土壤過程控制著生菜對(duì)Cd的吸收。

3 展望

土壤污染屬于食品安全的源頭性污染，我國目前土壤污染總體形勢(shì)嚴(yán)峻，土壤污染造成有害物質(zhì)在農(nóng)作物中積累，并通過食物鏈進(jìn)入人體，引發(fā)各種疾病，最終危害人體健康。土壤中的重金屬污染問題尤為突出，1.5億畝耕地受重金屬污染，環(huán)保部門估算全國每年因重金屬污染的糧食高達(dá)1200萬噸，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元。隨著生活水平的提高和營養(yǎng)與安全意識(shí)的加強(qiáng)，食品質(zhì)量安全越來越得到人們的關(guān)心和重視。加強(qiáng)食品有害物質(zhì)形成、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及控制方法研究，食品中有毒物質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的技術(shù)與方法研究，食品安全溯源與預(yù)警的理論和方法研究，建立土壤重金屬污染的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，是食品安全與質(zhì)量控制領(lǐng)域的重要任務(wù)。

重金屬植物有效性研究是環(huán)境生態(tài)和食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與早期預(yù)警研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。雖然近年來人們已經(jīng)做了廣泛和深入的研究，但是對(duì)于重金屬有效性的認(rèn)識(shí)十分有限，在研究方法及定量化研究方面還存在諸多不足［3］。迄今為止，尚沒有一個(gè)被公認(rèn)的、可以普遍運(yùn)用的形態(tài)與植物有效性之間關(guān)系的方法，可以用來進(jìn)行分析研究［41］。

DGT技術(shù)之所以能夠有效地預(yù)測(cè)重金屬的植物有效性，關(guān)鍵在于DGT技術(shù)在測(cè)量重金屬植物有效性方面有著不同于其他化學(xué)分析方法的優(yōu)勢(shì)，DGT技術(shù)引入了一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，可以通過模擬植物對(duì)重金屬的吸收過程進(jìn)行重金屬植物有效性的研究。雖然DGT技術(shù)在模擬植物吸收重金屬方面有著不錯(cuò)的效果，但并不是在所有條件下都能有效地預(yù)測(cè)重金屬的植物有效性，這是因?yàn)镈GT技術(shù)并不能完全包含植物生長過程中所受的各種影響因素，如植物根際區(qū)域的微生物、根部分泌物等方面的作用，而這些作用對(duì)植物吸收金屬有著不容忽視的影響。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)DGT技術(shù)如何更好地反映這些影響方面的研究。DGT技術(shù)若與生態(tài)毒理學(xué)研究手段相結(jié)合，便可用于環(huán)境生態(tài)和食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與早期預(yù)警，亦可為制定基于重金屬形態(tài)的水和土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)，推進(jìn)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的科學(xué)化。

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